一种提升光纤放大器受激布里渊散射阈值的装置与方法与流程

1.本发明涉及光纤激光器技术领域，特别是涉及一种提升光纤放大器受激布里渊散射阈值的装置与方法。


背景技术：

2.高功率单频连续(或脉冲)光纤激光器在相干多普勒激光雷达、非线性频率转换、气体检测等领域有广泛的应用前景。该激光器通常采用单频种子源经主振荡功率放大(mopa)的光路结构，具有输出激光线宽极窄、功率高、全光纤光路的特征。然而，由于窄线宽激光在光纤放大器中激发的受激布里渊散射这一非线性效应的限制，从量子噪声逐步放大并建立起的反向布里渊激光迅速增长而消耗信号激光，阻碍信号激光的进一步增长，使得目前此类激光器的最大输出功率约为500w(连续光)和750w(峰值功率，ns长脉冲)。由于受激布里渊散射阈值正比于光纤的有效模场面积，反比于有效光纤长度和布里渊增益系数，提升光纤放大器受激布里渊散射阈值的方法主要分为如下三类。
3.一、增大光纤芯径。光纤芯径越大，其有效模场面积越大，而同时为了使大模场光纤中的模式仍控制在较少的数量内，需采用更小数值孔径的光纤结构，极小的数值孔径不仅对光纤制造提出了更苛刻的要求，且使得光纤对弯曲十分敏感，丧失了光纤柔性弯曲的优势，因此目前商用的增益光纤最大芯径一般为30um，未能继续提升。
4.二、采用高掺杂增益光纤以减小有效光纤长度。光纤放大器的有效光纤长度包含增益光纤和无源光纤两部分，整体有效光纤长度约为1m，在光纤放大器的无源光纤已优化至最佳长度的基础上，采用高掺杂增益光纤可减少增益光纤长度，进而减小光纤放大器的有效光纤长度。然而，由于离子聚集、浓度淬灭、光子暗化等效应的限制，增益光纤的掺杂浓度也难以更进一步提升。
5.三、降低有效布里渊增益系数。沿光纤轴向施加温度或应力梯度，使得在光纤不同位置处的布里渊增益峰发生偏移，从而减小光纤中受激布里渊散射的累积，等效于降低了布里渊增益系数。该方法装置较复杂，工程化应用存在较大的难度。此外，还可以通过反向注入一峰值功率较高的脉冲激光，通过该脉冲光与后向传输的受激布里渊散射光的交叉相位调制，展宽受激布里渊散射光的光谱，进而降低布里渊增益系数，该方法结构简单易于实现，但需要较高峰值功率的反向光来产生足够的交叉相位调制，且反向光需选择增益光纤对其不产生吸收、发射的波长，具有激发反向放大或自激而损坏放大光路的风险。
6.上述提升光纤放大器受激布里渊散射阈值的方法均能取得一定的效果，但提升的能力受限，仍难以满足光纤激光器输出功率进一步提高的应用要求。
7.鉴于此，克服上述现有技术所存在的缺陷是本技术领域亟待解决的问题。


技术实现要素：

8.本发明针对目前提升光纤放大器受激布里渊散射阈值的方法提升的能力受限，无法进一步提高光纤激光器输出功率的技术问题提供一种解决方案。
9.为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
10.第一方面，本发明提供一种提升光纤放大器受激布里渊散射阈值的装置，装置包括：
11.依次连接的单频种子源1、第一光纤放大器2、第一光纤环形器3、无源光纤4、第二光纤环形器5和单频泵浦激光器6；
12.单频种子源1发出的单频激光信号经第一光纤放大器2放大后与单频泵浦激光器6发出的单频泵浦激光信号在无源光纤4上相遇产生受激布里渊放大；其中，经放大后的单频激光信号从第二光纤环形器5输出，经消耗后的单频泵浦激光信号从第一光纤环形器3输出。
13.优选的，单频种子源1发出的单频激光信号经第一光纤放大器2放大后的最大输出功率与单频泵浦激光器6的最大输出功率一致。
14.优选的，单频种子源1发出的单频激光信号的频率与单频泵浦激光器6发出的单频泵浦激光信号的频率之差与无源光纤4的布里渊峰值增益处的频移量一致。
15.优选的，单频种子源1发出的单频激光信号的波长位于1-2μm之间，单频种子源1发出的单频激光信号的线宽小于10mhz。
