CN105826809B - 一种基于自相位调制预补偿的单频脉冲全光纤激光器 - Google Patents

一种基于自相位调制预补偿的单频脉冲全光纤激光器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于自相位调制预补偿的单频脉冲全光纤激光器。只使用一个相位调制器的情况下，对脉冲激光施加N+1次相位调制。有效补偿单频脉冲激光在功率放大过程中由自相位调制引起的非线性效应，避免脉冲激光发生光谱展宽，实现高峰值功率的单频激光输出。克服现有技术中相位调制深度不够，系统结构复杂、成本高，稳定性差等缺点。利用单个相位调制实现对脉冲激光的多次相位调制，简化系统结构、降低系统成本，提高系统稳定性。

Description

一种基于自相位调制预补偿的单频脉冲全光纤激光器
技术领域
本发明涉及光纤激光器，特别是一种基于自相位调制预补偿的单频脉冲全光纤激光器。
背景技术
高功率的单频脉冲光纤激光器在遥感、非线性频率变换和激光雷达等领域有广泛的需求。目前，通常采用短腔调Q或者强度调制的方法获得低功率的单频脉冲种子激光，再通过一级或者多级光纤放大器进行功率放大，从而获得高的激光功率（参见文献1：CN103050874 A；文献2：粟荣涛等. 单频纳秒脉冲全光纤激光器实现300W平均功率输出. 强激光与粒子束, 2012, 24(5): 1009-1010；文献3：Rongtao Su 等. Kilowatt high-average power narrow-linewidth nanosecond all fiber laser. High Power LaserScience and Engineering, 2014, 2(1): 1-4）。
在光纤放大器中，极易发生各种非线性效应。其中，自相位调制效应会引入一个随时间t变化的非线性相移（为脉冲激光的归一化强度，γ为非线性参量，P peak 为脉冲激光的峰值功率，L eff 为放大器中光纤的有效长度），因此，输出激光的频率也会随时间变化，进而导致输出激光的光谱发生展宽，降低了脉冲激光的相干性。
在先技术1（参见文献4：高功率单频脉冲全光纤激光器，发明专利）采用如图1所示的结构，利用强度调制系统（2）对单频连续种子激光种子源（1）进行强度调制，获得单频脉冲种子激光，该种子激光经过相位调制器（7）进行相位调制后，再经过级联光纤放大器（8）进行功率放大。通过设置信号发生器（3）的输出信号，使相位调制器施加到脉冲光激光上的调制相位满足。当时，自相位调制引起的非线性相移将被完全抵消，经过放大后的脉冲激光将保持脉冲种子的单频特性。但是，当脉冲激光峰值功率较高时，由于相位调制深度不够，单个相位调制器（7）不能完全补偿非线性相移（），此时输出的脉冲激光不能保持脉冲种子的单频特性。
为了提高相位调制的深度，在先技术2（参见文献4：高功率单频脉冲全光纤激光器，发明专利）对在先技术1的基础上进行了改进。如图2所示，级联M个相位调制器（分别为第一相位调制器71，第二相位调制器72，…，第M相位调制器7M），插入M-1个电信号延迟器（分别为第一电信号延迟器91，第二电信号延迟器92，…，第M-1电信号延迟器9 (M -1)）。利用该结构可以克服单个相位调制器相位调制深度不够的缺点，使每个脉冲激光经过M次相位调制，能够完全消除自相位调制效应引起的非线性相移。但是，由于采用了M个相位调制器和M-1个电信号延迟器，系统结构复杂，系统成本高。
为了在不增加相位调制器数量的前提下提高相位调制的深度，在先技术3（参见文献4：高功率单频脉冲全光纤激光器，发明专利）利用了如图3所示的结构。利用第一光纤耦合器（10）、相位调制器（7）、第二光纤耦合器（11）和传能光纤（5）构成一个环形光路，强度调制系统（2）输出的单频脉冲种子激光进入环形光路后，部分激光需要多次经过相位调制器（7）之后，才能进入到级联光纤放大器（8），使脉冲激光能够多次得到相位调制。但是，这种结构对稳定性差，难以获得稳定的脉冲激光。
发明内容
本发明要解决的技术问题是对单频脉冲光纤放大器中自相位调制引起的非线性相移进行预补偿，克服现有技术中相位调制深度不够，系统结构复杂、成本高，稳定性差等缺点。利用单个相位调制实现对脉冲激光的多次相位调制，简化系统结构、降低系统成本，提高系统稳定性。
