单频激光器和单频激光设备的制作方法
1.本发明涉及光纤激光技术领域，尤其涉及一种单频激光器和单频激光设备。
背景技术：
2.在光纤脉冲激光放大系统中，对于纳秒级的脉冲，由于饱和增益效应，信号光的脉冲前沿先于脉冲后沿得到放大。因此，脉冲前沿获得的增益比脉冲后沿获得的增益更高，导致信号光脉冲波形发生畸变。通常表现为脉冲前沿出现尖峰，导致脉冲宽度逐渐减小。在高功率单频激光放大器中，脉冲畸变导致的脉冲宽度的减小，进一步导致脉冲峰值功率的增大，致使单频激光放大系统在较低的平均输出功率下发生受激布里渊散射，限制了单频激光功率的进一步提升。
3.现有技术中的单频激光器，在对单频激光进行放大时，由于没有对单频激光种子信号进行分段特定调制，导致在较低的泵浦功率下脉冲前沿就会出现尖峰，产生脉冲窄化现象。因此，现有的单频激光器无法有效抑制高功率下的脉冲畸变，无法满足某些应用场景下单频激光的放大需求。
技术实现要素：
4.本发明提供一种单频激光器和单频激光设备，用以解决现有技术中单频激光放大时容易产生脉冲畸变从而限制脉冲激光放大的技术问题。
5.本发明提供一种单频激光器，其包括：单频种子源、第一放大单元、第二放大单元、第三放大单元、主放大单元以及控制单元；
6.所述单频种子源用于生成连续单频种子信号；所述第一放大单元用于对所述单频种子信号进行功率放大处理，得到第一放大信号，所述第一放大信号为放大后的连续单频种子信号；
7.所述第二放大单元用于对所述第一放大信号进行信号调制以及信号功率放大处理，得到第二放大信号；所述第二放大信号为具有第一重复频率的第一脉冲信号；所述第三放大单元用于对所述第二放大信号进行降频和脉冲功率放大处理，得到第三放大信号，所述第三放大信号为具有第二重复频率的第二脉冲信号；所述第二重复频率小于所述第一重复频率；
8.所述主放大单元用于对所述第三放大信号进行脉冲功率放大处理，得到单频目标激光信号；
9.所述控制单元用于输出第一控制信号和第二控制信号，所述第一控制信号用于控制所述第二放大单元完成对所述第一放大信号进行信号调制的处理过程，所述第二控制信号用于控制所述第三放大单元完成对所述第二放大信号进行降频的处理过程。
10.根据本发明提供的一种单频激光器，所述第二放大单元用于对所述第一放大信号进行信号调制以及信号功率放大处理，得到第二放大信号包括：
11.所述第二放大单元接收所述第一控制信号，并在所述第一控制信号的作用下将所
述放大后的连续单频种子信号调制成具有预设波形以及第一重复频率的预设脉冲信号；并进一步对所述预设脉冲信号进行功率放大处理，得到所述第二放大信号。
12.根据本发明提供的一种单频激光器，所述预设脉冲信号在每个重复周期内的波形曲线按照时域的顺序依次包括脉冲前沿线性段、脉冲前沿指数段和脉冲后沿段；
13.所述脉冲前沿线性段对应的曲线函数为递增型线性函数，所述脉冲前沿指数段对应的曲线函数为递增型指数函数，所述脉冲后沿段对应的曲线函数为递减型指数函数。
14.根据本发明提供的一种单频激光器，所述脉冲前沿线性段对应的递增型线性函数为：y＝0.0006x；
15.所述脉冲前沿指数段对应的递增型指数函数为：y＝0.0268e
(x/201)
+0.0162；
16.所述脉冲后沿段对应的递减型指数函数为：
17.y＝1.0378/[1+e
(0.1178*(x-754.587))
]。
[0018]
根据本发明提供的一种单频激光器，在一个重复周期内，所述脉冲前沿线性段对应的时域区间为[0，100]；
[0019]
所述脉冲前沿指数段对应的时域区间为(100，725]；
[0020]
所述脉冲后沿段对应的时域区间为(725，800]。
[0021]
根据本发明提供的一种单频激光器，所述控制单元包括信号发生器和挑脉冲控制板；
