CN104092088A - 同时降低单频激光强度与频率噪声的装置及其工作方法 - Google Patents

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本发明提供了同时降低单频激光强度与频率噪声的装置及其工作方法，所述装置包括：单模半导体泵浦光源、激光功率稳定装置、波分复用器、单频光纤谐振腔、光纤隔离器。本发明的方法基于单频光纤激光器的强度噪声与频率噪声在低频段均来源于泵浦激光强度噪声的现象，通过采用幅度调制的方式直接降低泵浦激光的低频强度噪声，从而达到使单频激光的两种噪声在低频段同时降低的效果。该发明可实现以一种简单实用的方法获得超稳输出功率与频率的单频光纤激光源，在超高精度和超远距离激光测距、光纤传感以及原子和分子光谱学等领域有着广阔的应用前景和巨大的应用价值。

Description

同时降低单频激光强度与频率噪声的装置及其工作方法
技术领域
本发明涉及单频光纤激技术领域，具体涉及同时降低单频激光强度与频率噪声的装置及其工作方法。
 
背景技术
单频光纤激光器因其具有超窄线宽、超长相干长度等特性，在超高精度和超远距离激光测距，相干光通信，光纤传感，激光雷达（LIDAR），相干合成等领域有着广阔的应用前景和巨大的应用价值。而噪声作为单频激光的一个重要指标，是制约其进一步应用的关键因素。如在高精度传感中，激光中的噪声会与探测信号混合转变为系统噪声，从而影响探测精度与灵敏度。因此，研究并改善单频光纤激光器噪声特性是激光器研究者们长期追求的目标，也是激光器领域中一个重要的研究课题。
激光的噪声包括强度噪声和频率噪声，即功率的不稳定性及频率的不稳定性。由于主要的噪声来源不同，一般对这两种噪声分别进行研究。单频光纤激光器的强度噪声在频谱上可分为低频的技术噪声、中频的弛豫振荡以及高频段的量子噪声。技术噪声是由外部干扰、抽运源的功率起伏等引起。在连续抽运激光器中，弛豫振荡表现为某些频段内光强随时间变化的阻尼振荡，是引起激光器输出功率起伏的最主要原因。其产生机制是增益介质内反转粒子与激光腔内光子相互作用而引起的激光振荡。量子噪声又称散粒噪声（Shot noise），来源于激光能量量子化过程中产生的光量子涨落，且其功率谱密度与频率无关。对于单频光纤激光器的频率噪声，在排除环境温度起伏以及机械振动等因素的情况下，主要来源则是在热平衡状态下热量在模场边界处随机扩散引起折射率和腔长变化导致的激光频率的抖动，即基本热噪声。一般认为，基本热噪声的大小取决于激光器的基本参数，而与环境干扰以及抽运源无关。值得指出的是，以上对于频率噪声极限的机理研究，并未考虑到激光输出功率的大小对光频抖动的影响。而最新的研究结果表明，泵浦激光器的强度噪声诱导激光腔内温度场的起伏也会引起激光腔光程的变化，并且随着输出功率的增加而超过基本热噪声成为主要的频率噪声源[IEEE J. Quantum Electron., 2010, 46:737; Laser Phys., 2013, 23:045107]。
因此，在一定的输出功率水平下，单频光纤激光器的强度噪声和频率噪声在低频段的主要来源均为外部干扰和泵浦功率的起伏。外部干扰包括外界环境的声音、振动和温度变化，可以通过精密的封装工艺来消除其对激光噪声的影响。基于以上分析，本发明采用幅度调制的方式直接降低泵浦激光的低频强度噪声，从而达到使单频激光的两种噪声在低频段同时降低的效果。同时，通过设计制作激光反馈调制方案及相应的封装工艺，最终可实现以一种简单实用的方法获得超稳输出功率与频率的单频光纤激光源。
发明内容
