CN112421369B - 一种窄线宽光纤放大系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种窄线宽光纤放大系统及方法，所述系统包括窄线宽激光器、偏振相关环形器、带通滤波器、泵浦激光器、波分复用器、增益光纤及偏振旋转滤波单元；窄线宽激光器输出入射激光；偏振相关环形器对入射激光进行单偏振，得到单偏振激光；带通滤波器对单偏振激光进行滤波，得到滤波后的激光；泵浦激光器输出泵浦激光；波分复用器使泵浦激光与滤波后的激光耦合，得到耦合后的激光；增益光纤对耦合后的激光进行放大，得到放大后的激光；偏振旋转滤波单元将放大后的激光进行反射，形成反射激光；偏振相关环形器还将反射激光的偏振态与入射激光偏振态正交，输出正交激光。本发明所述系统，抑制了自发辐射，提高了窄线宽激光的放大效率。

Description

一种窄线宽光纤放大系统及方法
技术领域
本发明涉及光纤激光技术领域，尤其涉及一种窄线宽光纤放大系统及方法。
背景技术
光纤激光器可作为传统固态激光器的替代品，具有简单，稳定和成本低的优点，近几十年来快速发展的窄线宽激光器带来革命性的变化，被广泛用于光谱学、度量学、医学、生物学和工业等领域。
窄线宽激光器的一个重要发展方向，是如何提高窄线宽激光的频谱对比度，降低自发辐射噪声导致的附加噪声，提高频谱对比度，对于基于窄线宽激光的传感和精密测量应用具有重要意义。
窄线宽激光放大过程中自发辐射放大难以避免，是制约频谱对比度的重要因素，而自发辐射引起的散粒噪声、强度抖动又会通过光纤色散、非均匀增益等因素耦合至窄线宽激光，导致噪声增加，同时自发辐射的产生会引起增益饱和效应，降低窄线宽激光的放大倍数降低，影响放大效率。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种窄线宽光纤放大系统系统及方法，用以解决现有技术中因自发辐射而降低窄线宽激光的放大效率的技术问题。
本发明提供一种窄线宽光纤放大系统，包括窄窄线宽激光器、偏振相关环形器、带通滤波器、泵浦激光器、波分复用器、增益光纤及偏振旋转滤波单元；
所述窄线宽激光器用于输出入射激光；所述偏振相关环形器用于对入射激光进行单偏振，得到单偏振激光；所述带通滤波器用于对单偏振激光进行滤波，得到滤波后的激光；所述泵浦激光器用于输出泵浦激光；所述波分复用器用于使泵浦激光与所述滤波后的激光耦合，得到耦合后的激光；所述增益光纤用于对耦合后的激光进行放大，得到放大后的激光；所述偏振旋转滤波单元用于将放大后的激光反射，形成反射激光；所述偏振相关环形器还用于将反射激光的偏振态与入射激光偏振态正交，输出正交激光。
进一步地，所述窄线宽激光器的输出端和偏振相关环形器的输入端连接，所述偏振相关环形器的第一输出端与带通滤波器连接，所述带通滤波器与所述波分复用器的信号耦合端连接，所述泵浦激光器的泵浦端与所述波分复用器信号耦合端连接。
进一步地，所述波分复用器的公共端与所述增益光纤的一端连接，所述增益光纤的另一端与所述偏振旋转滤波单元连接。
进一步地，所述窄线宽光纤放大系统还包括光纤跳线，所述偏振相关环形器的第二输出端与所述光纤跳线连接，所述光纤跳线用于输出正交激光。
进一步地，所述偏振旋转滤波单元包括法拉第旋转器、窄带光纤滤波器和光纤反射镜，所述拉第旋转器、窄带光纤滤波器和光纤反射镜依次连接。
进一步地，所述偏振旋转滤波单元包括法拉第旋转器和光纤光栅，所述法拉第旋转器与光纤光栅连接。
进一步地，所述偏振旋转滤波单元包括窄带宽滤波器和法拉第旋转镜，所述窄带宽滤波器与法拉第旋转镜连接。
进一步地，所述带通滤波器的工作带宽小于0.5nm，所述带通滤波器为光纤光栅或带通滤波片。
本发明还提供了一种根据上述任一技术方案所述的窄线宽光纤放大系统的方法，包括以下步骤：