[0022]
所述信号发生器用于生成所述第一控制信号；所述挑脉冲控制板用于根据所述第一控制信号的同步输出信号生成所述第二控制信号。
[0023]
根据本发明提供的一种单频激光器，所述第一放大单元包括第一环形器、第一波分复用器、第一增益光纤、第一带通滤波器和第一泵浦源；
[0024]
所述第一环形器用于接收所述单频种子源生成的连续单频种子信号，并将所述生成连续单频种子信号发送给所述第一波分复用器；所述第一泵浦源用于生成第一泵浦光信号；所述第一波分复用器用于将所述连续单频种子信号和所述第一泵浦光信号耦合进所述第一增益光纤；所述第一增益光纤用于吸收所述第一泵浦光信号对所述连续单频种子信号进行功率放大；所述第一带通滤波器用于对所述第一增益光纤输出的放大后的连续单频种子信号进行滤波处理，以滤除在所述第一增益光纤中放大过程中产生的放大自发辐射，得到所述第一放大信号；
[0025]
所述第一环形器还用监测和接收所述第一增益光纤产生的反向光信号。
[0026]
根据本发明提供的一种单频激光器，所述第二放大单元包括：第一声光调制器、第二环形器、第二波分复用器、第二增益光纤、第二带通滤波器和第二泵浦源；
[0027]
所述第一声光调制器用于根据所述第一控制信号将所述第一放大信号调制成具有预设波形以及第一重复频率的所述预设脉冲信号；所述第二环形器用于接收输入的所述预设脉冲信号，并将所述预设脉冲信号输出给所述第二波分复用器；
[0028]
所述第二泵浦源用于生成第二泵浦光信号；所述第二波分复用器用于将所述预设脉冲信号和所述第二泵浦光信号耦合进所述第二增益光纤；所述第二增益光纤用于吸收所述第二泵浦光信号对所述预设脉冲信号进行功率放大；所述第二带通滤波器用于对所述第二增益光纤输出的放大后的信号进行滤波处理，以滤除在所述第二增益光纤中放大过程中产生的放大自发辐射，得到所述第二放大信号；
[0029]
所述第二环形器还用于监测和接收所述第二增益光纤产生的反向光信号。
[0030]
根据本发明提供的一种单频激光器，所述第三放大单元包括第二声光调制器、第三环形器、第三波分复用器、第三增益光纤、第三带通滤波器和第三泵浦源；
[0031]
所述第二声光调制器用于根据所述第二控制信号对所述第二放大信号进行降频处理；所述第三环形器用于接收降频处理后的第二放大信号，并将所述降频处理后的第二放大信号输出给所述第三波分复用器；所述第三泵浦源用于生成第三泵浦光信号；所述第三波分复用器用于将所述降频处理后的第二放大信号和所述第三泵浦光信号耦合进所述第三增益光纤；所述第三增益光纤用于吸收所述第三泵浦光信号对所述降频处理后的第二放大信号进行功率放大；所述第三带通滤波器用于对所述第三增益光纤输出的放大后的信号进行滤波处理，以滤除在所述第三增益光纤中放大过程中产生的放大自发辐射，得到所述第三放大信号；
[0032]
所述第三环形器还用于监测和接收所述第三增益光纤产生的反向光信号。
[0033]
根据本发明提供的一种单频激光器，所述主放大单元包括第四环形器、第一合束器、第四增益光纤、第一准直器和第四泵浦源；
[0034]
所述第四环形器用于接收所述第三放大单元输出的第三放大信号，并将所述第三放大信号发送给所述第一合束器；所述第四泵浦源用于生成第四泵浦光信号；所述第一合束器用于将所述第三放大信号和所述第四泵浦光信号耦合进所述第四增益光纤；所述第四增益光纤用于吸收所述第四泵浦光信号对所述第三放大信号进行功率放大；所述第一准直器用于对所述第四增益光纤输出的信号进行准直处理，得到所述单频目标激光信号；
[0035]
所述第四环形器还用监测和接收所述第四增益光纤产生的反向光信号。
[0036]
