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)明涉及一種納秒脈沖光纖激光器及其控制方法。
背景技術(shù)：
納秒脈沖光纖激光器在光纖拉曼傳感器中有著廣泛的應(yīng)用。光纖拉曼傳感器要求 激光器的脈沖寬度在納秒量級(幾個納秒到幾十個納秒)，脈沖峰值功率能達(dá)到數(shù)十瓦，脈 沖重復(fù)頻率達(dá)到幾千赫茲到幾十千赫茲?，F(xiàn)有技術(shù)中，如“一種脈沖光纖激光器”專利(專利號200820086781. 0)所公開的
技術(shù)方案存在的不足之處在于，背景ASE噪聲大、輸出激光信噪比低、脈沖峰值功率低、脈 沖不平坦和激光器使用壽命低，不能用于長距離分布式拉曼光纖傳感系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的發(fā)明目的在于提供一種納秒脈沖光纖激光器及其控制方法，能夠有效提 高脈沖峰值功率，降低背景ASE噪聲，提高輸出激光信噪比，延長激光器的使用壽命。本發(fā)明基于同一發(fā)明構(gòu)思，具有兩個獨(dú)立技術(shù)方案1、一種納秒脈沖光纖激光器，具有源激光器，其特征在于還具有噪聲控制激光 器，源激光器和噪聲控制激光器的輸出端通過光纖耦合器與三端口光纖環(huán)形器輸入端相 連，三端口光纖環(huán)形器的第二端口和泵浦激光二極管的輸出端接波分復(fù)用器，波分復(fù)用器、 摻雜光纖、光纖光柵和第一光電探測器從左到右依次串聯(lián)?？刂茊卧謩e與源激光器、噪聲 控制激光器、泵浦激光二級管、第一光電探測器和第二光電探測器連接。泵浦激光二極管將泵浦光注入摻雜光纖，源激光發(fā)生器產(chǎn)生的激光脈沖經(jīng)過摻雜 光纖進(jìn)行一次放大，激光脈沖經(jīng)過光纖光柵反射后再次經(jīng)過摻雜光纖進(jìn)行二次放大，二次 放大后的激光脈沖由三端環(huán)形器輸出。噪聲抑制激光器產(chǎn)生的脈沖光經(jīng)過光纖耦合器、三 端口光纖環(huán)行器、波分復(fù)用器后在摻雜光纖里面產(chǎn)生光放大，消耗摻雜光纖內(nèi)的反轉(zhuǎn)粒子 數(shù)，抑制ASE背景噪聲的產(chǎn)生，放大后的激光經(jīng)過光纖光柵輸出，被第一光電探測器探測 到。納秒脈沖光纖激光器的源激光器產(chǎn)生激光中心波長和噪聲抑制激光器產(chǎn)生激光 的中心波長均在摻雜光纖增益譜范圍之內(nèi)。源激光器中心波長在通信C波段1550nm附近。 噪聲抑制激光器中心波長在1530nm附近。源激光器、噪聲抑制激光器、光纖耦合器、三端口 光纖環(huán)形器、波分復(fù)用器、半導(dǎo)體泵浦激光二級管、摻雜光纖均采用光通信用單模光器件。納秒脈沖光纖激光器采用三端口光纖環(huán)形器、波分復(fù)用器、半導(dǎo)體泵浦激光二級 管、摻雜光纖和寬帶高反射率光纖光柵結(jié)構(gòu)，構(gòu)成一個特殊的光纖放大器，在單段摻雜光纖 上實(shí)現(xiàn)了兩級激光放大。其中，寬帶高反射率光纖光柵用來濾除源激光器發(fā)出激光的激光 光譜以外的噪聲。并且，噪聲抑制激光器產(chǎn)生的激光光譜不在寬帶高反射率光纖光柵的反 射帶寬內(nèi)。噪聲抑制激光器輸出的激光經(jīng)摻雜光纖放大之后經(jīng)過光纖光柵被光電探測器接 受。源激光器產(chǎn)生的脈沖光經(jīng)過摻雜光纖放大之后從三端口光纖環(huán)行器輸出端口輸出。
納秒脈沖光纖激光器采用噪聲抑制激光器來抑制背景ASE噪聲，提高了輸出激光的信噪比。源激光器發(fā)出一個光脈沖，在摻雜光纖中實(shí)現(xiàn)光放大，源激光器發(fā)出該脈沖光之 后，噪聲抑制激光器發(fā)出一個脈沖光來消耗摻雜光纖中的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，抑制ASE噪聲的產(chǎn) 生。2、一種前述納秒脈沖光纖激光器的控制方法，其特征在于控制單元給源激光器 和噪聲抑制激光器提供時序脈沖電流，其特征在于包括如下循環(huán)步驟控制單元給源激光 器一個脈沖電流，使源激光器發(fā)出一個寬度為TO的光脈沖，經(jīng)過Tl時間間隔后，控制單元 給噪聲抑制激光器發(fā)出一個脈沖電流，使噪聲抑制激光器發(fā)出一個寬度為T2的光脈沖；然 后再經(jīng)過T3時間間隔后，控制單元再給源激光器發(fā)出一個脈沖電流，使源激光器發(fā)出下一 個光脈沖。