一种中红外变频激光器用全光纤模块化结构泵浦源及系统

技术领域

本发明涉及激光器领域，尤其涉及一种中红外变频激光器用全光纤模块化结构泵浦源及系统。

背景技术

3～5μm中红外波段激光覆盖了大气最为重要的透射窗口，这一波段激光在环保、医疗、国防等领域都有着巨大的应用前景，是激光技术研究的一个重要分支。光参量振荡(OPO)作为拓展激光输出波长的重要非线性频率变换技术之一，近年来，基于磷锗锌(ZGP)、周期极化铌酸锂(PPLN)等频率变换晶体的光参量振荡器已成为获取中红外激光最广为采用的技术手段，但由于这些晶体只具备单一变频功能，还需要通过稀土离子掺杂的增益介质提供基频泵浦光，光参量振荡器不仅会因受到基频介质的热透镜效应而出现光束质量等输出特性恶化的现象，还因冷却装置以及基频光腔的加入使整机结构复杂。近年来由于全光纤激光器的发展，将全光纤模块化的保偏线偏振脉冲激光器作为基频泵浦光成为了中红外激光器小型化未来非常重要的发展方向。

对于以全光纤激光器为泵浦源的中红外光参量振荡器而言，基频光直接由光纤激光器出射，并能够通过电路实现重复频率和脉冲宽度的灵活可调，既能保证基频光光束质量，又省去了冷却系统，具有传统全固态的激光器不具备的优势，这种泵浦结构中如何实现整体的集成稳定性，电路的精准控制以及有效的光电转换是保障获得高光束质量的基频光和高效率中红外激光关键所在。目前，关于光纤泵浦的中红外光参量振荡器的报道中，虽然均通过对基频光脉冲波形进行补偿，但是为了确保更均匀的频率转换以及抑制非线性效应对系统的影响，往往以降低给定脉冲能量的峰值功率为代价，参见文献“Shen Y,Alam S U,Chen K K,et al.PPMgLN-Based High-Power Optical Parametric Oscillator Pumpedby Yb-Doped Fiber Amplifier Incorporates Active Pulse Shaping.IEEE Journal ofSelected Topics in Quantum Electronics,2009,15(2):385-392.”，显然这种光纤泵浦源的结构设计无法保证光参量振荡器的高效运转。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种中红外变频激光器用全光纤模块化结构泵浦源及系统。

所述中红外变频激光器用全光纤模块化结构泵浦源包括：电学驱动模块，泵浦激光器模块，低功率前级预放大光模块和主功率放大模块，其中：

所述电学驱动模块与所述泵浦激光器模块、低功率前级预放大光模块和主功率放大模块连接，用于为所述泵浦激光器模块提供多级泵浦电流，接收所述低功率前级预放大光模块发送的第一级光监测反馈和第二级光监测反馈，并根据监测反馈信号，生成泵浦源当前状态信号，接收所述主功率放大光模块发送的温度监测信号和功率监测信号，基于所述温度监测信号和功率监测信号生成出光时序命令，发送给所述泵浦激光器模块；

所述泵浦激光器模块响应于接收到所述出光时序指令和多级泵浦电流，根据所述出光时序指令向所述低功率前级预放大光模块和主功率放大光模块发送泵浦光；

所述低功率前级预放大光模块接收所述泵浦光后产生第一级光监测反馈和第二级光监测反馈发送给所述电学驱动模块，基于所述泵浦光产生经过预放大后的信号光脉冲发送给所述主功率放大光模块；

所述主功率放大光模块接收所述泵浦光和经过预放大后的信号光脉冲，借助所述泵浦光的能量对于经过预放大后的信号光脉冲进行进一步的放大，得到最终的输出信号光输出，并产生自身温度监测信号和功率监测信号发送给所述电学驱动模块。