16.基于与第一方面同一个总的技术构思，第二方面，本发明提供一种提升光纤放大器受激布里渊散射阈值方法，使用第一方面所述的提升光纤放大器受激布里渊散射阈值的装置，方法包括：
17.将单频种子源1、第一光纤放大器2、第一光纤环形器3、无源光纤4、第二光纤环形器5和单频泵浦激光器6依次连接；
18.确保单频种子源1发出的单频激光信号经第一光纤放大器2放大后的最大输出功率与单频泵浦激光器6的最大输出功率一致；
19.确保单频种子源1发出的单频激光信号的频率与单频泵浦激光器6发出的单频泵浦激光信号的频率之差与无源光纤4的布里渊峰值增益处的频移量一致，使得单频种子源1发出的单频激光信号经第一光纤放大器2放大后与单频泵浦激光器6发出的单频泵浦激光信号在无源光纤4上相遇产生受激布里渊放大。
20.基于与第一方面同一个总的技术构思，第三方面，本发明提供一种提升光纤放大器受激布里渊散射阈值的装置，装置包括：
21.依次连接的单频种子源1、第一光纤放大器2、第一光纤环形器3、无源光纤4、第二光纤环形器5；以及，
22.串接在单频种子源1和第一光纤放大器2之间的光纤耦合器7；
23.依次串接在光纤耦合器7和第二光纤环形器5之间的移频器8和第二光纤放大器9；
24.单频种子源1发出的单频激光信号经光纤耦合器7分为两路，一路经第一光纤放大器2放大的单频激光信号与另一路经移频器8和第二光纤放大器9放大的单频激光信号在无源光纤4上相遇产生受激布里渊放大；其中，经放大后的单频激光信号从第二光纤环形器5输出，经消耗后的单频激光信号从第一光纤环形器3输出。
25.优选的，单频种子源1发出的单频激光信号经第一光纤放大器2放大后的最大输出功率与单频种子源1发出的单频激光信号经第二光纤放大器9放大后的最大输出功率一致。
26.优选的，单频种子源1发出的经第一光纤放大器2放大的单频激光信号的频率与单
频种子源1发出的经移频器8和第二光纤放大器9放大的单频激光信号的频率之差与无源光纤4的布里渊峰值增益处的频移量一致。
27.优选的，单频种子源1发出的单频激光信号的波长位于1-2μm之间，单频种子源1发出的单频激光信号的线宽小于10mhz。
28.基于与第三方面同一个总的技术构思，第四方面，本发明提供一种提升光纤放大器受激布里渊散射阈值方法，使用第三方面所述的提升光纤放大器受激布里渊散射阈值的装置，方法包括：
29.将单频种子源1、第一光纤放大器2、第一光纤环形器3、无源光纤4、第二光纤环形器5依次连接；
30.将光纤耦合器7串接在单频种子源1和第一光纤放大器2之间，将移频器8和第二光纤放大器9依次串接在光纤耦合器7和第二光纤环形器5之间；
31.确保单频种子源1发出的单频激光信号经第一光纤放大器2放大后的最大输出功率与单频种子源1发出的单频激光信号经第二光纤放大器9放大后的最大输出功率一致；
32.确保单频种子源1发出的经第一光纤放大器2放大的单频激光信号的频率与单频种子源1发出的经移频器8和第二光纤放大器9放大的单频激光信号的频率之差与无源光纤4的布里渊峰值增益处的频移量一致，使得单频种子源1发出的经第一光纤放大器2放大的单频激光信号与单频种子源1发出的经移频器8和第二光纤放大器9放大的单频激光信号在无源光纤4上相遇产生受激布里渊放大。
33.针对现有技术中的不足，本发明所能取得的有益效果为：
34.本发明为提升光纤放大器受激布里渊散射阈值提出了一种新的技术方案，本发明的技术方案能与当前提升光纤放大器受激布里渊散射阈值的方法叠加复用，可使得光纤放大器的受激布里渊散射阈值进一步提高，从而进一步提高信号光的输出功率。
35.在同样的输出功率下，相比于采用高掺杂增益光纤(例如，掺稀土离子光纤)以减小有效光纤长度的技术方案，本发明所需的有效光纤长度更短；另外，本发明相比于目前市场上商用光纤放大器仅仅为光纤光路的改变，无其它辅助措施，实现方案结构简单，成本低、可靠性高。
