高重频超短拉曼脉冲泵浦的1.5μm单频光纤放大器

摘要

本发明公开了一种高重频超短拉曼脉冲泵浦的1.5μm单频光纤放大器，包括超短脉冲抽运源和1.5μm单频激光种子，超短脉冲抽运源依次连接一级拉曼高反光栅、二级拉曼高反光栅、拉曼光纤、一级拉曼低反光栅、二级拉曼低反光栅，1.5μm单频激光种子依次连接光纤隔离器、滤波光纤波分复用器、Er/Yb共掺光纤，二级拉曼低反光栅和Er/Yb共掺光纤通过抽运光纤波分复用器连接输出光纤端帽。本发明通过采用高重频拉曼超短脉冲泵浦，提高了泵浦光峰值功率和拉曼转化效率，利用增益光纤对高重频泵浦光低通属性，实现准连续泵浦光性质，不改变放大后单频激光时域性质，构建了一种抑制受激布里渊效应的高效、保真1.5μm单频光纤放大器。

说明书

技术领域

本发明涉及1.5μm波段单频光纤放大技术领域，尤其是高功率、高光束质量的单频光纤放大器，应用场景有人眼安全雷达、引力波探测、空间光通信和引力波探测等。

背景技术

低噪声单频激光因线宽窄、相干性好等优势而在激光雷达、空间相干通信、原子钟、引力波探测等精密测量领域有着广阔的应用前景，特别是1.5微米的人眼安全波段激光。随着探测距离需求的不断提高，人们不断追求更高功率，且能保持良好光束质量的单频激光。

单频光纤放大器是实现高功率、良好光束质量单频激光输出的主要方案之一，已经在工程实践中得到了大量的应用。人们采用大模场光纤MOPA系统已经在1.5um实现了56W的高功率激光输出，然而受到受激布里渊效应的影响，所采用的光纤模场直径为25微米，为多模光纤，光束质量较差，不利于远距离应用。研究表明，布里渊阈值限制下的单模光纤所允许的输出功率仅为10W量级。减短光纤长度是抑制布里渊效应的重要方案，2019年上海光机所报道了采用1064nm高功率连续激光二级拉曼到1480nm作为泵浦源，同带泵浦放大获得50W 1.5微米单频激光的工作。由于1480nm同带泵浦量子亏损少，转化效率高，可使用较短的增益光纤长度，从而抑制非线性效应。

然而连续1064nm激光拉曼转化至1480nm的效率为30％左右，导致最终的插电效率约8％。由于拉曼效应与输入光的峰值功率成正比，超短脉冲峰值功率可以轻易达到10kW级别，且由于Er/Yb共掺光纤对泵浦光的增益响应带宽仅为10kHz，那么采用高重频(>20MHz)的超短脉冲激光，增益光纤不能响应快速的脉冲波动，上能级粒子数保持稳态，仍保持类似连续光泵浦特性，不对单频激光的强度造成影响。通过采用此方法，可将1064nm激光拉曼转化至1480nm的效率提高至50％以上。

发明内容

发明目的：本发明目的是提供一种高效率的高功率拉曼同带泵浦1.5微米单频光纤放大器，通过采用高重频的超短脉冲，既提高了拉曼转化效率，获取更大功率的1480nm激光，又由于增益光纤对泵浦激光的低通滤波属性，使得脉冲泵浦不影响1.5微米单频激光的时域工作特性。

为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种高重频超短拉曼脉冲泵浦的1.5μm单频光纤放大器，包括超短脉冲抽运源、一级拉曼高反光栅、二级拉曼高反光栅、拉曼光纤、一级拉曼低反光栅、二级拉曼低反光栅、1.5微米单频激光种子、光纤隔离器、滤波光纤波分复用器、Er/Yb共掺光纤、抽运光纤波分复用器、输出光纤端帽；

超短脉冲抽运源与一级拉曼高反光栅一端相连，一级拉曼高反光栅另一端与二级拉曼高反光栅一端相连，二级拉曼高反光栅另一端与拉曼光纤一端相连，拉曼光纤另一端与一级拉曼低反光栅一端相连，一级拉曼低反光栅另一端与二级拉曼低反光栅一端相连，二级拉曼低反光栅另一端与抽运光纤波分复用器的短波长工作端相连，二级拉曼低反光栅另一端作为输出端，输出高重频拉曼超短脉冲激光，用于单频光纤放大器的抽运；

