CN105529607B - 宽频带近肖特噪声极限的单频光纤激光强度噪声抑制装置 - Google Patents

宽频带近肖特噪声极限的单频光纤激光强度噪声抑制装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了宽频带近肖特噪声极限的单频光纤激光强度噪声抑制装置，其包括单频光纤激光谐振腔、波分复用器、单模半导体泵浦光源、光纤隔离器、偏振控制器、激光饱和放大装置、光纤滤波模块、光纤耦合器、光电探测器和反馈控制系统。本发明通过激光饱和放大装置可以降低输出激光较宽频带的强度噪声，并且对激光饱和放大装置再进行反馈控制，从而可以进一步降低输出激光强度噪声以及拓宽强度噪声抑制的频率范围，最终实现单频激光器的强度噪声在宽频带内同时降低至肖特噪声极限附近的效果。本发明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

宽频带近肖特噪声极限的单频光纤激光强度噪声抑制装置
技术领域
本发明涉及激光器的强度噪声抑制技术领域，具体涉及一种宽频带近肖特噪声极限的单频光纤激光强度噪声抑制装置。
背景技术
光纤激光器是指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器。在泵浦光的作用下光纤内极易形成高功率密度，造成激光工作物质的激光能级粒子数反转，采取简要措施便可构成谐振腔，形成激光输出。光纤激光器因其抽运阈值功率低、转换效率高、输出激光波长多、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、成本低廉等优点在高速率和密集波分复用激光光纤通讯、高精度光纤传感技术、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。然而强度噪声作为光纤激光器的一个重要指标，是制约其进一步应用的关键因素。如在光纤水听器传感中，光纤激光的低频强度噪声（通常频率范围为0-20 kHz）会增加系统的噪声基底，从而影响探测精度与灵敏度；在多普勒测风雷达中，处于中频段的弛豫振荡所带来的明显的激光强度噪声（通常频率范围为几百kHz至几MHz）会干扰测试信号，极大地影响了测试结果。此外，在例如压缩光的产生、量子通信、引力波探测等一些先进应用场合，强度噪声接近肖特噪声极限的激光光源是一个重要的组成部分。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，如何获得一个宽频带近肖特噪声极限的单频光纤激光器成为了近期的研究热点。
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（RelativeIntensity Noise）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主要包括两部分：低频的技术噪声、中频的弛豫振荡、高频的量子噪声。低频的技术噪声是由外部环境干扰、泵浦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。高频的量子噪声来源于激光能量量子化过程中的光量子涨落，已经接近肖特噪声极限。因此，对光纤激光器的强度噪声抑制主要是针对低频技术噪声和中频弛豫振荡这两个部分。
目前，激光强度噪声抑制方案已经有很多种。其中以注入锁定、模清洁器、光电反馈以及激光饱和放大为主。注入锁定是指将一个主激光器（Master Laser）的输出注入到一个从激光器（Slave Laser）中，当主激光器的输出光频率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。但是这个方案需要两台激光器同时工作，并且还要求主激光器拥有较好的噪声性能，在实用性方面存在较大的缺陷。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。然而，该方案使得整个激光结构变得很复杂，同时对外界环境的要求也很高，并使得光纤激光器全光纤结构的优势不复存在。光电反馈则指利用分光装置提取部分光，利用其中的噪声信号来控制泵浦驱动电流，进而影响腔内增益以达到抑制噪声的目的。但是光电反馈的抑制带宽存在自身局限，难以获得全频带的强度噪声抑制，同时在不断的调节激光泵浦功率时，容易影响激光的输出频率的稳定性和激光线宽。激光饱和放大是指利用激光饱和放大器的非线性放大作用，可以将高频段的强度噪声进行抑制。但是仅仅利用一个激光饱和放大器，难以抑制低频段的技术噪声。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术上述中的不足，提供一种宽频带近肖特噪声极限的单频光纤激光强度噪声抑制装置。通过激光饱和放大装置结合光电反馈作用，从而将光纤激光器的宽频带强度噪声进行大幅度的抑制，获得接近肖特噪声极限的效果。