对入射激光进行单偏振，得到单偏振激光，对单偏振激光进行滤波，得到滤波后的激光；输出泵浦激光，使泵浦激光与所述滤波后的激光耦合，得到耦合后的激光；对耦合后的激光进行放大，得到放大后的激光，放大后的激光进行反射，形成反射激光；将反射激光的偏振态与入射激光偏振态正交，输出正交激光。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：通过所述窄线宽激光器输出入射激光；偏振相关环形器对入射激光进行单偏振，得到单偏振激光；所述带通滤波器对单偏振激光进行滤波，得到滤波后的激光；所述泵浦激光器输出泵浦激光；所述波分复用器使泵浦激光与所述滤波后的激光耦合，得到耦合后的激光；所述增益光纤对耦合后的激光进行放大，得到放大后的激光；所述偏振旋转滤波单元将放大后的激光反射，形成反射激光；所述偏振相关环形器将反射激光的偏振态与入射激光偏振态正交，输出正交激光；抑制了自发辐射，提高了窄线宽激光的放大效率。
附图说明
图1为本发明提供的窄线宽光纤放大系统的结构示意图一；
图2为本发明提供的窄线宽光纤放大系统的结构示意图二；
图3为本发明提供的窄线宽光纤放大系统的结构示意图三；
图4为本发明提供的窄线宽光纤放大系统的结构示意图四。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
本发明实施例提供了一种窄线宽光纤放大系统，其结构示意图一，如图1所示，所述系统包括窄线宽激光器01、偏振相关环形器02、带通滤波器03、泵浦激光器04、波分复用器05、增益光纤06及偏振旋转滤波单元07；
所述窄线宽激光器01用于输出入射激光；所述偏振相关环形器02用于对入射激光进行单偏振，得到单偏振激光；所述带通滤波器03用于对单偏振激光进行滤波，得到滤波后的激光；所述泵浦激光器04用于输出泵浦激光；所述波分复用器05用于使泵浦激光与所述滤波后的激光耦合，得到耦合后的激光；所述增益光纤06用于对耦合后的激光进行放大，得到放大后的激光；所述偏振旋转滤波单元07用于将放大后的激光进行反射，形成反射激光；所述偏振相关环形器02还用于将反射激光的偏振态与入射激光偏振态正交，输出正交激光。
需要说明的是，上述技术方案抑制了自发辐射，提高了窄线宽激光的放大效率；所述入射激光为窄线宽激光，所述窄线宽激光器为窄线宽激光的信号源，入射激光单次放大后，激光的偏振态旋转90°，再次反射返回，经过带通滤波器滤除自发辐射后，返回到偏振相干环形器，由于此时偏振态与入射偏振态正交。
一个具体实施例中，所述波分复用器将泵浦激光耦合至增益光纤中，根据增益光纤类型，泵浦激光器选择不同的的泵浦波长和功率；
优选的，所述窄线宽激光器的输出端和偏振相关环形器的输入端连接，所述偏振相关环形器的第一输出端与带通滤波器连接，所述带通滤波器与所述波分复用器的信号耦合端连接，所述泵浦激光器的泵浦端与所述波分复用器信号耦合端连接；需要说明的是，以上连接均可为熔接；
优选的，所述波分复用器的公共端与所述增益光纤的一端连接，所述增益光纤的另一端与所述偏振旋转滤波单元连接；
一个具体实施例中，所述增益光纤可以为掺镱光纤、掺铒光纤、铒镱共掺光纤、掺钕光纤、掺铥光纤和拉曼增益光纤中任意一种；
优选的，所述窄线宽光纤放大系统还包括光纤跳线，所述偏振相关环形器的第二输出端与所述光纤跳线连接，所述光纤跳线用于输出正交激光；
一个具体实施例中，所述光纤跳线的跳线头为APC型；
优选的，所述偏振旋转滤波单元包括法拉第旋转器、窄带光纤滤波器和光纤反射镜，所述拉第旋转器、窄带光纤滤波器和光纤反射镜依次连接。
优选的，所述偏振旋转滤波单元包括法拉第旋转器和光纤光栅，所述法拉第旋转器与光纤光栅连接；
优选的，所述偏振旋转滤波单元包括窄带宽滤波器和法拉第旋转镜，所述窄带宽滤波器与法拉第旋转镜连接；
优选的，所述带通滤波器的工作带宽小于0.5nm，所述带通滤波器为光纤光栅或带通滤波片；
需要说明的是，所述偏振旋转滤波单元能够使入射信号光的偏振态旋转90°，并可以实现小于0.5nm的带通滤波。
实施例2
本发明实施例提供了一种窄线宽光纤放大系统，其结构示意图二，如图2所示，所述系统包括作为种子源的窄线宽激光器1、偏振相关环形器2、带通滤波器3、泵浦激光器4、波分复用器5、增益光纤6、偏振旋转滤波单元7及光纤跳线8；
