一种输出非相干光束的光纤激光器

摘要

本发明涉及一种输出非相干光束的光纤激光器，包括连续激光信号源(1)、隔离器(2)、振幅调制器(3)、相位调制器(4)、第一光纤合束器(5)、泵浦光源(6)、第二光纤合束器(7)、掺杂光纤放大器(8)、延迟光纤(9)、声光开关(10)、同步信号发生器(11)和检测器(12)。与现有技术相比，本发明具有结构简单、稳定性好、光束质量高、同时具有脉冲时间波形任意整形的能力、且整机成本较低等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种光纤激光器，尤其是涉及一种输出非相干光束的光纤激光器。

背景技术

激光的相干长度很长，相干光的特征是其所有的光波的相位都是同步的，整束 光就好像一个“波列”。但是在光电探测技术等方面，使用相干的激光雷达对窄线 宽脉冲激光技术和光学对准要求相当苛刻。使用非相干(直接探测)式的激光雷达 却比相干激光有更多优势。而现在产生非相干激光的方式是使用多个激光束组合 成，国内外研究人员在光纤激光非相干束组方面做了大量的研究工作，先后提出了 多种组束方案，归纳起来主要分为外腔束组、PTR布拉格光栅组束和自适应光学 元件组束三大类。而这三种组束都有一个缺点，就是需要多个激光器，在产生多种 非相干激光的情况下，就需要多个激光器合束，其成本非常之高。而且每个激光器 都不能做到完全相同，越多的激光器所产生的误差就越大，导致组束阵元数目受到 限制。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种结构简单、 稳定性好、光束质量高、同时具有脉冲时间波形任意整形的能力、且整机成本较低 的输出非相干光束的光纤激光器。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种输出非相干光束的光纤激光器，其特征在于，包括连续激光信号源、隔离 器、振幅调制器、相位调制器、第一光纤合束器、泵浦光源、第二光纤合束器、掺 杂光纤放大器、延迟光纤、声光开关、同步信号发生器和检测器；

所述的连续激光信号源、隔离器、振幅调制器、相位调制器、第一光纤合束器 的输入端依次连接，所述的第一光纤合束器的输出端、泵浦光源分别与第二光纤合 束器的泵浦端连接，所述的第二光纤合束器输出端、掺杂光纤放大器、延迟光纤、 声光开关和检测器依次连接，所述的检测器与第一光纤合束器的输入端连接，所述 的同步信号发生器分别与振幅调制器、相位调制器和声光开关连接。

所述的第一光纤合束器、第二光纤合束器、掺杂光纤放大器、延迟光纤、声光 开关检测器和第一光纤合束器依次连接后构成光纤环形系统，该光纤环形系统通过 在时间上把通过振幅调制器发出来的脉冲信号重新合束，脉冲信号经过光纤环形系 统后消除掉了相干性，合束后实现非相干激光束的输出。

所述的延迟光纤为长度超过输出激光相干长度的延迟光纤(此处相干长度的定 义为l＝λ²/Δλ)。

所述的振幅调制器将连续激光信号源发出的连续信号进行振幅调制，实现任意 波形的激光脉冲输出。

所述的第二光纤合束器为泵浦合束器，将第一光纤合束器输出的信号光和由泵 浦光源发出的泵浦光共同耦合到掺杂光纤放大器中，掺杂光纤放大器将放大后的激 光输入到延迟光纤中。

所述的声光开关判断延迟光纤中的激光脉冲叠加数目是否达到设定值，若为 是，打开声光开关，将非相干激光输出。

所述的声光开关可调整开关闭合时间，控制脉冲的光纤环形系统的循环圈数和 脉冲重叠数。

所述的掺杂光纤放大器用来弥补光纤环形系统中的损耗，使得脉冲光经过一圈 回到第一光纤合束器时的能量与原信号光能量值相同，让最后合束中每份信号光的 能量值相同，每份信号光所占的比例相同，以便实现非相干激光束的输出。

所述的同步信号发生器控制振幅调制器、相位调制器和声光开关的开关时序。

与现有技术相比，本发明具有将一台脉冲激光器重复多次利用，大大降低了 成本，简化了结构，有利于提高激光输出的光束质量和稳定性，只应用一个脉冲信 号，减弱的个体误差对仪器的影响。

附图说明

图1为本发明的结构示意图：

图2为本发明同步信号控制的三个装置的开关时序。

其中1为连续激光信号源、2为隔离器、3为振幅调制器、4为相位调制器、5 为第一光纤合束器、6为泵浦光源、7为第二光纤合束器、8为掺杂光纤放大器、9 为延迟光纤、10为声光开关、11为同步信号发生器和12为检测器

