一种脉冲泵浦的低重复频率光纤激光相干合成系统

摘要

一种脉冲泵浦的低重复频率光纤激光相干合成系统。该系统利用连续激光器、光纤耦合器和强度调制器产生脉冲激光种子，脉冲种子经过分束器后分为N路，每一路激光经过多级脉冲泵浦光纤激光放大器放大后由合束器合为一束。利用分光镜提取部分合成光束作为反馈信号。在探测反馈信号的过程中，利用强度调制器斩除脉冲部分的光强，只保留脉冲之间的连续信号光。同时，使相位控制器只在探测器探测到连续信号光时运行相位控制算法，在放大器输出脉冲时暂停算法运行，从而消除激光脉冲光强起伏对相位控制的影响，利用连续激光中包含的相位信息对相位差进行实时校正，最终实现多路脉冲泵浦光纤放大器的相干合成输出。

说明书

技术领域

本发明涉及光纤激光的相干合成，特别是一种脉冲泵浦的低重复频率 光纤激光相干合成系统。

技术背景

光纤激光器具有转换效率高、光束质量好、热管理方便、结构紧凑等 优点，能够获得高功率和高光束质量的激光输出。然而，由于受光学 非线性效应、热损伤等效应影响，单路光纤的输出功率受到限制。为 了满足一些应用领域对激光高输出功率的要求，一般采用对多路光纤 激光进行合成输出的方法获得高功率光纤激光输出，常见的合成方法 主要有光谱合成、非相干合成和相干合成等（参考文献1：S. J. A ugst, J. K. Ranka, T. Y. Fan, A. Sanchez. Beam com bining of ytterbium fiber amplifiers(Invited)[J]. J. O pt. Soc. Am. B, 2007, 24(8): 1707-1713）。其中，相干合 成光纤激光阵列在提高激光输出功率的同时能够获得近衍射极限的高 光束质量，是高能激光技术领域的研究热点（参考文献2：刘泽金,  周朴, 王小林, 马阎星, 许晓军, 侯静. 激光相干合成的历史、 现状与发展趋势[J]. 中国激光, 2010, 37(9): 2221-2234）。

在光纤激光相干合成系统中，通常采用主振荡器功率放大（英文名称 为Master Oscillator Power Amplifier，简称MOPA）的方式构建 多路MOPA结构的光纤激光器，将低功率的单频激光作为种子激光，并 对其进行功率放大，以满足所需要的输出功率（如单级放大仍不能满 足要求，可以采用多级级联放大的方式）。光纤放大器在对种子激光 进行放大的同时，会引入相位噪声，相位噪声的频率在kHz量级（参考 文献3：马阎星. 光纤激光抖动法相干合成技术研究[D]. 国防科学 技术大学，2012）。相位噪声的存在使相干合成的效果受到严重影响 ，一般是通过一定的算法从合成光束的光强起伏中提取出相位噪声信 息，并利用相位调制器对其进行实时校正。常用的算法包括随机并行 梯度下降算法（参考文献4：M. A. Vorontsov, V. P. Sivokon . Stochastic parallel-gradient-descent technique for hi gh-resolution wave-front phase-distortion correction[J].  J. Opt. Soc. Am. A, 1998, 15(10): 2745-2758）、外差法 （参考文献5：肖瑞，侯静，姜宗福. 光纤激光器阵列相干合成中的 位相探测与校正方法研究[J]. 物理学报，2006，55（1）：184-187 ）和抖动法（参考文献6：马阎星，王小林，周朴，等. 光纤激光器 阵列的多抖动法相干合成[J]. 强激光与粒子束，2010，22（12）： 2806-2806）等。

对于激光雷达等一些特殊应用，需要用到重复频率为几十Hz到几百Hz 的脉冲激光（参考文献7：E. K. John. Fiber Lasers for Li dar[C]. Optical Fiber Communication Conference and  Exposition and The National Fiber Optic Engineers Con ference, 2005, OFJ4），对于重复频率如此低的光纤激光器，一般 采用脉冲泵浦（利用脉冲激光而非连续激光作为泵浦激光）的方法来 抑制自发辐射放大（参考文献8：X. Huang, B. Guo, W. Yang,  et al. Pulsed-pumped optical fiber amplifier[J]. Chi nese Optics Letters, 2009, 7(8):712-714）。但是，目前光纤 激光相干合成都是针对连续激光和重复频率高于10kHz的脉冲激光，尚 无有效的方法对这类低重复频率的脉冲泵浦激光器进行相干合成。本 专利的目的就是为了解决这一问题，提供了一种脉冲泵浦的低重复频 率光纤激光相干合成系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种脉冲泵浦的低重复频率光纤激光相干合成 系统。该系统在激光脉冲之间注入一定的连续光作为信号光，利用该 信号光对各路光纤放大器进行相位控制，实现各路激光的相干合成输 出。

