專(zhuān)利名稱(chēng)：高功率光纖激光放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種偏振預(yù)補(bǔ)償穩(wěn)定控制的高功率光纖激光放大器，屬于激光控制技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
光纖激光器具有體積小、重量輕、轉(zhuǎn)換效率高、輸出光束質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)得到了迅猛的發(fā)展。高功率光纖激光器，尤其是超短脈沖光纖激光器，通常采用低功率種子源和多級(jí)功率放大器組成，即MOPA (Master Oscillator Power Amplifier)。主放大級(jí)通常采用的對(duì)稱(chēng)的光子晶體光纖或者雙包層增益光纖，但是光纖放大器工作的環(huán)境中存在大量的震動(dòng)、溫度變化等環(huán)境干擾，放大器中的光纖容易受到周?chē)h(huán)境中這些變化因素的干擾，導(dǎo)致輸出光的偏振態(tài)發(fā)生抖動(dòng)。放大光束的相干合成、相干探測(cè)、非線(xiàn)性頻率轉(zhuǎn)換、光學(xué)參量放大、光譜組合、光子晶體光纖中的非線(xiàn)性頻譜展寬、激光光譜等一系列重要應(yīng)用，都對(duì)高功率光纖激光器的偏振性有很高的要求。為解決此問(wèn)題，以前的方案多采用保偏的光子晶體光纖或者雙包層增益光纖來(lái)保持偏振穩(wěn)定的輸出，但是保偏的大模場(chǎng)光子晶體光纖和雙包層增益光纖制作困難，價(jià)格昂貴，使用也不方便，激光放大系統(tǒng)光路中的其他器件都要相應(yīng)地采用偏振型的，成本進(jìn)一步增加，況且大模場(chǎng)保偏光纖光學(xué)元器件制作工藝也相對(duì)不成熟。這些因素限制了這種方法的推廣應(yīng)用。
發(fā)明內(nèi)容為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供一種高功率光纖激光放大器，通過(guò)探測(cè)輸出光的偏振變化利用電動(dòng)的光纖偏振控制器來(lái)反饋補(bǔ)償偏振的擾動(dòng)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)偏振穩(wěn)定的高功率激光輸出，而且不使用昂貴的保偏型光纖，降低了成本，可以方便地推廣到大模場(chǎng)光子晶體光纖或雙包層增益光纖。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:高功率光纖激光放大器，包括偏振控制器，光纖放大器、偏振探測(cè)器、分析控制器；種子光輸出方向依次是所述偏振控制器、光纖放大器、偏振探測(cè)器，偏振探測(cè)器的一個(gè)輸出端輸出的較強(qiáng)光作為放大后的高功率激光使用，偏振探測(cè)器的另一個(gè)輸出端輸出的較弱光輸給分析控制器反饋控制偏振控制器。所述的偏振控制器包括3個(gè)成一定角度排列的光纖擠壓器和一個(gè)受控光纖，受控光纖是單模光纖、多模光纖、大摸場(chǎng)雙包層光纖或者高強(qiáng)度光子晶體光纖，三個(gè)光纖擠壓器軸向呈45度。所述的光纖放大器包括高功率光纖隔離器，多模半導(dǎo)體激光器，泵浦合束器，摻鐿雙包層光纖，光纖準(zhǔn)直透鏡；偏振控制器輸出的種子光通過(guò)高功率光纖隔離器進(jìn)入泵浦合束器，多模半導(dǎo)體激光器連接泵浦合束器的泵浦輸入端，泵浦合束器的公共端連接摻鐿雙包層光纖，摻鐿雙包層光纖的輸出光通過(guò)光纖準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直后輸出給所述偏振探測(cè)器。所述的光纖放大器包括高功率光纖隔離器，多模半導(dǎo)體激光器，泵浦合束器，摻鐿雙包層光纖，光纖準(zhǔn)直透鏡；所述偏振控制器輸出的種子光通過(guò)高功率光纖隔離器進(jìn)入摻鐿雙包層光纖，摻鐿雙包層光纖末端連接泵浦合束器的公共端，多模半導(dǎo)體激光器連接泵浦合束器的泵浦輸入端，泵浦合束器輸出端的輸出光通過(guò)光纖準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直后輸出給所述偏振探測(cè)器。