光纤放大器和光纤放大器输出的控制方法

摘要

本发明公开了一种光纤放大器和光纤放大器输出的控制方法，其中，该方法包括：泵浦波长控制装置对泵浦源产生的泵浦光进行控制，以获取中心波长和光谱宽度满足预定条件的泵浦光；泵浦合束器将泵浦光和光纤放大器的种子激光耦合至增益光纤，其中，增益光纤的长度小于最佳增益光纤长度，最佳增益光纤长度为光纤放大器提取效率最高时对应的增益光纤的长度；泵浦光泄漏装置对未被增益光纤吸收的泵浦光进行泄漏，并输出放大后的激光。本发明有效地解决了现有技术中光纤放大器不考虑输出光谱的宽度，导致不能在特定情景应用的问题，提高光纤放大器输出光谱质量。

说明书

技术领域

本发明涉及光学技术领域，特别是涉及一种光纤放大器和光纤放大器输出 的控制方法。

背景技术

在脉冲双包层光纤激光器的常规应用中，通常对输出激光的光谱质量并不 做特殊要求，但是在某些特定场合的应用中，则对于输出激光的光谱质量有明 确的限定，例如，在光学频率变换中，就要求输出激光光谱宽度小于1.5nm。

光纤放大器输出光谱的劣化主要是由非线性效应导致的，例如自相位调制 （Self-phase Modulation，简称SPM）。SPM是指一个模式的光波（如单频、单 偏振的光波）在光纤中传输时，使传输的光波发生相移的情况，这种相移与光 场的强度有关。SPM会导致光谱展宽，当脉冲沿光纤传输时，SPM的频率分 量在不断产生，这些频率分量展宽了光谱。且随增益光纤的长度及增益光纤中 激光峰值功率的增加，SPM会迅速增大，从而使输出光谱展宽。对于不同纤芯 直径的增益光纤，产生严重光谱展宽时对应的激光峰值功率有所不同，例如， 对于纤芯直径为10μm的增益光纤，激光峰值功率10kW时就会产生严重的光 谱展宽，而对于纤芯直径为30μm的增益光纤，峰值功率达到30kW时会达到 同样的效果。

对于现有脉冲双包层光纤放大器的设计，研究者更多的考虑到光纤放大器 的效率，而没有关注输出光谱质量。具体来说，图1为现有的光纤放大器的结 构示意图，主要由泵浦源、泵浦合束器及增益光纤组成，其中，增益光纤的长 度通常采用通过理论计算得到的长度，也称最佳增益光纤长度。采用最佳增益 光纤长度的增益光纤，优点是可使放大器的提取效率达到最高，但是这种情况 下，输出光谱质量并不理想。例如，对于峰值功率为50kw的光纤放大器，光 谱宽度典型值通常为10nm，无法满足特定场合对于光谱宽度的要求。

针对现有技术中光纤放大器不考虑输出光谱的宽度，导致不能在特定情景 应用的问题，目前尚未提出有效地解决方案。

发明内容

本发明提供一种光纤放大器和光纤放大器输出的控制方法，用以解决现有 技术中光纤放大器不考虑输出光谱的宽度，导致不能在特定情景应用的问题。

为解决上述技术问题，一方面，本发明提供一种光纤放大器，包括：泵浦 源，用于产生泵浦光；增益光纤，增益光纤的长度小于最佳增益光纤长度，其 中，最佳增益光纤长度为光纤放大器提取效率最高时对应的增益光纤的长度； 泵浦波长控制装置，泵浦波长控制装置的输入端与泵浦源连接，用于控制通过 的泵浦光的中心波长和光谱宽度；泵浦合束器，用于将泵浦光和种子激光耦合 至增益光纤，其中，泵浦合束器的第一输入端与泵浦波长控制装置的输出端连 接，种子激光通过泵浦合束器的第二输入端输入，泵浦合束器的输出端与增益 光纤的第一端连接；泵浦光泄漏装置，用于将未被增益光纤吸收的泵浦光进行 泄漏，并输出放大后的激光，其中，泵浦光泄漏装置的第一端与增益光纤的第 二端连接，泵浦光泄漏装置的第二端作为光纤放大器的输出端。

