CN105071212A - 抑制光纤激光器强度噪声的装置及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种抑制光纤激光器强度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、波分复用器、光纤谐振腔、光纤耦合器、光纤隔离器、光纤环形器、激光强度噪声抑制装置。本发明通过设计光纤激光器的自注入锁定结构，使得激光信号经常规的强度噪声抑制处理后注入光纤谐振腔，最终输出的激光强度噪声大幅度降低。该发明使用一种相对简单的结构，可实现超低强度噪声的高性能光纤激光输出，这对进一步扩展光纤激光器在高精度光纤传感、相干光通信以及原子和分子光谱学等领域的应用具有重要意义。

Description

抑制光纤激光器强度噪声的装置及其工作方法

技术领域

本发明涉及激光器的强度噪声抑制技术领域，具体涉及一种抑制光纤激光器强度噪声的装置及其工作方法。

背景技术

光纤激光器因其抽运阈值功率低、转换效率高、可调谐范围宽、耦合效率高（与现有光纤通信系统和光纤传感系统完全兼容）、结构紧凑等优点在高速率、密集波分复用通信系统、高精度传感技术和大功率激光加工等领域有着广阔的应用前景和巨大的应用价值。而强度噪声作为光纤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，激光输出功率起伏会增加系统的噪声基底，从而影响探测精度与灵敏度。因此，对光纤激光器的强度噪声性能进行分析研究并探索其抑制方法具有重要意义。

激光器的强度噪声指激光器的输出功率波动情况，用相对强度噪声RIN（relativeintensitynoise）来描述，其定义为单位频带内单位功率上的激光强度变化。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（Shotnoise），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，在整个频谱范围内产生本底白噪声。对光纤激光器的强度噪声抑制主要是针对技术噪声以及驰豫振荡。目前关于激光器强度噪声的抑制，已有很多方法，其中主要以注入锁定、模清洁器以及光电反馈为主。注入锁定是指将一个主激光器（masterlaser）的输出注入到一个从激光器（slavelaser）中，当主激光器的输出光频刚好为从激光器的谐振频率时，该激光信号将在从激光器中被放大，且最终输出的激光强度噪声会得到相应改善。模清洁器指具有滤波特性的光学组件，激光束通过后耦合出一部分光，然后由光电探测器探测并经功率放大器放大后反馈到振幅调制器（AOM、EOM）上构成反馈控制回路，从而达到抑制噪声的目的。光电反馈则指利用测量到的噪声信号来控制驱动电流，进而影响腔内增益以达到抑制噪声的目的。

以上所述关于光纤激光器的强度噪声抑制方法，都是基于单一工作原理的方案。本发明提出综合两种强度噪声抑制方法的思路，即将经噪声抑制装置进行强度噪声抑制后的激光信号通过自注入锁定到激光谐振腔，从而获得超低噪声激光输出。由于突破了单一强度噪声抑制方法的抑制能力，本发明为未来超低噪声光纤激光源的研制提供了一种简单有效的方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种抑制光纤激光器强度噪声的装置及其工作方法，通过设计光纤激光器的自注入锁定结构，将激光信号经常规的强度噪声抑制处理后注入光纤谐振腔，从而使得输出的激光强度噪声大幅度降低。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：

一种抑制光纤激光器强度噪声的装置及其工作方法，包括半导体泵浦光源、波分复用器、光纤谐振腔、光纤耦合器、光纤隔离器、光纤环形器、光纤隔离器、激光强度噪声抑制装置；各部件的结构关系是：单模半导体泵浦光源与波分复用器的泵浦端连接，波分复用器的公共端与光纤谐振腔连接，波分复用器的信号端与光纤耦合器的输入端连接，光纤耦合器的大端与光纤隔离器的输入端连接，光纤耦合器的小端与光纤环形器的端口二连接，光纤环形器的端口三与光纤隔离器的输入端连接，光纤隔离器的输出端与激光强度噪声抑制装置的输入端连接，激光强度噪声抑制装置的输出端光纤环形器的端口一连接。