在T3這段時間里，將彌補(bǔ)前一段時間內(nèi)噪聲抑制激光器產(chǎn)生的脈沖激光對摻雜 光纖中反轉(zhuǎn)粒子數(shù)過多的消耗，使摻雜光纖中的反轉(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)生的光脈沖在摻雜光纖中能夠產(chǎn)生足夠高的增益。同時，T3不能太長，以免 在T3時間內(nèi)產(chǎn)生較大的ASE脈沖噪聲。Tl時間長短以電路穩(wěn)定轉(zhuǎn)換時間為準(zhǔn)。納秒脈沖光纖激光器采用了增益鉗制技術(shù)，控制源激光器在摻雜光纖中的增益， 使得源激光器在不產(chǎn)生脈沖激光時所發(fā)出的微弱激光在摻雜光纖中的增益很小，放大后的 微弱激光對輸出脈沖激光所引入的背景噪聲很小。提高了源激光器的使用壽命。源激光器 發(fā)出脈沖光之后，控制單元使源激光器工作在閾值電流附近。噪聲抑制激光器發(fā)出脈沖光 之后，控制單元使噪聲抑制激光器工作在閾值電流附近。納秒脈沖光纖激光器的控制單元根據(jù)第一光電探測器和第二光電探測器的光電 流信號反饋控制源激光器和噪聲抑制激光器輸出激光的功率，同時反饋控制半導(dǎo)體激光二 極管的泵浦電流，使輸出脈沖激光功率穩(wěn)定。本發(fā)明具有的有益效果本發(fā)明泵浦激光二極管將泵浦光注入摻雜光纖，源激光器發(fā)出的激光脈沖經(jīng)過摻 雜光纖、經(jīng)光纖光柵全反射后進(jìn)行二次放大，可有效提高激光脈沖的峰值功率；通過噪聲控 制激光器來控制摻雜光纖中反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，可有效抑制激光器背景ASE噪聲，使輸出激光信 噪比高，光脈沖波形平坦；源激光器產(chǎn)生脈沖后，仍工作在閥值電流附近，有效提高激光器 的使用壽命；采用增益鉗制技術(shù)，有效控制源激光器不工作時產(chǎn)生的殘余激光在摻雜光纖 中的增益，將這種殘余激光噪聲得到有效控制。本發(fā)明能夠產(chǎn)生高信噪比、峰值功率達(dá)幾 瓦到幾十瓦的激光脈沖，完全滿足十公里以內(nèi)的分布式光纖拉曼傳感器的需要，低背景ASE 噪聲有效保證了高空間分辨率。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理圖；圖2為本發(fā)明源激光器和噪聲控制激光器的驅(qū)動電流時序圖。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，源激光器1和噪聲控制激光器2的輸出端通過光纖耦合器4與三端 口光纖環(huán)形器10輸入端相連，三端口光纖環(huán)形器10的第二端口和泵浦激光二極管3的輸 出端接波分復(fù)用器5，波分復(fù)用器5、摻雜光纖6、光纖光柵7和第一光電探測器8從左到右依次串聯(lián)。控制單元11分別與源激光器1、噪聲控制激光器2、泵浦激光二級管3、第一光電探測器8和第二光電探測器9連接。前述光路均采用光纖熔接機(jī)熔接，光纖耦合器4、三端 口光纖環(huán)形器10和摻雜光纖6均采用光通信用光器件。泵浦激光二極管3將泵浦光注入摻雜光纖6，源激光器1產(chǎn)生的激光脈沖經(jīng)過摻雜 光纖6進(jìn)行一次放大，激光脈沖經(jīng)過光纖光柵7反射后再次經(jīng)過摻雜光纖6進(jìn)行二次放大， 二次放大后的激光脈沖由三端口光纖環(huán)形器10輸出。噪聲抑制激光器2產(chǎn)生的脈沖光經(jīng) 過光纖耦合器4、三端口光纖環(huán)行器10、波分復(fù)用器5后在摻雜光纖6里面產(chǎn)生光放大，消 耗摻雜光纖6內(nèi)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，放大后的激光經(jīng)過光纖光柵輸出，被第一光電探測器8探測 至IJ。源激光器1和噪聲抑制激光器2產(chǎn)生的脈沖激光功率經(jīng)光纖耦合器4被光電探測器探 測到?？刂茊卧?1給源激光器1和噪聲抑制激光器2提供時序脈沖電流?？