1.5μm单频激光种子与光纤隔离器输入端相连，光纤隔离器输出端与滤波光纤波分复用器的长波长工作端相连，滤波光纤波分复用器的短波长工作端切斜成8°成并且空置，用于滤除剩余泵浦光，滤波光纤波分复用器的公共端与Er/Yb共掺光纤一端相连，Er/Yb共掺光纤另一端与抽运光纤波分复用器的公共端相连，抽运光纤波分复用器的长波长工作端与输出光纤端帽相连，输出单频激光。

进一步的，所述超短脉冲抽运源为高功率、高重频的1μm波段超短脉冲激光源，中心波长为1030nm～1080nm，功率>10W，重复频率>20MHz，脉宽<800ps，带宽<5nm。

进一步的，所述一级拉曼高反光栅与一级拉曼低反光栅配对使用，中心波长均处于1200nm～1260nm，带宽均>0.8nm；一级拉曼高反光栅的反射率>95％，一级拉曼低反光栅反射率>90％。

进一步的，所述二级拉曼高反光栅与二级拉曼低反光栅配对使用，中心波长均处于1450nm～1530nm，带宽均>0.8nm；二级拉曼高反光栅的反射率>95％，二级拉曼低反光栅反射率为10％～80％。

进一步的，所述拉曼光纤为掺磷元素增强拉曼效应光纤或高非线性光纤。

进一步的，所述1.5微米单频激光种子功率>1W，中心波长1530nm～1570nm。

有益效果：本发明通过采用高重频拉曼超短脉冲泵浦方案，提高了泵浦光峰值功率和拉曼转化效率，并利用增益光纤对高重频泵浦光的低通属性，实现放大器的准连续泵浦光性质，不改变放大后单频激光的时域性质，从而构建了一种抑制受激布里渊效应的高效、保真1.5μm单频光纤放大器。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图中：1、超短脉冲抽运源；2、一级拉曼高反光栅；3、二级拉曼高反光栅；4、拉曼光纤；5、一级拉曼低反光栅；6、二级拉曼低反光栅；7、1.5微米单频激光种子；8、光纤隔离器；9、滤波光纤波分复用器；10、Er/Yb共掺光纤；11、抽运光纤波分复用器；12、输出光纤端帽。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1所示，本发明的一种高重频超短拉曼脉冲泵浦的1.5μm单频光纤放大器，包括超短脉冲抽运源1、一级拉曼高反光栅2、二级拉曼高反光栅3、拉曼光纤4、一级拉曼低反光栅5、二级拉曼低反光栅6、1.5微米单频激光种子7、光纤隔离器8、滤波光纤波分复用器9、Er/Yb共掺光纤10、抽运光纤波分复用器11、输出光纤端帽12。超短脉冲抽运源1与一级拉曼高反光栅2一端相连，一级拉曼高反光栅2另一端与二级拉曼高反光栅3一端相连，二级拉曼高反光栅3另一端与拉曼光纤4一端相连，拉曼光纤4另一端与一级拉曼低反光栅5一端相连，一级拉曼低反光栅5另一端与二级拉曼低反光栅6一端相连，二级拉曼低反光栅6另一端与抽运光纤波分复用器11短波长工作端口相连，二级拉曼低反光栅6另一端作为输出端，输出高重频拉曼超短脉冲激光，用于单频光纤放大器的抽运。1.5μm单频激光种子7与光纤隔离器8输入端相连，光纤隔离器8输出端与滤波光纤波分复用器9的长波长工作端相连，滤波光纤波分复用器9的短波长工作端切斜成8°并且空置，用于滤除剩余泵浦光，滤波光纤波分复用器9的公共端与Er/Yb共掺光纤10一端相连，Er/Yb共掺光纤10另一端与抽运光纤波分复用器11的公共端相连，抽运光纤波分复用器11的长波长工作端与输出光纤端帽12相连，输出单频激光。

