CN108512023A - 一种实现高亮度窄线宽掺镱光纤激光放大的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种实现高亮度窄线宽掺镱光纤激光放大的系统，该系统综合兼顾高亮度窄线宽掺镱光纤激光放大器中TMI效应和SBS效应的抑制，利用高功率耦合器的回光监测臂判断SBS效应发生的阈值，通过信号采集处理器将光信号转换为电压信号，并伺服给优化算法控制器，提供相应的控制信号，进而施加到射频信号产生器中的射频源、增益可调电学放大器、带宽可调电学带通滤波器，实现光谱特性的优化，在保证输出线宽尽可能窄的情况下实现SBS效应的最佳抑制效果。同时利用1018nm泵浦源有效降低掺镱主放大器的量子亏损，实现TMI的高效抑制。本发明为光束合成、非线性波长转换、激光通信、相干雷达、遥感探测等领域提供更高亮度的光纤光源设计方案。

Description

一种实现高亮度窄线宽掺镱光纤激光放大的系统
技术领域
本发明属于强激光技术领域，特别是涉及一种实现高亮度窄线宽掺镱光纤激光放大的系统。
背景技术
高亮度窄线宽掺镱光纤激光在光束合成、非线性波长转换、激光通信、相干雷达、遥感探测等领域具有强烈的应用需求。
目前，主振荡功率放大结构(MOPA)是实现高亮度窄线宽掺镱光纤激光放大的主流技术手段。MOPA结构一般包含一个主振荡器和多级级联光纤放大器。由于光纤激光输出亮度正比于输出功率，反比于光束质量(M2)的平方，因此光纤激光放大器的亮度提升主要体现在光束质量优化(模式控制)和功率提升两个方面。
然而，随着输出功率的不断提升，窄线宽掺镱光纤激光放大器中产生的热致模式不稳定效应(TMI)和非线性受激布里渊散射效应(SBS)成为限制其进一步亮度提升的主要技术瓶颈。具体而言，针对TMI，当输出功率达到一定阈值功率后，光纤激光放大器输出模式出现从基模到高阶模式的动态耦合，导致激光输出时域分布和频域分布出现明显不稳定，伴随着光束质量的急剧退化，严重限制了窄线宽掺镱光纤激光的亮度提升能力。针对SBS，当输出功率达到一定阈值功率后，光纤激光放大器的输出功率将快速向反向的斯托克斯光转移，进一步提升泵浦功率将导致光纤放大器输出功率出现滞涨或反降，反向斯托克斯光出现非线性指数增长，影响光纤放大器的功率提升和安全，最终导致亮度提升受限。
截止目前，国内外研究人员已分别针对上述两种受限因素进行了系统研究，并提出了相应的抑制方法。然而，目前研究结果表明TMI抑制方法和SBS抑制方法存在内在的矛盾性，具体体现在以下四个方面：
(1)随着光纤放大器纤芯尺寸的增加，SBS阈值上升、TMI阈值降低；
(2)当泵浦功率偏移976nm，在保证光纤放大器泵浦吸收效率的情况下，SBS阈值下降，TMI阈值上升；
(3)当增加种子功率时，SBS阈值降低，TMI阈值增加；
(4)当在光纤放大器中引入模式损耗时，SBS阈值降低、TMI阈值上升。
上述两种受限因素的共同制约和抑制方法的内在矛盾性使得窄线宽掺镱光纤激光放大器的亮度提升异常困难。因此，综合兼顾SBS和TMI效应抑制，从系统设计着手提出进一步提升窄线宽掺镱光纤激光放大器亮度的新方案具有重要的科学意义和迫切的现实需要。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提供一种实现高亮度窄线宽掺镱光纤激光放大的系统。本发明综合兼顾高亮度窄线宽掺镱光纤激光放大器中TMI效应和SBS效应的抑制，为光束合成、非线性波长转换、激光通信、相干雷达、遥感探测等领域提供更高亮度的光纤光源设计方案，推动大功率窄线宽光纤激光的整体发展和应用领域的进一步拓展。
为实现上述技术目的，本发明的技术方案是：
一种实现高亮度窄线宽掺镱光纤激光放大的系统，包括单频光纤激光器种子源、相位调制器、射频信号产生器、掺镱光纤激光预放大系统、高功率耦合器、掺镱主放大器、光纤端帽、准直器、高反镜I、高反镜II、功率计、光电探测器、分束器、光谱测量仪、光束质量测量仪、信号采集处理器。
