專利名稱：光纖放大器和光纖放大器輸出的控制方法
技術領域：
本發明涉及光學技術領域，特別是涉及一種光纖放大器和光纖放大器輸出的控制方法。
背景技術：
在脈沖雙包層光纖激光器的常規應用中，通常對輸出激光的光譜質量并不做特殊要求，但是在某些特定場合的應用中，則對于輸出激光的光譜質量有明確的限定，例如，在光學頻率變換中，就要求輸出激光光譜寬度小于1.5nm。光纖放大器輸出光譜的劣化主要是由非線性效應導致的，例如自相位調制(Self-phase Modulation,簡稱SPM)。SPM是指一個模式的光波(如單頻、單偏振的光波)在光纖中傳輸時，使傳輸的光波發生相移的情況，這種相移與光場的強度有關。SPM會導致光譜展寬，當脈沖沿光纖傳輸時，SPM的頻率分量在不斷產生，這些頻率分量展寬了光譜。且隨增益光纖的長度及增益光纖中激光峰值功率的增加，SPM會迅速增大,從而使輸出光譜展寬。對于不同纖芯直徑的增益光纖，產生嚴重光譜展寬時對應的激光峰值功率有所不同，例如，對于纖芯直徑為10 μ m的增益光纖，激光峰值功率IOkW時就會產生嚴重的光譜展寬，而對于纖芯直徑為30 μ m的增益光纖，峰值功率達到30kW時會達到同樣的效果。對于現有脈沖雙包層光纖放大器的設計，研究者更多的考慮到光纖放大器的效率，而沒有關注輸出光譜質量。具體來說，圖1為現有的光纖放大器的結構示意圖，主要由泵浦源、泵浦合束器及增益光纖組成，其中，增益光纖的長度通常采用通過理論計算得到的長度，也稱最佳增益光纖長度。采用最佳增益光纖長度的增益光纖，優點是可使放大器的提取效率達到最高，但是這種情況下，輸出光譜質量并不理想。例如，對于峰值功率為50kw的光纖放大器，光譜寬度典型值通常為10nm，無法滿足特定場合對于光譜寬度的要求。針對現有技術中光纖放大器不考慮輸出光譜的寬度，導致不能在特定情景應用的問題，目前尚未提出有效地解決方案。
發明內容
本發明提供一種光纖放大器和光纖放大器輸出的控制方法，用以解決現有技術中光纖放大器不考慮輸出光譜的寬度，導致不能在特定情景應用的問題。為解決上述技術問題，一方面，本發明提供一種光纖放大器，包括:泵浦源，用于產生泵浦光；增益光纖，增益光纖的長度小于最佳增益光纖長度，其中，最佳增益光纖長度為光纖放大器提取效率最高時對應的增益光纖的長度；泵浦波長控制裝置，泵浦波長控制裝置的輸入端與泵浦源連接，用于控制通過的泵浦光的中心波長和光譜寬度；泵浦合束器，用于將泵浦光和種子激光耦合至增益光纖，其中，泵浦合束器的第一輸入端與泵浦波長控制裝置的輸出端連接，種子激光通過泵浦合束器的第二輸入端輸入，泵浦合束器的輸出端與增益光纖的第一端連接；泵浦光泄漏裝置，用于將未被增益光纖吸收的泵浦光進行泄漏，并輸出放大后的激光，其中，泵浦光泄漏裝置的第一端與增益光纖的第二端連接，泵浦光泄漏裝置的第二端作為光纖放大器的輸出端。優選地，泵浦光泄漏裝置包括:金屬夾具，金屬夾具上設置有凹槽，凹槽的型狀與無源光纖相適配；無源光纖，無源光纖的全部或部分設置于金屬夾具的凹槽內，無源光纖的第一端與增益光纖的第二端連接，無源光纖的第二端作為光纖放大器的輸出端，其中，無源光纖的光纖直徑和包層直徑與增益光纖相一致，設置于凹槽內的無源光纖存在被剝除涂覆層的位置，被剝除涂覆層的位置設置有固化的泵浦光泄漏膠。優選地，無源光纖被剝除涂覆層的位置的長度大于或等于5cm。優選地，泵浦波長控制裝置包括光纖濾波器。