优选地，泵浦光泄漏装置包括：金属夹具，金属夹具上设置有凹槽，凹槽 的型状与无源光纤相适配；无源光纤，无源光纤的全部或部分设置于金属夹具 的凹槽内，无源光纤的第一端与增益光纤的第二端连接，无源光纤的第二端作 为光纤放大器的输出端，其中，无源光纤的光纤直径和包层直径与增益光纤相 一致，设置于凹槽内的无源光纤存在被剥除涂覆层的位置，被剥除涂覆层的位 置设置有固化的泵浦光泄漏胶。

优选地，无源光纤被剥除涂覆层的位置的长度大于或等于5cm。

优选地，泵浦波长控制装置包括光纤滤波器。

优选地，光纤滤波器的中心波长与增益光纤吸收峰的中心波长相一致，光 纤滤波器的光谱宽度为0.1nm至0.5nm。

优选地，增益光纤的长度为最佳增益光纤长度的65%至90%。

优选地，增益光纤为掺Yb的增益光纤。

另一方面，本发明还提供一种光纤放大器输出的控制方法，包括：泵浦波 长控制装置对泵浦源产生的泵浦光进行控制，以获取中心波长和光谱宽度满足 预定条件的泵浦光；泵浦合束器将泵浦光和光纤放大器的种子激光耦合至增益 光纤，其中，增益光纤的长度小于最佳增益光纤长度，最佳增益光纤长度为光 纤放大器提取效率最高时对应的增益光纤的长度；泵浦光泄漏装置对未被增益 光纤吸收的泵浦光进行泄漏，并输出泵浦合束器放大后的激光。

优选地，泵浦波长控制装置通过光纤滤波器对泵浦源产生的泵浦光进行控 制，其中，光纤滤波器的中心波长与增益光纤吸收峰的中心波长相一致，光纤 滤波器的光谱宽度为0.1nm至0.5nm。

优选地，泵浦光泄漏装置包括：金属夹具和无源光纤，金属夹具上设置有 凹槽，凹槽的型状与无源光纤相适配，无源光纤的全部或部分设置于金属夹具 的凹槽内，无源光纤的光纤直径和包层直径与增益光纤相一致，其中，设置于 凹槽内的无源光纤存在被剥除涂覆层的位置，被剥除涂覆层的位置设置有固化 的泵浦光泄漏胶；泵浦光泄漏装置通过被剥除涂覆层的位置设置的泵浦光泄漏 胶将未被增益光纤吸收的泵浦光进行泄漏。

本发明有益效果如下：

在本发明中，将增益光纤变短来减少自相位调制引起的光谱展宽，同时， 通过设置泵浦波长控制装置和泵浦光泄漏装置，来解决增益光纤变短导致的剩 余泵浦光从光纤输出端输出，从而影响输出激光光谱质量的问题，具体来说， 通过泵浦波长控制装置可以精确控制泵浦光波长，使其泵浦光波长光谱范围控 制在预定范围以内，从而更好的被增益光纤吸收；泵浦光泄漏装置可以将未被 增益光纤吸收的多余泵浦光通过泵浦光泄漏胶泄漏到光纤外，而不在光纤中传 输。上述技术方案的实施，使得光纤放大器的输出具有较高的提取效率，同时 保证输出光谱的质量，有效地解决了现有技术中光纤放大器不考虑输出光谱的 宽度，导致不能在特定情景应用的问题，提高光纤放大器输出光谱质量。

附图说明

图1是现有技术中光纤放大器的一种结构示意图；

图2是本发明实施例中光纤放大器的一种优选的结构示意图；

图3是本发明实施例中泵浦光泄漏装置的金属夹具的一种优选的结构示 意图；

图4是本发明实施例中光纤放大器输出的控制方法的一种优选的流程示 意图；

图5是本发明实施例中脉冲掺Yb双包层光纤放大器的结构示意图。

具体实施方式

为了解决现有技术中光纤放大器不考虑输出光谱的宽度，导致不能在特定 情景应用的问题，本发明提供了一种光纤放大器和光纤放大器输出的控制方法， 下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突 的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1