刂茊卧?1 給源激光器1 一個脈沖電流，使源激光器1發(fā)出一個寬度為TO的光脈沖，經(jīng)過Tl時間間隔 后，控制單元11給噪聲抑制激光器2發(fā)出一個脈沖電流，使噪聲抑制激光器2發(fā)出一個寬 度為T2的光脈沖；然后再經(jīng)過T 3時間間隔后，控制單元11再給源激光器1發(fā)出一個脈沖 電流，使源激光器1發(fā)出下一個光脈沖。在T 3這段時間里，將彌補(bǔ)前一段時間內(nèi)噪聲抑制 激光器2產(chǎn)生的脈沖激光對摻雜光纖6中反轉(zhuǎn)粒子數(shù)過多的消耗，使摻雜光纖中的反轉(zhuǎn)粒 子數(shù)恢復(fù)到較高的水平，從而保證了源激光器1產(chǎn)生的光脈沖在摻雜光纖中能夠產(chǎn)生足夠 高的增益。同時，T3不能太長，以免在T 3時間內(nèi)產(chǎn)生較大的ASE脈沖噪聲。納秒脈沖光纖激光器的控制單元11根據(jù)第二光電探測器9的光電流信號反饋控 制源激光器1和噪聲抑制激光器2輸出激光的功率，同時根據(jù)第一光電探測器8的光電流 信號反饋控制半導(dǎo)體激光二極管3的泵浦電流，使輸出脈沖激光功率穩(wěn)定。
權(quán)利要求
一種納秒脈沖光纖激光器，具有源激光器和噪聲抑制激光器，其特征在于還具有噪聲控制激光器，源激光器和噪聲控制激光器的輸出端通過光纖耦合器與三端口光纖環(huán)形器輸入端相連，三端光纖環(huán)形器的第二端口和泵浦激光二極管的輸出端接波分復(fù)用器，波分復(fù)用器、摻雜光纖、光纖光柵和第一光電探測器從左到右依次串聯(lián)?？刂茊卧謩e與源激光器、噪聲控制激光器、泵浦激光二級管、第一光電探測器和第二光電探測器連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納秒脈沖光纖激光器的源激光器和噪聲抑制激光器，其特征 在于源激光器產(chǎn)生激光中心波長和噪聲抑制激光器產(chǎn)生激光的中心波長均在摻雜光纖增 益譜范圍之內(nèi)。源激光器中心波長在通信C波段1550nm附近。噪聲抑制激光器中心波長 在1530nm附近。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納秒脈沖光纖激光器中的激光放大部分，其特征在于采用 三端口光纖環(huán)形器、波分復(fù)用器、半導(dǎo)體泵浦激光二級管、摻雜光纖和寬帶反射光纖光柵結(jié) 構(gòu)，構(gòu)成一個特殊的光纖放大器，在單段摻雜光纖上實(shí)現(xiàn)兩級激光放大。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的納秒脈沖光纖激光器濾除噪聲方法，其特征在于采用寬帶 反射光纖光柵來濾除源激光器發(fā)出激光的激光光譜以外的噪聲。并且，噪聲抑制激光器產(chǎn) 生的激光光譜不在寬帶反射光纖光柵的反射帶寬內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納秒脈沖光纖激光器，其特征在于采用噪聲抑制激光器來 抑制背景ASE噪聲，提高了輸出激光的信噪比。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的納秒脈沖光纖激光器濾除背景ASE噪聲的方法，其特征在于 源激光器發(fā)出一個光脈沖，在摻雜光纖中實(shí)現(xiàn)光放大，源激光器發(fā)出該脈沖光之后，噪聲抑 制激光器發(fā)出一個脈沖光來消耗摻雜光纖中的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，抑制ASE噪聲的產(chǎn)生。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納秒脈沖光纖激光器中源激光器和噪聲抑制激光器開關(guān)激 光的方法，其特征在于控制單元給源激光器和噪聲抑制激光器提供時序脈沖電流，其特征 在于包括如下循環(huán)步驟控制單元給源激光器一個脈沖電流，使源激光器發(fā)出一個寬度為 TO的光脈沖，經(jīng)過T1時間間隔后，控制單元給噪聲抑制激光器發(fā)出一個脈沖電流，使噪聲 抑制激光器發(fā)出一個寬度為T2的光脈沖；然后再經(jīng)過T3時間間隔后，控制單元再給源激光 器發(fā)出一個脈沖電流，使源激光器發(fā)出下一個光脈沖。