優選地，光纖濾波器的中心波長與增益光纖吸收峰的中心波長相一致，光纖濾波器的光譜寬度為0.1nm至0.5nm。優選地，增益光纖的長度為最佳增益光纖長度的65%至90%。優選地，增益光纖為摻Yb的增益光纖。另一方面，本發明還提供一種光纖放大器輸出的控制方法，包括:泵浦波長控制裝置對泵浦源產生的泵浦光進行控制，以獲取中心波長和光譜寬度滿足預定條件的泵浦光；泵浦合束器將泵浦光和光纖放大器的種子激光耦合至增益光纖，其中，增益光纖的長度小于最佳增益光纖長度，最佳增益光纖長度為光纖放大器提取效率最高時對應的增益光纖的長度；泵浦光泄漏裝置對未被增益光纖吸收的泵浦光進行泄漏，并輸出泵浦合束器放大后的激光。優選地，泵浦波長控制裝置通過光纖濾波器對泵浦源產生的泵浦光進行控制，其中，光纖濾波器的中心波長與增益光纖吸收峰的中心波長相一致，光纖濾波器的光譜寬度為 0.1nm 至 0.5nm。優選地，泵浦光泄漏裝置包括:金屬夾具和無源光纖，金屬夾具上設置有凹槽，凹槽的型狀與無源光纖相適配，無源光纖的全部或部分設置于金屬夾具的凹槽內，無源光纖的光纖直徑和包層直徑與增益光纖相一致，其中，設置于凹槽內的無源光纖存在被剝除涂覆層的位置，被剝除涂覆層的位置設置有固化的泵浦光泄漏膠；泵浦光泄漏裝置通過被剝除涂覆層的位置設置的泵浦光泄漏膠將未被增益光纖吸收的泵浦光進行泄漏。本發明有益效果如下:在本發明中，將增益光纖變短來減少自相位調制引起的光譜展寬，同時，通過設置泵浦波長控制裝置和泵浦光泄漏裝置，來解決增益光纖變短導致的剩余泵浦光從光纖輸出端輸出，從而影響輸出激光光譜質量的問題，具體來說，通過泵浦波長控制裝置可以精確控制泵浦光波長，使其泵浦光波長光譜范圍控制在預定范圍以內，從而更好的被增益光纖吸收；泵浦光泄漏裝置可以將未被增益光纖吸收的多余泵浦光通過泵浦光泄漏膠泄漏到光纖夕卜，而不在光纖中傳輸。上述技術方案的實施，使得光纖放大器的輸出具有較高的提取效率，同時保證輸出光譜的質量，有效地解決了現有技術中光纖放大器不考慮輸出光譜的寬度，導致不能在特定情景應用的問題，提高光纖放大器輸出光譜質量。
圖1是現有技術中光纖放大器的一種結構不意圖；圖2是本發明實施例中光纖放大器的一種優選的結構示意圖3是本發明實施例中泵浦光泄漏裝置的金屬夾具的一種優選的結構示意圖；圖4是本發明實施例中光纖放大器輸出的控制方法的一種優選的流程示意圖；圖5是本發明實施例中脈沖摻Yb雙包層光纖放大器的結構不意圖。
具體實施例方式為了解決現有技術中光纖放大器不考慮輸出光譜的寬度，導致不能在特定情景應用的問題，本發明提供了一種光纖放大器和光纖放大器輸出的控制方法，下文中將參考附圖并結合實施例來詳細說明本發明。需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。實施例1在本發明優選的實施例中提供了一種光纖放大器，圖2不出該光纖放大器的一種優選的結構框圖，如圖2所示，光纖放大器包括:泵浦源202，用于產生泵浦光；增益光纖204，增益光纖204的長度小于最佳增益光纖長度，其中，最佳增益光纖長度為光纖放大器提取效率最高時對應的增益光纖的長度，優選地，增益光纖的長度為最佳增益光纖長度的65%至90% ;泵浦波長控制裝置206，泵浦波長控制裝置206的輸入端與泵浦源202連接，用于控制通過的泵浦光的中心波長和光譜寬度；泵浦合束器208，泵浦合束器208的第一輸入端與泵浦波長控制裝置206的輸出端連接，種子激光通過泵浦合束器208的第二輸入端輸入，泵浦合束器208的輸出端與增益光纖204的第一端連接，用于將泵浦光和種子激光耦合至增益光纖204 ;泵浦光泄漏裝置210，泵浦光泄漏裝置210的第一端與增益光纖204的第二端連接，泵浦光泄漏裝置210的第二端作為光纖放大器的輸出端，用于將未被增益光纖吸收的泵浦光進行泄漏，并輸出放大后的激光。