专利名称：偏振预补偿稳定控制的高功率光纤激光放大器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种偏振预补偿稳定控制的高功率光纤激光放大器，属于激光控制技术领域。
背景技术：
光纤激光器具有体积小、重量轻、转换效率高、输出光束质量好等优点，近年来得到了迅猛的发展。高功率光纤激光器，尤其是超短脉冲光纤激光器，通常采用低功率种子源和多级功率放大器组成，即MOPA (Master Oscillator Power Amplifier)。主放大级通常采用的对称的光子晶体光纤或者双包层增益光纤，但是光纤放大器工作的环境中存在大量的震动、温度变化等环境干扰，放大器中的光纤容易受到周围环境中这些变化因素的干扰，导致输出光的偏振态发生抖动。放大光束的相干合成、相干探测、非线性频率转换、光学参量放大、光谱组合、光子晶体光纤中的非线性频谱展宽、激光光谱等一系列重要应用，都对 高功率光纤激光器的偏振性有很高的要求。为解决此问题，以前的方案多采用保偏的光子晶体光纤或者双包层增益光纤来保持偏振稳定的输出，但是保偏的大模场光子晶体光纤和双包层增益光纤制作困难，价格昂贵，使用也不方便，激光放大系统光路中的其他器件都要相应地采用偏振型的，成本进一步增加，况且大模场保偏光纤光学元器件制作工艺也相对不成熟。这些因素限制了这种方法的推广应用。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种偏振预补偿稳定控制的高功率光纤激光放大器，通过探测输出光的偏振变化利用电动的光纤偏振控制器来反馈补偿偏振的扰动，不仅能够实现偏振稳定的高功率激光输出，而且不使用昂贵的保偏型光纤，降低了成本，可以方便地推广到大模场光子晶体光纤或双包层增益光纤。为达到上述目的，本发明采用如下技术方案偏振预补偿稳定控制的高功率光纤激光放大器,包括偏振控制器，光纤放大器、偏振探测器、分析控制器；种子光输出方向依次是所述偏振控制器、光纤放大器、偏振探测器，偏振探测器的一个输出端输出的较强光作为放大后的高功率激光使用，偏振探测器的另一个输出端输出的较弱光输给分析控制器反馈控制偏振控制器。所述的偏振控制器包括3个成一定角度排列的光纤挤压器和一个受控光纤，受控光纤是单模光纤、多模光纤、大摸场双包层光纤或者高强度光子晶体光纤，三个光纤挤压器轴向呈45度。所述的光纤放大器包括高功率光纤隔离器，多模半导体激光器，泵浦合束器，掺镱双包层光纤，光纤准直透镜；偏振控制器输出的种子光通过高功率光纤隔离器进入泵浦合束器，多模半导体激光器连接泵浦合束器的泵浦输入端，泵浦合束器的公共端连接掺镱双包层光纤，掺镱双包层光纤的输出光通过光纤准直透镜准直后输出给所述偏振探测器。所述的光纤放大器包括高功率光纤隔离器，多模半导体激光器，泵浦合束器，掺镱双包层光纤，光纤准直透镜；所述偏振控制器输出的种子光通过高功率光纤隔离器进入掺镱双包层光纤，掺镱双包层光纤末端连接泵浦合束器的公共端，多模半导体激光器连接泵浦合束器的泵浦输入端，泵浦合束器输出端的输出光通过光纤准直透镜准直后输出给所述偏振探测器。所述偏振探测器包括波片、偏振分束器、光电探测器，光纤放大器输出的高功率激光通过波片调整偏振态，然后激光经过偏振分束器分为强弱不同的两束，较弱的一路通入光电探测器进行探测，信号经过分析控制器处理来控制偏振控制器。所述的掺镱双包层光纤为掺杂稀土兀素中的一种或多种掺杂的单模光纤、大芯径多模光纤、双包层光纤、光子晶体光纤。所述偏振分束器为是光纤结构或者空间结构。所述种子光是连续激光或纳秒、皮秒或飞秒脉冲激光。 所述的光纤激光放大器为多级级联放大，每级包含有偏振控制器、光纤放大器、偏振探测器、以及分析控制器。与现有技术相比，本发明具有以下优点1、通过电控的偏振控制器可以实时高速的对偏振扰动进行补偿，价格相对低廉，适合应用于常规的光纤激光放大器，为反馈控制高功率光纤激光器的偏振稳定输出提供一种新技术途径。