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

下面结合附图对本发明的实施例做详细的说明，本实施例在以本发明技术方案 为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范 围不限于下述的实施例。

如图1所示，一种输出非相干光束的光纤激光器，包括连续激光信号源1、隔 离器2、振幅调制器3、相位调制器4、第一光纤合束器5、泵浦光源6、第二光纤 合束器7、掺杂光纤放大器8、延迟光纤9、声光开关10、同步信号发生器11和检 测器12；

所述的连续激光信号源1、隔离器2、振幅调制器3、相位调制器4、第一光纤 合束器5的输入端依次连接，所述的第一光纤合束器5的输出端、泵浦光源6分别 与第二光纤合束器7的泵浦端连接，所述的第二光纤合束器7输出端、掺杂光纤放 大器8、延迟光纤9、声光开关10和检测器12依次连接，所述的检测器12与第一 光纤合束器5的输入端连接，所述的同步信号发生器11分别与振幅调制器3、相 位调制器4和声光开关10连接。

所述的第一光纤合束器5、第二光纤合束器7、掺杂光纤放大器8、延迟光纤9、 声光开关10检测器12和第一光纤合束器5依次连接后构成光纤环形系统，该光纤 环形系统通过在时间上把通过振幅调制器发出来的脉冲信号重新合束，脉冲信号经 过光纤环形系统后消除掉了相干性，合束后实现非相干激光束的输出。光纤环形系 统起到一个光纤放大器和光纤延迟的作用，一方面弥补激光在长距离传输中以及经 过各种光学器件中的损耗，另一方面使得脉冲的传输超过器相干长度，在叠加时为 非相干叠加。

所述的延迟光纤9为长度超过输出激光相干长度的延迟光纤。所述的振幅调制 器3将连续激光信号源1发出的连续信号进行振幅调制，实现任意波形的激光脉冲 输出。所述的第二光纤合束器7为泵浦合束器，将第一光纤合束器5输出的信号光 和由泵浦光源6发出的泵浦光共同耦合到掺杂光纤放大器8中，掺杂光纤放大器8 将放大后的激光输入到延迟光纤9中。

所述的声光开关10判断延迟光纤9中的激光脉冲叠加数目是否达到设定值， 若为是，打开声光开关10，将非相干激光输出。所述的声光开关10可调整开关闭 合时间，控制脉冲的光纤环形系统的循环圈数和脉冲重叠数。

所述的掺杂光纤放大器8用来弥补光纤环形系统中的损耗，使得脉冲光经过一 圈回到第一光纤合束器5时的能量与原信号光能量值相同，让最后合束中每份信号 光的能量值相同，每份信号光所占的比例相同，以便实现非相干激光束的输出。

所述的同步信号发生器11控制振幅调制器3、相位调制器4和声光开关10的 开关时序。

连续激光信号源1输出连续波信号，经过隔离器2，隔离器对连续激光信号源 1进行保护，防止由后续光纤环的反射光对连续激光信号源1的干扰和损坏。由隔 离器输出的激光经过振幅调制器3和相位调制器4，振幅调制器3和相位调制器4 由任意波发生器经过驱动电路驱动，可以将激光束经过斩波、整形和相位调制。经 过相位调制器4后，原来的连续激光变为脉冲激光，且具有任意可调的脉冲波形、 强度和随机的相位分布。然后，经过第一光纤合束器5注入到光纤环中。在光纤环 中，第二光纤合束器7将信号光和由泵浦源6提供的泵浦光共同耦合到掺杂光纤放 大器8中。放大后的激光经过延迟光纤9，延迟光纤9的长度超过激光脉冲的相干 长度。声光开关10，可以控制开关的时间，当光纤环中的脉冲叠加数目达到设定 值时，打开光纤环，使光纤环中的非相干激光从光纤环的尾端输出。检测器12用 于检测光纤环中的功率等参数，并经过反馈系统与泵浦源相连，反馈控制光纤放大 器的增益，对整个光纤环的功率维持在设定的水平。振幅调制器3、相位调制器4 和声光开关10由同步信号发生器11触发，使振幅调制器、相位调制器和声光开关 可以保持正确的时序。