上述光纖放大器的工作原理如下:泵浦源202發出波長為975nm的泵浦光；泵浦光首先通過泵浦波長控制裝置206，該泵浦波長控制裝置206可以控制經過該裝置的泵浦光的中心波長和光譜寬度；然后泵浦光再通過泵浦合束器208的第一端(泵浦波長輸入端)耦合進增益光纖204 ;前級種子激光通過泵浦合束器208的第二端(信號波長輸入端)耦合進增益光纖204 ;增益光纖204為激光器的增益介質，增益光纖204中的摻雜離子吸收泵浦光被激發至高能態，處于高能態的粒子快速弛豫到能量較低的激發態，當種子激光入射進增益光纖204后，激發態上的粒子產生受激輻射，并躍遷至低能態釋放出儲能，從而將種子激光放大；種子激光經過增益光纖204被放大后，通過剩余泵浦光泄漏裝置210，可以將未被增益光纖吸收干凈的泵浦光泄漏出去，然后輸出。在上述優選的實施方式中，將增益光纖變短來減少自相位調制引起的光譜展寬，同時，通過設置泵浦波長控制裝置和泵浦光泄漏裝置，來解決增益光纖變短導致的剩余泵浦光從光纖輸出端輸出，從而影響輸出激光光譜質量的問題，具體來說，通過泵浦波長控制裝置可以精確控制泵浦光波長，使其泵浦光波長光譜范圍控制在預定范圍以內，從而更好的被增益光纖吸收；泵浦光泄漏裝置可以將未被增益光纖吸收的多余泵浦光通過泵浦光泄漏膠泄漏到光纖外，而不在光纖中傳輸。上述技術方案的實施，使得光纖放大器的輸出具有較高的提取效率，同時保證輸出光譜的質量，有效地解決了現有技術中光纖放大器不考慮輸出光譜的寬度，導致不能在特定情景應用的問題，提高光纖放大器輸出光譜質量。在本發明的一個優選的實施方式中，還提供了一種泵浦光泄漏裝置210的優選的實施方式，具體地，泵浦光泄漏裝置包括210:金屬夾具，金屬夾具上設置有凹槽，凹槽的型狀與無源光纖相適配；無源光纖，無源光纖的全部或部分設置于金屬夾具的凹槽內，無源光纖的第一端與增益光纖的第二端連接，無源光纖的第二端作為光纖放大器的輸出端，其中，無源光纖的光纖直徑和包層直徑與增益光纖相一致，設置于凹槽內的無源光纖存在被剝除涂覆層的位置，被剝除涂覆層的位置設置有固化的泵浦光泄漏膠。優選地，無源光纖被剝除涂覆層的位置的長度大于或等于5cm。具體來說，圖3示出上述金屬夾具的一種優選的結構示意圖，如圖3所示，該金屬夾具302為長方體型狀，該金屬夾具302上方具有凹槽304，優選地，該凹槽304為半圓形，用于容納無源光纖。在具體操作時，可將無源光纖的涂覆層剝除掉至少5cm，將剝掉涂覆層部分的光纖放入金屬夾具302的凹槽304內，在凹槽304中涂滿泵浦光泄漏膠，然后用紫外燈照射該部位五至十分鐘，使泵浦光泄漏膠固化，然后將無源光纖的一端與增益光纖熔接，另一端作為光纖放大器的輸出端。此外，本發明還提供了一種泵浦波長控制裝置206的優選的實施方式，具體來說，泵浦波長控制裝置包括光纖濾波器，該光纖濾波器的中心波長與增益光纖吸收峰的中心波長相一致，光纖濾波器的光譜寬度為0.1nm至0.5nm。通過上述結構的光纖濾波器,來控制泵浦光的中心波長和光譜寬度范圍，從而能夠更好的被增益光纖吸收。