在本发明优选的实施例中提供了一种光纤放大器，图2示出该光纤放大器 的一种优选的结构框图，如图2所示，光纤放大器包括：泵浦源202，用于产 生泵浦光；增益光纤204，增益光纤204的长度小于最佳增益光纤长度，其中， 最佳增益光纤长度为光纤放大器提取效率最高时对应的增益光纤的长度，优选 地，增益光纤的长度为最佳增益光纤长度的65%至90%；泵浦波长控制装置 206，泵浦波长控制装置206的输入端与泵浦源202连接，用于控制通过的泵 浦光的中心波长和光谱宽度；泵浦合束器208，泵浦合束器208的第一输入端 与泵浦波长控制装置206的输出端连接，种子激光通过泵浦合束器208的第二 输入端输入，泵浦合束器208的输出端与增益光纤204的第一端连接，用于将 泵浦光和种子激光耦合至增益光纤204；泵浦光泄漏装置210，泵浦光泄漏装 置210的第一端与增益光纤204的第二端连接，泵浦光泄漏装置210的第二端 作为光纤放大器的输出端，用于将未被增益光纤吸收的泵浦光进行泄漏，并输 出放大后的激光。

上述光纤放大器的工作原理如下：泵浦源202发出波长为975nm的泵浦光； 泵浦光首先通过泵浦波长控制装置206，该泵浦波长控制装置206可以控制经 过该装置的泵浦光的中心波长和光谱宽度；然后泵浦光再通过泵浦合束器208 的第一端（泵浦波长输入端）耦合进增益光纤204；前级种子激光通过泵浦合 束器208的第二端（信号波长输入端）耦合进增益光纤204；增益光纤204为 激光器的增益介质，增益光纤204中的掺杂离子吸收泵浦光被激发至高能态， 处于高能态的粒子快速弛豫到能量较低的激发态，当种子激光入射进增益光纤 204后，激发态上的粒子产生受激辐射，并跃迁至低能态释放出储能，从而将 种子激光放大；种子激光经过增益光纤204被放大后，通过剩余泵浦光泄漏装 置210，可以将未被增益光纤吸收干净的泵浦光泄漏出去，然后输出。

在上述优选的实施方式中，将增益光纤变短来减少自相位调制引起的光谱 展宽，同时，通过设置泵浦波长控制装置和泵浦光泄漏装置，来解决增益光纤 变短导致的剩余泵浦光从光纤输出端输出，从而影响输出激光光谱质量的问题， 具体来说，通过泵浦波长控制装置可以精确控制泵浦光波长，使其泵浦光波长 光谱范围控制在预定范围以内，从而更好的被增益光纤吸收；泵浦光泄漏装置 可以将未被增益光纤吸收的多余泵浦光通过泵浦光泄漏胶泄漏到光纤外，而不 在光纤中传输。上述技术方案的实施，使得光纤放大器的输出具有较高的提取 效率，同时保证输出光谱的质量，有效地解决了现有技术中光纤放大器不考虑 输出光谱的宽度，导致不能在特定情景应用的问题，提高光纤放大器输出光谱 质量。

在本发明的一个优选的实施方式中，还提供了一种泵浦光泄漏装置210的 优选的实施方式，具体地，泵浦光泄漏装置包括210：金属夹具，金属夹具上 设置有凹槽，凹槽的型状与无源光纤相适配；无源光纤，无源光纤的全部或部 分设置于金属夹具的凹槽内，无源光纤的第一端与增益光纤的第二端连接，无 源光纤的第二端作为光纤放大器的输出端，其中，无源光纤的光纤直径和包层 直径与增益光纤相一致，设置于凹槽内的无源光纤存在被剥除涂覆层的位置， 被剥除涂覆层的位置设置有固化的泵浦光泄漏胶。优选地，无源光纤被剥除涂 覆层的位置的长度大于或等于5cm。