单频光纤激光器种子源的输出端尾纤连接到相位调制器。射频信号产生器驱动相位调制器，将单频光纤激光器种子源的线宽展宽。谱线展宽直接导致有效的布里渊增益谱展宽，布里渊增益大幅度降低，实现SBS效应的有效抑制。
经过相位调制器后的激光首先注入到掺镱光纤激光预放大系统进行功率预放大。经掺镱光纤激光预放大系统预放大后的光束从高功率耦合器的输入臂输入后其中一部分光束从高功率耦合器的输出臂导出，其余部分光束从高功率耦合器的回光监测臂导出，从高功率耦合器的输出臂导出的光束注入到掺镱主放大器进行最终的高功率放大。从高功率耦合器的回光监测臂输出的光束注入到信号采集处理器，信号采集处理器与射频信号产生器连接；信号采集处理器将输入的光信号转换为电信号，并根据电信号的变化产生最优控制信号给射频信号产生器，由射频信号产生器产生最优的相位调制信号用于驱动相位调制器，实现系统闭环。
经过掺镱主放大器功率放大后的激光经光纤端帽输出到准直器，经准直器扩束准直输出到自由空间。准直输出的激光依次被高反镜I和高反镜II反射后注入到功率计。经高反镜I透射的光束被光电探测器接收，光电探测器将光信号转换为电信号。根据光电探测器输出的电信号可以用来观察当光纤放大器中产生TMI或SBS效应时输出激光的时域和频域变化，依次判断TMI与SBS的阈值。具体而言，当MOPA系统出现SBS效应时，光电探测器上时域信号会在连续基底上出现峰值很高的巨脉冲；当MOPA系统出现TMI时，光电探测器上时域信号会出现不稳定，表现为时域信号的突然加粗。若对时域信号进行傅里叶变换，则2kHz附近将出现明显的特征包络或特征峰。
经高反镜II透射的激光经分束器后被分为两束，其中经分束器反射出的光束注入光谱测量仪，实现对输出激光光谱分布和线宽的测试，经分束器透射出的光束入射到光束质量测量仪，用于观察和监测在整个系统功率提升过程中输出激光的光束质量变化。
本发明中：射频信号产生器由射频源、增益可调电学放大器、带宽可调电学带通滤波器构成。谱线展宽直接导致有效的布里渊增益谱展宽，布里渊增益大幅度降低，实现SBS效应的有效抑制。
信号采集处理器由光电转换器和加载有优化算法的控制器构成。从高功率耦合器的回光监测臂输出的光束注入到光电转换器中，光电转换器将光信号转换为电信号，并伺服给优化算法控制器。当非线性受激布里渊散射效应(SBS)发生时，从高功率耦合器的回光监测臂输出的激光功率将呈现出指数增长趋势且时域表现为巨脉冲状态。因此光电转换器输出的电压信号会出现明显的非线性增长趋势和不稳定，光电转换器输出信号的异常变化可以作为优化算法控制器的评价函数。
加载有优化算法的控制器基于光电转换器输出的电信号执行优化算法输出优化后的控制信号，控制信号包括时域波形控制信号、增益电压控制信号和带宽调节电压控制信号，将各控制信号分别施加到射频信号产生器中的射频源、增益可调电学放大器、带宽可调电学带通滤波器。由射频信号产生器根据上述优化后的控制信号产生相应的相位调制信号用于驱动相位调制器，实现系统闭环，以保证线宽尽可能窄的情况下达到SBS效应的最佳抑制效果。最终，系统将同时兼顾SBS效应抑制和TMI效应抑制，实现高亮度窄线宽掺镱光纤激光的高效放大。
