1.本发明涉及激光器技术领域，尤其涉及一种铒镱共掺脉冲光纤放大器。
背景技术：
2.1.5μm激光由于具有人眼安全、大气传输损耗低等特点，在激光雷达、测距测照、医疗和通信领域有着广泛的应用。脉冲光纤放大器由于其结构简单、便携性好、同时能实现高光束质量、高脉冲能量和高重复频率的脉冲输出，已经成为产生1.5μm脉冲激光的主要方式。一般而言，掺er光纤是实现1.5μm激光的主要增益光纤，在传统的掺铒光纤放大器中，过低的er
3
离子浓度会造成抽运光的浪费，降低输出功率和效率。而增加er
3
离子浓度时，浓度过高的er
3
离子会形成大量离子对，产生“浓度淬灭”问题，影响输出功率和效率。研究发现在光纤中掺入高于er
3
离子浓度的适量yb
3
离子可以有效隔离er
3
离子间距，削弱er
3
离子对的形成，从而抑制“浓度淬灭”，大幅提升光纤内er
3
离子浓度。
3.在铒镱共掺光纤放大器中，当泵浦功率达到一定阈值时，光纤中大量的泵浦光会被用来放大1μm波段的光，从而产生1μm的自发辐射(amplified spontaneousemission,ase)，过高的1μmase会降低yb
3
向er
3
传递能量的效率，从而降低1.5μm激光输出的功率和效率。同时对于脉冲光纤放大器，特别是高脉冲能量和高峰值功率的脉冲光纤激光器中，在脉冲间隔时间内信号光很弱，增益光纤中积累的反转粒子数不能被消耗，也非常容易产生ase。在低重复频率的脉冲光纤放大器中，ase限制了脉冲峰值功率和能量的进一步提升，是目前低重复频率脉冲光纤放大器功率提升的主要限制因素。在脉冲光纤放大器系统中，ase伴随着整个放大过程，多级放大结构在放大信号光的同时，也会逐级放大ase，限制脉冲能量和峰值功率的提升，降低系统的信噪比，甚至会诱发寄生振荡，烧毁放大器。综上，若想实现高脉冲能量高峰值功率的1.5μm的激光输出，对ase的有效抑制必不可少。
4.对于高脉冲能量高峰值功率光纤放大器，过高的峰值功率还会积累各种非线性效应，降低激光器的输出功率和效率。非线性效应会导致脉冲光纤放大器稳定性降低，限制了脉冲峰值功率和脉冲能量的进一步提升。一般通过增加增益光纤的纤芯直径来增加非线性效应的阈值，但是过大的模场面积会导致输出光束质量劣化。怎样平衡功率和光束质量是需要重点考虑的问题。
5.因此，有必要对现有的铒镱共掺光纤放大器进行改进，以实现高脉冲能量、高峰值功率、高光束质量的1.5μm激光输出。
技术实现要素：
6.本发明实施例提供一种铒镱共掺脉冲光纤放大器，用以解决现有技术中1.5μm脉冲光纤放大器存在ase严重，峰值功率和脉冲能量无法进一步提升的问题。
7.本发明实施例的铒镱共掺脉冲光纤放大器，包括：
8.种子光源，用于产生百μw量级的1.5μm脉冲激光作为种子光；
9.第一功率预放大级，包括第一半导体泵浦ld、波分复用器、单模掺铒光纤；所述第
一半导体泵浦ld用于产生第一脉冲泵浦光；所述波分复用器耦接于所述种子光源的后端，用于将所述种子光和所述第一脉冲泵浦光耦合进所述单模掺铒光纤；所述单模掺铒光纤用于输出十mw量级的1.5μm脉冲激光；
10.第二功率预放大级，包括第二半导体泵浦ld、第一合束器、第一铒镱共掺光纤；所述第二半导体泵浦ld用于产生第二脉冲泵浦光；所述第一合束器耦接于所述单模掺铒光纤的后端，用于将所述十mw量级的1.5μm脉冲激光和所述第二脉冲泵浦光耦合进所述第一铒镱共掺光纤；所述第一铒镱共掺光纤用于输出百mw量级的1.5μm脉冲激光；
11.功率主放大级，包括第三半导体泵浦ld、第二合束器、第二铒镱共掺光纤、输出头；所述第三半导体泵浦ld用于产生第三脉冲泵浦光；所述第二合束器耦接于所述第一铒镱共掺光纤的后端，用于将所述百mw量级的1.5μm脉冲激光和第三脉冲泵浦光耦合进所述第二铒镱共掺光纤；所述第二铒镱共掺光纤用于输出十w量级的1.5μm脉冲激光并通过所述输出头输出；