本发明的目的是提供同时降低单频激光强度与频率噪声的装置及其工作方法，其利用单频光纤激光器的强度噪声与频率噪声在低频段均来源于泵浦激光强度噪声的现象，基于激光幅度调制装置，通过反馈控制的方式对泵浦激光进行直接调制降低其低频段的强度噪声，从而实现以一种简单实用的方法获得超稳输出功率与频率的单频光纤激光源。本发明的目的通过如下技术方案实现。
本发明的具体技术解决方案是：
同时降低单频激光低频强度噪声与频率噪声的装置，包括单模半导体泵浦光源、激光幅度调制装置、光纤耦合器、光电探测器、反馈控制单元、单频光纤激光器模块；各部件的结构关系是：单模半导体泵浦光源与激光幅度调制装置的输入端连接，激光幅度调制装置的输出端与光纤耦合器的输入端连接，光纤耦合器的小输出端与光电探测器的信号接收端连接，光电探测器的信号输出端与反馈控制单元的信号输入端连接，反馈控制单元的信号输出端与激光幅度调制装置的驱动端口连接，而光纤耦合器的大输出端与单频光纤激光器模块的泵浦端口连接。
上述同时降低单频激光低频强度噪声与频率噪声的装置中，所述低频是指20 Hz-100 kHz的频率范围。
进一步的，所述激光幅度调制装置是声光调制器、电光调制器或液晶设备。
进一步的，所述激光幅度调制装置的输入输出端口是光纤耦合的，或者是自由空间耦合的。
进一步的，所述光纤耦合器的大小输出端口耦合比例大于9:1。
进一步的，所述光纤耦合器可由基于自由空间运转的激光分束器代替。
进一步的，所述激光自由空间运转由光纤准直器实现。
进一步的，所述单频光纤激光器模块的增益介质为掺杂镧系离子、过渡金属离子中一种或多种的组合体的单一组分或者多组分玻璃光纤。
进一步的，所述单频光纤激光器模块的激光腔结构是线性腔或环形腔。
进一步的，所述单频光纤激光器模块的选频部件是光纤布拉格光栅、二色镜、饱和吸收体、未泵浦的有源光纤或者窄带滤波器。
进一步的，所述单频光纤激光器模块的输出特性具有任意偏振态。
进一步的，所述单频光纤激光器模块是连续或者脉冲输出。
进一步的，所述单频光纤激光器模块是频率调制或者频率非调制输出。
进一步的，所述单频光纤激光器模块的泵浦方式是前向泵浦、后向泵浦或双向泵浦。
进一步的，所述单频光纤激光器模块是通过精密封装来隔绝外界环境的声音、振动和温度变化的干扰。
所述的同时降低单频激光低频强度噪声与频率噪声的装置的工作方法是：单模半导体泵浦光源输出的泵浦光经由激光幅度调制装置后，由光纤耦合器或激光分束器分成两部分，其中大部分泵浦光输入到单频光纤激光器模块中对其进行泵浦，剩下的小部分泵浦光则被光电探测器转化为电信号，并通过反馈控制单元处理后加载到激光幅度调制装置的驱动电压上；该电信号携带了泵浦激光的强度噪声信息；反馈控制单元从接受到的电信号中提取出激光噪声信号后，经过PID控制处理获得噪声抑制信号，将该噪声抑制信号加载到激光幅度调制装置的驱动电压上，通过幅度调制的方式直接降低泵浦激光的低频强度噪声；由于单频光纤激光器的强度噪声和频率噪声在低频段的主要来源均为泵浦激光的强度噪声，因此单频光纤激光器模块的两种噪声在低频段均得到相应的降低
与现有技术相比，本发明的技术效果是：
由于泵浦激光功率具有一定的不稳定度，其反应到频域上就是单模半导体泵浦光源的低频强度噪声，因此光纤耦合器或分束器分出的小部分泵浦光被光电探测器转化为电信号后，该电信号携带了泵浦激光的强度噪声信息。反馈控制单元从接受到的电信号中提取出激光噪声信号后，经过PID控制处理获得噪声抑制信号，将该信号加载到激光幅度调制装置的驱动电压上，可通过幅度调制的方式直接降低泵浦激光的低频强度噪声。同时，由于单频光纤激光器的强度噪声和频率噪声在低频段的主要来源均为泵浦激光的强度噪声，因此单频光纤激光器模块的两种噪声在低频段均可得到相应的降低，其幅度可达10 dB以上。与常规的噪声抑制方法相比，该发明避免了对强度噪声与频率噪声分别进行处理，更加简单实用，而且不会引入其他的使单频光纤激光性能恶化的干扰因素。