可选地，所述电学驱动模块包括窄线宽种子源驱动电路、多级泵浦源恒流驱动电路、通讯和控制模块、检测报警模块，其中：

所述窄线宽种子源驱动电路用于驱动窄线宽半导体种子源产生纳秒级的光脉冲种子信号，输出给所述低功率前级预放大光模块；

所述多级泵浦源恒流驱动电路用于为所述低功率前级预放大光模块和主功率放大光模块等多级放大光路所用到的不同功率等级的泵浦激光器模块提供多级泵浦电流；

所述检测报警模块与所述低功率前级预放大光模块和主功率放大光模块连接，用于根据接收到的所述低功率前级预放大光模块和主功率放大光模块反馈的监测信号对于泵浦源进行温度监测、功率监测和前后向信号光监测，生成泵浦源当前状态信号，并将所述泵浦源当前状态信号发送给所述通讯和控制模块，并检测发现超出预设的安全范围时发出报警信号；

所述通讯和控制模块与所述检测报警模块连接，用于根据接收到的所述泵浦源当前状态信号按时序给出出光时序命令，并将所述出光时序命令反馈给所述泵浦激光器模块。

可选地，所述电学驱动模块还包括TEC恒温电控模块，其中，所述TEC恒温电控模块与所述窄线宽种子源驱动电路连接，用于控制所述窄线宽半导体种子源的温度，以保证所述窄线宽半导体种子源的温度恒定，实现所述窄线宽半导体种子源输出的光脉冲种子信号的中心波长和线宽的稳定。

可选地，所述电学驱动模块还包括脉冲时序控制模块，其中，所述脉冲时序控制模块与所述窄线宽种子源驱动电路连接，用于调控所述窄线宽半导体种子源经过电调制后输出的光脉冲种子信号的出射时延。

可选地，所述泵浦激光器模块包括三级放大泵浦模块：一级预放大泵浦模块、二级预放大泵浦模块和三级主放大泵浦模块，以发出多级泵浦光。

可选地，所述低功率前级预放大光模块包括顺序连接的第一级预放大光路模块，第一级光监测反馈模块，第二级预放大光路模块和第二级光监测反馈模块，其中：

所述第一级预放大光路模块用于对于所述电学驱动模块发出的光脉冲种子信号进行第一级放大，得到第一级放大信号；

所述第一级光监测反馈模块用于监测所述第二级预放大光路模块输出的第二级放大信号，以及所述光脉冲种子信号有无；

所述第二级预放大光路模块用于对于所述第一级放大信号进行第二级放大，得到第二级放大信号，将所述第二级放大信号作为经过预放大后的信号光脉冲发送给所述主功率放大光模块；

所述第二级光监测反馈模块用于监测所述第一级放大信号的有无，第二级放大信号功率大小以及所述主功率放大光模块回返光的监测。

可选地，所述主功率放大光模块包括光纤放大模块，其中：

所述光纤放大模块用于将所述第二级预放大光路模块输出的第二级放大信号进行再次放大，得到最终的输出信号光输出。

可选地，所述主功率放大光模块还包括准直隔离输出模块，其中，所述准直隔离输出模块用于对于所述主功率放大光模块最终的输出信号光进行准直和回光隔离。

可选地，所述主功率放大光模块还包括监测反馈模块，其中，所述监测反馈模块用于监测所述光纤放大模块和准直隔离输出模块的温度以及所述主功率放大光模块回返光的功率。

所述泵浦源系统包括：电学驱动模块，1：N信号分束器，泵浦激光器模块，低功率前级预放大光模块，主功率放大模块，N:1保偏信号合束器和准直隔离输出光模块，其中：

所述电学驱动模块与1：N信号分束器连接，用于对于所述电学驱动模块输出的脉冲种子信号进行N路信号分束，得到N路脉冲种子信号，每一路脉冲种子信号输入至一对低功率前级预放大光模块和相应的主功率放大光模块中，并由相应的泵浦激光器模块为其提供多级泵浦光；