所述偏振探測(cè)器包括波片、偏振分束器、光電探測(cè)器，光纖放大器輸出的高功率激光通過(guò)波片調(diào)整偏振態(tài)，然后激光經(jīng)過(guò)偏振分束器分為強(qiáng)弱不同的兩束，較弱的一路通入光電探測(cè)器進(jìn)行探測(cè)，信號(hào)經(jīng)過(guò)分析控制器處理來(lái)控制偏振控制器。所述的摻鐿雙包層光纖為摻雜稀土兀素中的一種或多種摻雜的單模光纖、大芯徑多模光纖、雙包層光纖、光子晶體光纖。所述偏振分束器為是光纖結(jié)構(gòu)或者空間結(jié)構(gòu)。所述種子光是連續(xù)激光或納秒、皮秒或飛秒脈沖激光。所述的光纖激光放大器為多級(jí)級(jí)聯(lián)放大，每級(jí)包含有偏振控制器、光纖放大器、偏振探測(cè)器、以及分析控制器。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):1、通過(guò)電控的偏振控制器可以實(shí)時(shí)高速的對(duì)偏振擾動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，價(jià)格相對(duì)低廉，適合應(yīng)用于常規(guī)的光纖激光放大器，為反饋控制高功率光纖激光器的偏振穩(wěn)定輸出提供一種新技術(shù)途徑。2、本發(fā)明采用反饋控制使檢測(cè)路的光強(qiáng)能量穩(wěn)定在一個(gè)較小的初始值，控制簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便。3、本發(fā)明采用的偏振控制器具有相應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，能夠補(bǔ)償快速的偏振抖動(dòng)。4、本發(fā)明采用的偏振控制器具有插入損耗小的優(yōu)點(diǎn)，能夠直接插入光纖振蕩級(jí)與放大器之間，也可插入在預(yù)放大級(jí)與功率放大級(jí)之間。5、本發(fā)明采用的偏振控制器適用于所有的光學(xué)波段，可以用于摻雜稀土元素(鐿、鉺、銩、欽、鐠等)光纖放大器偏振的反饋控制。6、本發(fā)明采用的偏振控制器中所采用的單模光纖具有特定的高機(jī)械強(qiáng)度，足夠承受壓電陶瓷擠壓光纖的應(yīng)力，其中的高強(qiáng)度單模光纖也可用特制高強(qiáng)度的大芯徑多模光纖或雙包層光纖或光子晶體光纖，從而適用于高功率光纖放大級(jí)的偏振反饋控制。7、本發(fā)明采用的偏振探測(cè)器，可以在多個(gè)光纖級(jí)聯(lián)放大器之間級(jí)聯(lián)使用，提高偏振反饋控制的精度。8、本發(fā)明采用的偏振探測(cè)器，適用于連續(xù)或脈沖的光纖激光，只需偏振探測(cè)器工作相應(yīng)地在連續(xù)或脈沖模式下。9、本發(fā)明采用的偏振探測(cè)器，可以方便地用于優(yōu)化光纖放大器的光學(xué)倍頻輸出，所述的偏振探測(cè)器可以用相應(yīng)的對(duì)輸入偏振敏感的光學(xué)倍頻器取代，通過(guò)監(jiān)測(cè)光學(xué)倍頻到最大的輸出功率來(lái)控制光纖放大器的偏振抖動(dòng)。10、本發(fā)明采用的偏振探測(cè)器，可方便地用于高功率皮秒和飛秒脈沖光纖激光的脈沖壓縮，所述的偏振探測(cè)器可以用相應(yīng)的對(duì)輸入偏振敏感的光學(xué)脈沖壓縮器取代，通過(guò)監(jiān)測(cè)光學(xué)脈沖壓縮器到獲得最大的壓縮脈沖輸出功率來(lái)控制光纖放大器的偏振抖動(dòng)。11、本發(fā)明采用的偏振探測(cè)器，可以方便地拓展應(yīng)用于飛秒光學(xué)頻率梳控制技術(shù)，通過(guò)預(yù)補(bǔ)償光纖放大器的偏振變化，結(jié)合光纖飛秒激光的光場(chǎng)時(shí)間-頻率精密控制技術(shù)，提升高功率飛秒光纖激光的時(shí)-頻域控制精度。