附图说明  
图1 为实施例同时降低单频光纤激光器低频强度噪声与频率噪声的装置的一种原理示意图，其中激光幅度调制装置的耦合方式是光纤耦合。
图2为实施例同时降低单频光纤激光器低频强度噪声与频率噪声的装置的一种原理示意图，其中激光幅度调制装置的耦合方式是自由空间耦合。
图3为实施例同时降低单频光纤激光器低频强度噪声与频率噪声的装置的一种原理示意图，其中光纤耦合器由激光分束器代替，激光幅度调制装置的耦合方式是光纤耦合。
图4为实施例同时降低单频光纤激光器低频强度噪声与频率噪声的装置的一种原理示意图，其中光纤耦合器由激光分束器代替，激光幅度调制装置的耦合方式是自由空间耦合。
图中：1—单模半导体泵浦光源，2—激光幅度调制装置，3—光纤耦合器，4—光电探测器，5—反馈控制单元，6—单频光纤激光器模块，7—光纤准直器，8—激光分束器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述，需要说明的是本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。
实施例
图1~4为本实施例的同时降低单频光纤激光器低频强度噪声与频率噪声的装置原理示意图。单模半导体泵浦光源1输出的泵浦光经由激光幅度调制装置2后，由光纤耦合器3或激光分束器8分成两部分，其中大部分泵浦光输入到单频光纤激光器模块6中对其进行泵浦，剩下的小部分泵浦光则被光电探测器4转化为电信号，并通过反馈控制单元5处理后加载到激光幅度调制装置2的驱动电压上。其中，实现对泵浦激光进行幅度调制的激光幅度调制装置2可为声光调制器、电光调制器或液晶设备。根据具体情况，激光幅度调制装置2的耦合方式可为光纤耦合（图1）或者是自由空间耦合（图2），后者则通过光纤准直器7来实现。对于光纤耦合器3，其大小输出端口的耦合比例应大于9:1，且可由基于自由空间运转的激光分束器代替（图3、图4）。由于泵浦激光功率具有一定的不稳定度，其反应到频域上就是单模半导体泵浦光源1的低频强度噪声，因此光纤耦合器3或激光分束器8分出的小部分泵浦光被光电探测器4转化为电信号后，该电信号携带了泵浦激光的强度噪声信息。反馈控制单元5从接受到的电信号中提取出激光噪声信号后，经过PID控制处理获得噪声抑制信号，将该信号加载到激光幅度调制装置2的驱动电压上，可通过幅度调制的方式直接降低泵浦激光的低频强度噪声，其中低频是指20 Hz-100 kHz的频率范围。
作为最终噪声抑制对象的单频光纤激光器模块6可以是基于受激辐射的工作在任意波段的单频光纤激光源，其增益介质为掺杂镧系离子、过渡金属离子中一种或多种的组合体的单一组分或者多组分玻璃光纤。对于单频光纤激光腔结构，可以是基于光纤布拉格光栅、二色镜、饱和吸收体、未泵浦的有源光纤或者窄带滤波器等选频部件的线性腔或环形腔。同时，单频光纤激光器模块6可具有任意偏振态，连续或者脉冲以及频率调制或者频率非调制的输出特性。泵浦源的耦合方式可根据具体激光腔结构来设计，根据单频激光的输出方向可分为前向泵浦、后向泵浦以及双向泵浦三种泵浦方式。由于单频光纤激光器的强度噪声和频率噪声在低频段的主要来源为外部干扰和泵浦功率的起伏，因此单频光纤激光器模块6还需通过精密封装来隔绝外界环境的声音、振动和温度变化的干扰。在此前提下，当低频强度噪声已通过幅度调制得到降低的单模半导体泵浦光源1对单频光纤激光器模块6进行泵浦时，其两种噪声在低频段均可得到相应的降低，其幅度可达10 dB以上。与常规的噪声抑制方法相比，该发明避免了对强度噪声与频率噪声分别进行处理，更加简单实用，而且不会引入其他的使单频光纤激光性能恶化的干扰因素。