本发明的技术方案如下：
一种基于自相位调制预补偿的单频脉冲全光纤激光器，只使用一个相位调制器的情况下，对脉冲激光施加N+1次相位调制，能够有效补偿单频脉冲激光在功率放大过程中由自相位调制引起的非线性效应，避免脉冲激光发生光谱展宽，实现高峰值功率的单频激光输出，具体结构由单频连续激光种子源（1）、强度调制系统（2）、信号发生器（3）、2×2光开关（4）、传能光纤（5）、光纤预放大器（6）、相位调制器（7）和级联光纤放大器（8）组成，各部分连接方式如下：
单频连续激光种子源（1）的输出光纤与强度调制系统（2）的输入光纤相连；
强度调制系统（2）的输出光纤与2×2光开关（4）的第一输入端（4-1）相连，强度调制系统（2）的电信号接收端与信号发生器（3）的第一信号端（3-1）相连；
信号发生器（3）的第一信号输出端（3-1）与强度调制系统（2）的电信号接收端相连，第二信号输出端（3-2）与2×2光开关（4）的电信号接收端相连，第三信号输出端（3-3）与相位调制器（7）的电信号接收端相连；
2×2光开关（4）的第一输入端（4-1）与强度调制系统（2）的输出光纤相连，第二输入端（4-2）与相位调制器（7）的输出光纤相连，第一输出端（4-3）与级联光纤放大器（8）的输入光纤相连，第二输出端（4-4）与传能光纤（5）的A端相连，电信号接收端与信号发生器（3）的第二信号端（3-2）相连；
传能光纤（5）的A端与2×2光开关（4）的第二输出端（4-4）相连，B端与光纤预放大器（6）的输入光纤相连；
光纤预放大器（6）的输入光纤与传能光纤（5）的B端相连，输出光纤与相位调制器（7）的输入光纤相连；
相位调制器（7）的光纤输入端与光纤预放大器（6）的输出光纤相连，光纤输出端与2×2光开关（4）的第二输入端（4-2）相连，电信号接收端与信号发生器（3）的第三信号端（3-3）相连；
级联光纤放大器（8）的输入光纤与2×2光开关（4）的第一输出端（4-3）相连。
所述的单频连续激光种子源（1）可以是单频光纤激光器，也可以是带尾纤的单频半导体激光器，其线宽<1 MHz。
所述的强度调制系统（2）可以是电光强度调制器，可以是声光强度调制器，也可以是电光强度调制器和声光强度调制器级联构成的强度调制系统（参见文献2和文献3）。
所述信号发生器（3）的三个信号输出端分别为强度调制系统（2）、2×2光开关（4）和相位调制器（7）提供驱动信号，信号通道数量不少于3个。
所述信号发生器（3）的第一信号输出端（3-1）输出的信号为周期为T 0的脉冲信号，T 0为需要获得的脉冲激光的周期，脉冲宽度t 0小于10 ns。
所述信号发生器（3）的第二信号输出端（3-2）输出的信号为周期为T 0的方波信号；该方波信号的下降沿与第一信号输出端（3-1）的脉冲上升沿存在一个时间延迟Δt 1=Δt 0+nL/2c，Δt 0为激光从强度调制系统（2）传输到2×2光开关（4）所需的时间，L为传能光纤（5）的长度，c为真空中的光速，n为传能光纤的纤芯折射率；该方波信号的低电平持续时间为T 1=NT 2，N为整数，且满足1≤N<T 0/T 2-2，T 2为激光沿2×2光开关（4）、传能光纤（5）、光纤预放大器（6）和相位调制器（7）组成的环形光路传输一周所需的时间。
所述的信号发生器（3）的第三信号输出端（3-3）输出的信号为周期为T 0的暗脉冲簇，暗脉冲个数为N+1，暗脉冲簇中各暗脉冲之间的时间间隔为T 2；暗脉冲簇中第一个暗脉冲的下降沿与第一信号输出端（3-1）的上升沿存在一个时间延迟Δt 2，Δt 2为激光从强度调制系统（2）经2×2光开关（4）的第二输出端（4-4）输出，再经过传能光纤（5）和光纤预放大器（6），到达相位调制器（7）所需的时间；每个暗脉冲的波形相同，且与第一信号输出端（3-1）输出的脉冲形状共轭。
所述的2×2光开关（4）的两个输入端和两个输出端都带有尾纤，在电信号接收端接收到零电平时，第一输入端（4-1）与第一输出端（4-3）导通，第二输入端（4-2）与第二输出端（4-4）导通；在电信号接收端接收到高电平时，第一输入端（4-1）与第二输出端（4-4）导通，第二输入端（4-2）与第一输出端（4-3）导通（参见文献5：CN 1186675 C）；光开关（4）的电光响应时间T R小于50 ns。
