專利名稱：一種納秒脈沖光纖激光器及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光器的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及到納秒脈沖光纖激光器及其控制方法。
背景技術(shù)：
長距離光纖拉曼傳感器要求傳感激光器光源的脈沖寬度在納秒量級(幾個(gè)納秒 到幾十個(gè)納秒)，脈沖峰值功率能達(dá)到數(shù)十瓦甚至上百瓦，脈沖重復(fù)頻率達(dá)到幾千赫茲到幾 十千赫茲，因此需要采用具有高峰值功率的納秒脈沖光纖激光器作為其光源。目前市場上 的納秒脈沖光纖激光器沒有對光纖放大系統(tǒng)中的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)進(jìn)行有效控制，使得產(chǎn)生的脈 沖激光存在背景ASE(放大自發(fā)輻射)噪聲大、脈沖峰值功率低、脈沖不平坦等問題，另外目 前的脈沖光纖激光器在不發(fā)光時(shí)，激光器驅(qū)動電流為零，使得激光器使用壽命短，上述原因 導(dǎo)致目前的脈沖光纖激光器不適合用于長距離拉曼分布式光纖傳感系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一個(gè)目的是提出一種背景ASE噪聲小、脈沖峰值功率高、信噪比高、脈 沖平坦、使用壽命長的納秒脈沖光纖激光器。 本發(fā)明的納秒脈沖光纖激光器關(guān)鍵在于包括控制單元、源激光器、噪聲抑制激光 器、光纖耦合器、第一波分復(fù)用器、第二波分復(fù)用器、第一泵浦激光二級管、第二泵浦激光二 級管、第一摻雜光纖、第二摻雜光纖、第一光纖光柵、第二光纖光柵、第三光纖光柵、第一光 電探測器、第二光電探測器、第三光電探測器和四端口光纖環(huán)形器；所述四端口光纖環(huán)形器 具有輸入端口 、輸出端口和第二端口 、第三端口 ；所述源激光器的激光中心波長在第一光纖 光柵和第二光纖光柵的反射帶內(nèi)，所述噪聲抑制激光器的激光中心波長在第三光纖光柵的 反射帶內(nèi)；所述源激光器和噪聲抑制激光器的輸出端通過光纖耦合器與四端口光纖環(huán)形器 的輸入端口相連；所述第一泵浦激光二級管、四端口光纖環(huán)形器的第二端口通過第一波分 復(fù)用器依次與第一摻雜光纖、第一光纖光柵、第三光纖光柵、第一光電探測器串接；所述第 二泵浦激光二級管、四端口光纖環(huán)形器的第三端口通過第二波分復(fù)用器依次與第二摻雜光 纖、第二光纖光柵、第二光電探測器串接；所述光纖耦合器還與第三光電探測器相連；所述 控制單元分別與第一光電探測器、第二光電探測器、第三光電探測器、源激光器、噪聲抑制 激光器、第一泵浦激光二級管和第二泵浦激光二級管相連。 為了在兩段摻雜光纖內(nèi)實(shí)現(xiàn)四級光脈沖放大，所述源激光器中心波長在第一光纖 光柵和第二光纖光柵反射帶內(nèi)。 為了在兩段摻雜光纖內(nèi)實(shí)現(xiàn)四級光脈沖放大，所述源激光器和噪聲控制激光器中 心波長均在摻雜光纖的增益譜范圍之內(nèi)；所述源激光器中心波長在通信C波段1550nm附 近。 為了在兩段摻雜光纖內(nèi)實(shí)現(xiàn)增益鉗制，所述第一光纖光柵和第二光纖光柵與第三 光纖光柵的反射帶不重疊。 所述第一光纖光柵和第二光纖光柵為寬帶高反射率光纖光柵，所述第三光纖光柵為寬帶弱反射率光纖光柵。 所述光纖耦合器、波分復(fù)用器、四端口光纖環(huán)形器、第一摻雜光纖、第二摻雜光纖 均采用光通信用單模光器件。 本發(fā)明的第二個(gè)目的是提出上述納秒脈沖光纖激光器的控制方法。 本發(fā)明的納秒脈沖光纖激光器的控制方法控制單元接收第一光電探測器、第二
光電探測器和第三光電探測器的信號，并發(fā)出信號控制源激光器、噪聲抑制激光器、第一泵
浦激光二級管和第二泵浦激光二級管的工作，關(guān)鍵在于包括如下循環(huán)步驟控制單元控制
源激光器發(fā)出一個(gè)寬度為T0的光脈沖，經(jīng)過T1時(shí)間間隔后，控制噪聲抑制激光器發(fā)出一個(gè)