具体来说，图3示出上述金属夹具的一种优选的结构示意图，如图3所示， 该金属夹具302为长方体型状，该金属夹具302上方具有凹槽304，优选地， 该凹槽304为半圆形，用于容纳无源光纤。在具体操作时，可将无源光纤的涂 覆层剥除掉至少5cm，将剥掉涂覆层部分的光纤放入金属夹具302的凹槽304 内，在凹槽304中涂满泵浦光泄漏胶，然后用紫外灯照射该部位五至十分钟， 使泵浦光泄漏胶固化，然后将无源光纤的一端与增益光纤熔接，另一端作为光 纤放大器的输出端。

此外，本发明还提供了一种泵浦波长控制装置206的优选的实施方式，具 体来说，泵浦波长控制装置包括光纤滤波器，该光纤滤波器的中心波长与增益 光纤吸收峰的中心波长相一致，光纤滤波器的光谱宽度为0.1nm至0.5nm。通 过上述结构的光纤滤波器，来控制泵浦光的中心波长和光谱宽度范围，从而能 够更好的被增益光纤吸收。

优选地，上述增益光纤的长度为最佳增益光纤长度的65%至90%，并作如 下分析：在脉冲双包层光纤放大器的设计中，由于增益光纤的长度对提取效率 的影响并不十分敏感，因此并不使用提取效率最高时对应的最佳增益光纤长度， 而采用了长度较其短10%至35%的增益光纤（即为最佳增益光纤长度65%至 90%），这样来说，一方面，由于增益光纤长度变短，可以有效改善SPM效应。 实验表明，光谱展宽程度与使用最佳增益光纤长度时相比，减少40%至90%。 另一方面，光纤长度的减少量控制在10%至35%之间，此时放大器的提取效率 仅改变5%至20%，同样保证了较高的提取效率。

实施例2

基于上述实施例1提供的光纤放大器，本优选的实施例提供了一种光纤放 大器输出的控制方法，图4为该方法的一种优选的流程图，如图4所示，该方 法包括如下步骤：

S402，泵浦波长控制装置对泵浦源产生的泵浦光进行控制，以获取中心波 长和光谱宽度满足预定条件的泵浦光；

S404，泵浦合束器将泵浦光和光纤放大器的种子激光耦合至增益光纤，其 中，增益光纤的长度小于最佳增益光纤长度，最佳增益光纤长度为光纤放大器 提取效率最高时对应的增益光纤的长度；

S406，泵浦光泄漏装置对未被增益光纤吸收的泵浦光进行泄漏，并输出放 大后的激光。

在上述优选的实施方式中，将增益光纤变短来减少自相位调制引起的光谱 展宽，同时，通过设置泵浦波长控制装置和泵浦光泄漏装置，来解决增益光纤 变短导致的剩余泵浦光从光纤输出端输出，从而影响输出激光光谱质量的问题， 具体来说，通过泵浦波长控制装置可以精确控制泵浦光波长，使其泵浦光波长 光谱范围控制在预定范围以内，从而更好的被增益光纤吸收；泵浦光泄漏装置 可以将未被增益光纤吸收的多余泵浦光通过泵浦光泄漏胶泄漏到光纤外，而不 在光纤中传输。上述技术方案的实施，使得光纤放大器的输出具有较高的提取 效率，同时保证输出光谱的质量，有效地解决了现有技术中光纤放大器不考虑 输出光谱的宽度，导致不能在特定情景应用的问题，提高光纤放大器输出光谱 质量。

优选地，泵浦波长控制装置通过光纤滤波器对泵浦源产生的泵浦光进行控 制，其中，光纤滤波器的中心波长与增益光纤吸收峰的中心波长相一致，光纤 滤波器的光谱宽度为0.1nm至0.5nm。通过上述结构的光纤滤波器，来控制泵 浦光的中心波长和光谱宽度范围，从而能够更好的被增益光纤吸收。

优选地，泵浦光泄漏装置包括：金属夹具和无源光纤，金属夹具上设置有 凹槽，凹槽的型状与无源光纤相适配，无源光纤的全部或部分设置于金属夹具 的凹槽内，无源光纤的光纤直径和包层直径与增益光纤相一致，其中，设置于 凹槽内的无源光纤存在被剥除涂覆层的位置，被剥除涂覆层的位置设置有固化 的泵浦光泄漏胶；