根据本发明提供的一种单频激光器，所述第一重复频率为100khz-20mhz；所述第二重复频率为10khz。
[0037]
根据本发明提供的一种单频激光器，所述第二放大单元对所述预设脉冲信号进行功率放大处理，将所述预设脉冲信号的功率放大到百豪瓦级别，得到所述第二放大信号。
[0038]
根据本发明提供的一种单频激光器，所述单频种子源生成的连续单频种子信号的中心波长为1548nm、线宽为1.25khz、输出功率为60mw。
[0039]
根据本发明提供的一种单频激光器，所述单频目标激光信号的平均输出功率为2.07w、峰值功率为296.8w、脉冲宽度为700ns。
[0040]
本发明还提供一种单频激光设备，其包括如上所述单频激光器。
[0041]
本发明提供的单频激光器，其包括：单频种子源、第一放大单元、第二放大单元、第三放大单元、主放大单元以及控制单元。单频种子源用于生成连续单频种子信号；第一放大单元用于对单频种子信号进行功率放大处理，得到第一放大信号，第一放大信号为放大后的连续单频种子信号；第二放大单元用于对第一放大信号进行信号调制以及信号功率放大处理，得到第二放大信号；第二放大信号为具有第一重复频率的第一脉冲信号；第三放大单元用于对第二放大信号进行降频和脉冲功率放大处理，得到第三放大信号，第三放大信号为具有第二重复频率的第二脉冲信号；主放大单元用于对第三放大信号进行脉冲功率放大处理，得到单频目标激光信号。本发明通过第一放大单元、第二放大单元、第三放大单元依次对输入的单频种子信号进行功率放大，其中，第二放大单元中第一声光调制器对输入的单频信号进行了波形预调制，抑制了高功率下脉冲放大时发生脉冲窄化的现象，保证了放
大后脉冲的峰值功率低于受激布里渊散射的阈值。
附图说明
[0042]
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0043]
图1是本发明提供的单频激光器结构示意图；
[0044]
图2是本发明提供的预设脉冲信号波形图；
[0045]
图3是本发明提供的分段函数波形图；
[0046]
图4是本发明提供的控制单元结构示意图；
[0047]
图5是本发明提供的第一放大单元的结构示意图；
[0048]
图6是本发明提供的第二放大单元的结构示意图；
[0049]
图7是本发明提供的第三放大单元的结构示意图；
[0050]
图8是本发明提供的主放大单元的结构示意图；
[0051]
图9本技术的单频激光器输出的单频目标激光信号。
[0052]
附图标记：
[0053]
1：单频种子源；2：第一放大单元；3：第二放大单元；4：第三放大单元；5：主放大单元；6：控制单元；61：信号发生器；62：挑脉冲控制板；21：第一环形器；22：第一波分复用器；23：第一增益光纤；24：第一带通滤波器；25：第一泵浦源；31：第一声光调制器；32：第二环形器；33：第二波分复用器；34：第二增益光纤；35：第二带通滤波器；36：第二泵浦源；41：第二声光调制器；42：第三环形器；43：第三波分复用器；44：第三增益光纤；45：第三带通滤波器；46：第三泵浦源；51：第四环形器；52：第一合束器；53：第四增益光纤；54：第一准直器；55：第四泵浦源。
具体实施方式
[0054]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0055]
本发明提供的单频激光器，其包括多个信号放大单元，通过多个信号放大单元依次对输入的单频种子信号进行功率放大，其中，第二放大单元中的第一声光调制器对输入的单频信号进行了波形预调制，抑制了高功率下脉冲放大时发生脉冲窄化的现象，保证了放大后脉冲的峰值功率低于受激布里渊散射的阈值。换言之，本发明通过对输入的单频种子信号进行预调制，以补偿放大过程中的脉冲畸变。通过对输入单频种子信号引入一个平滑递增的前沿调制，缩小脉冲前沿与脉冲后沿的放大比例，从而避免由于脉冲窄化导致峰值功率过高引起的非线性效应。