優選地，上述增益光纖的長度為最佳增益光纖長度的65%至90%，并作如下分析:在脈沖雙包層光纖放大器的設計中，由于增益光纖的長度對提取效率的影響并不十分敏感，因此并不使用提取效率最高時對應的最佳增益光纖長度，而采用了長度較其短10%至35%的增益光纖(即為最佳增益光纖長度65%至90%)，這樣來說，一方面，由于增益光纖長度變短，可以有效改善SPM效應。實驗表明，光譜展寬程度與使用最佳增益光纖長度時相比，減少40%至90%。另一方面，光纖長度的減少量控制在10%至35%之間，此時放大器的提取效率僅改變5%至20%，同樣保證了較高的提取效率。實施例2基于上述實施例1提供的光纖放大器，本優選的實施例提供了一種光纖放大器輸出的控制方法，圖4為該方法的一種優選的流程圖，如圖4所示，該方法包括如下步驟:S402，泵浦波長控制裝置對泵浦源產生的泵浦光進行控制，以獲取中心波長和光譜寬度滿足預定條件的泵浦光；S404，泵浦合束器將泵浦光和光纖放大器的種子激光耦合至增益光纖，其中，增益光纖的長度小于最佳增益光纖長度，最佳增益光纖長度為光纖放大器提取效率最高時對應的增益光纖的長度；S406，泵浦光泄漏裝置對未被增益光纖吸收的泵浦光進行泄漏，并輸出放大后的激光。在上述優選的實施方式中，將增益光纖變短來減少自相位調制引起的光譜展寬，同時，通過設置泵浦波長控制裝置和泵浦光泄漏裝置，來解決增益光纖變短導致的剩余泵浦光從光纖輸出端輸出，從而影響輸出激光光譜質量的問題，具體來說，通過泵浦波長控制裝置可以精確控制泵浦光波長，使其泵浦光波長光譜范圍控制在預定范圍以內，從而更好的被增益光纖吸收；泵浦光泄漏裝置可以將未被增益光纖吸收的多余泵浦光通過泵浦光泄漏膠泄漏到光纖外，而不在光纖中傳輸。上述技術方案的實施，使得光纖放大器的輸出具有較高的提取效率，同時保證輸出光譜的質量，有效地解決了現有技術中光纖放大器不考慮輸出光譜的寬度，導致不能在特定情景應用的問題，提高光纖放大器輸出光譜質量。優選地，泵浦波長控制裝置通過光纖濾波器對泵浦源產生的泵浦光進行控制，其中，光纖濾波器的中心波長與增益光纖吸收峰的中心波長相一致，光纖濾波器的光譜寬度為0.1nm至0.5nm。通過上述結構的光纖濾波器，來控制泵浦光的中心波長和光譜寬度范圍，從而能夠更好的被增益光纖吸收。優選地，泵浦光泄漏裝置包括:金屬夾具和無源光纖，金屬夾具上設置有凹槽，凹槽的型狀與無源光纖相適配，無源光纖的全部或部分設置于金屬夾具的凹槽內，無源光纖的光纖直徑和包層直徑與增益光纖相一致，其中，設置于凹槽內的無源光纖存在被剝除涂覆層的位置，被剝除涂覆層的位置設置有固化的泵浦光泄漏膠；泵浦光泄漏裝置通過被剝除涂覆層的位置設置的泵浦光泄漏膠將未被增益光纖吸收的泵浦光進行泄漏。通過上述結構的泵浦光泄漏裝置將未被增益光纖吸收的多余的泵浦光泄漏到光纖外，減少光譜中的剩余泵浦光，改善光譜質量。實施例3基于上述實施例1中提供的光纖放大器和實施例2中提供的光纖放大器輸出的控制方法，本優選的實施例提供了一種脈沖摻Yb (化學元素鐿)雙包層光纖放大器，種子激光經過該脈沖光纖放大器后，輸出激光的輸出特性要求為平均功率75W，重復頻率IOOKHz，脈沖寬度15ns，峰值功率50kW。該摻Yb雙包層光纖放大器結構示意圖如圖5所示。泵浦源為激光二極管，它發出波長為975nm的的泵浦光；泵浦光首先經過泵浦波長控制裝置，然后再通過泵浦合束器的泵浦波長輸入端耦合進增益光纖；種子激光通過泵浦合束器的信號波長輸入端耦合進增益光纖；增益光纖為摻Yb雙包層光纖，纖芯直徑25 μ m,包層直徑250 μ m, 975nm波長處的吸收系數為3.2dB/m，經過放大后，激光通過剩余泵浦光泄漏裝置后輸出。