圖1是偏振預(yù)補(bǔ)償穩(wěn)定控制的高功率光纖激光放大器結(jié)構(gòu)圖。圖2是光纖偏振控制器的原理圖。圖3是一種同向泵浦的偏振預(yù)補(bǔ)償穩(wěn)定控制高功率光纖激光放大器的結(jié)構(gòu)圖。圖4是一種反向泵浦的偏振預(yù)補(bǔ)償穩(wěn)定控制高功率光纖激光放大器的結(jié)構(gòu)圖。圖5是一種多級(jí)級(jí)聯(lián)的偏振預(yù)補(bǔ)償穩(wěn)定控制高功率光纖激光放大器的結(jié)構(gòu)圖。圖6是分析控制器的工作流程圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，以便于更清楚地理解本發(fā)明:如圖1，本發(fā)明介紹高功率光纖激光放大器，主要包括四部分，分別為偏振控制器100，光纖放大器200，偏振探測(cè)器300，分析控制器400。光強(qiáng)較弱的種子光通過(guò)偏振控制器100后進(jìn)入光纖放大器200,光纖放大器200放大后的激光通過(guò)偏振探測(cè)器300輸出，偏振探測(cè)器300獲得的信息通過(guò)分析控制器400處理后，反饋控制偏振控制器100。本發(fā)明的光纖激光放大器偏振穩(wěn)定，不僅可以用于生物分子的探測(cè)，還可以用于激光相干合束、生物醫(yī)學(xué)成像、表面形貌成像、痕量分析、半導(dǎo)體界面檢測(cè)、高精度時(shí)域-頻域控制、激光雷達(dá)、高精度脈沖激光加工、航空航天領(lǐng)域的靈敏光電子檢測(cè)等，具有廣泛的應(yīng)用前景。所述偏振控制器100采用壓電陶瓷制成的光纖擠壓器，光纖擠壓器能動(dòng)態(tài)的改變光纖的雙折射參數(shù)，補(bǔ)償激光的偏振態(tài)。光纖擠壓器不僅可以實(shí)現(xiàn)高速、高效的偏振擾動(dòng)補(bǔ)償，獲得偏振穩(wěn)定的高功率激光輸出，拓展高功率光纖激光的應(yīng)用領(lǐng)域，還可以避免使用保偏光纖以及保偏器件，降低放大系統(tǒng)的成本。如圖2,所述的偏振控制器100包括3個(gè)成一定角度排列的光纖擠壓器101、102、103和一個(gè)受控光纖104，受控光纖104可以是單模光纖、多模光纖、大摸場(chǎng)雙包層光纖或者高強(qiáng)度光子晶體光纖。光纖擠壓器由壓電陶瓷制成，可以擠壓光纖產(chǎn)生額外的雙折射，改變其中激光的偏振態(tài)。三個(gè)光纖擠壓器101、102、103軸向呈45度，不同角度的擠壓會(huì)引起偏振態(tài)以龐加萊球赤道平面上的某個(gè)直徑為主軸旋轉(zhuǎn)，這樣三個(gè)自由度能夠保證激光的偏振態(tài)被有效地補(bǔ)償回預(yù)定位置。實(shí)施例1:如圖3,是正向泵浦偏振穩(wěn)定的高功率激光放大器。包括尾纖輸入輸出的偏振控制器100，光纖放大器，偏振探測(cè)器，分析控制器400。光纖放大器包括高功率光纖隔離器201，多模半導(dǎo)體激光器202，泵浦合束器203，摻鐿雙包層光纖204，光纖準(zhǔn)直透鏡205。多模半導(dǎo)體激光器202的輸出功率優(yōu)選為10W，工作波長(zhǎng)優(yōu)選為976nm。泵浦合束器203為(1+1)X I結(jié)構(gòu)。摻鐿雙包層光纖204長(zhǎng)度優(yōu)選lm。所述偏振探測(cè)器包括波片301,偏振分束器302,光電探測(cè)器303。所述波片301優(yōu)選1/4波片，其工作波長(zhǎng)優(yōu)選為1064nm。偏振分束器302米用偏振分束鏡。[0039]偏振控制器100輸出的種子光通過(guò)高功率光纖隔離器201進(jìn)入泵浦合束器，多模半導(dǎo)體激光器202連接泵浦合束器203的泵浦輸入端，泵浦合束器203的公共端連接摻鐿雙包層光纖204，摻鐿雙包層光纖204的輸出光通過(guò)光纖準(zhǔn)直透鏡205準(zhǔn)直后輸出，然后通過(guò)波片301調(diào)節(jié)偏振角度射入到偏振分束器302上，使得偏振分束器302平行輸出的光強(qiáng)最大。偏振分束鏡輸出的另一路較弱的光射入光電探測(cè)器303進(jìn)行光強(qiáng)探測(cè)，分析控制器400接收光電探測(cè)器303的信號(hào)后處理反饋控制偏振控制器的壓電陶瓷，使得光電探測(cè)器303探測(cè)的得到的光強(qiáng)穩(wěn)定在某初始值，這樣就可以保證激光器獲得偏振穩(wěn)定的輸出。實(shí)施例2: 如圖4,是反向泵浦偏振穩(wěn)定的高功率激光放大器。包括尾纖輸入輸出的偏振控制器100，光纖放大器，偏振探測(cè)器，分析控制器400。光纖放大器包括高功率光纖隔離器201，多模半導(dǎo)體激光器202，泵浦合束器203，摻鐿雙包層光纖204，光纖準(zhǔn)直透鏡205。多模半導(dǎo)體激光器202的輸出功率優(yōu)選為10W，工作波長(zhǎng)優(yōu)選為976nm。泵浦合束器203為(1+1)X I結(jié)構(gòu)。摻鐿雙包層光纖204長(zhǎng)度優(yōu)選lm。所述偏振探測(cè)器包括波片301,偏振分束器302,光電探測(cè)器303。