專利名稱：偏振預補償穩定控制的高功率光纖激光放大器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種偏振預補償穩定控制的高功率光纖激光放大器，屬于激光控制技術領域。
背景技術：
光纖激光器具有體積小、重量輕、轉換效率高、輸出光束質量好等優點，近年來得到了迅猛的發展。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功率放大器組成，即MOPA (Master Oscillator Power Amplifier)。主放大級通常采用的對稱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境中存在大量的震動、溫度變化等環境干擾，放大器中的光纖容易受到周圍環境中這些變化因素的干擾，導致輸出光的偏振態發生抖動。放大光束的相干合成、相干探測、非線性頻率轉換、光學參量放大、光譜組合、光子晶體光纖中的非線性頻譜展寬、激光光譜等一系列重要應用，都對 高功率光纖激光器的偏振性有很高的要求。為解決此問題，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保持偏振穩定的輸出，但是保偏的大模場光子晶體光纖和雙包層增益光纖制作困難，價格昂貴，使用也不方便，激光放大系統光路中的其他器件都要相應地采用偏振型的，成本進一步增加，況且大模場保偏光纖光學元器件制作工藝也相對不成熟。這些因素限制了這種方法的推廣應用。
發明內容
為解決上述問題，本發明提供一種偏振預補償穩定控制的高功率光纖激光放大器，通過探測輸出光的偏振變化利用電動的光纖偏振控制器來反饋補償偏振的擾動，不僅能夠實現偏振穩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光子晶體光纖或雙包層增益光纖。為達到上述目的，本發明采用如下技術方案偏振預補償穩定控制的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、偏振探測器，偏振探測器的一個輸出端輸出的較強光作為放大后的高功率激光使用，偏振探測器的另一個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個成一定角度排列的光纖擠壓器和一個受控光纖，受控光纖是單模光纖、多模光纖、大摸場雙包層光纖或者高強度光子晶體光纖，三個光纖擠壓器軸向呈45度。所述的光纖放大器包括高功率光纖隔離器，多模半導體激光器，泵浦合束器，摻鐿雙包層光纖，光纖準直透鏡；偏振控制器輸出的種子光通過高功率光纖隔離器進入泵浦合束器，多模半導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光纖準直透鏡準直后輸出給所述偏振探測器。所述的光纖放大器包括高功率光纖隔離器，多模半導體激光器，泵浦合束器，摻鐿雙包層光纖，光纖準直透鏡；所述偏振控制器輸出的種子光通過高功率光纖隔離器進入摻鐿雙包層光纖，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光纖準直透鏡準直后輸出給所述偏振探測器。所述偏振探測器包括波片、偏振分束器、光電探測器，光纖放大器輸出的高功率激光通過波片調整偏振態，然后激光經過偏振分束器分為強弱不同的兩束，較弱的一路通入光電探測器進行探測，信號經過分析控制器處理來控制偏振控制器。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構或者空間結構。所述種子光是連續激光或納秒、皮秒或飛秒脈沖激光。 所述的光纖激光放大器為多級級聯放大，每級包含有偏振控制器、光纖放大器、偏振探測器、以及分析控制器。與現有技術相比，本發明具有以下優點1、通過電控的偏振控制器可以實時高速的對偏振擾動進行補償，價格相對低廉，適合應用于常規的光纖激光放大器，為反饋控制高功率光纖激光器的偏振穩定輸出提供一種新技術途徑。2、本發明采用反饋控制使檢測路的光強能量穩定在一個較小的初始值，控制簡單，操作簡便。3、本發明采用的偏振控制器具有相應速度快的優點，能夠補償快速的偏振抖動。4、本發明采用的偏振控制器具有插入損耗小的優點，能夠直接插入光纖振蕩級與放大器之間，也可插入在預放大級與功率放大級之間。5、本發明采用的偏振控制器適用于所有的光學波段，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械強度，足夠承受壓電陶瓷擠壓光纖的應力，其中的高強度單模光纖也可用特制高強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的偏振反饋控制。7、本發明采用的偏振探測器，可以在多個光纖級聯放大器之間級聯使用，提高偏振反饋控制的精度。8、本發明采用的偏振探測器，適用于連續或脈沖的光纖激光，只需偏振探測器工作相應地在連續或脈沖模式下。9、本發明采用的偏振探測器，可以方便地用于優化光纖放大器的光學倍頻輸出，所述的偏振探測器可以用相應的對輸入偏振敏感的光學倍頻器取代，通過監測光學倍頻到最大的輸出功率來控制光纖放大器的偏振抖動。10、本發明采用的偏振探測器，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，所述的偏振探測器可以用相應的對輸入偏振敏感的光學脈沖壓縮器取代，通過監測光學脈沖壓縮器到獲得最大的壓縮脈沖輸出功率來控制光纖放大器的偏振抖動。11、本發明采用的偏振探測器，可以方便地拓展應用于飛秒光學頻率梳控制技術，通過預補償光纖放大器的偏振變化，結合光纖飛秒激光的光場時間-頻率精密控制技術，提升高功率飛秒光纖激光的時-頻域控制精度。