所述波分复用器5与泵浦激光器4的泵浦端熔接；偏振相关环形器2的输入端和窄线宽激光器1的输出端熔接；由于偏振相关环形器2具有偏振敏感的特点，放大后的信号与输入信号偏振态不同，因此不需要光隔离器；偏振相关环形器2的第一输出端口与带通滤波器3直接熔接，经过滤波后的窄线宽激光与波分复用器5的信号耦合端熔接，滤波后的窄线宽激光与泵浦激光合束，波分复用器5公共端与增益光纤6一端熔接，增益光纤6将合束后的窄线宽激光放大；
所述增益光纤6的另一端和偏振旋转滤波单元7的输入端熔接，在偏振旋转滤波单元7中，窄线宽激光的偏振态旋转90°，并被滤除带通带宽以外的自发辐射；从偏振旋转滤波单元7反射回原光路的窄线宽激光再次经过放大滤波，传输至偏振相关环形器2时偏振态与入射信号光成正交关系，因此在放大过程中随机偏振态的自发辐射无法从第二输出端口输出，从而实现偏振滤波效果。
实施例3
本发明实施例提供了一种窄线宽光纤放大系统，其结构示意图三，如图3所示，所述窄线宽光纤放大系统，以分布布拉格反射窄线宽半导体激光器101作为种子源，其输出中心波长1550nm，输出光纤与中心波长1550nm的偏振相关环形器201输入端口熔接；
窄线宽激光沿保偏光纤慢轴传输，实现单偏振注入；偏振相关环形器201第一输出端口光纤和膜片式带通滤波器301直接熔接，带通滤波器301工作中心波长1550nm，3dB工作带宽0.5nm；经过带通滤波器后的窄线宽激光通过波分复用器501的信号光端口，与泵浦端输入的泵浦激光耦合后，进入保偏单模掺铒光纤601中；泵浦激光器401选择中心波长976nm，输出功率650mW的单模耦合半导体激光器；掺铒光纤的另一端与法拉第旋转器701熔接，窄线宽激光偏振态旋转45°；
法拉第旋转器701的输出端与中心波长1550nm，3dB带宽0.2nm的布拉格光纤光栅702熔接，经过布拉格光纤光栅702滤波反射后的窄线宽激光再次通过法拉第旋转器701，偏振态再次旋转45°，从而实现与入射信号光(窄线宽激光)正交方向传输，即沿光纤快轴传输；
返回掺铒光纤601的窄线宽激光和自发辐射再次通过带通滤波器301回到偏振相关环形器201，自发辐射首先被带通滤波器滤除，同时只有沿快轴的光信号被反射偏振相关环形器201的第二输出端口，并由APC型光纤跳线8输出；这种放大器设计降低了自发辐射的累积，提高偏振消光比，能够保证窄线宽激光的低噪声放大。
实施例4
本发明实施例提供了一种窄线宽光纤放大系统，其结构示意图四，如图4所示，所述窄线宽光纤放大系统，以窄线宽光纤激光器102作为种子源，其输出中心波长1083nm；输出光纤与中心波长1083nm的偏振相关环形器202输入端口熔接，窄线宽激光沿保偏光纤慢轴传输，实现单偏振注入；偏振相关环形器202第一输出端口光纤与膜片式带通滤波器302直接熔接，所述带通滤波器302的工作中心波长1083nm，3dB工作带宽0.4nm；
经过带通滤波器302后的窄线宽激光通过波分复用器502的信号光端口，滤波后的窄线宽激光与泵浦端输入的泵浦激光耦合进入保偏单模掺镱光纤602中；泵浦激光器402选择中心波长1018nm，输出功率1W的单模光纤激光器；掺镱光纤602的一端接波分复用器502，掺镱光纤602的另一端与带通滤波器703熔接，带通滤波器703工作中心波长1083nm，3dB工作带宽0.5nm；
带通滤波器703的输出端与中心波长1083nm法拉第旋转镜704直接熔接，经过法拉第旋转镜704偏振态旋转90°，从而实现与入射信号光正交方向传输，即沿光纤快轴传输；
返回掺镱光纤602的窄线宽激光和自发辐射再次通过带通滤波器302回到偏振相关环形器202，自发辐射首先被带通滤波器滤除，同时只有沿快轴的光信号被反射偏振相关环形器202的第二输出端口，并由APC型光纤跳线8输出。
实施例5
本发明提供了一种根据实施例1所述的窄线宽光纤放大系统的方法，包括以下步骤：
对入射激光进行单偏振，得到单偏振激光，对单偏振激光进行滤波，得到滤波后的激光；输出泵浦激光，使泵浦激光与所述滤波后的激光耦合，得到耦合后的激光；对耦合后的激光进行放大，得到放大后的激光，放大后的激光进行反射，形成反射激光；将反射激光的偏振态与入射激光偏振态正交，输出正交激光。