[0056]
以下结合具体的附图对本发明的技术方案进行详细说明。
[0057]
实施例一：
[0058]
请参考图1，本实施例提供一种单频激光器，其包括：单频种子源1、第一放大单元2、第二放大单元3、第三放大单元4、主放大单元5以及控制单元6。
[0059]
其中，单频种子源1用于生成连续单频种子信号；第一放大单元2用于对单频种子信号进行功率放大处理，得到第一放大信号，第一放大信号为放大后的连续单频种子信号。第二放大单元3用于对第一放大信号进行信号调制以及信号功率放大处理，得到第二放大信号；第二放大信号为具有第一重复频率的第一脉冲信号；第三放大单元4用于对第二放大信号进行降频和脉冲功率放大处理，得到第三放大信号，第三放大信号为具有第二重复频率的第二脉冲信号；第二重复频率小于第一重复频率。主放大单元5用于对第三放大信号进行脉冲功率放大处理，得到单频目标激光信号。控制单元用于输出第一控制信号和第二控制信号，第一控制信号用于控制第二放大单元3完成信号调制处理过程，第二控制信号用于控制第三放大单元4完成降频处理过程。本实施例通过上述的第一放大单元2、第二放大单元3、第三放大单元4、主放大单元5依次对输入的单频种子信号进行功率放大，其中，第二放大单元中的第一声光调制器对输入的单频信号进行了波形预调制，抑制了高功率下脉冲放大时发生脉冲窄化的现象，保证了放大后脉冲的峰值功率低于受激布里渊散射的阈值。
[0060]
实施例二：
[0061]
本实施例中，第二放大单元3用于对第一放大信号进行信号调制以及信号功率放大处理，得到第二放大信号包括：第二放大单元3接收控制单元6发出的第一控制信号，并在第一控制信号的作用下将放大后的连续单频种子信号调制成具有预设波形以及第一重复频率的预设脉冲信号；并进一步对预设脉冲信号进行功率放大处理，得到第二放大信号。
[0062]
预设脉冲信号为重复性的周期信号，如图2，本实施例中的预设脉冲信号在每个重复周期内的波形曲线按照时域的顺序依次包括脉冲前沿线性段、脉冲前沿指数段和脉冲后沿段；脉冲前沿线性段对应的曲线函数为递增型线性函数，脉冲前沿指数段对应的曲线函数为递增型指数函数，脉冲后沿段对应的曲线函数为递减型指数函数。本实施例的预设脉冲信号的前沿由线性段和指数段组成，线性段位于指数段之前。一方面，线性段前沿的设置使脉冲前沿可以得到一定的放大，从而在高泵浦功率下可以获得脉冲宽度更宽的输出脉冲。另一方面，指数段前沿的设置，不同于双曲线形和三角波形，指数段前沿具有更低的幅值，可以更加有效地缩小脉冲前沿与脉冲后沿的放大比例，从而避免在较低的泵浦功率下脉冲前沿出现尖峰，产生脉冲窄化现象，即避免了在较低平均输出功率下出现较高的峰值功率。
[0063]
具体的，本实施例的脉冲前沿线性段对应的递增型线性函数为：y＝0.0006x；脉冲前沿指数段对应的递增型指数函数为：y＝0.0268e
(x/201)
+0.0162；脉冲后沿段对应的递减型指数函数为：y＝1.0378/[1+e
(0.1178*(x-754.587))
]。其中，x为横坐标，表示时间，单位为纳秒。在一个重复周期内，脉冲前沿线性段对应的时域区间为[0，100]；脉冲前沿指数段对应的时域区间为(100，725]；脉冲后沿段对应的时域区间为(725，800]。即本技术的预设脉冲信号在每个重复周期内的波形曲线为分段函数，可以表示为如下分段函数的形式：
[0064]
[0065]
图3为上述分段函数对应的波形图。第一控制信号根据上述分段函数生成，因此在第一控制信号的作用下得到的预设脉冲信号(如图2)与图3接近。