寬度為T2的光脈沖；然后再經(jīng)過T3時(shí)間間隔后，源激光器發(fā)出下一個(gè)光脈沖。 在T3這段時(shí)間里，將彌補(bǔ)前一段時(shí)間內(nèi)噪聲抑制激光器產(chǎn)生的脈沖激光對第一
摻雜光纖和第二摻雜光纖中的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)過多的消耗，使第一摻雜光纖和第二摻雜光纖中
的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)恢復(fù)到較高的水平，從而保證了源激光器產(chǎn)生的光脈沖在第一摻雜光纖和第
二摻雜光纖中能夠產(chǎn)生足夠高的增益。同時(shí)，T3不能太長，以免在T3時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生較大的ASE
脈沖噪聲。 控制單元根據(jù)第一光電探測器的信號來控制第一泵浦激光二級管的泵浦功率；控 制單元根據(jù)第二光電探測器的信號來控制第二泵浦激光二級管的泵浦功率；控制單元根據(jù) 第三光電探測器的信號來控制源激光器及噪聲抑制激光器的輸出脈沖光功率，穩(wěn)定納秒脈 沖光纖激光器的輸出激光功率。 所述源激光器和噪聲抑制激光器在未發(fā)出光脈沖的時(shí)候工作在閾值電流附近，可 以延長激光器使用壽命。
本發(fā)明的納秒脈沖光纖激光器的具體的工作原理如下 控制單元利用脈沖電流驅(qū)動源激光器產(chǎn)生脈沖激光，脈沖激光依次通過光纖耦合 器、四端口光纖環(huán)形器傳輸?shù)降谝粨诫s光纖，經(jīng)第一摻雜光纖產(chǎn)生一級放大，然后再經(jīng)過第 一光纖光柵反射，再次通過第一摻雜光纖，產(chǎn)生二級放大；經(jīng)過二級放大后的脈沖激光再次 通過四端口光纖環(huán)形器并進(jìn)入第二摻雜光纖產(chǎn)生第三級放大，經(jīng)過第二光纖光柵反射，再 次通過第二摻雜光纖，產(chǎn)生四級放大，最后經(jīng)由四端口光纖環(huán)形器輸出端口輸出。如上所 述，經(jīng)過四級放大后，脈沖峰值功率達(dá)可達(dá)到數(shù)十瓦到上百瓦。 源激光器產(chǎn)生一個(gè)脈沖激光之后，控制單元控制噪聲抑制激光器產(chǎn)生一個(gè)脈沖激 光，該脈沖激光經(jīng)四端口光纖環(huán)形器進(jìn)入第一摻雜光纖，并通過第一摻雜光纖，以抑制ASE 的產(chǎn)生，經(jīng)過第一摻雜光纖放大后的脈沖激光經(jīng)過第一光纖光柵，通過第三光纖光柵，絕大 部分的激光通過第三光纖光柵，被第一光電探測器探測到；小部分的激光被第三光纖光柵 反射，經(jīng)過四端口光纖環(huán)形器之后，進(jìn)入第二摻雜光纖，抑制第二摻雜光纖中的ASE噪聲， 經(jīng)過第二摻雜光纖放大后的脈沖激光經(jīng)過第二光纖光柵，被第二光電探測器探測到。如上 所述，源激光器和噪聲抑制激光器在控制單元的控制下，依次產(chǎn)生激光脈沖序列。
本發(fā)明的納秒脈沖光纖激光器采用四端口光纖環(huán)形器及光纖光柵結(jié)構(gòu)，在兩段摻 雜光纖上實(shí)現(xiàn)四級光脈沖放大，能夠產(chǎn)生峰值功率達(dá)幾十到上百瓦的高信噪比的脈沖激 光；并利用噪聲抑制激光器來實(shí)現(xiàn)摻雜光纖中反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的控制，從而抑制了光纖放大器 中產(chǎn)生的ASE背景噪聲，并使得輸出脈沖激光的波形非常平坦；同時(shí)采用增益鉗制技術(shù)來 控制脈沖光通過摻雜光纖的增益，使得源激光器和噪聲抑制激光器在未發(fā)送光脈沖的時(shí)候工作在閾值電流附近，提高了使用壽命，能夠用于超過十千米的光纖拉曼傳感器。