所述波片301優(yōu)選1/4波片，1/4波片工作波長(zhǎng)優(yōu)選為1064nm。偏振分束器302米用偏振分束鏡。偏振控制器100輸出的種子光通過(guò)高功率光纖隔離器201進(jìn)入摻鐿雙包層光纖204，摻鐿雙包層光纖204末端連接泵浦合束器203的公共端，多模半導(dǎo)體激光器202連接泵浦合束器203的泵浦輸入端，泵浦合束器203輸出端的輸出光通過(guò)光纖準(zhǔn)直透鏡205準(zhǔn)直后輸出，然后通過(guò)1/4波片調(diào)節(jié)偏振角度射入到偏振分束器302上，使得偏振分束器302平行輸出的光強(qiáng)最大。偏振分束器302輸出的另一路較弱的光射入光電探測(cè)器303進(jìn)行光強(qiáng)探測(cè)，分析控制器400接收光電探測(cè)器303的信號(hào)后處理反饋控制偏振控制器的壓電陶瓷，使得光電探測(cè)器303探測(cè)的得到的光強(qiáng)穩(wěn)定在某初始值，這樣就可以保證激光器獲得偏振穩(wěn)定的輸出。實(shí)施例3:如圖5，是多級(jí)級(jí)聯(lián)的高功率激光放大器。包括多級(jí)放大模塊，所有級(jí)放大模塊的結(jié)構(gòu)相同。每級(jí)放大模塊都包括偏振控制器100，高功率光纖隔離器201，多模半導(dǎo)體激光器202，泵浦合束器203，摻鐿雙包層光纖204，光纖準(zhǔn)直透鏡205，波片301，偏振分束器302，光電探測(cè)器303，分析控制器400。光強(qiáng)較弱的種子光經(jīng)過(guò)第一級(jí)放大模塊的偏振控制器201輸出，通過(guò)高功率光纖隔離器201進(jìn)入泵浦合束器203，多模半導(dǎo)體激光器202連接泵浦合束器203的泵浦輸入端，泵浦合束器203的公共端連接摻鐿雙包層光纖204,摻鐿雙包層光纖204的輸出光通過(guò)偏振分束器302分束,偏振分束器302輸出的另一路較弱的光射入光電探測(cè)器303進(jìn)行光強(qiáng)探測(cè)。偏振分束器輸出的另一路較強(qiáng)的光進(jìn)行下一級(jí)級(jí)聯(lián)放大，通過(guò)高功率光纖隔離器進(jìn)入泵浦合束器，多模半導(dǎo)體激光器連接泵浦合束器的泵浦輸入端，泵浦合束器的公共端連接Im長(zhǎng)的摻鐿雙包層光纖,摻鐿雙包層光纖的輸出光通過(guò)光纖偏振分束器分束，偏振分束器的較弱輸出光射入光電探測(cè)器進(jìn)行光強(qiáng)探測(cè)，較強(qiáng)輸出光作為放大后的高功率激光使用。分析控制器處理反饋控制偏振控制器的壓電陶瓷，使得光電探測(cè)器探測(cè)的得到的光強(qiáng)穩(wěn)定在某初始值，這樣就可以保證激光器獲得偏振穩(wěn)定的輸出。[0047]如圖6，是分析控制器的工作流程圖，光電探測(cè)器探測(cè)實(shí)施探測(cè)偏振分束器輸出的光強(qiáng)，并記錄開(kāi)始時(shí)的初始光強(qiáng)，當(dāng)偏振態(tài)發(fā)生抖動(dòng)時(shí)，偏振分束器每一路輸出的光強(qiáng)就會(huì)不等于初始光強(qiáng)，此時(shí)增強(qiáng)偏振控制單元的電壓，如果輸出光強(qiáng)的與初始值的差別減小，則保持電壓調(diào)節(jié)方向繼續(xù)調(diào)整，如果輸出光強(qiáng)與初始值差別增大，那么改變電壓調(diào)節(jié)方向。這樣通過(guò)對(duì)輸出光強(qiáng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，可以將偏振態(tài)穩(wěn)定。
權(quán)利要求1.高功率光纖激光放大器，其特征在于:包括偏振控制器(100)，光纖放大器(200)、偏振探測(cè)器(300)、分析控制器(400);種子光輸出方向依次是所述偏振控制器(100)、光纖放大器(200)、偏振探測(cè)器(300),偏振探測(cè)器(300)的一個(gè)輸出端輸出的較強(qiáng)光作為放大后的高功率激光使用，偏振探測(cè)器(300)的另一個(gè)輸出端輸出的較弱光輸給分析控制器(400)反饋控制偏振控制器(100)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率光纖激光放大器，其特征在于:所述的偏振控制器(100)包括3個(gè)成一定角度排列的光纖擠壓器(101、102、103)和一個(gè)受控光纖(104)，受控光纖(104)是單模光纖、多模光纖、大摸場(chǎng)雙包層光纖或者高強(qiáng)度光子晶體光纖，三個(gè)光纖擠壓器(101、102、103)軸向45度。