上述抑制光纤激光器强度噪声的装置中，其特征在于所述光纤谐振腔输出为但不限于连续单频、多频或频率调制输出。

上述抑制光纤激光器强度噪声的装置中，其特征在于所述光纤谐振腔为任意波长输出。

上述抑制光纤激光器强度噪声的装置中，其特征在于所述光纤谐振腔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。

上述抑制光纤激光器强度噪声的装置中，其特征在于所述光纤谐振腔可为任意结构形式。

上述抑制光纤激光器强度噪声的装置中，其特征在于所述光纤耦合器的耦合分光比为1:99—1:1。

上述抑制光纤激光器强度噪声的装置中，其特征在于所述激光强度噪声抑制装置包括但不限于激光场调幅装置、光纤干涉仪、饱和吸收体或半导体光放大器。

上述抑制光纤激光器强度噪声的装置中，其特征在于所述光纤环形器可由光纤耦合器替代。

上述抑制光纤激光器强度噪声的装置中，其特征在于所述光纤环形器构成的激光自注入反馈环路可由但不包括高反射率反射镜或光纤光栅替代。

上述抑制光纤激光器强度噪声的装置中，其特征在于所述光纤环形器构成的激光自注入反馈环路可由但不包括低反射率光纤光栅替代。

与现有技术相比，本发明的技术效果是：单模半导体泵浦光源输出的泵浦光经波分复用器对光纤谐振腔进行泵浦，从光纤谐振腔经波分复用器输出的激光信号由光纤耦合器分成两部分，其中大部分的激光通过光纤隔离器输出，剩下的小部分激光则通过光纤环形器的2端口传输到3端口，然后再从光纤环形器的3端口经由另一个光纤隔离器进入到激光强度噪声抑制装置，经强度噪声抑制处理后的激光信号随后通过光纤环形器的1端口传输到2端口，最终经由光纤耦合器以及波分复用器注入光纤谐振腔内。由于结合了自注入锁定方案与常规的激光强度噪声抑制方案，将噪声抑制后的激光信号重新注入进激光腔内，且此过程在整个自注入锁定系统中重复进行，可最终获得超低强度噪声的激光输出。与传统的基于单一工作原理的噪声抑制方案相比，本发明提供了一种在更大程度上抑制光纤激光器强度噪声的有效方法。

附图说明

图1为本发明实施例抑制光纤激光器强度噪声的装置第一种原理示意图。

图2为本发明实施例抑制光纤激光器强度噪声的装置第二种原理示意图。

图3为本发明实施例抑制光纤激光器强度噪声的装置第三种原理示意图。

图4为本发明实施例抑制光纤激光器强度噪声的装置第四种原理示意图。

图中：1—单模半导体泵浦光源，2—波分复用器，3—光纤谐振腔，4—光纤耦合器，5—光纤隔离器，6—光纤环形器，7—光纤隔离器，8—激光强度噪声抑制装置，9—光纤耦合器，10—高反射率光纤光栅或其他高反射装置，11—低反射率光纤光栅。

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-图4为本发明实施例的抑制光纤激光器强度噪声的装置原理结构示意图。其中，单模半导体泵浦光源1输出的泵浦光经波分复用器2对光纤谐振腔3进行泵浦，光纤谐振腔3产生的激光信号由波分复用器2的信号端传输到光纤耦合器4，其中光纤耦合器4的大端经光纤隔离器5作为激光输出，而光纤耦合器4的小端则通过光纤环形器6的2端口传输到3端口，之后通过光纤隔离器7进入激光强度噪声抑制装置8进行强度噪声抑制处理，最后接入光纤环形器6的1端口，经光纤耦合器4以及波分复用器2后注入光纤谐振腔3形成自注入锁定结构（见图1，其中自注入锁定结构由光纤环形器与光纤隔离器构成）。其中光纤耦合器4的耦合分光比可在1:99—1:1的范围内变化。另外，激光强度噪声抑制装置8可为激光场调幅装置、光纤干涉仪、饱和吸收体或半导体光放大器等常规装置。关于光纤激光器的自注入锁定结构，根据具体情况还可以做出相应的调整。比如，光纤环形器6可由光纤耦合器9代替，这种情况下光纤耦合器9的两个耦合端口相互连接形成一个萨格纳克环，而激光强度噪声抑制装置8则处于萨格纳克环内（如图2，其中自注入锁定结构由光纤耦合器的两端连接形成萨格纳克环构成）。另一种方式是利用一个高反射率光纤光栅或其他高反射装置10来构成反射回路，实现自注入锁定的功能，这种情况要求激光强度噪声抑制装置8具有传输可逆性（如图3，其中自注入锁定结构由高反射率光纤光栅或其他高反射装置构成）。最后，还可以用一个低反射率光纤光栅11来构成一个更简单的自注入锁定回路，该情况下同样要求激光强度噪声抑制装置8具有传输可逆性（如图4，其中自注入锁定结构由低反射率光纤光栅构成）。