圖1是本發(fā)明的納秒脈沖光纖激光器的光路結(jié)構(gòu)圖； 圖2是本發(fā)明的納秒脈沖光纖激光器的源激光器和噪聲抑制激光器輸出脈沖激 光的時(shí)序圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例和附圖來詳細(xì)說明本發(fā)明。
實(shí)施例1 : 如圖1所示，本實(shí)施例的納秒脈沖光纖激光器包括控制單元17、源激光器1、噪聲 抑制激光器2、光纖耦合器3、第一波分復(fù)用器7、第二波分復(fù)用器8、第一泵浦激光二級管5、 第二泵浦激光二級管6、第一摻雜光纖9、第二摻雜光纖10、第一光纖光柵11、第二光纖光柵 12、第三光纖光柵13、第一光電探測器14、第二光電探測器15、第三光電探測器16和四端口 光纖環(huán)形器4;四端口光纖環(huán)形器4具有輸入端口、輸出端口和第二端口、第三端口 ；源激光 器1的激光中心波長在第一光纖光柵11和第二光纖光柵12的反射帶內(nèi)，噪聲抑制激光器 2的激光中心波長在第三光纖光柵13的反射帶內(nèi)；所述源激光器1和噪聲抑制激光器2的 輸出端通過光纖耦合器3與四端口光纖環(huán)形器4的輸入端口相連；第一泵浦激光二級管5、 四端口光纖環(huán)形器4的第二端口通過第一波分復(fù)用器7依次與第一摻雜光纖9、第一光纖光 柵11、第三光纖光柵13、第一光電探測器14串接；第二泵浦激光二級管6、四端口光纖環(huán)形 器4的第三端口通過第二波分復(fù)用器8依次與第二摻雜光纖10、第二光纖光柵12、第二光 電探測器15串接；光纖耦合器3還與第三光電探測器16相連；控制單元17分別與第一光 電探測器14、第二光電探測器15、第三光電探測器16、源激光器1、噪聲抑制激光器2、第一 泵浦激光二級管5和第二泵浦激光二級管6相連。 上述源激光器1、噪聲抑制激光器2、光纖耦合器3、第一波分復(fù)用器7、第二波分復(fù) 用器8、第一泵浦激光二級管5、第二泵浦激光二級管6、第一摻雜光纖9、第二摻雜光纖10、 第一光纖光柵11、第二光纖光柵12、第三光纖光柵13、第一光電探測器14、第二光電探測器 15、第三光電探測器16和四端口光纖環(huán)形器4中需要相連的部件均采用光纖熔接機(jī)熔接。
上述第一光纖光柵11和第二光纖光柵12的反射帶相同，第一光纖光柵11和第二 光纖光柵與第三光纖光柵13的反射帶不重疊。
工作過程 控制單元17利用脈沖電流驅(qū)動源激光器1產(chǎn)生一個(gè)峰值功率為幾毫瓦的脈沖激 光，脈沖激光依次通過光纖耦合器3、四端口光纖環(huán)形器4傳輸?shù)降谝粨诫s光纖9，經(jīng)第一摻 雜光纖9產(chǎn)生一級放大，然后再經(jīng)過第一光纖光柵11反射，再次通過第一摻雜光纖9，產(chǎn)生 二級放大；經(jīng)過二級放大后的脈沖激光再次通過四端口光纖環(huán)形器4并進(jìn)入第二摻雜光纖 10產(chǎn)生第三級放大，經(jīng)過第二光纖光柵12反射，再次通過第二摻雜光纖10，產(chǎn)生四級放大， 最后經(jīng)由四端口光纖環(huán)形器4輸出端口輸出。如上所述，經(jīng)過四級放大后，最后輸出的激光 脈沖峰值功率達(dá)可達(dá)到數(shù)十瓦到上百瓦。第一泵浦激光二級管5的作用是經(jīng)過第一波分復(fù) 用器7將其泵浦光注入到第一摻雜光纖中9，實(shí)現(xiàn)第一摻雜光纖9內(nèi)摻雜離子的電子能級反轉(zhuǎn)；第二泵浦激光二級管6的作用是經(jīng)過第二波分復(fù)用器8將其泵浦光注入到第二摻雜光 纖10中，實(shí)現(xiàn)第二摻雜光纖10內(nèi)摻雜離子的電子能級反轉(zhuǎn)。 源激光器1產(chǎn)生一個(gè)脈沖激光后，經(jīng)過T2時(shí)間，控制單元17控制噪聲抑制激光器 2產(chǎn)生一個(gè)脈沖激光，該脈沖激光經(jīng)四端口光纖環(huán)形器4進(jìn)入第一摻雜光纖9，以抑制ASE 的產(chǎn)生，經(jīng)過第一摻雜光纖9放大后的脈沖激光通過第一光纖光柵11后經(jīng)第三光纖光柵13 反射，絕大部分的激光通過第三光纖光柵13，被第一光電探測器14探測到；小部分的激光 被第三光纖光柵13反射，經(jīng)第一摻雜光纖9放大后，通過四端口光纖環(huán)形器4進(jìn)入第二摻 雜光纖10，抑制第二摻雜光纖10中產(chǎn)生的ASE噪聲，經(jīng)過第二摻雜光纖10放大后的脈沖激 光經(jīng)過第二光纖光柵12，被第二光電探測器15探測到。