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的納秒脈沖光纖激光器中T3和T1時間長度，其特征在于在 T3這段時間里，將彌補(bǔ)前一段時間內(nèi)噪聲抑制激光器產(chǎn)生的脈沖激光對摻雜光纖中反轉(zhuǎn)粒 子數(shù)過多的消耗，使摻雜光纖中的反轉(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) 生的光脈沖在摻雜光纖中能夠產(chǎn)生足夠高的增益。同時，T3不能太長，以免在T3時間內(nèi)產(chǎn) 生較大的ASE脈沖噪聲。T1時間長短以電路穩(wěn)定轉(zhuǎn)換時間為準(zhǔn)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的納秒脈沖光纖激光器中源激光器和噪聲抑制激光器開關(guān)激 光的方法，其特征在于源激光器發(fā)出脈沖光之后，控制單元使源激光器工作在閾值電流附 近，此時激光器仍能發(fā)出微弱激光。噪聲抑制激光器發(fā)出脈沖光之后，控制單元使噪聲抑制 激光器工作在閾值電流附近，此時噪聲抑制激光器仍能發(fā)出微弱激光。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的納秒脈沖光纖激光器中源激光器和噪聲抑制激光器開關(guān)激 光的方法，其特征在于采用了增益鉗制技術(shù)，控制源激光器在摻雜光纖中的增益，使得源 激光器在不產(chǎn)生脈沖激光時所發(fā)出的微弱激光在摻雜光纖中的增益很小，放大后的微弱激 光對輸出脈沖激光所引入的背景噪聲很小。源激光器在不產(chǎn)生脈沖時能工作在閾值電流附近，提高了激光器的使用壽命。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述納秒脈沖光纖激光器的控制方法，其特征在于泵浦激光二極管將泵浦光注入摻雜光纖，源激光發(fā)生器產(chǎn)生的激光脈沖經(jīng)過摻雜光纖進(jìn)行一次放大，激 光脈沖經(jīng)過光纖光柵反射后再次經(jīng)過摻雜光纖進(jìn)行二次放大，二次放大后的激光脈沖由三 端環(huán)形器輸出。噪聲抑制激光器產(chǎn)生的脈沖光經(jīng)過光纖耦合器、三端口光纖環(huán)行器、波分復(fù) 用器后在摻雜光纖里產(chǎn)生光放大，消耗了摻雜光纖內(nèi)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，放大后的激光經(jīng)過光 纖光柵輸出，被第一光電探測器探測到。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述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)第一光電探測器和第二光電探測器的光電流信號反饋控制源激光器和噪聲抑制激光器輸 出激光的功率，同時反饋控制半導(dǎo)體激光二極管的泵浦電流。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述納秒脈沖光纖激光器，其特征在于源激光器、噪聲抑制激光器、光纖耦合器、三端口光纖環(huán)形器、波分復(fù)用器、半導(dǎo)體泵浦激光二級管、摻雜光纖均采用 光通信用單模光器件。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種納秒脈沖光纖激光器及其控制方法，該激光器能夠有效提高脈沖峰值功率，降低背景ASE(放大自發(fā)輻射)噪聲，提高輸出激光的信噪比，延長激光器的使用壽命。技術(shù)方案源激光器和噪聲控制激光器的輸出端通過光纖耦合器與三端口光纖環(huán)形器輸入端相連，三端口光纖環(huán)形器的第二端口和泵浦激光二極管的輸出端接波分復(fù)用器，波分復(fù)用器、摻雜光纖、光纖光柵和第一光電探測器從左到右依次串聯(lián)?？刂茊卧謩e與源激光器、噪聲控制激光器、泵浦激光二級管、第一光電探測器和第二光電探測器相連。
文檔編號H01S3/30GK101800392SQ20101013329
公開日2010年8月11日 申請日期2010年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月10日
發(fā)明者徐海峰 申請人:奇瑞汽車股份有限公司