Claims (10)

1.同时降低单频激光低频强度噪声与频率噪声的装置，其特征在于包括单模半导体泵浦光源（1）、激光幅度调制装置（2）、光纤耦合器（3）、光电探测器（4）、反馈控制单元（5）、单频光纤激光器模块（6）；各部件的结构关系是：单模半导体泵浦光源（1）与激光幅度调制装置（2）的输入端连接，激光幅度调制装置（2）的输出端与光纤耦合器（3）的输入端连接，光纤耦合器（3）的小输出端与光电探测器（4）的信号接收端连接，光电探测器（4）的信号输出端与反馈控制单元（5）的信号输入端连接，反馈控制单元（5）的信号输出端与激光幅度调制装置（2）的驱动端口连接，而光纤耦合器（3）的大输出端与单频光纤激光器模块（6）的泵浦端口连接。
2.如权利要求1所述的同时降低单频激光低频强度噪声与频率噪声的装置，其特征在于所述低频是指20 Hz-100 kHz的频率范围。
3.如权利要求1所述的同时降低单频激光低频强度噪声与频率噪声的装置，其特征在于所述激光幅度调制装置（2）是声光调制器、电光调制器或液晶设备；所述激光幅度调制装置（2）的输入输出端口是光纤耦合的，或者是自由空间耦合的。
4.如权利要求1所述的同时降低单频激光低频强度噪声与频率噪声的装置，其特征在于所述光纤耦合器（3）的大输出端口与小输出端口耦合比例大于9:1。
5.如权利要求4所述的同时降低单频激光低频强度噪声与频率噪声的装置，其特征在于所述光纤耦合器（3）由基于自由空间运转的激光分束器代替；所述自由空间运转由光纤准直器实现。
6.如权利要求1所述的同时降低单频激光低频强度噪声与频率噪声的装置，其特征在于所述单频光纤激光器模块（6）的增益介质为掺杂镧系离子、过渡金属离子中一种或多种的组合体的单一组分或者多组分玻璃光纤；所述单频光纤激光器模块（6）的激光腔结构是线性腔或环形腔；所述单频光纤激光器模块（6）的选频部件是光纤布拉格光栅、二色镜、饱和吸收体、未泵浦的有源光纤或者窄带滤波器；单频光纤激光器模块（6）的泵浦方式是前向泵浦、后向泵浦或双向泵浦。
7.如权利要求1所述的同时降低单频激光低频强度噪声与频率噪声的装置，其特征在于所述单频光纤激光器模块（6）的输出特性具有任意偏振态。
8.如权利要求1所述的同时降低单频激光低频强度噪声与频率噪声的装置，其特征在于所述单频光纤激光器模块（6）是连续或者脉冲输出。
9.如权利要求1所述的同时降低单频激光低频强度噪声与频率噪声的装置，其特征在于单频光纤激光器模块（6）是频率稳定或者频率调制输出。
10.如权利要求1所述的同时降低单频激光低频强度噪声与频率噪声的装置的工作方法，其特征在于单模半导体泵浦光源输出的泵浦光经由激光幅度调制装置后，由光纤耦合器或激光分束器分成两部分，其中大部分泵浦光输入到单频光纤激光器模块中对其进行泵浦，剩下的小部分泵浦光则被光电探测器转化为电信号，并通过反馈控制单元处理后加载到激光幅度调制装置的驱动电压上；该电信号携带了泵浦激光的强度噪声信息；反馈控制单元从接受到的电信号中提取出激光噪声信号后，经过PID控制处理获得噪声抑制信号，将该噪声抑制信号加载到激光幅度调制装置的驱动电压上，通过幅度调制的方式直接降低泵浦激光的低频强度噪声；由于单频光纤激光器的强度噪声和频率噪声在低频段的主要来源均为泵浦激光的强度噪声，因此单频光纤激光器模块的两种噪声在低频段均得到相应的降低。
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