本发明的工作原理如下：连续激光信号源1或任何传统的激光器发出的激光通 常具有非常好相干性，相干长度非常长，有时可达数公里。即使叠加随机的相位调 制后，也不能保其相干性被破坏掉，无法输出可靠的非相关光束。为了实现可靠的 非相干激光的光束的输出，本发明将激光脉冲通过长距离的光纤延迟线的传播后， 使激光脉冲之间完全不相干，再经过合束器进行叠加，当叠加的脉冲数目足够多时 (如＞100个)，产生的激光束将是完全不相干的，从而确保非相干激光光束的输出。 为了使脉冲叠加的效果最佳，需要保证叠加的激光脉冲之间的能量相等，所占比例 相同。在本发明中，通过控制振幅调制器的注入能量和在光纤环中通过控制光纤放 大器的增益，可以实现叠加激光脉冲间的能量平衡。光纤环的总净增益(增益减损 耗)β和注入激光脉冲的能量I_in满足如下关系：其中m₁是光纤环中已 经叠加脉冲数，I₁为第一个注入的脉冲能量。这样就可以保证叠加的激光脉冲间能 量所占比例相等，且在光纤以及各种器件所能承受的范围内。

对于各个器件的同步信号由同步信号发生器控制，其时序如图2所示，首先 振幅调制器3开始工作，将连续激光器发出的连续波调制成脉冲信号，脉冲宽度 Δt。激光脉冲到达相位调制器4，存在时间延迟c为光速，l₁为振幅调制 器与相位调制器间的有效光纤长度，n是光纤折射率。3端口声光开关10通常处于 常闭状态，维持光纤环成闭环状态。当激光脉冲在光纤环中循环一次，光纤环中激 光脉冲与新注入的激光脉冲完成一次非相干叠加，当叠加的脉冲数达到设计要求 时，同步信号发生器触发声光开关10使其打开，时间延迟为l₂为光纤 环的有效长度，m为叠加的激光脉冲数。

实施例1：

本发明的实施例1，所述连续激光信号的中心波长为1054±2nm，线宽＜1nm， 功率为100mW，输出光纤为规格6/125的石英光纤。所述光纤隔离器的中心波长 为1054nm，工作带宽为±10nm，插入损耗为0.73dB，损伤阈值功率为1W，反向 隔离度为31dB。所述振幅调制器和相位调制器的工作波长为1054nm。第一合束器 采用2x1单包层光纤合束器，工作中心波长1054nm，合束器第一端口到第二端口 的插入损耗为0.74dB，第二端口到第三端口的插入损耗为0.77dB。反向传输时的 损耗为25dB，交叉损耗为51dB，损伤阈值功率为3W。光纤环中泵浦源为970nm 的激光二极管，输出最大功率10W。泵浦合束器为波分复用合束器，将泵浦源(输 出泵浦光波长970nm)的输出耦合进入光纤环，用于泵浦增益光纤。增益光纤为掺 镱光纤，所述的掺镱光纤为单包层掺镱光纤，纤芯的直径为6微米，包层直径125 微米，掺镱光纤泵浦的吸收效率为0.6±0.2dB/m，掺镱光纤的长度为5m。

传输延迟光纤采用SMF28石英光纤，长度2kM，损耗为0.2dB/km。

同步信号发生器的内部时钟频率20GHz，由同步信号发生器装置触发控制振 幅调制器和相位调制器的脉冲频率为5MHz，输出脉宽为10ns。根据振幅调制器和 相位调制器之间相距50cm，相位调制的工作延迟2ns，因此相位调制器的时序相 对振幅调制器延迟5.3ns。设计的重叠脉冲数为100个，则同步信号触发声光开关 打开的延迟约为1.3mS，具体延迟根据温度、应力等因素可以精密调整，输出的非 相干光束的脉冲重复率约为0.75kHz。，

实施例2：

实施例2主要用于产生偏振的非相干光束，而实施例1主要用于产生非偏振 的非相干光束，而且非相干光束的中心波长也根据所选光纤，移到1064nm。

实施例2与实施例1的不同主要体现在所选器件方面，以及为保证偏振激光 的偏振传输和减少快慢轴之间的干扰，在光纤环中间将保偏光纤的快慢轴进行互换 并交错熔接。另外，增益光纤采用双包层掺镱双包层保偏光纤，纤芯和内外包层直 径为6/105/125微米，以增加光纤放大器的净增益，增益光纤的长度也增加到20m。 泵浦合束器也改为双包层光纤泵浦合束器。延迟光纤和传输光纤采用PM1060的保 偏光纤。

其他所选的器件包括连续激光器、隔离器、合束器、声光开关等中心波长为 1064nm，且都为偏振相关的器件，其它参数与实施例1相同。