本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
一种宽频带近肖特噪声极限的单频光纤激光强度噪声抑制装置，其包括单频光纤激光谐振腔、波分复用器、单模半导体泵浦光源、光纤隔离器、偏振控制器、激光饱和放大装置、光纤滤波模块、光纤耦合器、光电探测器、反馈控制系统。各部件的结构关系是：单频光纤激光谐振腔与波分复用器的公共端连接，波分复用器的泵浦端与单模半导体泵浦光源连接，波分复用器的信号端与光纤隔离器的输入端连接，偏振控制器的输入端与光纤隔离器的输出端连接，激光饱和放大装置的输入端连接偏振控制器的输出端，光纤滤波模块连接激光饱和放大装置的输出端，光纤耦合器的输入端连接光纤滤波模块的输出端，光纤耦合器的输出小端连接光电探测器，光电探测器的输出端与反馈控制系统连接，反馈控制系统连接激光饱和放大装置的调节端口构成反馈控制回路，光纤耦合器的输出大端作为噪声抑制后的激光输出端。
进一步优化地，所述的单频光纤激光谐振腔的输出为连续单频、频率调制的任意波长输出的单频激光。
进一步优化地，所述的激光饱和放大装置包括但不限于半导体光放大器，增益光纤放大器、非线性功率放大器等。
进一步优化地，所述的光纤滤波模块包括但不限于光纤窄带滤波器、窄带宽光纤光栅、F-P滤波器等。
进一步优化地，所述的单频光纤激光谐振腔的输出激光经过激光饱和放大装置后，由光纤耦合器分成两部分，其中大端激光作为输出，小端激光被光电探测器转化为电信号，该电信号携带了输出激光的强度噪声信息，反馈控制系统从接收到的电信号中提取出激光噪声信号后，经过PID 控制处理，加载到激光饱和放大装置的调节端口上，通过负反馈控制的方式降低宽频带的激光强度噪声。
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经过光纤隔离器后，进入激光饱和放大装置实现强度噪声的抑制。抑制后的激光输入至光纤耦合器分成两部分，其中小部分激光由光电探测器转化为电信号，该电信号携带了输出激光的剩余强度噪声信息，反馈控制系统从接收到的电信号中提取出激光噪声信号后，经过PID 控制处理，加载到激光饱和放大装置的调节端口上，通过负反馈控制的方式进一步降低宽频带的激光强度噪声。与传统的基于单一工作原理的强度噪声抑制方案相比，本发明将光电反馈和激光饱和放大两种强度噪声抑制方案相结合，提供了一种在更大程度更大带宽上抑制光纤激光器强度噪声的有效方法。
附图说明
图1 为本发明一种宽频带近肖特噪声极限的单频光纤激光强度噪声抑制装置的结构示意图。
图中：1—单频光纤激光谐振腔，2—波分复用器，3—单模半导体泵浦光源，4—光纤隔离器，5—偏振控制器，6—激光饱和放大装置，7—光纤滤波模块，8—光纤耦合器，9—光电探测器，10—反馈控制系统。
具体实施方式
以下结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述说明，但本发明的实施方式不限于此。需指出的是，以下若有未特别详细说明之过程或参数，均是本领域技术人员可参照现有技术理解或实现的。
如图1所示，宽频带近肖特噪声极限的单频光纤激光强度噪声抑制装置，包括单频光纤激光谐振腔1、波分复用器2、单模半导体泵浦光源3、光纤隔离器4、偏振控制器5、激光饱和放大装置6、光纤滤波模块7、光纤耦合器8、光电探测器9、反馈控制系统10；单频光纤激光谐振腔1与波分复用器2的公共端连接，波分复用器2的泵浦端与单模半导体泵浦光源3连接，波分复用器2的信号端与光纤隔离器4的输入端连接，偏振控制器5的输入端与光纤隔离器4的输出端连接，激光饱和放大装置6的输入端连接偏振控制器5的输出端，光纤滤波模块7连接激光饱和放大装置6的输出端，光纤耦合器8的输入端连接光纤滤波模块7的输出端，光纤耦合器8的输出小端连接光电探测器9，光电探测器9的输出端与反馈控制系统10连接，反馈控制系统10连接激光饱和放大装置6的调节端口构成反馈控制回路，光纤耦合器8的输出大端作为噪声抑制后的激光输出端；光纤耦合器8的所述输出大端和输出小端的具体大小由分光比确定。