作为激光强度噪声抑制对象的光纤谐振腔3可以是基于受激辐射的工作在任意波段的光纤激光源，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。关于光纤谐振腔结构，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，光纤谐振腔3可具有任意偏振态，连续单频、多频或频率调制等输出方式。

Claims (10)

1.一种抑制光纤激光器强度噪声的装置，其特征在于包括半导体泵浦光源（1）、波分复用器（2）、光纤谐振腔（3）、光纤耦合器（4）、光纤隔离器（5）、光纤环形器（6）、光纤隔离器（7）、激光强度噪声抑制装置（8）；各部件的结构关系是：单模半导体泵浦光源（1）与波分复用器（2）的泵浦端连接，波分复用器（2）的公共端与光纤谐振腔（3）连接，波分复用器（2）的信号端与光纤耦合器（4）的输入端连接，光纤耦合器（4）的大端与光纤隔离器（5）的输入端连接，光纤耦合器（4）的小端与光纤环形器（6）的端口二连接，光纤环形器（6）的端口三与光纤隔离器（7）的输入端连接，光纤隔离器（7）的输出端与激光强度噪声抑制装置（8）的输入端连接，激光强度噪声抑制装置（8）的输出端光纤环形器（6）的端口一连接；所述光纤环形器（6）构成的激光自注入反馈环路。

2.如权利要求1所述的抑制光纤激光器强度噪声的装置，其特征在于所述光纤谐振腔（3）的输出为连续单频、多频或频率调制。

3.如权利要求2所述的抑制光纤激光器强度噪声的装置，其特征在于所述光纤谐振腔（3）为任意波长输出。

4.如权利要求3所述的抑制光纤激光器强度噪声的装置，其特征在于所述光纤谐振腔（3）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。

5.如权利要求1所述的抑制光纤激光器强度噪声的装置，其特征在于所述光纤耦合器（4）的耦合分光比为1:99—1:1。

6.如权利要求1所述的抑制光纤激光器强度噪声的装置，其特征在于所述激光强度噪声抑制装置（8）包括激光场调幅装置、光纤干涉仪、饱和吸收体或半导体光放大器。

7.如权利要求1所述的抑制光纤激光器强度噪声的装置，其特征在于所述光纤环形器（6）可由光纤耦合器替代。

8.如权利要求1所述的抑制光纤激光器强度噪声的装置，其特征在于所述光纤环形器（6）构成的激光自注入反馈环路由高反射率反射镜或光纤光栅替代。

9.如权利要求1所述的抑制光纤激光器强度噪声的装置，其特征在于所述光纤环形器（6）构成的激光自注入反馈环路可由低反射率光纤光栅替代。

10.权利要求1~9任一项所述抑制光纤激光器强度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波分复用器对光纤谐振腔进行泵浦，从光纤谐振腔经波分复用器输出的激光信号由光纤耦合器分成两部分，其中大部分的激光通过光纤隔离器输出，剩下的小部分激光则通过光纤环形器的端口二传输到端口三，然后再从光纤环形器的端口三经由另一个光纤隔离器进入到激光强度噪声抑制装置，经强度噪声抑制处理后的激光信号随后通过光纤环形器的端口一传输到端口二，最终经由光纤耦合器以及波分复用器注入光纤谐振腔内。