一种多光束脉冲光纤激光器

技术领域

本发明涉及激光技术领域，具体涉及一种多光束脉冲光纤激光器。

背景技术

激光雷达是一项主动光电探测技术，具有较高的空间分辨率和测距精度，受电磁干扰影响小，能够全天时工作，在地形测绘、精确制导、自动驾驶等领域具有广泛的应用前景；现有激光雷达主要采用脉冲测距方式，通过发射窄脉冲宽度激光实现高精度测距；在远距离应用中，激光雷达通常需要发射高脉冲重复频率、高脉冲能量激光实现快速测距；在机载、星载等平台上，为了提高空间覆盖率，激光雷达正朝着多光束发射与接收方式发展；在传统激光高度计基础上，结合高灵敏度单光子探测技术，多光束激光雷达能够实现大幅宽测量。因此，高功率、多光束激光发射是激光雷达的关键部分。

NASA于2018年发射的ICESAT-II卫星搭载了ATLAS多光束激光雷达载荷，其采用了6光束发射与接收方式实现对地观测；NASA下一步计划研制1000光束以上单光子探测激光雷达(LIST计划)；为了验证星载多光束激光雷达的技术可行性，NASA前期研制了16光束单光子探测激光雷达SIMPL和215光束单光子探测激光雷达MABEL，并完成了机载飞行试验。国内中科院上海技物所研制了51光束单光子探测激光雷达，华东师范大学研制了100光束单光子探测激光雷达。

目前多光束激光雷达主要采用的发射方式包括光纤阵列、衍射光学器件(DOE)两种，其中光纤阵列为全光纤结构，通过光纤密排可以实现多光束精密发射，稳定性较高。光纤阵列发射方式首先采用多级分束器将激光能量均分到多路光纤中。在激光功率较高的情况下，为了避免光纤端面损伤，前端高功率激光分束首先采用空间光分束方式。例如：多光束激光雷达采用一台空间光输出激光器作为主光源，首先将激光通过空间光分束镜进行功率分配，分配成为十几个通道，使得每个通道的激光脉冲能量低于光纤损伤阈值；然后通过光纤准直器将激光耦合进入光纤，最后通过多个光纤分束器进行分光。这种多光束激光发射方式采用了空间光、光纤相结合的分束方式，空间光路复杂、体积大，受外界温度变化、震动等因素影响后，光纤耦合效率容易降低，导致多光束能量以及一致性下降。为此，提出一种多光束脉冲光纤激光器。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于：如何实现全光纤集成化设计，减小系统体积、重量，提高稳定性，提供了一种多光束脉冲光纤激光器。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括脉冲种子源、一级光纤放大组件、多路二级光纤放大组件、多路输出尾纤、至少一个光纤分束器，所述脉冲种子源的输出端与所述一级光纤放大组件的输入端连接，所述一级光纤放大组件的输出端与所述光纤分束器的输入端连接，所述光纤分束器的输出端与多路所述二级光纤放大组件的输入端对应连接，多路所述输出尾纤与多路所述二级光纤放大组件的输出端对应连接。

更进一步地，所述多光束脉冲光纤激光器还包括第一隔离器与多个第二隔离器，所述第一隔离器设置在所述光纤分束器与所述一级光纤放大组件之间，各所述第二隔离器对应设置在所述二级光纤放大组件与所述输出尾纤之间。

更进一步地，所述一级光纤放大组件与所述二级光纤放大组件的结构相同，均包括合束器、有源增益光纤和泵浦源，所述泵浦源与所述合束器的一个输入端连接，所述脉冲种子源与所述合束器的另一个输出端连接，所述合束器的输出端与所述有源增益光纤连接。

更进一步地，所述分束器包括多级50:50的一分二分束器，多级所述50:50的一分二分束器级联。

更进一步地，所述脉冲种子源、所述一级光纤放大组件、所述二级光纤放大组件、所述输出尾纤均采用单模光纤。

更进一步地，所述脉冲种子源采用直接调制方式，通过外部驱动电路控制产生纳秒级别脉宽可调、重频可调的脉冲激光。

本发明相比现有技术具有以下优点：该多光束脉冲光纤激光器，采用全光纤结构输出多路时间同步、能量一致的激光脉冲，减小了后续激光分束的难度，提高了系统集成度；通过多路光纤放大产生高功率激光，降低了光纤非线性效应(ASE)、光纤端面损伤风险；采用了单模光纤实现了高功率多光束输出，减小了器件体积与成本，使得输出激光具有较好的光束质量，降低了模场匹配难度；系统具有可扩展性，较容易实现更多路输出，提高了激光输出总功率，值得被推广使用。