本发明提供了一种窄线宽光纤放大系统及方法，通过所述窄线宽激光器输出入射激光；偏振相关环形器对入射激光进行单偏振，得到单偏振激光；所述带通滤波器对单偏振激光进行滤波，得到滤波后的激光；所述泵浦激光器输出泵浦激光；所述波分复用器使泵浦激光与所述滤波后的激光耦合，得到耦合后的激光；所述增益光纤对耦合后的激光进行放大，得到放大后的激光；所述偏振旋转滤波单元将放大后的激光反射，形成反射激光；所述偏振相关环形器将反射激光的偏振态与入射激光偏振态正交，输出正交激光；抑制了自发辐射，提高了窄线宽激光的放大效率；提高频谱对比度，降低自发辐射噪声对放大效率和窄线宽激光噪声影响，对于降低窄线宽激光的噪声水平，提高基于窄线宽激光测量系统的探测灵敏度至关重要；
本发明技术方案利用放大过程中自发辐射不具有偏振特性的特点，通过偏振滤波原理减小自发辐射和窄线宽激光的耦合；通过使用两次线偏振光放大并结合单偏振环形器输出，可以有效的抑制激光放大过程中无偏振特性自发辐射的产生和累积，避免了使用单段较长增益光纤引起的自发辐射放大，通过增益光纤后的滤波器能够滤除单次放大产生的自发辐射，并能够抑制自发辐射导致的增益饱和效应，提高放大功率；
本发明技术方案所设置的环形器和法拉第旋转器均属于偏振相关器件，级联使用能够提高窄线宽激光的偏振消光比；本发明所述系统适用于各种光学波段，增益介质可以使用各种稀土元素掺杂光纤和拉曼增益光纤；本发明所述系统使用单段光纤正向和反响传输两次放大，结构简单紧凑，能够减小增益光纤的使用，窄线宽光纤放大系统为全光纤化结构，具有极佳的稳定性；
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种窄线宽光纤放大系统，其特征在于，包括窄线宽激光器、偏振相关环形器、带通滤波器、泵浦激光器、波分复用器、增益光纤及偏振旋转滤波单元；
所述窄线宽激光器用于输出入射激光；所述偏振相关环形器用于对入射激光进行单偏振，得到单偏振激光；所述带通滤波器用于对单偏振激光进行滤波，得到滤波后的激光；所述泵浦激光器用于输出泵浦激光；所述波分复用器用于使泵浦激光与所述滤波后的激光耦合，得到耦合后的激光；所述增益光纤用于对耦合后的激光进行放大，得到放大后的激光；所述偏振旋转滤波单元用于将放大后的激光进行反射，形成反射激光；所述偏振相关环形器还用于将反射激光的偏振态与入射激光偏振态正交，输出正交激光；
所述窄线宽激光器的输出端和偏振相关环形器的输入端连接，所述偏振相关环形器的第一输出端与带通滤波器连接，所述带通滤波器与所述波分复用器的信号耦合端连接，所述泵浦激光器的泵浦端与所述波分复用器信号耦合端连接。
2.根据权利要求1所述的窄线宽光纤放大系统，其特征在于，所述波分复用器的公共端与所述增益光纤的一端连接，所述增益光纤的另一端与所述偏振旋转滤波单元连接。
3.根据权利要求2所述的窄线宽光纤放大系统，其特征在于，还包括光纤跳线，所述偏振相关环形器的第二输出端与所述光纤跳线连接，所述光纤跳线用于输出正交激光。
4.根据权利要求1所述的窄线宽光纤放大系统，其特征在于，所述偏振旋转滤波单元包括法拉第旋转器、窄带光纤滤波器和光纤反射镜，所述法 拉第旋转器、窄带光纤滤波器和光纤反射镜依次连接。
5.根据权利要求1所述的窄线宽光纤放大系统，其特征在于，所述偏振旋转滤波单元包括法拉第旋转器和光纤光栅，所述法拉第旋转器与光纤光栅连接。
6.根据权利要求1所述的窄线宽光纤放大系统，其特征在于，所述偏振旋转滤波单元包括窄带宽滤波器和法拉第旋转镜，所述窄带宽滤波器与法拉第旋转镜连接。
7.根据权利要求1所述的窄线宽光纤放大系统，其特征在于，所述带通滤波器的工作带宽小于0.5nm，所述带通滤波器为光纤光栅或带通滤波片。
8.一种根据权利要求1-7任一所述的窄线宽光纤放大系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：
对入射激光进行单偏振，得到单偏振激光，对单偏振激光进行滤波，得到滤波后的激光；输出泵浦激光，使泵浦激光与所述滤波后的激光耦合，得到耦合后的激光；对耦合后的激光进行放大，得到放大后的激光，放大后的激光进行反射，形成反射激光；将反射激光的偏振态与入射激光偏振态正交，输出正交激光。
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