圖1是偏振預補償穩定控制的高功率光纖激光放大器結構圖。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補償穩定控制高功率光纖激光放大器的結構圖。圖4是一種反向泵浦的偏振預補償穩定控制高功率光纖激光放大器的結構圖。圖5是一種多級級聯的偏振預補償穩定控制高功率光纖激光放大器的結構圖。圖6是分析控制器的工作流程圖。
具體實施例方式以下結合附圖通過實施例對本發明作進一步詳細說明，以便于更清楚地理解本發明如圖1，本發明介紹一種偏振預補償穩定控制的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，偏振探測器300，分析控制器400。光強較弱的種子光通過偏振控制器100后進入光纖放大器200,光纖放大器200放大后的激光通過偏振探測器300輸出，偏振探測器300獲得的信息通過分析控制器400處理后，反饋控制偏振控制器100。本發明的光纖激光放大器偏振穩定，不僅可以用于生物分子的探測，還可以用于激光相干合束、生物醫學成像、表面形貌成像、痕量分析、半導體界面檢測、高精度時域-頻域控制、激光雷達、高精度脈沖激光加工、航空航天領域的靈敏光電子檢測等，具有廣泛的應用前景。所述偏振控制器100采用壓電陶瓷制成的光纖擠壓器，光纖擠壓器能動態的改變光纖的雙折射參數，補償激光的偏振態。光纖擠壓器不僅可以實現高速、高效的偏振擾動補償，獲得偏振穩定的高功率激光輸出，拓展高功率光纖激光的應用領域，還可以避免使用保偏光纖以及保偏器件，降低放大系統的成本。如圖2,所述的偏振控制器100包括3個成一定角度排列的光纖擠壓器101、102、103和一個受控光纖104，受控光纖104可以是單模光纖、多模光纖、大摸場雙包層光纖或者高強度光子晶體光纖。光纖擠壓器由壓電陶瓷制成，可以擠壓光纖產生額外的雙折射，改變其中激光的偏振態。三個光纖擠壓器101、102、103軸向呈45度，不同角度的擠壓會引起偏振態以龐加萊球赤道平面上的某個直徑為主軸旋轉，這樣三個自由度能夠保證激光的偏振態被有效地補償回預定位置。實施例1:如圖3,是正向泵浦偏振穩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，多模半導體激光器202，泵浦合束器203，摻鐿雙包層光纖204，光纖準直透鏡205。多模半導體激光器202的輸出功率優選為10W，工作波長優選為976nm。泵浦合束器203為(1+1)X I結構。摻鐿雙包層光纖204長度優選lm。所述偏振探測器包括波片301,偏振分束器302,光電探測器303。所述波片301優選1/4波片，其工作波長優選為1064nm。偏振分束器302米用偏振分束鏡。偏振控制器100輸出的種子光通過高功率光纖隔離器201進入泵浦合束器，多模半導體激光器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的輸出光通過光纖準直透鏡205準直后輸出，然后通過波片301調節偏振角度射入到偏振分束器302上，使得偏振分束器302平行輸出的光強最大。偏振分束鏡輸出的另一路較弱的光射入光電探測器303進行光強探測，分析控制器400接收光電探測器303的信號后處理反饋控制偏振控制器的壓電陶瓷，使得光電探測器303探測的得到的光強穩定在某初始值，這樣就可以保證激光器獲得偏振穩定的輸出。實施例2
如圖4,是反向泵浦偏振穩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，多模半導體激光器202，泵浦合束器203，摻鐿雙包層光纖204，光纖準直透鏡205。多模半導體激光器202的輸出功率優選為10W，工作波長優選為976nm。泵浦合束器203為(1+1)X I結構。摻鐿雙包層光纖204長度優選lm。所述偏振探測器包括波片301,偏振分束器302,光電探測器303。所述波片301優選1/4波片，1/4波片工作波長優選為1064nm。偏振分束器302米用偏振分束鏡。偏振控制器100輸出的種子光通過高功率光纖隔離器201進入摻鐿雙包層光纖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光纖準直透鏡205準直后輸出，然后通過1/4波片調節偏振角度射入到偏振分束器302上，使得偏振分束器302平行輸出的光強最大。偏振分束器302輸出的另一路較弱的光射入光電探測器303進行光強探測，分析控制器400接收光電探測器303的信號后處理反饋控制偏振控制器的壓電陶瓷，使得光電探測器303探測的得到的光強穩定在某初始值，這樣就可以保證激光器獲得偏振穩定的輸出。實施例3 如圖5，是多級級聯的高功率激光放大器。包括多級放大模塊，所有級放大模塊的結構相同。每級放大模塊都包括偏振控制器100，高功率光纖隔離器201，多模半導體激光器202，泵浦合束器203，摻鐿雙包層光纖204，光纖準直透鏡205，波片301，偏振分束器302，光電探測器303，分析控制器400。