2、本发明采用反馈控制使检测路的光强能量稳定在一个较小的初始值，控制简单，操作简便。3、本发明采用的偏振控制器具有相应速度快的优点，能够补偿快速的偏振抖动。4、本发明采用的偏振控制器具有插入损耗小的优点，能够直接插入光纤振荡级与放大器之间，也可插入在预放大级与功率放大级之间。5、本发明采用的偏振控制器适用于所有的光学波段，可以用于掺杂稀土元素(镱、铒、铥、钦、镨等)光纤放大器偏振的反馈控制。6、本发明采用的偏振控制器中所采用的单模光纤具有特定的高机械强度，足够承受压电陶瓷挤压光纤的应力，其中的高强度单模光纤也可用特制高强度的大芯径多模光纤或双包层光纤或光子晶体光纤，从而适用于高功率光纤放大级的偏振反馈控制。7、本发明采用的偏振探测器，可以在多个光纤级联放大器之间级联使用，提高偏振反馈控制的精度。8、本发明采用的偏振探测器，适用于连续或脉冲的光纤激光，只需偏振探测器工作相应地在连续或脉冲模式下。9、本发明采用的偏振探测器，可以方便地用于优化光纤放大器的光学倍频输出，所述的偏振探测器可以用相应的对输入偏振敏感的光学倍频器取代，通过监测光学倍频到最大的输出功率来控制光纤放大器的偏振抖动。10、本发明采用的偏振探测器，可方便地用于高功率皮秒和飞秒脉冲光纤激光的脉冲压缩，所述的偏振探测器可以用相应的对输入偏振敏感的光学脉冲压缩器取代，通过监测光学脉冲压缩器到获得最大的压缩脉冲输出功率来控制光纤放大器的偏振抖动。11、本发明采用的偏振探测器，可以方便地拓展应用于飞秒光学频率梳控制技术，通过预补偿光纤放大器的偏振变化，结合光纤飞秒激光的光场时间-频率精密控制技术，提升高功率飞秒光纤激光的时-频域控制精度。
图1是偏振预补偿稳定控制的高功率光纤激光放大器结构图。图2是光纤偏振控制器的原理图。图3是一种同向泵浦的偏振预补偿稳定控制高功率光纤激光放大器的结构图。图4是一种反向泵浦的偏振预补偿稳定控制高功率光纤激光放大器的结构图。图5是一种多级级联的偏振预补偿稳定控制高功率光纤激光放大器的结构图。图6是分析控制器的工作流程图。
具体实施例方式以下结合附图通过实施例对本发明作进一步详细说明，以便于更清楚地理解本发明如图1，本发明介绍一种偏振预补偿稳定控制的高功率光纤激光放大器，主要包括四部分，分别为偏振控制器100，光纤放大器200，偏振探测器300，分析控制器400。光强较弱的种子光通过偏振控制器100后进入光纤放大器200,光纤放大器200放大后的激光通过偏振探测器300输出，偏振探测器300获得的信息通过分析控制器400处理后，反馈控制偏振控制器100。本发明的光纤激光放大器偏振稳定，不仅可以用于生物分子的探测，还可以用于激光相干合束、生物医学成像、表面形貌成像、痕量分析、半导体界面检测、高精度时域-频域控制、激光雷达、高精度脉冲激光加工、航空航天领域的灵敏光电子检测等，具有广泛的应用前景。所述偏振控制器100采用压电陶瓷制成的光纤挤压器，光纤挤压器能动态的改变光纤的双折射参数，补偿激光的偏振态。光纤挤压器不仅可以实现高速、高效的偏振扰动补偿，获得偏振稳定的高功率激光输出，拓展高功率光纤激光的应用领域，还可以避免使用保偏光纤以及保偏器件，降低放大系统的成本。如图2,所述的偏振控制器100包括3个成一定角度排列的光纤挤压器101、102、103和一个受控光纤104，受控光纤104可以是单模光纤、多模光纤、大摸场双包层光纤或者高强度光子晶体光纤。光纤挤压器由压电陶瓷制成，可以挤压光纤产生额外的双折射，改变其中激光的偏振态。三个光纤挤压器101、102、103轴向呈45度，不同角度的挤压会引起偏振态以庞加莱球赤道平面上的某个直径为主轴旋转，这样三个自由度能够保证激光的偏振态被有效地补偿回预定位置。实施例1:如图3,是正向泵浦偏振稳定的高功率激光放大器。包括尾纤输入输出的偏振控制器100，光纤放大器，偏振探测器，分析控制器400。光纤放大器包括高功率光纤隔离器201，多模半导体激光器202，泵浦合束器203，掺镱双包层光纤204，光纤准直透镜205。