[0066]
基于本实施例提供的预设脉冲信号的波形，由于波形的脉冲前沿线性段和脉冲前沿指数段的设置，在放大过程中，既保证了脉冲前沿得到一定程度的放大，也缩小了脉冲前沿与后沿之间的放大比例。经过主放大单元5放大处理得到单频目标激光信号。
[0067]
其中，本实施例的单频种子源生成的连续单频种子信号的中心波长为1548nm、线宽为1.25khz、输出功率为60mw。经过第二放大单元3的放大后，得到第一重复频率为100khz-20mhz的第一脉冲信号，第三放大单元4用于对第一重复频率为100khz-20mhz的第一脉冲信号依次进行降频和脉冲功率放大处理，得到第三放大信号，第三放大信号为具有10khz的第二脉冲信号。
[0068]
如图9为本技术的单频激光器输出的单频目标激光信号，从图9中可以看出输出的单频目标激光信号的脉冲顶部较为平滑，且脉冲前沿未出现尖峰。因此，有效地补偿了脉冲畸变导致的脉宽窄化，使得在平均输出功率为2.07w时，脉冲宽度为700ns，峰值功率仅为296.8w，避免了由于峰值功率过高所引起的受激布里渊散射效应。同时，为实现具有不同脉宽的脉冲输出，可通过改变上述分段函数中的参数，以得到相应的预设脉冲信号的波形，为抑制放大过程中的脉冲畸变提供了一种简单高效的方法。
[0069]
实施例三：
[0070]
本实施例提供一种单频激光器，其包括：单频种子源1、第一放大单元2、第二放大单元3、第三放大单元4、主放大单元5以及控制单元6。
[0071]
其中，如图4，控制单元6包括信号发生器61和挑脉冲控制板62；信号发生器61用于根据上述实施例二中的分段函数生成对应的第一控制信号，在第一控制信号的作用下将放大后的连续单频种子信号调制成具有预设波形以及第一重复频率的预设脉冲信号。挑脉冲控制板62用于根据第一控制信号的同步输出信号生成第二控制信号，即挑脉冲控制板62以信号发生器61的同步输出信号作为参考信号，依据串口设定的参数生成第二控制信号，第二控制信号主要用于第三放大单元完成降频处理过程。
[0072]
其中，可以理解的是，信号发生器61采用程序设计，根据预设的分段函数形成对应的第一控制信号，以控制生成对应波形的预设脉冲信号。
[0073]
其中，如图5，本实施例的第一放大单元2包括第一环形器21、第一波分复用器22、第一增益光纤23、第一带通滤波器24和第一泵浦源25。第一环形器21用于接收单频种子源生成的连续单频种子信号，并将连续单频种子信号发送给第一波分复用器22；第一泵浦源25用于生成第一泵浦光信号；第一波分复用器22用于将连续单频种子信号和第一泵浦光信号耦合进第一增益光纤23；第一增益光纤23用于吸收第一泵浦光信号对连续单频种子信号进行功率放大；第一带通滤波器24用于对第一增益光纤23输出的放大后的连续单频种子信号进行滤波处理，以滤除在第一增益光纤23中放大过程中产生的放大自发辐射，得到第一放大信号。另外，第一环形器21还用监测和接收第一增益光纤23产生的反向光信号。本实施例的第一增益光纤23的长度为1m，采用的第一增益光纤23的型号为nufern pm edf-7/125，本实施例中的第二增益光纤34、第三增益光纤44采用和第一增益光纤23相同长度和型号的光纤。第一带通滤波器24采用带宽为1nm的带通滤波器。
[0074]
如图6，本实施例的第二放大单元3包括：第一声光调制器31、第二环形器32、第二