N个主功率放大光模块的输出连接N:1保偏信号合束器，以将所述N个主功率放大光模块输出的输出信号光合束成一路，最终通过准直隔离输出光模块输出。

本发明提供的技术方案的有益效果是：本发明能够达到对高峰值大脉冲能量基频光的精准灵活控制的目的，在实现小型化，集成化的同时，保证基频光光束质量，降低了整个中红外变频过程的能耗和体积，提高了转换效率。

附图说明

图1为根据本发明一实施例提供的一种中红外变频激光器用全光纤模块化结构泵浦源的结构示意图。

图2为根据本发明一实施例提供的一种中红外变频激光器用全光纤模块化结构泵浦源的电学驱动模块的结构组成示意图。

图3为根据本发明一实施例提供的一种中红外变频激光器用全光纤模块化结构泵浦源的泵浦激光器模块的结构组成示意图。

图4为根据本发明一实施例提供的一种中红外变频激光器用全光纤模块化结构泵浦源的低功率前级预放大光模块的结构组成示意图。

图5为根据本发明一实施例提供的一种中红外变频激光器用全光纤模块化结构泵浦源的主功率放大光模块的结构组成示意图。

图6为根据本发明一实施例提供的一种基于中红外变频激光器用全光纤模块化结构泵浦源实现的泵浦源系统的结构组成示意图。

具体实施方式

下文中，将参考附图详细描述本公开实施例的示例性实施方式，以使本领域技术人员可容易地实现它们。此外，为了清楚起见，在附图中省略了与描述示例性实施方式无关的部分。

在本公开实施例中，应理解，诸如“包括”或“具有”等的术语旨在指示本说明书中所公开的特征、数字、步骤、行为、部件、部分或其组合的存在，并且不欲排除一个或多个其他特征、数字、步骤、行为、部件、部分或其组合存在或被添加的可能性。

另外还需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本公开实施例。

图1为根据本发明一实施例提供的一种中红外变频激光器用全光纤模块化结构泵浦源的结构示意图，图1中的虚线表示光的传输方向，如图1所示，所述中红外变频激光器用全光纤模块化结构泵浦源包括：电学驱动模块，泵浦激光器模块，低功率前级预放大光模块和主功率放大模块，其中：

所述电学驱动模块与所述泵浦激光器模块、低功率前级预放大光模块和主功率放大模块连接，用于实现电和信号反馈的连接，为所述泵浦激光器模块提供多级泵浦电流，接收所述低功率前级预放大光模块发送的第一级光监测反馈和第二级光监测反馈，并根据监测反馈信号，生成系统正常运行或者系统未正常运行的泵浦源当前状态信号，同时接收所述主功率放大光模块发送的温度监测信号和功率监测信号，基于所述温度监测信号和功率监测信号生成出射激光或者不出射激光的出光时序命令，发送给所述泵浦激光器模块。

所述泵浦激光器模块响应于接收到所述出光时序指令和多级泵浦电流，根据所述出光时序指令发出比如976nm波长的泵浦光，先给所述低功率前级预放大光模块，然后再给主功率放大光模块，如图1中虚线所示；

所述低功率前级预放大光模块接收所述泵浦光后产生第一级光监测反馈和第二级光监测反馈发送给所述电学驱动模块，基于所述泵浦光产生经过预放大后的信号光脉冲发送给所述主功率放大光模块；

所述主功率放大光模块接收所述泵浦光和经过预放大后的信号光脉冲，借助所述泵浦光的能量对于经过预放大后的信号光脉冲进行进一步的放大，得到最终的输出信号光输出，并产生自身温度监测信号和功率监测信号发送给所述电学驱动模块。

在本发明一实施方式中，所述电学驱动模块通过电缆线、光缆线或数据线与所述泵浦激光器模块、低功率前级预放大光模块和主功率放大模块连接。

图2为根据本发明一实施例提供的一种中红外变频激光器用全光纤模块化结构泵浦源的电学驱动模块的结构组成示意图，如图2所示，所述电学驱动模块包括窄线宽种子源驱动电路、多级泵浦源恒流驱动电路、通讯和控制模块、TEC恒温电控模块、检测报警模块和脉冲时序控制模块，其中：