多模半导体激光器202的输出功率优选为10W，工作波长优选为976nm。泵浦合束器203为(1+1)X I结构。掺镱双包层光纤204长度优选lm。所述偏振探测器包括波片301,偏振分束器302,光电探测器303。所述波片301优选1/4波片，其工作波长优选为1064nm。偏振分束器302米用偏振分束镜。偏振控制器100输出的种子光通过高功率光纤隔离器201进入泵浦合束器，多模半导体激光器202连接泵浦合束器203的泵浦输入端，泵浦合束器203的公共端连接掺镱双包层光纤204，掺镱双包层光纤204的输出光通过光纤准直透镜205准直后输出，然后通过波片301调节偏振角度射入到偏振分束器302上，使得偏振分束器302平行输出的光强最大。偏振分束镜输出的另一路较弱的光射入光电探测器303进行光强探测，分析控制器400接收光电探测器303的信号后处理反馈控制偏振控制器的压电陶瓷，使得光电探测器303探测的得到的光强稳定在某初始值，这样就可以保证激光器获得偏振稳定的输出。实施例2
如图4,是反向泵浦偏振稳定的高功率激光放大器。包括尾纤输入输出的偏振控制器100，光纤放大器，偏振探测器，分析控制器400。光纤放大器包括高功率光纤隔离器201，多模半导体激光器202，泵浦合束器203，掺镱双包层光纤204，光纤准直透镜205。多模半导体激光器202的输出功率优选为10W，工作波长优选为976nm。泵浦合束器203为(1+1)X I结构。掺镱双包层光纤204长度优选lm。所述偏振探测器包括波片301,偏振分束器302,光电探测器303。所述波片301优选1/4波片，1/4波片工作波长优选为1064nm。偏振分束器302米用偏振分束镜。偏振控制器100输出的种子光通过高功率光纤隔离器201进入掺镱双包层光纤204，掺镱双包层光纤204末端连接泵浦合束器203的公共端，多模半导体激光器202连接泵浦合束器203的泵浦输入端，泵浦合束器203输出端的输出光通过光纤准直透镜205准直后输出，然后通过1/4波片调节偏振角度射入到偏振分束器302上，使得偏振分束器302平行输出的光强最大。偏振分束器302输出的另一路较弱的光射入光电探测器303进行光强探测，分析控制器400接收光电探测器303的信号后处理反馈控制偏振控制器的压电陶瓷，使得光电探测器303探测的得到的光强稳定在某初始值，这样就可以保证激光器获得偏振稳定的输出。实施例3 如图5，是多级级联的高功率激光放大器。包括多级放大模块，所有级放大模块的结构相同。每级放大模块都包括偏振控制器100，高功率光纤隔离器201，多模半导体激光器202，泵浦合束器203，掺镱双包层光纤204，光纤准直透镜205，波片301，偏振分束器302，光电探测器303，分析控制器400。光强较弱的种子光经过第一级放大模块的偏振控制器201输出，通过高功率光纤隔离器201进入泵浦合束器203，多模半导体激光器202连接泵浦合束器203的泵浦输入端，泵浦合束器203的公共端连接掺镱双包层光纤204,掺镱双包层光纤204的输出光通过偏振分束器302分束,偏振分束器302输出的另一路较弱的光射入光电探测器303进行光强探测。偏振分束器输出的另一路较强的光进行下一级级联放大，通过高功率光纤隔离器进入泵浦合束器，多模半导体激光器连接泵浦合束器的泵浦输入端，泵浦合束器的公共端连接Im长的掺镱双包层光纤,掺镱双包层光纤的输出光通过光纤偏振分束器分束，偏振分束器的较弱输出光射入光电探测器进行光强探测，较强输出光作为放大后的高功率激光使用。分析控制器处理反馈控制偏振控制器的压电陶瓷，使得光电探测器探测的得到的光强稳定在某初始值，这样就可以保证激光器获得偏振稳定的输出。如图6，是分析控制器的工作流程图，光电探测器探测实施探测偏振分束器输出的光强，并记录开始时的初始光强，当偏振态发生抖动时，偏振分束器每一路输出的光强就会不等于初始光强，此时增强偏振控制单元的电压，如果输出光强的与初始值的差别减小，则 保持电压调节方向继续调整，如果输出光强与初始值差别增大，那么改变电压调节方向。这样通过对输出光强的实时监控，可以将偏振态稳定。