波分复用器33、第二增益光纤34、第二带通滤波器35和第二泵浦源36。第一声光调制器31用于根据第一控制信号将第一放大信号调制成具有预设的第一重复频率的预设脉冲信号；第二环形器32用于接收输入的预设脉冲信号，并将预设脉冲信号输出给第二波分复用器33；第二泵浦源36用于生成第二泵浦光信号；第二波分复用器33用于将预设脉冲信号和第二泵浦光信号耦合进第二增益光纤34；第二增益光纤34用于吸收第二泵浦光信号对预设脉冲信号进行功率放大；第二带通滤波器35用于对第二增益光纤34输出的放大后的信号进行滤波处理，以滤除在第二增益光纤34放大过程中产生的放大自发辐射，得到第二放大信号；第二环形器32还用于监测和接收第二增益光纤产生的反向光信号。
[0075]
如图7，本实施例的第三放大单元4包括第二声光调制器41、第三环形器42、第三波分复用器43、第三增益光纤44、第三带通滤波器45和第三泵浦源46。挑脉冲控制板62为第二声光调制器41提供第二控制信号。第二声光调制器41用于根据第二控制信号对第二放大信号进行降频处理；第三环形器42用于接收降频处理后的第二放大信号，并将降频处理后的第二放大信号输出给第三波分复用器43；第三泵浦源46用于生成第三泵浦光信号；第三波分复用器43用于将降频处理后的第二放大信号和第三泵浦光信号耦合进第三增益光纤44；第三增益光纤44用于吸收第三泵浦光信号对降频处理后的第二放大信号进行功率放大；第三带通滤波器45用于对第三增益光纤44输出的放大后的信号进行滤波处理，以滤除在第三增益光纤44中放大过程中产生的放大自发辐射，得到第三放大信号。同时，第三环形器42还用于监测和接收第三增益光纤44产生的反向光信号。
[0076]
如图8，本实施例的主放大单元5包括第四环形器51、第一合束器52、第四增益光纤53、第一准直器54和第四泵浦源55。本实施例中第四增益光纤53为nufern lma-eydf-30p/250-he，第四增益光纤53的长度为1.5m。第四环形器51用于接收第三放大单元4输出的第三放大信号，并将第三放大信号发送给第一合束器52；第四泵浦源55用于生成第四泵浦光信号；第一合束器52用于将第三放大信号和第四泵浦光信号耦合进第四增益光纤53；第四增益光纤53用于吸收第四泵浦光信号对第三放大信号进行功率放大；第一准直器54用于对第四增益光纤53输出的信号进行准直处理，得到单频目标激光信号；同时，第四环形器51还用监测和接收第四增益光纤53产生的反向光信号。
[0077]
其中，本实施例中第二放大单元3将预设脉冲信号的功率放大到百豪瓦级别。然后放大后的信号进入到第三放大单元4中，由于第三放大单元4中的第二声光调制器41的插入损耗，使得经过第二声光调制器41降频处理后的输出信号的功率只有几个毫瓦。因此，降频处理后的第二放大信号在第三增益光纤44进行再次放大，将输出信号的功率放大到百豪瓦级别。最后通过主放大单元5将信号放大到瓦级。
[0078]
本实施例通过上述的第一放大单元2、第二放大单元3、第三放大单元4、主放大单元5依次对输入的单频种子信号进行功率放大，其中，第二放大单元中的第一声光调制器对输入的单频信号进行了波形预调制，抑制了高功率下脉冲放大时发生脉冲窄化的现象，保证了放大后脉冲的峰值功率低于受激布里渊散射的阈值。
[0079]
实施例四：
[0080]
本实施例提供一种单频激光设备，其包括如上述任意一个实施例提供的单频激光器。
[0081]
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可
以是或者也可以不是物理上分开的。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
[0082]
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
[0083]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