12.所述种子光源、所述第一半导体泵浦ld、所述第二半导体泵浦ld以及所述第三半导体泵浦ld采用同步脉冲泵浦方式。
13.采用本发明实施例，通过使用同步脉冲泵浦的脉冲泵浦方式，有效抑制了系统内的ase，有利于脉冲对泵浦能量的提取，提升了系统的稳定性，从而实现高脉冲能量、高峰值功率、高光束质量的1.5μm脉冲激光输出。
14.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
15.通过阅读下文实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在附图中：
16.图1是本发明实施例中铒镱共掺脉冲光纤放大器的结构示意图；
17.图2是本发明实施例中铒镱共掺锥形光纤示意图；
18.图3是本发明实施例中种子光、第一脉冲泵浦光、第二脉冲泵浦光、第三脉冲泵浦光的时序图。
具体实施方式
19.下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。另外，在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
20.本发明实施例的铒镱共掺脉冲光纤放大器，包括：种子光源、第一功率预放大级、第二功率预放大级、以及功率主放大级。
21.种子光源用于产生百μw量级的1.5μm脉冲激光作为种子光。可以理解，种子光源可
以输出激光波长为1.5μm的脉冲激光，该脉冲激光的脉冲功率级别为百μw量级。
22.第一功率预放大级包括第一半导体泵浦ld、波分复用器、单模掺铒光纤。第一半导体泵浦ld用于产生第一脉冲泵浦光。波分复用器耦接于种子光源的后端，波分复用器用于将种子光和第一脉冲泵浦光耦合进单模掺铒光纤。单模掺铒光纤则可以将第一脉冲泵浦光转换为1.5μm的激光，从而输出十mw量级的1.5μm脉冲激光；
23.第二功率预放大级包括第二半导体泵浦ld、第一合束器、第一铒镱共掺光纤。第二半导体泵浦ld用于产生第二脉冲泵浦光。第一合束器耦接于单模掺铒光纤的后端，第一合束器用于将十mw量级的1.5μm脉冲激光和第二脉冲泵浦光耦合进第一铒镱共掺光纤。第一铒镱共掺光纤可以将第二脉冲泵浦光转换为1.5μm的激光，从而可以输出百mw量级的1.5μm脉冲激光。
24.功率主放大级包括第三半导体泵浦ld、第二合束器、第二铒镱共掺光纤、输出头。第三半导体泵浦ld用于产生第三脉冲泵浦光。第二合束器耦接于第一铒镱共掺光纤的后端，第二合束器用于将百mw量级的1.5μm脉冲激光和第三脉冲泵浦光耦合进第二铒镱共掺光纤。第二铒镱共掺光纤可以将第三脉冲泵浦光转换为1.5μm的激光，从而可以输出十w量级的1.5μm脉冲激光并通过输出头输出。
25.种子光源、第一半导体泵浦ld、第二半导体泵浦ld以及第三半导体泵浦ld采用同步脉冲泵浦方式。例如图3所示的种子光、第一脉冲泵浦光、第二脉冲泵浦光、第三脉冲泵浦光的时序图，图中：101表示种子光的时序图、201表示第一脉冲泵浦光的时序图、601表示第二脉冲泵浦光的时序图、1001表示第三脉冲泵浦光的时序图。
26.需要说明的是，器件前面的单词第一、第二、以及第三等的使用是用于区别类似的对象，不表示任何顺序，可将这些单词解释为名称。
27.采用本发明实施例，通过使用同步脉冲泵浦的脉冲泵浦方式，有效抑制了系统内的ase，有利于脉冲对泵浦能量的提取，提升了系统的稳定性，从而实现高脉冲能量、高峰值功率、高光束质量的1.5μm脉冲激光输出。
28.在上述实施例的基础上，进一步提出各变型实施例，在此需要说明的是，为了使描述简要，在各变型实施例中仅描述与上述实施例的不同之处。
29.根据本发明的一些实施例，第二铒镱共掺光纤为铒镱共掺锥形光纤，铒镱共掺锥形光纤的输入端和输出端为双包层光纤、中间段为拉锥区，参照图2所示。