按照增益光纖對泵浦光總吸收為16dB計算，光纖放大器應采用的最佳增益光纖長度為5米。若米用該長度的增益光纖構成光纖放大器,其輸出光譜寬度為10nm。優選地，在本發明中，設置摻Yb增益光纖的長度為3.5m。泵浦波長控制裝置為一光纖濾波器。兩側尾纖均為纖芯直徑105 μ m，包層直徑125 μ m的無源雙包層光纖，與激光二極管和泵浦合束器分別熔接在一起。該光纖濾波器僅使975nm±0.3nm的泵浦光通過。該光纖濾波器的中心波長參數為975nm，光譜寬度為
0.3nm。選取長度為I米的纖芯直徑25 μ m，包層直徑250 μ m的無源雙包層光纖，在該光纖距自身一端20cm處，將光纖的涂覆層用刀片剝除，僅裸露石英部分，剝除長度10cm。取一加工好的紫銅夾具，該夾具長IOOmm,寬16mm,高6mm,沿其長度方向，在中心位置有一半徑為1_的半圓形凹槽，將剝除掉涂覆層的將剝除掉涂覆層的光纖部分放置于該夾具的半圓形凹槽中。取一泵浦光泄漏膠，例如，美國Norland公司生產，型號N0A84，折射率1.46。用棉簽將凹槽中涂滿泵浦光泄漏膠，泄漏膠可完全覆蓋裸露的石英光纖。然后用紫外燈照射該部位10分鐘，使泵浦光泄漏膠固化。將該無源光纖一端與摻Yb增益光纖熔接，另一端作為輸出端。米用本發明后，該脈沖摻Yb雙包層光纖放大器的激光輸出光譜寬度為Inm,可在特定情景(如，光學頻率變換)中應用。
從以上描述中可以看出，本發明的實施例將增益光纖變短來減少自相位調制引起的光譜展寬，同時，通過設置泵浦波長控制裝置和泵浦光泄漏裝置，來解決增益光纖變短導致的剩余泵浦光從光纖輸出端輸出，從而影響輸出激光光譜質量的問題，具體來說，通過泵浦波長控制裝置可以精確控制泵浦光波長，使其泵浦光波長光譜范圍控制在預定范圍以內，從而更好的被增益光纖吸收；泵浦光泄漏裝置可以將未被增益光纖吸收的多余泵浦光通過泵浦光泄漏膠泄漏到光纖外，而不在光纖中傳輸。上述技術方案的實施，使得光纖放大器的輸出具有較高的提取效率，同時保證輸出光譜的質量，有效地解決了現有技術中光纖放大器不考慮輸出光譜的寬度，導致不能在特定情景應用的問題，提高光纖放大器輸出光譜質量。盡管為示例目的，已經公開了本發明的優選實施例，本領域的技術人員將意識到各種改進、增加和取代也是可能的，因此，本發明的范圍應當不限于上述實施例。
權利要求
1.一種光纖放大器，其特征在于，包括: 泵浦源，用于產生泵浦光； 增益光纖，所述增益光纖的長度小于最佳增益光纖長度，其中，所述最佳增益光纖長度為光纖放大器提取效率最高時對應的增益光纖的長度； 泵浦波長控制裝置，所述泵浦波長控制裝置的輸入端與所述泵浦源連接，用于控制通過的所述泵浦光的中心波長和光譜寬度； 泵浦合束器，用于將所述泵浦光和所述種子激光耦合至所述增益光纖，其中，所述泵浦合束器的第一輸入端與所述泵浦波長控制裝置的輸出端連接，種子激光通過所述泵浦合束器的第二輸入端輸入，所述泵浦合束器的輸出端與所述增益光纖的第一端連接； 泵浦光泄漏裝置，用于將未被所述增益光纖吸收的泵浦光進行泄漏，并輸出放大后的激光，其中，所述泵浦光泄漏裝置的第一端與所述增益光纖的第二端連接，所述泵浦光泄漏裝置的第二端作為光纖放大器的輸出端。