附图说明
36.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
37.图1是本发明实施例1提供的一种提升光纤放大器受激布里渊散射阈值的装置结构示意图；
38.图2是本发明实施例2提供的一种提升光纤放大器受激布里渊散射阈值的方法流程示意图；
39.图3是本发明实施例3提供的一种提升光纤放大器受激布里渊散射阈值的装置结构示意图；
40.图4是本发明实施例4提供的一种提升光纤放大器受激布里渊散射阈值的方法流
程示意图。
41.在附图中，相同的附图标记用来表示相同的部件或结构，其中：
42.1-单频种子源；2-第一光纤放大器；3-第一光纤环形器；4-无源光纤；5-第二光纤环形器；6-单频泵浦激光器；7-光纤耦合器；8-移频器；9-第二光纤放大器。
具体实施方式
43.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
44.在本发明的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不应当理解为对本发明的限制。
45.此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
46.实施例1：
47.为了解决目前提升光纤放大器受激布里渊散射阈值的方法提升的能力受限，无法进一步提高光纤激光器输出功率的技术问题，本实施例1提供一种提升光纤放大器受激布里渊散射阈值的装置，如图1所示，包括：
48.依次连接的单频种子源1、第一光纤放大器2、第一光纤环形器3、无源光纤4、第二光纤环形器5和单频泵浦激光器6；单频种子源1发出的单频激光信号经第一光纤放大器2放大后与单频泵浦激光器6发出的单频泵浦激光信号在无源光纤4上相遇产生受激布里渊放大；在本实施例中，所述单频种子源1发出的单频激光信号先后经过两次放大，第一次通过第一光纤放大器2放大，第二次通过与单频泵浦激光器6发出的单频泵浦激光信号在无源光纤4上相遇产生受激布里渊放大，相对于传统方式，直接多出一道放大环节，该放大环节，能与当前提升光纤放大器受激布里渊散射阈值的方法叠加复用，可使得光纤放大器的受激布里渊散射阈值进一步提高，从而在第一光纤放大器2的基础上进一步提高信号光的输出功率；本实施例所需的有效光纤长度受限于第一光纤环形器3与第二光纤环形器5熔接所需的尾纤长度之和，该长度约为20cm，在同样的输出功率下，相比于采用高掺杂增益光纤(例如，掺稀土离子光纤)以减小有效光纤长度的技术方案，本实施例所需的有效光纤长度更短，可实现的受激布里渊散射阈值更高，因而经环形器5输出的功率比仅由第一光纤放大器2输出的功率更大；其中，经放大后的单频激光信号从第二光纤环形器5输出，经消耗后的单频泵浦激光信号从第一光纤环形器3输出。
49.具体实现时，所述单频种子源1使用半导体激光器、光纤激光器或者其它光纤耦合输出的激光器，所述单频种子源1产出的单频激光信号为连续(或脉冲)激光信号，所述单频种子源1发出的单频激光信号的波长位于1-2μm之间，优选的，其波长可以是1.0μm、1.5μm或2.0μm等，所述单频种子源1发出的单频激光信号为窄线宽，优选的，其线宽小于10mhz；所述第一光纤放大器2为掺镱光纤放大器、掺铒光纤放大器、铒镱共掺光纤放大器、掺铥光纤放大器或铥钬共掺光纤放大器中的一种；所述第一光纤环形器3、所述第二光纤环形器5均为高功率光纤环形器，在本实施例中，其可以为三端口环形器或四端口环形器；所述无源光纤
4石英光纤、磷酸盐光纤、硅酸盐光纤中的一种。