30.进一步的，铒镱共掺锥形光纤输入端的纤芯直径为30μm、内包层直径为250μm，铒镱共掺锥形光纤输出端的纤芯直径为50μm、内包层直径为400μm。
31.在本发明的一些实施例中，第一铒镱共掺光纤为双包层铒镱共掺光纤。
32.进一步的，双包层铒镱共掺光纤的纤芯直径为10μm、内包层直径为125μm；
33.或者，双包层铒镱共掺光纤的纤芯直径为20μm、内包层直径为130μm。
34.在本发明的一些实施例中，单模掺铒光纤的纤芯直径为6μm、内包层直径为125μm。
35.根据本发明的一些实施例，种子源采用波长为1.5μm的电调制半导体激光器，电调制半导体激光器利用驱动电路输出脉冲宽度在纳秒量级、脉冲形状和重复频率可调的激光。
36.根据本发明的一些实施例，单模掺铒光纤、第一铒镱共掺光纤、以及第二铒镱共掺光纤均放置于水冷板上以实现水冷降温。
37.根据本发明的一些实施例，第一功率预放大级与种子光源之间、第二功率预放大级与第一功率预放大级之间、以及功率主放大级与第二功率预放大级之间均设置有隔离器。隔离器用于隔离回返光，达到保护种子光源、第一功率预放大级、第二功率预放大级的目的。
38.根据本发明的一些实施例，单模掺铒光纤的输出端以及第一铒镱共掺光纤的输出端均设有滤波器；
39.第二铒镱共掺光纤的输出端设有泵浦功率剥除器。
40.滤波器用于滤除非1.5μm的脉冲激光，使得从第一功率预放大级输入至第二功率预放大级、以及从第二功率预放大级输入至功率主放大级的信号光均为1.5μm的脉冲激光。
41.泵浦功率剥除器用于滤除放大器内剩余的泵浦光以及包层光，仅仅输出1.5μm的脉冲激光。
42.下面参照附图以一个具体的实施例详细描述根据本发明的铒镱共掺脉冲光纤放大器。值得理解的是，下述描述仅是示例性描述，而不应理解为对本发明的具体限制。
43.本发明实施例提供了一种高脉冲能量、高峰值功率、高光束质量的铒镱共掺光纤放大器，如图1所示，铒镱共掺光纤放大器包括：
44.种子光源1，用于产生低功率1.5μm脉冲激光作为种子光；
45.第一功率预放大级，设置于种子光源1的后端，用于对种子源1产生的种子进行初放大；
46.第二功率预放大级，设置于第一功率预放大级的后端，用于对第一功率预放大级放大后的信号光进一步放大；
47.功率主放大级，设置于第二功率预放大级的后端，用于对第二功率预放大级产生的信号光再次放大；
48.第一功率预放大级包括第一半导体泵浦ld2、隔离器及波分复用器3、单模掺铒光纤4和第一隔离器及滤波器5；
49.第一半导体泵浦ld2，用于产生第一脉冲泵浦光。隔离器及波分复用器3输入端耦接于种子源1，输出端耦接于单模掺铒光纤4，泵浦端耦接于第一半导体泵浦ld2。隔离器及波分复用器3用于隔离系统内的回返光，保护种子源，同时将种子光源1的种子光和第一半导体泵浦ld2产生的第一脉冲泵浦光耦合进单模掺铒光纤中。单模掺铒光纤4用于产生增益，将第一半导体泵浦ld2产生的第一脉冲泵浦光转化为1.5μm的信号光；第一隔离器及滤波器5，耦接于单模掺铒光纤4的后端，用于隔离系统内的回返光及滤除其他波长的光。经第一功率预放大级后信号光被放大至数十mw量级，以满足更高功率的放大需求。
50.第二功率预放大级包括第二半导体泵浦ld6、(1 1)合束器(即第一合束器)7、双包层铒镱共掺光纤8和第二隔离器及滤波器9；
51.第二半导体泵浦ld6用于产生第二脉冲泵浦光。(1 1)合束器7的输入端耦接于第一隔离器及滤波器5的输出端，泵浦端耦接于第二半导体泵浦ld6，输出端耦接于双包层铒镱共掺光纤8。(1 1)合束器7用于将第一功率预放大级产生的信号光和第二半导体泵浦ld6产生的第二脉冲泵浦光分别耦合进双包层铒镱共掺光纤8的纤芯和内包层中，从而将第二半导体泵浦ld6产生的泵浦光转化为1.5μm的信号光。双包层铒镱共掺光纤8用于产生增益，将第二半导体泵浦ld6产生的第二脉冲泵浦光转化为1.5μm的信号光。第二隔离器及滤波器