所述的传能光纤（5）的长度L大于2cT R/n。
所述的光纤预放大器（6）为全光纤结构的光纤预放大器。
所述的相位调制器（7）为电光相位调制器。
所述的级联光纤放大器（8）为全光纤结构的级联光纤放大器。
本发明的工作过程是：
单频连续激光种子源（1）发出的种子由强度调制系统（2）调制成t时刻归一化强度为的脉冲激光，该脉冲激光进入2×2光开关（4）后从第二输出端（4-4）输出，然后在由2×2光开关（4）、传能光纤（5）、光纤预放大器（6）和相位调制器（7）组成的环形光路中传输，经过相位调制器（7）N+1次后，从2×2光开关（4）后从第一输出端（4-3）输出，最后经过级联光纤放大器（8）进行功率放大。脉冲激光每次经过相位调制器时，都会被施加一个随时间t变化的调制相位，V pp 为信号发生器（3）第三信号输出端（3-3）输出信号的电压峰峰值，V π 为相位调制器（7）的半波电压。因此，每个脉冲进入级联光纤放大器（8）前被施加的调制相位为。在级联光纤放大器（8）中，自相位调制效应将引入一个随时间t变化的非线性相移（γ为非线性参量，P peak 为脉冲激光放大后的峰值功率，L eff 为级联光纤放大器中光纤的有效长度）。调节信号发生器（3）第三信号输出端（3-3）输出信号的电压峰峰值V pp 和暗脉冲簇中暗脉冲个数N+1，当满足时，自相位调制效应引起的非线性相移得到完全补偿，激光器输出脉冲激光的线宽达到最窄。
采用本发明可以达到以下技术效果：
在只使用一个相位调制器的情况下，对脉冲激光施加N+1次相位调制，能够有效补偿单频脉冲激光在功率放大过程中由自相位调制引起的非线性效应，避免脉冲激光发生光谱展宽，实现高峰值功率的单频激光输出。与现有的背景技术相比，本发明的激光器结构简单且运行稳定，具有重要的应用价值。
附图说明
图1为在先技术1的总体结构示意图，
图2为在先技术2的总体结构示意图，
图3为在先技术3的总体结构示意图，
图4为本发明的总体结构示意图，
图5为本发明中信号发生器输出的信号波形示意图。
具体实施方式
请参阅图4，图4为本发明一种基于自相位调制预补偿的单频脉冲全光纤激光器的结构示意图。由图可见，本发明单频纳秒脉冲光纤拉曼放大器的构成依次包括单频连续激光种子源（1）、强度调制系统（2）、信号发生器（3）、2×2光开关（4）、传能光纤（5）、光纤预放大器（6）、相位调制器（7）和级联光纤放大器（8）。其中，单频连续激光种子源（1）、强度调制系统（2）、2×2光开关（4）、传能光纤（5）、光纤预放大器（6）、相位调制器（7）和级联光纤放大器（8）通过光纤熔接机接成一体。信号发生器（3）的电信号输出端通过同轴电缆与强度调制系统（2）、2×2光开关（4）和相位调制器（7）的电信号接收端相连。

Claims (7)

1.一种基于自相位调制预补偿的单频脉冲全光纤激光器，只使用一个相位调制器，对脉冲激光施加N+1次相位调制，结构由单频连续激光种子源(1)、强度调制系统(2)、信号发生器(3)、2×2光开关(4)、传能光纤(5)、光纤预放大器(6)、相位调制器(7)和级联光纤放大器(8)组成，其特征在于，各部分连接方式如下：
单频连续激光种子源(1)的输出光纤与强度调制系统(2)的输入光纤相连；
强度调制系统(2)的输出光纤与2×2光开关(4)的第一输入端(4-1)相连，强度调制系统(2)的电信号接收端与信号发生器(3)的第一信号输出端(3-1)相连；
信号发生器(3)的第一信号输出端(3-1)与强度调制系统(2)的电信号接收端相连，第二信号输出端(3-2)与2×2光开关(4)的电信号接收端相连，第三信号输出端(3-3)与相位调制器(7)的电信号接收端相连；
2×2光开关(4)的第一输入端(4-1)与强度调制系统(2)的输出光纤相连，第二输入端(4-2)与相位调制器(7)的输出光纤相连，第一输出端(4-3)与级联光纤放大器(8)的输入光纤相连，第二输出端(4-4)与传能光纤(5)的A端相连，电信号接收端与信号发生器(3)的第二信号输出端(3-2)相连；