50.为了更好的使得单频种子源1发出的单频激光信号与单频泵浦激光器6发出的单频泵浦激光信号在无源光纤4上相遇产生受激布里渊放大，所述单频泵浦激光器6发出的单频泵浦激光信号的波长比单频种子源1发出的单频激光信号的波长短，实际应用过程中，为了得到更大的输出功率，需保持输出的功率最大化，优选的，单频种子源1发出的单频激光信号经第一光纤放大器2放大后的最大输出功率与单频泵浦激光器6的最大输出功率一致；进一步的，单频种子源1发出的单频激光信号的频率与单频泵浦激光器6发出的单频泵浦激光信号的频率之差与无源光纤4的布里渊峰值增益处的频移量一致(约11ghz)。
51.本实施例1提供的一种提升光纤放大器受激布里渊散射阈值的装置，其整体光路传输实现方式如下：
52.所述单频种子源1发出单频(连续或脉冲)激光信号，经第一光纤放大器2放大后连接至第一光纤环形器3的端口3-1，然后由第一光纤环形器3的端口3-2输出，在无源光纤4中正向传输后，输入第二光纤环形器5的端口5-2，然后由第二光纤环形器5的端口5-3输出，与此同时，单频泵浦激光器6产生用于布里渊放大的单频泵浦激光信号，由第二光纤环形器5的端口5-1输入，从第二光纤环形器5的端口5-2注入无源光纤4中，在无源光纤4中反向传输的单频泵浦激光信号与正向传输的单频激光信号在空间上相遇，产生受激布里渊放大，正向传输的单频激光信号的光功率被进一步放大后，从第二光纤环形器5的端口5-3输出，而反向传输的单频泵浦激光信号被部分消耗，剩余的反向传输的单频泵浦激光信号经第一光纤环形器3的端口3-2注入，从第一光纤环形器3的端口3-3输出。
53.实施例2：
54.基于与实施例1同一个总的技术构思，本实施例2提供一种提升光纤放大器受激布里渊散射阈值方法，使用实施例1所述的提升光纤放大器受激布里渊散射阈值的装置，如图2所示，方法包括：
55.s201，将单频种子源1、第一光纤放大器2、第一光纤环形器3、无源光纤4、第二光纤环形器5和单频泵浦激光器6依次连接。
56.s202，确保单频种子源1发出的单频激光信号经第一光纤放大器2放大后的最大输出功率与单频泵浦激光器6的最大输出功率一致。
57.s203，确保单频种子源1发出的单频激光信号的频率与单频泵浦激光器6发出的单频泵浦激光信号的频率之差与无源光纤4的布里渊峰值增益处的频移量一致，使得单频种子源1发出的单频激光信号经第一光纤放大器2放大后与单频泵浦激光器6发出的单频泵浦激光信号在无源光纤4上相遇产生受激布里渊放大。
58.其中，在确保方式上，可通过的器件选型及其检测验证等环节来实现。
59.实施例3：
60.为了解决目前提升光纤放大器受激布里渊散射阈值的方法提升的能力受限，无法进一步提高光纤激光器输出功率的技术问题，基于与实施例1同一个总的技术构思，为了使得两路产生受激布里渊放大的激光信号频率差可调节，从而得到更优和可靠的技术效果，本实施例3提供一种提升光纤放大器受激布里渊散射阈值的装置，如图3所示，装置包括：依次连接的单频种子源1、第一光纤放大器2、第一光纤环形器3、无源光纤4、第二光纤环形器5；以及，串接在单频种子源1和第一光纤放大器2之间的光纤耦合器7；依次串接在光纤耦合
器7和第二光纤环形器5之间的移频器8和第二光纤放大器9；单频种子源1发出的单频激光信号经光纤耦合器7分为两路，一路经第一光纤放大器2放大的单频激光信号与另一路经移频器8和第二光纤放大器9放大的单频激光信号在无源光纤4上相遇产生受激布里渊放大；其中，经放大后的单频激光信号从第二光纤环形器5输出，经消耗后的单频激光信号从第一光纤环形器3输出；在本实施例中，无需使用实施例1中的单频泵浦激光器6，而是以移频器8和第二光纤放大器9来替代，通过移频器8的应用，使得其中一路单频激光信号的频率精准可调，即单频激光信号的频率之差可精准调节；类似的，所述单频种子源1发出的单频激光信号最终同样先后经过两次放大，所需的有效光纤长度受限于第一光纤环形器3与第二光纤环形器5熔接所需的尾纤长度之和，该长度约为20cm，在同样的输出功率下，相比于采用高掺杂增益光纤(例如，掺稀土离子光纤)以减小有效光纤长度的技术方案，本实施例所需的有效光纤长度更短，可实现的受激布里渊散射阈值更高，即最终由环形器5输出的功率更大。