泵浦光泄漏装置通过被剥除涂覆层的位置设置的泵浦光泄漏胶将未被增 益光纤吸收的泵浦光进行泄漏。通过上述结构的泵浦光泄漏装置将未被增益光 纤吸收的多余的泵浦光泄漏到光纤外，减少光谱中的剩余泵浦光，改善光谱质 量。

实施例3

基于上述实施例1中提供的光纤放大器和实施例2中提供的光纤放大器输 出的控制方法，本优选的实施例提供了一种脉冲掺Yb（化学元素镱）双包层 光纤放大器，种子激光经过该脉冲光纤放大器后，输出激光的输出特性要求为 平均功率75W，重复频率100KHz，脉冲宽度15ns，峰值功率50kW。

该掺Yb双包层光纤放大器结构示意图如图5所示。泵浦源为激光二极管， 它发出波长为975nm的的泵浦光；泵浦光首先经过泵浦波长控制装置，然后再 通过泵浦合束器的泵浦波长输入端耦合进增益光纤；种子激光通过泵浦合束器 的信号波长输入端耦合进增益光纤；增益光纤为掺Yb双包层光纤，纤芯直径 25μm，包层直径250μm，975nm波长处的吸收系数为3.2dB/m，经过放大后， 激光通过剩余泵浦光泄漏装置后输出。

按照增益光纤对泵浦光总吸收为16dB计算，光纤放大器应采用的最佳增 益光纤长度为5米。若采用该长度的增益光纤构成光纤放大器，其输出光谱宽 度为10nm。

优选地，在本发明中，设置掺Yb增益光纤的长度为3.5m。

泵浦波长控制装置为一光纤滤波器。两侧尾纤均为纤芯直径105μm，包层 直径125μm的无源双包层光纤，与激光二极管和泵浦合束器分别熔接在一起。 该光纤滤波器仅使975nm±0.3nm的泵浦光通过。该光纤滤波器的中心波长参 数为975nm，光谱宽度为0.3nm。

选取长度为1米的纤芯直径25μm，包层直径250μm的无源双包层光纤， 在该光纤距自身一端20cm处，将光纤的涂覆层用刀片剥除，仅裸露石英部分， 剥除长度10cm。取一加工好的紫铜夹具，该夹具长100mm，宽16mm，高6mm， 沿其长度方向，在中心位置有一半径为1mm的半圆形凹槽，将剥除掉涂覆层 的将剥除掉涂覆层的光纤部分放置于该夹具的半圆形凹槽中。取一泵浦光泄漏 胶，例如，美国Norland公司生产，型号NOA84，折射率1.46。用棉签将凹槽 中涂满泵浦光泄漏胶，泄漏胶可完全覆盖裸露的石英光纤。然后用紫外灯照射 该部位10分钟，使泵浦光泄漏胶固化。将该无源光纤一端与掺Yb增益光纤熔 接，另一端作为输出端。采用本发明后，该脉冲掺Yb双包层光纤放大器的激 光输出光谱宽度为1nm，可在特定情景（如，光学频率变换）中应用。

从以上描述中可以看出，本发明的实施例将增益光纤变短来减少自相位调 制引起的光谱展宽，同时，通过设置泵浦波长控制装置和泵浦光泄漏装置，来 解决增益光纤变短导致的剩余泵浦光从光纤输出端输出，从而影响输出激光光 谱质量的问题，具体来说，通过泵浦波长控制装置可以精确控制泵浦光波长， 使其泵浦光波长光谱范围控制在预定范围以内，从而更好的被增益光纤吸收； 泵浦光泄漏装置可以将未被增益光纤吸收的多余泵浦光通过泵浦光泄漏胶泄 漏到光纤外，而不在光纤中传输。上述技术方案的实施，使得光纤放大器的输 出具有较高的提取效率，同时保证输出光谱的质量，有效地解决了现有技术中 光纤放大器不考虑输出光谱的宽度，导致不能在特定情景应用的问题，提高光 纤放大器输出光谱质量。

尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施例，本领域的技术人员将 意识到各种改进、增加和取代也是可能的，因此，本发明的范围应当不限于上 述实施例。