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高功率光纖激光放大器，其特征在于:所述的光纖放大器包括高功率光纖隔離器，多模半導(dǎo)體激光器，泵浦合束器，摻鐿雙包層光纖，光纖準(zhǔn)直透鏡；偏振控制器輸出的種子光通過(guò)高功率光纖隔離器進(jìn)入泵浦合束器，多模半導(dǎo)體激光器連接泵浦合束器的泵浦輸入端，泵浦合束器的公共端連接摻鐿雙包層光纖，摻鐿雙包層光纖的輸出光通過(guò)光纖準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直后輸出給所述偏振探測(cè)器。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高功率光纖激光放大器，其特征在于:所述的光纖放大器包括高功率光纖隔離器，多模半導(dǎo)體激光器，泵浦合束器，摻鐿雙包層光纖，光纖準(zhǔn)直透鏡；所述偏振控制器輸出的種子光通過(guò)高功率光纖隔離器進(jìn)入摻鐿雙包層光纖，摻鐿雙包層光纖末端連接泵浦合束器的公共端，多模半導(dǎo)體激光器連接泵浦合束器的泵浦輸入端，泵浦合束器輸出端的輸出光通過(guò)光纖準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直后輸出給所述偏振探測(cè)器。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的高功率光纖激光放大器，其特征在于:所述偏振探測(cè)器包括波片、偏振分束器、光電探測(cè)器，光纖放大器輸出的高功率激光通過(guò)波片調(diào)整偏振態(tài)，然后激光經(jīng)過(guò)偏振分束器分為強(qiáng)弱不同的兩束，較弱的一路通入光電探測(cè)器進(jìn)行探測(cè)，信號(hào)經(jīng)過(guò)分析控制器處理來(lái)控制偏振控制器。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的高功率光纖激光放大器,其特征在于:所述的摻鐿雙包層光纖為摻雜稀土元素中的一種或多種摻雜的單模光纖、大芯徑多模光纖、雙包層光纖、光子晶體光纖。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的高功率光纖激光放大器，其特征在于:所述偏振分束器為是光纖結(jié)構(gòu)或者空間結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率光纖激光放大器，其特征在于:所述種子光是連續(xù)激光或納秒、皮秒或飛秒脈沖激光。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率光纖激光放大器，其特征在于:所述的光纖激光放大器為多級(jí)級(jí)聯(lián)放大，每級(jí)包含有偏振控制器、光纖放大器、偏振探測(cè)器、以及分析控制器。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了高功率光纖激光放大器，包括偏振控制器，光纖放大器、偏振探測(cè)器、分析控制器；種子光輸出方向依次是所述偏振控制器、光纖放大器、偏振探測(cè)器，偏振探測(cè)器的一個(gè)輸出端輸出的較強(qiáng)光作為放大后的高功率激光使用，偏振探測(cè)器的另一個(gè)輸出端輸出的較弱光輸給分析控制器反饋控制偏振控制器。本實(shí)用新型通過(guò)探測(cè)輸出光的偏振變化利用電動(dòng)的光纖偏振控制器來(lái)反饋補(bǔ)償偏振的擾動(dòng)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)偏振穩(wěn)定的高功率激光輸出，而且不使用昂貴的保偏型光纖，降低了成本，可以方便地推廣到大模場(chǎng)光子晶體光纖或雙包層增益光纖。
文檔編號(hào)H01S3/067GK203014154SQ20122062922
公開(kāi)日2013年6月19日 申請(qǐng)日期2012年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月23日
發(fā)明者梁崇智, 曾和平, 茹啟田 申請(qǐng)人:廣東漢唐量子光電科技有限公司