本例中利用980nm单模半导体激光器作为单模半导体泵浦光源3，经过980/1550nm的保偏波分复用器2实现对单频光纤激光谐振腔1进行后向泵浦。单频光纤激光谐振腔1为输出激光波长为1550.52nm的单频光纤分布布拉格反射式DBR谐振腔。输出激光经过1550nm保偏光纤隔离器4后，进入偏振控制器5。此例中的偏振控制器为手动三环偏振控制器，用于抑制强度噪声的激光饱和放大装置6为一个高效率、高带宽的半导体光放大器。进入半导体光放大器的激光由手动三环偏振控制器调整偏振态，从而确保输入光束的偏振态与半导体光放大器的主轴相一致。经过半导体光放大器后的激光，中频段的驰豫振荡可以被有效抑制，但是低频段的强度噪声因为半导体光放大器的泵浦电流扰动和原激光的技术噪声难以得到改善。另外，由于半导体光放大器在工作过程中将引入大量的自发辐射噪声，严重劣化的输出激光的信噪比，随后的光纤滤波模块7的作用就是将半导体光放大器引入的自发辐射噪声进行滤除，确保良好的光信噪比。此例中的光纤滤波模块7采用的是一个定制的窄带宽光纤滤波器。后面的光纤耦合器8采用分光比为1:99，其中99%的端口作为激光输出，1%的端口作为光电反馈端，其光束输入到光电探测器9，通过光电探测器9将激光的剩余强度噪声信号提取出来。此例中的光电探测器9为带宽的15MHz的铟镓砷光电二极管。获取的噪声信号经过反馈控制系统10（可以采用现有技术实现，如PID控制）计算处理调整半导体光放大器的驱动电流，从而实现低频段的强度噪声抑制。最终通过半导体光放大器的非线性放大作用和光电反馈作用，可以实现宽带宽（频率范围为0.8 kHz -50 MHz）的接近量子噪声极限水平的强度噪声抑制。
本发明通过激光饱和放大装置可以降低输出激光较宽频带的强度噪声，并且对激光饱和放大装置再进行反馈控制，从而可以进一步降低输出激光强度噪声以及拓宽强度噪声抑制的频率范围，最终实现单频激光器的强度噪声在宽频带内同时降低至肖特噪声极限附近的效果。本发明简单实用，可获得宽带宽强度噪声接近肖特噪声极限的单频光纤激光源，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。

Claims (5)

1.宽频带近肖特噪声极限的单频光纤激光强度噪声抑制装置，其特征在于包括单频光纤激光谐振腔（1）、波分复用器（2）、单模半导体泵浦光源（3）、光纤隔离器（4）、偏振控制器（5）、激光饱和放大装置（6）、光纤滤波模块（7）、光纤耦合器（8）、光电探测器（9）、反馈控制系统（10）；单频光纤激光谐振腔（1）与波分复用器（2）的公共端连接，波分复用器（2）的泵浦端与单模半导体泵浦光源（3）连接，波分复用器（2）的信号端与光纤隔离器（4）的输入端连接，偏振控制器（5）的输入端与光纤隔离器（4）的输出端连接，激光饱和放大装置（6）的输入端连接偏振控制器（5）的输出端，光纤滤波模块（7）连接激光饱和放大装置（6）的输出端，光纤耦合器（8）的输入端连接光纤滤波模块（7）的输出端，光纤耦合器（8）的输出小端连接光电探测器（9），光电探测器（9）的输出端与反馈控制系统（10）连接，反馈控制系统（10）连接激光饱和放大装置（6）的调节端口构成反馈控制回路，光纤耦合器（8）的输出大端作为噪声抑制后的激光输出端；光纤耦合器（8）的所述输出大端和输出小端的具体大小由分光比确定。
2.根据权利要求1所述的宽频带近肖特噪声极限的单频光纤激光强度噪声抑制装置，其特征在于：所述的单频光纤激光谐振腔（1）的输出为连续单频、频率调制的任意波长输出的单频激光。
3.根据权利要求1所述的宽频带近肖特噪声极限的单频光纤激光强度噪声抑制装置，其特征在于：所述的激光饱和放大装置（6）为半导体光放大器，增益光纤放大器或非线性功率放大器。
4.根据权利要求1所述的宽频带近肖特噪声极限的单频光纤激光强度噪声抑制装置，其特征在于：所述的光纤滤波模块（7）为光纤窄带滤波器、窄带宽光纤光栅或F-P滤波器。
5.根据权利要求1所述的宽频带近肖特噪声极限的单频光纤激光强度噪声抑制装置，其特征在于：所述的单频光纤激光谐振腔（1）的输出激光经过激光饱和放大装置（6）后，由光纤耦合器（8）分成两部分，其中大端激光作为输出，小端激光被光电探测器（9）转化为电信号，该电信号携带了输出激光的强度噪声信息，反馈控制系统（10）从接收到的电信号中提取出激光噪声信号后，经过PID 控制处理，加载到激光饱和放大装置（6）的调节端口上，通过负反馈控制的方式降低宽频带的激光强度噪声。
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