2.如權利要求1所述的光纖放大器，其特征在于，所述泵浦光泄漏裝置包括: 金屬夾具，所述金屬夾具上設置有凹槽，所述凹槽的型狀與無源光纖相適配； 所述無源光纖，所述無源光纖的全部或部分設置于所述金屬夾具的凹槽內，所述無源光纖的第一端與所述增益光纖的第二端連接，所述無源光纖的第二端作為光纖放大器的輸出端，其中，所述無源光纖的光纖直徑和包層直徑與所述增益光纖相一致，設置于所述凹槽內的所述無源光纖存在被剝除涂覆層的位置，所述被剝除涂覆層的位置設置有固化的泵浦光泄漏膠。
3.如權利要求2所述 的光纖放大器，其特征在于，所述無源光纖被剝除涂覆層的位置的長度大于或等于5cm。
4.如權利要求1至3任一項所述的光纖放大器，其特征在于，所述泵浦波長控制裝置包括光纖濾波器。
5.如權利要求4所述的光纖放大器，其特征在于，所述光纖濾波器的中心波長與所述增益光纖吸收峰的中心波長相一致，所述光纖濾波器的光譜寬度為0.1nm至0.5nm。
6.如權利要求1、2、3或5所述的光纖放大器，其特征在于，所述增益光纖的長度為所述最佳增益光纖長度的65%至90%。
7.如權利要求6所述的光纖放大器，其特征在于，所述增益光纖為摻Yb的增益光纖。
8.一種光纖放大器輸出的控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟: 泵浦波長控制裝置對泵浦源產生的泵浦光進行控制，以獲取中心波長和光譜寬度滿足預定條件的泵浦光； 泵浦合束器將所述泵浦光和光纖放大器的種子激光耦合至增益光纖，其中，所述增益光纖的長度小于最佳增益光纖長度，所述最佳增益光纖長度為光纖放大器提取效率最高時對應的增益光纖的長度； 泵浦光泄漏裝置對未被所述增益光纖吸收的泵浦光進行泄漏，并輸出放大后的激光。
9.如權利要求8所述的方法，其特征在于，所述泵浦波長控制裝置通過光纖濾波器對泵浦源產生的泵浦光進行控制，其中，光纖濾波器的中心波長與所述增益光纖吸收峰的中心波長相一致，所述光纖濾波器的光譜寬度為0.1nm至0.5nm。
10.如權利要求8所述的方法，其特征在于，所述泵浦光泄漏裝置包括:金屬夾具和無源光纖，所述金屬夾具上設置有凹槽，所述凹槽的型狀與所述無源光纖相適配，所述無源光纖的全部或部分設置于所述金屬夾具的所述凹槽內，所述無源光纖的光纖直徑和包層直徑與所述增益光纖相一致，其中，設置于所述凹槽內的所述無源光纖存在被剝除涂覆層的位置，所述被剝除涂覆層的位置設置有固化的泵浦光泄漏膠； 所述泵浦光泄漏裝置通過所述被剝除涂覆層的位置設置的所述泵浦光泄漏膠將未被所述增益光纖吸收 的泵浦光進行泄漏。
全文摘要
本發明公開了一種光纖放大器和光纖放大器輸出的控制方法，其中，該方法包括泵浦波長控制裝置對泵浦源產生的泵浦光進行控制，以獲取中心波長和光譜寬度滿足預定條件的泵浦光；泵浦合束器將泵浦光和光纖放大器的種子激光耦合至增益光纖，其中，增益光纖的長度小于最佳增益光纖長度，最佳增益光纖長度為光纖放大器提取效率最高時對應的增益光纖的長度；泵浦光泄漏裝置對未被增益光纖吸收的泵浦光進行泄漏，并輸出放大后的激光。本發明有效地解決了現有技術中光纖放大器不考慮輸出光譜的寬度，導致不能在特定情景應用的問題，提高光纖放大器輸出光譜質量。
文檔編號H01S3/131GK103117502SQ201310027748
公開日2013年5月22日 申請日期2013年1月24日 優先權日2013年1月24日
發明者張昆, 李堯, 張大勇, 朱辰, 王雄飛, 張利明 申請人:中國電子科技集團公司第十一研究所