所述窄线宽种子源驱动电路用于驱动窄线宽半导体种子源产生纳秒级的光脉冲种子信号，输出给所述低功率前级预放大光模块，其中，所述光脉冲种子信号的脉冲宽度和重复频率既可以由上位机提供，也可以由所述窄线宽种子源驱动电路基于所述上位机提供的脉冲宽度和重复频率进行灵活调节；

所述脉冲时序控制模块与所述窄线宽种子源驱动电路连接，用于调控所述窄线宽半导体种子源经过电调制后输出的光脉冲种子信号的出射时延，时延范围从1ns～10ns不等且可控

所述TEC恒温电控模块与所述窄线宽种子源驱动电路连接，用于控制所述窄线宽半导体种子源的温度，以保证所述窄线宽半导体种子源的温度恒定，从而实现所述窄线宽半导体种子源输出的光脉冲种子信号的中心波长和线宽的稳定；

所述多级泵浦源恒流驱动电路用于为所述低功率前级预放大光模块和主功率放大光模块等多级放大光路所用到的不同功率等级的泵浦激光器模块提供恒流驱动，即多级泵浦电流，使所述泵浦激光器模块能够发射所需功率的泵浦光进入各级放大光模块中；

所述检测报警模块与所述低功率前级预放大光模块和主功率放大光模块连接，用于根据接收到的所述低功率前级预放大光模块和主功率放大光模块反馈的监测信号对于泵浦源进行温度监测、功率监测和前后向信号光监测，通过不同监测阈值的设置，以保证泵浦源在安全范围内稳定工作，一旦超出预设的安全范围，立即发出报警信号。具体地，所述检测报警模块从所述泵浦激光器模块、低功率前级预放大光模块和主功率放大模块中读取相应的监测信号，分别与预设监测阈值相比较，做出所述泵浦源状态安全与否的判断，生成泵浦源当前状态信号，并将所述泵浦源当前状态信号发送给所述通讯和控制模块；

所述通讯和控制模块与所述检测报警模块连接，用于根据接收到的所述泵浦源当前状态信号按时序给出出光时序命令，并将所述出光时序命令反馈给所述泵浦激光器模块。

图3为根据本发明一实施例提供的一种中红外变频激光器用全光纤模块化结构泵浦源的泵浦激光器模块的结构组成示意图，如图3所示，所述泵浦激光器模块包括三级放大泵浦模块：一级预放大泵浦模块、二级预放大泵浦模块和三级主放大泵浦模块，以发出多级泵浦光，这也是整个系统中需要主要控温的模块，其可以灵活的放置在TEC制冷模块、散热器或者水冷板等可以用来传导温度和控制模块温度的装置上，以实现精确地温度控制，不仅可以有效降低能耗，同时还能保证更精确地温度控制，实现泵浦波长和泵浦功率的稳定输出。

图4为根据本发明一实施例提供的一种中红外变频激光器用全光纤模块化结构泵浦源的低功率前级预放大光模块的结构组成示意图，如图4所示，所述低功率前级预放大光模块包括顺序连接的第一级预放大光路模块，第一级光监测反馈模块，第二级预放大光路模块和第二级光监测反馈模块，其中：

所述第一级预放大光路模块用于对于所述电学驱动模块发出的光脉冲种子信号进行第一级放大，得到第一级放大信号，比如将所述光脉冲种子信号放大到几十毫瓦量级；

所述第一级光监测反馈模块用于实现对所述第二级预放大光路模块输出的第二级放大信号的监测和所述光脉冲种子信号有无的监测；

所述第二级预放大光路模块用于对于所述第一级放大信号进行第二级放大，得到第二级放大信号，比如从几十毫瓦放大到瓦级，将所述第二级放大信号作为经过预放大后的信号光脉冲发送给所述主功率放大光模块；