9，耦接于双包层铒镱共掺光纤8的后端，用于隔离系统内的回返光及滤除其他波长的光。经第二功率预放大级后信号光被放大至数百mw量级，以满足更高功率的放大需求。
52.功率主放大器包括第三半导体泵浦ld10、(2 1)合束器(即第二合束器)11、铒镱共掺锥形光纤12、泵浦功率剥除器及输出头13。
53.第三半导体泵浦ld10用于产生第三脉冲泵浦光。(2 1)合束器11的输入端耦接于第二隔离器及滤波器9的输出端，输出端耦接于铒镱共掺锥形光纤12，泵浦端耦接于第三半导体泵浦ld10。(2 1)合束器11用于将第二功率预放大级产生的信号光和第三半导体泵浦ld10产生的第三脉冲泵浦光分别耦合进铒镱共掺锥形光纤12的纤芯和内包层中。如图2所示，铒镱共掺锥形光纤12为双保层铒镱共掺锥形光纤，铒镱共掺锥形光纤12的输入端和输出端均为一段普通双包层光纤，中间部分为拉锥区。铒镱共掺锥形光纤12用于产生增益，将第三半导体泵浦ld10产生的第三脉冲泵浦光转化为1.5μm的信号光。泵浦功率剥除器及输出头13耦接于铒镱共掺锥形光纤12，处于放大器最末端，用于滤除放大器内剩余的泵浦光以及包层光，并作为系统的输出，降低光功率密度，防止端面反射。经功率主放大级放大后信号光被放大至数十至几十w。
54.第一功率预放大级、第二功率预放大级和主功率放大级均采用同步脉冲泵浦方式，相关波形和时序如图3所示。图中：101表示种子光的时序图、201表示第一脉冲泵浦光的时序图、601表示第二脉冲泵浦光的时序图、1001表示第三脉冲泵浦光的时序图。
55.种子源1采用波长为1.5μm的电调制半导体激光器，利用驱动电路输出的电脉冲直接调制种子源1可以得到脉冲宽度在纳秒量级、脉冲形状和重复频率可调的激光输出，输出功率为百μw量级，种子光功率低但光束质量良好，用于之后进行功率放大。
56.单模掺铒光纤4的纤芯直径为6μm、内包层直径为125μm。
57.双包层铒镱共掺光纤的纤芯直径为10μm、内包层直径为125μm；或者，纤芯直径为20μm、内包层直径为130μm。
58.铒镱共掺锥形光纤输入端的纤芯直径为30μm、内包层直径为250μm，铒镱共掺锥形光纤输出端的纤芯直径为50μm、内包层直径为400μm。铒镱共掺锥形光纤的长度不固定，可根据实际情况进行调整。
59.系统内所有光纤均放置于水冷板上，通过水冷降温，水冷设置温度为20℃。
60.抑制ase是一方面，同时本发明还有一个目的就是提升系统的非线性阈值，从而实现高峰值功率输出。对于脉冲的峰值功率pp、脉冲能量e、脉冲宽度τ、重复频率f以及平均输出功率p，有如下公式：pp＝p/(f
·
τ)，e＝p/f。这其中，在一定功率下，f越低，相邻两个脉冲之间的时间间隔就越久，就越容易产生ase，同时在一定功率和脉冲宽度下，f越小峰值功率也越高，也就是说高峰值功率意味着强ase。要实现高脉冲能量、高峰值功率和高光束质量的脉冲，不仅仅要抑制各级的ase，还要应对主功率放大级高峰值功率引起的非线性效应，这是为什么主功率放大级采用锥形光纤的原因。锥形光纤的目的一方面是提升非线性阈值，实现高峰值功率的脉冲输出，同时可以实现高光束质量。本专利的目的就是实现高脉冲能量，高峰值功率，高光束质量的脉冲输出，而不仅仅是抑制ase。
61.本发明通过同步脉冲泵浦和使用锥形增益光纤相结合的方式降低铒镱共掺光纤激光器内的ase，同时提升激光器非线性阈值，从而实现高脉冲能量、高峰值功率、高光束质量的1.5μm脉冲激光输出。
62.需要说明的是，以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
63.本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
64.术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。