本发明的技术解决方案是：

一种脉冲泵浦的低重复频率光纤激光相干合成系统，其特点在于，系 统构成包括：连续激光器1，光纤耦合器Ⅰ2-1、光纤耦合器Ⅱ2-2，强 度调制器Ⅰ3-1、强度调制器Ⅱ3-2，脉冲泵浦光纤激光放大器4，信号 发生器5，分束器6，相位调制器7，合束器8，分光镜9，光电探测器1 0，算法控制器11，电信号延迟器12。

所述的光纤耦合器2的分束比不限，可根据实际情况进行调整。

所述的强度调制器3种类不限，可以是电光调制器，也可以是声光调制 器或其它器件。

所述的脉冲泵浦光纤激光放大器结构不限，包含有N*M个脉冲泵浦光纤 激光放大器。其中，N表示参与合成的激光路数，M表示每一路激光的 放大器级数。

所述相位调制器包含有N个。所述电信号延迟器包含有M个。

所述的合束器8结构不限。

所述的光电探测器10种类不限，可以是成像器件，也可以是光强探测 器件或其它器件。

所述的算法控制器11类型不限，可以是计算机、大规模集成电路等能 够执行该算法控制的器件。所运行的算法不限，可以是随机并行梯度 下降算法、外差法、抖动法或其它算法。

本发明的工作过程是：

利用连续激光器、光纤耦合器和强度调制器产生脉冲激光种子，该种 子的激光脉冲之间存在与激光脉冲波长相同的连续信号光。脉冲种子 经过分束器6后分为N路，每一路激光经过多级脉冲泵浦光纤激光放大 器4放大后由合束器8合为一束。在放大过程中，激光脉冲得到放大， 信号光没有得到放大。利用分光镜9提取部分合成光束作为反馈信号。 在探测反馈 信号的过程中，利用强度调制器斩除脉冲部分的光强，只保留脉冲之 间的连续信号光。同时，使相位控制器只在探测器探测到连续信号光 时运行相位控制算法，在放大器输出脉冲时暂停算法运行，从而消除 激光脉冲光强起伏对相位控制的影响，利用连续激光中包含的相位信 息对相位差进行实时校正。

采用本发明可以达到以下技术效果：

在激光脉冲之间加入连续信号光作为探针，提取各路脉冲激光的相位 噪声，以实现任意低重复频率、任意脉冲宽度的脉冲激光的相干合成 ，可以应用于激光雷达等领域。。

附图说明

图1为本发明的系统结构原理示意图。

具体实施方式

如图1所示，整个系统包括连续激光种子源1，光纤耦合器2，强度调制 器3，脉冲泵浦光纤激光放大器4，信号发生器5，分束器6，相位调制 器7，合束器8，分光镜9，光电探测器10，算法控制器11，电信号延迟 器12。

本发明具体实施方式如下：

连续激光器1经过一个耦合器Ⅰ2-1分为两臂，其中一臂插入一个强度 调制器Ⅰ3-1和一个脉冲泵浦光纤激光放大器4-0。强度调制器Ⅰ3-1对 连续激光起到强度调制的作用，用于产生脉冲激光，脉冲泵浦光纤激 光放大器4-0对激光脉冲进行预放大。另一臂不经过任何处理，作为连 续信号光用于相位控制。两臂通过另一个耦合器Ⅱ2-2合为一束作为脉 冲种子激光，该种子激光同时包含了激光脉冲和用于相位控制的连续 信号光。分束器6将种子激光分为N束，N束种子激光分别进入相位调制 器（7-1，…，7-N），相位调制器7-1，…，7-N分别对各路激光的相 位进行调节，脉冲泵浦光纤激光放大器4-11，…，4-1M分别为第1路激 光的第1级到第M级脉冲泵浦光纤激光放大器，其余各路以此类推，分 别对各路激光脉冲进行功率放大。合束器8将各路激光合为一束激光输 出。分束镜9从出射激光中提取小于1%的激光能量，辐照在强度调制器 Ⅱ3-2上，强度调制器Ⅱ3-2截掉激光脉冲部分，只保留连续信号光。 经过强度调制器Ⅱ3-2的激光辐照到光电探测器10上，光电探测器10将 探测到的光信号换成电信号，作为相位噪声反馈信号输入到算法控制 器11。算法控制器11根据该反馈信号运行控制算法，产生相应的控制 信号，通过相位调制器7-1，7-2，…，7-N分别对各路激光的相位噪声 进行校正。

强度调制器3、脉冲泵浦光纤激光放大器4和算法控制器11在信号发生 器5的协调下工 作。信号发生器5为强度调制器Ⅰ3-1提供调制信号，从而产生激光脉 冲。信号发生器5为强度调制器Ⅱ3-2提供调制信号，斩除激光脉冲， 仅让激光脉冲之间的连续信号光通过强度调制器Ⅱ3-2，该信号经过电 信号延时器Ⅰ12-0延时后输出到算法控制器11，使算法控制器仅在接 收到连续信号光时运行控制算法。信号发生器5为脉冲泵浦光纤激光放 大器4提供驱动信号，使放大器的泵浦源激光脉冲经过放大器时输出泵 浦激光，并通过在各级放大器之间插入电信号延迟器12-1，…，12-M 使泵浦激光与激光脉冲在时域上同步。