本发明中：掺镱主放大器包括1018nm泵浦源、信号-泵浦合束器、掺杂光纤、包层光滤除器；1018nm泵浦源输出的泵浦光与从高功率耦合器的输出臂导出的光束通过信号-泵浦合束器进行合束后经掺杂光纤传输，大幅度降低掺镱主放大器中的量子亏损，实现热致模式不稳定效应(TMI)的高效抑制，保证窄线宽掺镱光纤激光的高亮度提升。掺杂光纤连接有包层光滤除器，包层光滤除器将残余的泵浦光和包层光滤除到自由空间，防止包层光对输出器件造成损坏，保证高光束质量输出。其中1018nm泵浦源实现方式不限，可以是直接高功率振荡器、超荧光光源、随机光纤激光器等，也可以是多级级联的主振荡功率放大系统。所述的1018nm泵浦源线宽不限，可以是窄线宽光纤激光器，也可以是宽谱光纤激光器。信号-泵浦合束器由信号输入臂、泵浦臂、信号输出臂构成，其中从高功率耦合器的输出臂导出的光束由信号输入臂输入，1018nm泵浦源输出的泵浦光由泵浦壁输入，经信号-泵浦合束器合束后从信号输出臂输出。掺杂光纤可有多种选择，考虑数千瓦级高亮度输出，掺杂光纤的纤芯直径一般>20μm、掺杂光纤的包层厚度一般>200μm。
本发明同时兼顾热致模式不稳定效应(TMI)和非线性受激布里渊散射效应(SBS)抑制，实现高亮度窄线宽掺镱光纤激光放大的原理如下：
在窄线宽光纤激光放大器中，SBS的阈值公式表示为：
其中a为纤芯半径，Leff为等效光纤长度，gB(vB)为布里渊增益系数，Γ为模场半径与纤芯半径的比值，G为放大器的放大倍数。
当采用射频信号产生器驱动相位调制器时，单频光纤激光器种子源光谱线宽将被展宽，谱线展宽直接导致有效的布里渊增益谱展宽，gB(vB)大幅度降低、SBS阈值得到有效提升。一般而言，线宽展宽的越多，对应的有效布里渊增益谱越宽，gB(vB)越小，SBS的抑制效果越好。然而，在高亮度窄线宽光纤放大器的诸多应用领域，线宽的过度展宽将导致光源时间相干性劣化，影响光源在实际应用系统中的性能。例如，在相干合成领域，光谱的过度展宽导致的时间相干性退化会影响相干合成的效果和系统复杂性；在光谱合成领域，光谱的过度展宽会影响合成系统的光束质量和可合成路数；在非线性波长转换领域，光谱的过度展宽会影响非线性转换的效率；在激光通信、相干雷达、遥感探测等领域，光谱的过度展宽会影响激光传输探测距离。因此，对于一套实际的高亮度窄线宽光纤放大系统，需在保证线宽尽可能窄的情况下达到SBS效应的最佳抑制效果。为此，需要对调制信号进行优化设计和控制。当SBS效应发生时，后向的斯托克斯光将呈现出急剧上升的趋势且时域表现为脉冲状态，此后向回光的异常变化可以作为调制信号优化设计和控制的评价函数。本发明中，通过采用高功率耦合器，将后续掺镱主放大器中产生的反向回光导出，进而注入到信号采集处理器进行信号处理与优化算法执行。优化算法执行产生的控制信号施加到射频源、增益可调电学放大器、带宽可调电学带通滤波器，便可有效控制调制信号的时间分布、幅度和带宽，在保证输出线宽尽可能窄的情况下实现SBS效应的最佳抑制效果。
TMI产生的物理根源是高亮度窄线宽MOPA结构掺镱主放大器中量子亏损导致的热效应。光纤放大器的量子亏损与泵浦波长和发射激光波长密切相关。泵浦波长与发射激光波长越接近，光纤放大器量子亏损越小，模式不稳定阈值越高。然而，在传统高亮度窄线宽MOPA系统中，为了尽可能缩短光纤长度抑制SBS，掺镱主放大器一般均采用976nm泵浦，导致放大器量子亏损大，模式不稳定阈值低。本发明为了兼顾TMI与SBS效应抑制，为窄线宽掺镱光纤激光进一步亮度提升提供新的思路和方法，掺镱主放大器泵浦源选取1018nm光纤激光器。与传统976nm激光二极管泵浦方式相比，1018nm光纤激光器具有更高的亮度和更小的量子亏损。以1064nm激光放大为例，采用976nm泵浦下光纤放大器的量子效率为91.7％(量子亏损为8.3％)，而采用1018nm泵浦下光纤放大器的量子效率为95.7％(量子亏损仅为4.3％)，量子亏损较976nm泵浦时下降了50％。
本发明中所述的单频光纤激光器种子源实现方式不限，可以是分布式反馈激光器、分布式布拉格反射激光器、非平面环形振荡器、单频环形光纤激光器，也可以是单频半导体激光器经过光纤耦合输出的激光光源。单频光纤激光器种子源中心波长具体值不限，一般是覆盖1060nm到1100nm波段范围内的任意波长。
本发明所述的相位调制器一般为电光调制器，一般插入损耗越低、调制带宽越高、半波电压越低，对系统实现更加有利。