传能光纤(5)的A端与2×2光开关(4)的第二输出端(4-4)相连，B端与光纤预放大器(6)的输入光纤相连；
光纤预放大器(6)的输入光纤与传能光纤(5)的B端相连，输出光纤与相位调制器(7)的输入光纤相连；
相位调制器(7)的光纤输入端与光纤预放大器(6)的输出光纤相连，光纤输出端与2×2光开关(4)的第二输入端(4-2)相连，电信号接收端与信号发生器(3)的第三信号输出端(3-3)相连；
级联光纤放大器(8)的输入光纤与2×2光开关(4)的第一输出端(4-3)相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于自相位调制预补偿的单频脉冲全光纤激光器，所述的2×2光开关(4)的两个输入端和两个输出端都带有尾纤，2×2光开关的电光响应时间TR小于50ns。
3.根据权利要求1所述的一种基于自相位调制预补偿的单频脉冲全光纤激光器，所述信号发生器(3)的第一信号输出端(3-1)输出的信号为周期为T0的脉冲信号，T0为需要获得的脉冲激光的周期，脉冲宽度t0小于10ns。
4.根据权利要求1所述的一种基于自相位调制预补偿的单频脉冲全光纤激光器，所述信号发生器(3)的第二信号输出端(3-2)输出的信号为周期为T0的方波信号；该方波信号的下降沿与第一信号输出端(3-1)的脉冲上升沿存在一个时间延迟Δt1＝Δt0+nL/2c，Δt0为激光从强度调制系统(2)传输到2×2光开关(4)所需的时间，L为传能光纤(5)的长度，c为真空中的光速，n为传能光纤的纤芯折射率；该方波信号的低电平持续时间为T1＝NT2，N为整数，且满足1≤N<T0/T2-2，T2为激光沿2×2光开关(4)、传能光纤(5)、光纤预放大器(6)和相位调制器(7)组成的环形光路传输一周所需的时间。
5.根据权利要求1所述的一种基于自相位调制预补偿的单频脉冲全光纤激光器，所述的信号发生器(3)的第三信号输出端(3-3)输出的信号为周期为T0的暗脉冲簇，暗脉冲个数为N+1，暗脉冲簇中各暗脉冲之间的时间间隔为T2；暗脉冲簇中第一个暗脉冲的下降沿与第一信号输出端(3-1)的上升沿存在一个时间延迟Δt2，Δt2为激光从强度调制系统(2)经2×2光开关(4)的第二输出端(4-4)输出，再经过传能光纤(5)和光纤预放大器(6)，到达相位调制器(7)所需的时间；每个暗脉冲的波形相同，且与第一信号输出端(3-1)输出的脉冲形状共轭。
6.根据权利要求1所述的一种基于自相位调制预补偿的单频脉冲全光纤激光器，所述的传能光纤(5)的长度L大于2cTR/n。
7.根据权利要求1所述的一种基于自相位调制预补偿的单频脉冲全光纤激光器，所述单频脉冲全光纤激光器工作过程是：
单频连续激光种子源(1)发出的种子由强度调制系统(2)调制成t时刻归一化强度为I0(t)的脉冲激光，该脉冲激光进入2×2光开关(4)后从第二输出端(4-4)输出，然后在由2×2光开关(4)、传能光纤(5)、光纤预放大器(6)和相位调制器(7)组成的环形光路中传输，经过相位调制器(7)N+1次后，从2×2光开关(4)后从第一输出端(4-3)输出，最后经过级联光纤放大器(8)进行功率放大，脉冲激光每次经过相位调制器时，都会被施加一个随时间t变化的调制相位θ(t)＝-I0(t)Vpp/Vπ，Vpp为信号发生器(3)第三信号输出端(3-3)输出信号的电压峰峰值，Vπ为相位调制器(7)的半波电压，因此，每个脉冲进入级联光纤放大器(8)前被施加的调制相位为θ(t)＝-(N+1)I0(t)Vpp/Vπ，在级联光纤放大器(8)中，自相位调制效应将引入一个随时间t变化的非线性相移φ(t)＝I0(t)γPpeakLeff，γ为非线性参量，Ppeak为脉冲激光放大后的峰值功率，Leff为级联光纤放大器中光纤的有效长度，调节信号发生器(3)第三信号输出端(3-3)输出信号的电压峰峰值Vpp和暗脉冲簇中暗脉冲个数N+1，当满足θ(t)＝-φ(t)时，自相位调制效应引起的非线性相移得到完全补偿，激光器输出脉冲激光的线宽达到最窄。
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