光強較弱的種子光經過第一級放大模塊的偏振控制器201輸出，通過高功率光纖隔離器201進入泵浦合束器203，多模半導體激光器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器303進行光強探測。偏振分束器輸出的另一路較強的光進行下一級級聯放大，通過高功率光纖隔離器進入泵浦合束器，多模半導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長的摻鐿雙包層光纖,摻鐿雙包層光纖的輸出光通過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器進行光強探測，較強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，使得光電探測器探測的得到的光強穩定在某初始值，這樣就可以保證激光器獲得偏振穩定的輸出。如圖6，是分析控制器的工作流程圖，光電探測器探測實施探測偏振分束器輸出的光強，并記錄開始時的初始光強，當偏振態發生抖動時，偏振分束器每一路輸出的光強就會不等于初始光強，此時增強偏振控制單元的電壓，如果輸出光強的與初始值的差別減小，則 保持電壓調節方向繼續調整，如果輸出光強與初始值差別增大，那么改變電壓調節方向。這樣通過對輸出光強的實時監控，可以將偏振態穩定。
權利要求
1.偏振預補償穩定控制的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)、偏振探測器(300)，偏振探測器(300)的一個輸出端輸出的較強光作為放大后的高功率激光使用，偏振探測器(300)的另一個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.根據權利要求1所述的偏振預補償穩定控制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個成一定角度排列的光纖擠壓器(101、102、103)和一個受控光纖(104)，受控光纖(104)是單模光纖、多模光纖、大摸場雙包層光纖或者高強度光子晶體光纖，三個光纖擠壓器(101、102、103)軸向45度。
3.根據權利要求2所述的一種偏振預補償穩定控制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，多模半導體激光器，泵浦合束器，摻鐿雙包層光纖，光纖準直透鏡；偏振控制器輸出的種子光通過高功率光纖隔離器進入泵浦合束器，多模半導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光纖準直透鏡準直后輸出給所述偏振探測器。
4.根據權利要求2所述的一種偏振預補償穩定控制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，多模半導體激光器，泵浦合束器，摻鐿雙包層光纖，光纖準直透鏡；所述偏振控制器輸出的種子光通過高功率光纖隔離器進入摻鐿雙包層光纖，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光纖準直透鏡準直后輸出給所述偏振探測器。
5.根據權利要求3或4所述的一種偏振預補償穩定控制的高功率光纖激光放大器，其特征在于所述偏振探測器包括波片、偏振分束器、光電探測器，光纖放大器輸出的高功率激光通過波片調整偏振態，然后激光經過偏振分束器分為強弱不同的兩束，較弱的一路通入光電探測器進行探測，信號經過分析控制器處理來控制偏振控制器。
6.根據權利要求5所述的一種偏振預補償穩定控制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.根據權利要求5所述的一種偏振預補償穩定控制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構或者空間結構。
8.根據權利要求1所述的一種偏振預補償穩定控制的高功率光纖激光放大器，其特征在于所述種子光是連續激光或納秒、皮秒或飛秒脈沖激光。
9.根據權利要求1所述的一種偏振預補償穩定控制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級聯放大，每級包含有偏振控制器、光纖放大器、偏振探測器、以及分析控制器。
全文摘要
本發明公開了偏振預補償穩定控制的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、偏振探測器，偏振探測器的一個輸出端輸出的較強光作為放大后的高功率激光使用，偏振探測器的另一個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。本發明提供一種高功率光纖激光放大器，通過探測輸出光的偏振變化利用電動的光纖偏振控制器來反饋補償偏振的擾動，不僅能夠實現偏振穩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光子晶體光纖或雙包層增益光纖。
文檔編號H01S3/08GK103001106SQ20121048538
公開日2013年3月27日 申請日期2012年11月23日 優先權日2012年11月23日
發明者梁崇智, 曾和平, 茹啟田 申請人:廣東漢唐量子光電科技有限公司