权利要求
1.偏振预补偿稳定控制的高功率光纤激光放大器，其特征在于包括偏振控制器 (100)，光纤放大器(200)、偏振探测器(300)、分析控制器(400);种子光输出方向依次是所述偏振控制器(100)、光纤放大器(200)、偏振探测器(300)，偏振探测器(300)的一个输出端输出的较强光作为放大后的高功率激光使用，偏振探测器(300)的另一个输出端输出的较弱光输给分析控制器(400 )反馈控制偏振控制器(100 )。
2.根据权利要求1所述的偏振预补偿稳定控制的高功率光纤激光放大器，其特征在于所述的偏振控制器(100)包括3个成一定角度排列的光纤挤压器(101、102、103)和一个受控光纤(104)，受控光纤(104)是单模光纤、多模光纤、大摸场双包层光纤或者高强度光子晶体光纤，三个光纤挤压器(101、102、103)轴向45度。
3.根据权利要求2所述的一种偏振预补偿稳定控制的高功率光纤激光放大器，其特征在于所述的光纤放大器包括高功率光纤隔离器，多模半导体激光器，泵浦合束器，掺镱双包层光纤，光纤准直透镜；偏振控制器输出的种子光通过高功率光纤隔离器进入泵浦合束器，多模半导体激光器连接泵浦合束器的泵浦输入端，泵浦合束器的公共端连接掺镱双包层光纤，掺镱双包层光纤的输出光通过光纤准直透镜准直后输出给所述偏振探测器。
4.根据权利要求2所述的一种偏振预补偿稳定控制的高功率光纤激光放大器，其特征在于所述的光纤放大器包括高功率光纤隔离器，多模半导体激光器，泵浦合束器，掺镱双包层光纤，光纤准直透镜；所述偏振控制器输出的种子光通过高功率光纤隔离器进入掺镱双包层光纤，掺镱双包层光纤末端连接泵浦合束器的公共端，多模半导体激光器连接泵浦合束器的泵浦输入端，泵浦合束器输出端的输出光通过光纤准直透镜准直后输出给所述偏振探测器。
5.根据权利要求3或4所述的一种偏振预补偿稳定控制的高功率光纤激光放大器，其特征在于所述偏振探测器包括波片、偏振分束器、光电探测器，光纤放大器输出的高功率激光通过波片调整偏振态，然后激光经过偏振分束器分为强弱不同的两束，较弱的一路通入光电探测器进行探测，信号经过分析控制器处理来控制偏振控制器。
6.根据权利要求5所述的一种偏振预补偿稳定控制的高功率光纤激光放大器，其特征在于所述的掺镱双包层光纤为掺杂稀土元素中的一种或多种掺杂的单模光纤、大芯径多模光纤、双包层光纤、光子晶体光纤。
7.根据权利要求5所述的一种偏振预补偿稳定控制的高功率光纤激光放大器，其特征在于所述偏振分束器为是光纤结构或者空间结构。
8.根据权利要求1所述的一种偏振预补偿稳定控制的高功率光纤激光放大器，其特征在于所述种子光是连续激光或纳秒、皮秒或飞秒脉冲激光。
9.根据权利要求1所述的一种偏振预补偿稳定控制的高功率光纤激光放大器，其特征在于所述的光纤激光放大器为多级级联放大，每级包含有偏振控制器、光纤放大器、偏振探测器、以及分析控制器。
全文摘要
本发明公开了偏振预补偿稳定控制的高功率光纤激光放大器，包括偏振控制器，光纤放大器、偏振探测器、分析控制器；种子光输出方向依次是所述偏振控制器、光纤放大器、偏振探测器，偏振探测器的一个输出端输出的较强光作为放大后的高功率激光使用，偏振探测器的另一个输出端输出的较弱光输给分析控制器反馈控制偏振控制器。本发明提供一种高功率光纤激光放大器，通过探测输出光的偏振变化利用电动的光纤偏振控制器来反馈补偿偏振的扰动，不仅能够实现偏振稳定的高功率激光输出，而且不使用昂贵的保偏型光纤，降低了成本，可以方便地推广到大模场光子晶体光纤或双包层增益光纤。
文档编号H01S3/08GK103001106SQ20121048538
公开日2013年3月27日 申请日期2012年11月23日 优先权日2012年11月23日
发明者梁崇智, 曾和平, 茹启田 申请人:广东汉唐量子光电科技有限公司