所述第二级光监测反馈模块用于监测所述第一级放大信号的有无，第二级放大信号功率大小以及所述主功率放大光模块，作为第三级主放大光路的回返光的监测。

图5为根据本发明一实施例提供的一种中红外变频激光器用全光纤模块化结构泵浦源的主功率放大光模块的结构组成示意图，如图5所示，所述主功率放大光模块包括光纤放大模块，准直隔离输出模块和温度功率监测反馈模块，其中，所述光纤放大模块用于将第二级预放大光路模块输出的第二级放大信号，即所述低功率前级预放大光模块预放大后的信号光脉冲，放大到几十瓦到上百瓦量级，得到最终的输出信号光输出。其中，对于所述第二级放大信号的放大主要由所述光纤放大模块内部的高功率反向合束器和增益光纤模块实现；所述准直隔离输出模块用于对于所述主功率放大光模块最终的输出信号光进行准直和回光隔离；所述监测反馈模块用于监测所述光纤放大模块和准直隔离输出模块的温度以及所述主功率放大光模块回返光的功率，保证整个光纤放大模块的安全运转。

另外，所述中红外变频激光器用全光纤模块化结构泵浦源中的各个模块还可通过电缆线、光缆线或数据线实现灵活的拆卸、拼装和组合，形成泵浦源系统，比如，如图6所示，可借助1：N信号分束器，实现1到N路脉冲种子信号的分束，为后级的光放大提供一路到多达N路的脉冲种子信号，其中，N为大于1的整数，比如可取为19。每一路脉冲种子信号对应一对可任意添加组合的低功率前级预放大光模块和相应的主功率放大光模块。每一对低功率前级预放大光模块和主功率放大光模块都对应一个集成化的泵浦激光器模块，为多级全光纤放大提供所需要的多级泵浦光。最后，N个主功率放大光模块的输出连接一个N:1保偏信号合束器，以将所述N个主功率放大光模块输出的输出信号光合束成一路，最终通过准直隔离输出光模块输出。整个系统实现了灵活的模块化设计，比如，若N＝19，则可以实现从一路40W激光输出到40*19W＝760W的高功率激光输出。

即，在本发明一实施例中，所述泵浦源系统包括电学驱动模块，1：N信号分束器，泵浦激光器模块，低功率前级预放大光模块，主功率放大模块，N:1保偏信号合束器和准直隔离输出光模块，其中：

所述电学驱动模块与1：N信号分束器连接，用于对于所述电学驱动模块输出的脉冲种子信号进行N路信号分束，得到N路脉冲种子信号，每一路脉冲种子信号输入至一对低功率前级预放大光模块和相应的主功率放大光模块中，并由相应的泵浦激光器模块为其提供多级泵浦光；

N个主功率放大光模块的输出连接N:1保偏信号合束器，以将所述N个主功率放大光模块输出的输出信号光合束成一路，最终通过准直隔离输出光模块输出。

综上，本发明的目的在于解决基于全光纤结构的高峰值大脉冲能量保偏纳秒脉冲激光器如何通过分离式模块化设计实现不同模块之间的精准灵活控制和有效光电供给问题。通过将全光纤激光器进行光机电拆解为电学驱动模块，泵浦激光器模块，低功率前级预放大光模块和主功率放大光模块，由电学驱动模块向泵浦激光器模块提供多级泵浦电流，接收低功率前级预放大光模块中的前两级光监测反馈，并根据监测反馈信号，给出相应的指令，同时接收主功率放大光模块中的温度监测信号和功率监测信号，判断发射激光的时间并发出指令，从而达到对高峰值大脉冲能量基频光的精准灵活控制的目的，在实现小型化，集成化的同时，保证基频光光束质量，降低了整个中红外变频过程的能耗和体积，提高了转换效率。