附图说明

图1是本发明实施例二中光纤激光器的结构示意图；

图2是本发明实施例二中具体实施方案的示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例一

本实施例提供一种技术方案：一种多光束脉冲光纤激光器，包括脉冲种子源、一级光纤放大组件、多路二级光纤放大组件、多路输出尾纤、至少一个光纤分束器，所述脉冲种子源的输出端与所述一级光纤放大组件的输入端连接，所述一级光纤放大组件的输出端与所述光纤分束器的输入端连接，所述光纤分束器的输出端与多路所述二级光纤放大组件的输入端对应连接，多路所述输出尾纤与多路所述二级光纤放大组件的输出端对应连接。

在本实施例中，所述多光束脉冲光纤激光器还包括第一隔离器与多个第二隔离器，所述第一隔离器设置在所述光纤分束器与所述一级光纤放大组件之间，各所述第二隔离器对应设置在所述二级光纤放大组件与所述输出尾纤之间。

在本实施例中，所述一级光纤放大组件与所述二级光纤放大组件的结构相同，均包括合束器、有源增益光纤和泵浦源，所述泵浦源与所述合束器的一个输入端连接，所述脉冲种子源与所述合束器的另一个输出端连接，所述合束器的输出端与所述有源增益光纤连接。

在本实施例中，所述分束器包括多级50:50的一分二分束器，多级所述50:50的一分二分束器级联。

在本实施例中，所述脉冲种子源、所述一级光纤放大组件、所述二级光纤放大组件、所述输出尾纤均采用单模光纤。

在本实施例中，所述脉冲种子源采用直接调制方式，通过外部驱动电路控制产生纳秒级别脉宽可调、重频可调的脉冲激光。

实施例二

如图1所示，以4路输出光纤激光器为例，本实施例主要包括脉冲种子源1、一级光纤放大组件2、四路二级光纤放大组件3、多路并行设置的输出尾纤4、三个光纤分束器5，整体采用主功率振荡放大MOPA结构，其中，脉冲种子源1与一级光纤放大组件2的输入端连接，一级光纤放大组件2的输出端与一个光纤分束器5连接，剩下两个光纤分束器5与该光纤分束器5级联，这两个光纤分束器5的四个输出端分别与四路二级光纤放大组件3连接，四路二级光纤放大组件3再分别与各路输出尾纤4一一对应连接。

具体实施方案如图2所示，一级光纤放大组件2包括合束器7、有源增益光纤8和泵浦源9；其中合束器7为波分复用器件，将激光种子源1和泵浦源9两种不同波长激光进行合束，耦合至有源增益光纤8；泵浦源9实现有源增益光纤8内的粒子数反转，激光种子源1在有源增益光纤8内传输过程中实现受激辐射放大；一级光纤放大组件2与二级光纤放大组件3之间通过隔离器10相互分离，避免后向散射激光；每级光纤分束器5均为50:50的一分二分束器6，对激光能量进行均分；每路二级光纤放大组件3与一级光纤放大组件2的组成结构相同，也包括泵浦源、有源增益光纤和合束器；二级光纤放大组件3与输出尾纤4之间也通过隔离器相互分离，同样为了避免后向散射激光。

通过将激光功率放大分配在不同的二级光纤放大组件3上，在达到高功率激光输出的要求下，降低了每路的功率，减小了高功率激光在光纤中的非线性效应，以及光纤端面损伤风险；通过一分二分束器级联，容易产生多路激光，具有光束数量扩展性和能量均匀性的优势。

本实施例中脉冲种子源1通过外部驱动电路，将连续种子源调制为脉冲宽度可调、重复频率可调的脉冲激光；一级光纤放大组件2采用一路电路驱动一个泵浦源；二级光纤放大组件3一路电路驱动四个泵浦源，从而降低驱动电路复杂度。

本实施例中脉冲种子源1、一级光纤放大组件2、二级光纤放大组件3、输出尾纤4均采用9/125μm单模光纤，其中光纤放大部分采用有源光纤，对于1550nm波段激光采用掺镱光纤，对于1064nm波段激光采用掺铒光纤。全光纤结构减小了器件体积与成本，使得输出激光具有较好的光束质量，降低了模场匹配难度。

综上所述，上述实施例的多光束脉冲光纤激光器，采用全光纤结构输出多路时间同步、能量一致的激光脉冲，减小了后续激光分束的难度，提高了系统集成度；通过多路光纤放大产生高功率激光，降低了光纤非线性效应(ASE)、光纤端面损伤风险；采用了单模光纤实现了高功率多光束输出，减小了器件体积与成本，使得输出激光具有较好的光束质量，降低了模场匹配难度；系统具有可扩展性，较容易实现更多路输出，提高了激光输出总功率，值得被推广使用。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。