本实施例中，超短脉冲抽运源1为高功率、高重频的1μm波段超短脉冲激光源，中心波长为1030nm～1080nm，功率>10W，重复频率>20MHz，脉宽<800ps，带宽<5nm。一级拉曼高反光栅2与一级拉曼低反光栅5配对使用，中心波长均处于1200nm～1260nm，带宽均>0.8nm；一级拉曼高反光栅2的反射率>95％，一级拉曼低反光栅5反射率>90％。二级拉曼高反光栅3与二级拉曼低反光栅6配对使用，中心波长均处于1450nm～1530nm，带宽均>0.8nm；二级拉曼高反光栅3的反射率>95％，二级拉曼低反光栅6反射率为10％～80％。拉曼光纤4为掺磷元素增强拉曼效应光纤或高非线性光纤。1.5微米单频激光种子7功率>1W，中心波长1530nm～1570nm。

其中，一级拉曼高反光栅2和一级拉曼低反光栅5配对使用构成一级拉曼共振腔，在超短脉冲抽运源1的泵浦作用下，产生一级拉曼频移激光；二级拉曼高反光栅3和二级拉曼低反光栅6配对使用构成二级拉曼共振腔，在一级拉曼频移激光的泵浦作用下，产生二级拉曼频移激光；拉曼光纤4为一、二级拉曼频移激光器的工作物质，具有增强的拉曼增益谱；光纤隔离器8防止反射回光损伤单频激光种子7，滤波光纤波分复用器9滤除剩余的较强二级拉曼频移激光，防止损伤单频激光种子7；抽运光纤波分复用器11将二级拉曼频移激光耦合入Er/Yb共掺光纤10，并将放大后的1.5微米信号光输出，构成反向泵浦的光纤放大器，由于信号光和泵浦光传输方向不同，使得输出激光光谱纯度较好，基本不含剩余的两级拉曼激光和超短脉冲抽运源；

在超短脉冲抽运源1的泵浦作用下，拉曼光纤4中产生拉曼辐射，在拉曼增益谱内采用一级拉曼高反光栅2和一级拉曼低反光栅5构成一级拉曼振荡腔提高有效拉曼相互作用的距离，产生的高重频一级拉曼频移超短脉冲；同理，嵌套的二级拉曼高反光栅3和二级拉曼低反光栅6将产生高重频二级拉曼频移超短脉冲，该激光脉冲的波长位于掺Er光纤放大器的同带泵浦带内，为1.5微米单频光纤放大器提供泵浦源。例如，优选参数下，上述结构可将1064nm的高重频超短脉冲能量转移至1480nm处。由于拉曼增益大小与泵浦脉冲的峰值功率成正比，相比于连续光，超短脉冲的峰值功率较高，实现的拉曼转化效率可由30％达到50％以上。不仅如此，超短脉冲泵浦方案还可以简化装置结构，将拉曼光纤的使用长度从一百多米降低至几米，大大降低产生的废热。

1.5微米单频光纤放大器采用反向泵浦结构。光纤隔离器8防止反射回光，滤波光纤波分复用器9滤除剩余的较强二级拉曼频移激光，防止损伤单频激光种子7；抽运光纤波分复用器11将二级拉曼频移激光耦合入Er/Yb共掺光纤10，并将放大后的1.5微米信号光输出，由于信号光和泵浦光传输方向不同，输出激光光谱基本不含有剩余的两级拉曼激光和超短脉冲抽运源；由于Er/Yb共掺光纤的上能级粒子数寿命较长，导致其对泵浦光变化的响应带宽为10kHz,当泵浦光脉冲重复频率较高时，相当于准连续光泵浦，从而不影响放大后的单频激光的时域性质。

本发明利用拉曼效应与入射光峰值功率成正比的特性，引入高重复率超短脉冲光源经过两次拉曼频移获取Er/Yb共掺光纤10的同带泵浦光，并利用Er/Yb共掺光纤10的低通滤波属性，使得拉曼转化的高重频脉冲具有”准连续”特性，从而达到抑制单频光纤放大器中受激布里渊效应，高效保真放大1.5微米单频激光的目的。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。