如上所述，源激光器1和噪聲抑制 激光器2在控制單元17的控制下，依次產(chǎn)生激光脈沖，最終在四端口光纖環(huán)行器的輸出端 口輸出放大后的源激光脈沖序列?？刂茊卧鶕?jù)第一光電探測器14的信號來反饋控制第 一泵浦激光二級管5的泵浦功率；根據(jù)第二光電探測器15的信號來反饋控制第二泵浦激光 二級管6的泵浦功率；根據(jù)第三光電探測器16的信號來反饋控制源激光器1及噪聲抑制激 光器2的輸出脈沖光功率，使得脈沖光纖激光器輸出脈沖激光功率穩(wěn)定。
源激光器1發(fā)出一個(gè)光脈沖之后就工作在閾值電流附近，此時(shí)激光器仍發(fā)出微弱 的激光，該微弱激光和噪聲抑制激光器2輸出的脈沖激光同時(shí)注入到第一摻雜光纖9和第 二摻雜光纖10中，受增益鉗制作用，源激光器1輸出的微弱激光增益很小，由此產(chǎn)生的背景 噪聲對脈沖光纖激光器的影響幾乎可以忽略不記。 源激光器1輸出的光脈沖寬度在納秒量級，納秒脈沖放大后的脈沖波形失真量很 小，通過控制單元17控制第一摻雜光纖9和第二摻雜光纖10中的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)能夠使得輸 出脈沖激光波形非常平坦。 如圖2所示，控制單元17控制源激光器1發(fā)出一個(gè)寬度為T0的光脈沖后，經(jīng)過T1 時(shí)間間隔，控制噪聲抑制激光器2發(fā)出一個(gè)寬度為T2的光脈沖；然后再經(jīng)過T3時(shí)間間隔， 控制源激光器l發(fā)出下一個(gè)光脈沖。如上重復(fù)，產(chǎn)生激光序列。在T3這段時(shí)間里，將彌補(bǔ) 前一段時(shí)間內(nèi)噪聲抑制激光器2產(chǎn)生的脈沖激光對第一摻雜光纖9和第二摻雜光纖10中 的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)過多的消耗，使第一摻雜光纖9和第二摻雜光纖10中的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)恢復(fù)到較 高的水平，從而保證了源激光器1產(chǎn)生的光脈沖在第一摻雜光纖9和第二摻雜光纖10中能 夠產(chǎn)生足夠高的增益。同時(shí)，T3不能太長，以免在T3時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生較大的ASE脈沖噪聲。
權(quán)利要求
一種納秒脈沖光纖激光器，其特征在于包括控制單元、源激光器、噪聲抑制激光器、光纖耦合器、第一波分復(fù)用器、第二波分復(fù)用器、第一泵浦激光二級管、第二泵浦激光二級管、第一摻雜光纖、第二摻雜光纖、第一光纖光柵、第二光纖光柵、第三光纖光柵、第一光電探測器、第二光電探測器、第三光電探測器和四端口光纖環(huán)形器；所述四端口光纖環(huán)形器具有輸入端口、輸出端口和第二端口、第三端口；所述源激光器的激光中心波長在第一光纖光柵和第二光纖光柵的反射帶內(nèi)，所述噪聲抑制激光器的激光中心波長在第三光纖光柵的反射帶內(nèi)；所述源激光器和噪聲抑制激光器的輸出端通過光纖耦合器與四端口光纖環(huán)形器的輸入端口相連；所述第一泵浦激光二級管、四端口光纖環(huán)形器的第二端口通過第一波分復(fù)用器依次與第一摻雜光纖、第一光纖光柵、第三光纖光柵、第一光電探測器串接；所述第二泵浦激光二級管、四端口光纖環(huán)形器的第三端口通過第二波分復(fù)用器依次與第二摻雜光纖、第二光纖光柵、第二光電探測器串接；所述光纖耦合器還與第三光電探測器相連；所述控制單元分別與第一光電探測器、第二光電探測器、第三光電探測器、源激光器、噪聲抑制激光器、第一泵浦激光二級管和第二泵浦激光二級管相連。