61.具体实现时，单频种子源1、第一光纤放大器2、第一光纤环形器3、无源光纤4和第二光纤环形器5的实现方案与实施例1类似；所述光纤耦合器7优选为1
×
2的耦合器，所示移频器8优选为电光调制器，产生正频移，优选的，所述第二光纤放大器9的型号、性能与第一光纤放大器2保持一致。
62.实际应用时，类似的，单频种子源1发出的单频激光信号经第一光纤放大器2放大后的最大输出功率与单频种子源1发出的单频激光信号经第二光纤放大器9放大后的最大输出功率一致；进一步的，单频种子源1发出的经第一光纤放大器2放大的单频激光信号的频率与单频种子源1发出的经移频器8和第二光纤放大器9放大的单频激光信号的频率之差与无源光纤4的布里渊峰值增益处的频移量一致(约11ghz)。
63.本实施例3提供的一种提升光纤放大器受激布里渊散射阈值的装置，其整体光路传输实现方式如下：
64.所述单频种子源1发出单频(连续或脉冲)激光信号，连接至光纤耦合器7的输入端7-1，然后分成两束光分别经光纤耦合器7的7-2端口和7-3端口输出，经7-3端口输出的光作为信号光连接至第一光纤放大器2的输入端，经第一光纤放大器2放大后连接至第一光纤环形器3的端口3-1，然后由第一光纤环形器3的端口3-2输出，在无源光纤4中正向传输后，输入第二光纤环形器5的端口5-2，然后由第二光纤环形器5的端口5-3输出，于此同时，经7-2端口输出的光经移频器8移频后，再由第二光纤放大器9将其功率放大至和第一光纤放大器2同样的输出功率作为受激布里渊放大的泵浦激光，由第二光纤环形器5的5-1端口输入，从5-2端口注入无源光纤4中，在无源光纤4中反向传输的激光信号与正向传输的激光信号在空间上相遇，产生受激布里渊放大，正向传输的激光信号的光功率被进一步放大后，从第二光纤环形器5的端口5-3输出，反向传输的激光信号的光功率被部分消耗，剩余的反向传输的激光信号经第一光纤环形器3的端口3-2注入，从第一光纤环形器3的端口3-3输出。
65.实施例4：
66.基于与实施例3同一个总的技术构思，本实施例4提供一种提升光纤放大器受激布里渊散射阈值方法，使用实施例3所述的提升光纤放大器受激布里渊散射阈值的装置，方法包括：
67.s401，将单频种子源1、第一光纤放大器2、第一光纤环形器3、无源光纤4、第二光纤
环形器5依次连接；将光纤耦合器7串接在单频种子源1和第一光纤放大器2之间，将移频器8和第二光纤放大器9依次串接在光纤耦合器7和第二光纤环形器5之间；
68.s402，确保单频种子源1发出的单频激光信号经第一光纤放大器2放大后的最大输出功率与单频种子源1发出的单频激光信号经第二光纤放大器9放大后的最大输出功率一致；
69.s403，确保单频种子源1发出的经第一光纤放大器2放大的单频激光信号的频率与单频种子源1发出的经移频器8和第二光纤放大器9放大的单频激光信号的频率之差与无源光纤4的布里渊峰值增益处的频移量一致，使得单频种子源1发出的经第一光纤放大器2放大的单频激光信号与单频种子源1发出的经移频器8和第二光纤放大器9放大的单频激光信号在无源光纤4上相遇产生受激布里渊放大。
70.类似的，在确保方式上，可通过的器件选型及其检测验证等环节来实现。
71.综上所述，本发明提供一种提升光纤放大器受激布里渊散射阈值的装置与方法，在同一输出功率下，本发明所需的有效光纤长度更短，能与当前提升光纤放大器受激布里渊散射阈值的方法叠加复用，可使得光纤放大器的受激布里渊散射阈值进一步提高，从而进一步提高信号光的输出功率，另外，本发明相比于目前市场上商用光纤放大器仅仅为光纤光路的改变，无其它辅助措施，实现方案结构简单，成本低、可靠性高。
72.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。