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的納秒脈沖光纖激光器，其特征在于所述第一光纖光柵與第二 光纖光柵的反射帶相同，第一光纖光柵與第三光纖光柵的反射帶不重疊。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的納秒脈沖光纖激光器，其特征在于所述源激光器和噪聲抑制 激光器中心波長在摻雜光纖的增益譜范圍之內(nèi)，源激光器中心波長在通信C波段1550nm附 近。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的納秒脈沖光纖激光器，其特征在于所述光纖耦合器、波分 復(fù)用器、四端口光纖環(huán)形器、第一摻雜光纖、第二摻雜光纖均采用光通信用單模光器件。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的納秒脈沖光纖激光器的控制方法，控制單元接收第一光電探 測器、第二光電探測器和第三光電探測器的信號，反饋控制源激光器、噪聲抑制激光器、第 一泵浦激光二級管和第二泵浦激光二級管的驅(qū)動電流，其特征在于包括如下循環(huán)步驟控 制單元控制源激光器發(fā)出 一個(gè)寬度為T0的光脈沖，經(jīng)過T1時(shí)間間隔后，控制噪聲抑制激光 器發(fā)出一個(gè)寬度為T2的光脈沖；然后再經(jīng)過T3時(shí)間間隔后，源激光器發(fā)出下一個(gè)光脈沖。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的納秒脈沖光纖激光器的控制方法，其特征在于控制單元根據(jù) 第一光電探測器的信號來控制第一泵浦激光二級管的泵浦功率；控制單元根據(jù)第二光電探 測器的信號來控制第二泵浦激光二級管的泵浦功率；控制單元根據(jù)第三光電探測器的信號 來控制源激光器及噪聲抑制激光器的輸出脈沖光功率。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的納秒脈沖光纖激光器的控制方法，其特征在于所述源激 光器在未發(fā)出光脈沖的時(shí)候工作在閾值電流附近。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的納秒脈沖光纖激光器的控制方法，其特征在于所述噪聲 抑制激光器在未發(fā)出光脈沖的時(shí)候工作在閾值電流附近。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種背景ASE噪聲小、脈沖峰值功率高、脈沖平坦、使用壽命長的納秒脈沖光纖激光器及其控制方法。該激光器主要包括控制單元、源激光器、噪聲抑制激光器、光纖耦合器、四端口光纖環(huán)形器、四級光纖放大部分和反饋部分。上述納秒脈沖光纖激光器采用四端口光纖環(huán)形器及光纖光柵結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了四級光脈沖放大，能夠產(chǎn)生高峰值功率、高信噪比的光脈沖序列；并利用噪聲抑制激光器來實(shí)現(xiàn)摻雜光纖中反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的控制，從而抑制了光纖放大器產(chǎn)生的ASE背景噪聲，并使得輸出脈沖激光的波形非常平坦；同時(shí)采用增益鉗制技術(shù)來控制脈沖光通過摻雜光纖的增益，使得源激光器和噪聲抑制激光器在未發(fā)送光脈沖的時(shí)候工作在閾值電流附近，提高了使用壽命。
文檔編號H01S3/083GK101771234SQ20101010300
公開日2010年7月7日 申請日期2010年1月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月26日
發(fā)明者徐海峰 申請人:奇瑞汽車股份有限公司