本发明所述的射频信号产生器由射频源、增益可调电学放大器、带宽可调电学带通滤波器构成。射频源用以产生射频信号，射频源产生的射频信号经增益可调电学放大器实现放大，增益可调电学放大器输出的放大射频信号再经带宽可调电学带通滤波器以滤除放大射频信号的边带成分，防止边带效率导致的线宽展宽和SBS抑制效果下降。其中：射频源其实现方式不限，可以是任意波形发生器、白噪声源、伪随机相位编码源、正余弦信号产生合束器等。增益可调电学放大器其放大带宽由射频信号的带宽确定，放大倍数可在线调节。
本发明所述的掺镱光纤激光预放大系统实现相位调制之后种子激光的预放大。预放大的级数由预期放大倍数确定。考虑到相位调制器的损伤阈值一般在百毫瓦量级，一般需采用两级预放大器对其功率进行放大，使其达到数十瓦量级。
本发明所述的高功率耦合器由输入臂、输出臂和回光监测臂构成，一般采用光纤熔融拉锥方式实现，为了尽可能降低损耗，输出臂到输入臂的透过率一般>99％，输出臂到回光臂的分束比一般<1％，即光束从高功率耦合器的输入臂输入后其中99％以上的光束从高功率耦合器的输出臂导出，其余的(<1％)光束从高功率耦合器回光监测臂导出。
本发明所述的光纤端帽为被动光纤与石英块状头经过熔融拉锥制作的激光传输发射器件，用以降低光纤输出端面激光功率密度，保护放大系统安全。
本发明所述的准直器将光纤端帽输出的激光准直输出到自由空间；准直器可以由一个或多个透镜组合实现；透镜的材料选择多样，可以是熔石英、ZnSe、CaF2等。
本发明所采用的高反镜(高反镜I和高反镜II)实现放大激光的高反射功能，其构成材料不限，可以是熔石英、K9等，具体根据辐照激光功率密度选择。高反镜反射率不限，对于数千瓦级高亮度窄线宽光纤激光系统，一般要求反射率>99.9％。
本发明所述的功率计用于接收入射进来的激光并测量其输出功率。
本发明所述的光电探测器实现光信号到电信号的转换，其光敏面材料和尺寸不限，可根据发射激光波长有多种选择；为了检测TMI效应，一般要求光电探测器相应带宽>2kH。
本发明所述的分束器实现方式多样，可以是白片、楔形镜等，分束器的构成材料不限，可以是熔石英、K9、ZnSe、CaF2等。
本发明所述的光谱测量仪实现输出激光光谱的在线测量，光谱测量仪的分辨率和自由光谱范围选择由放大后激光的中心波长和线宽确定。
本发明所述的光束质量测量仪用于在线测量入射激光的光束质量。
本发明所述的信号采集处理器由光电转换器和加载有优化算法的控制器构成，光电转换器将接收到的光信号转变为电压信号，并将电压信号导入加载有优化算法的控制器。加载有优化算法的控制器根据光电转换器提供的电压信号执行优化算法，产生控制信号，并将产生的控制信号施加到射频源、增益可调电学放大器、带宽可调电学带通滤波器，实现系统闭环。加载有优化算法的控制器其加载的优选算法多样，可以是遗传算法、随机并行梯度下降算法、爬山法等。
与现有技术相比，本发明能够产生以下技术效果：
1、本发明提兼顾SBS效应和TMI效应抑制。
针对SBS效应，该新方法利用高功率耦合器的回光监测臂判断SBS效应发生的阈值，通过信号采集处理器将光信号转换为电压信号，并伺服给优化算法控制器，提供相应的控制信号，进而施加到射频信号产生器中的射频源、增益可调电学放大器、带宽可调电学带通滤波器，实现光谱特性的优化，在保证输出线宽尽可能窄的情况下实现SBS效应的最佳抑制效果。
针对TMI，本发明利用1018nm泵浦源有效降低掺镱主放大器的量子亏损，实现TMI的高效抑制。
2、本发明具备通用性。
就可放大波长范围而言，本发明可用于1060nm～1100nm波段范围内的任意波长放大；
就偏振特性而言，本发明既可以应用于非保偏窄线宽掺镱光纤MOPA结构，也可以应用于保偏窄线宽掺镱光纤MOPA结构。
3、本发明中，1018nm泵浦源实现方式不限，可以是直接高功率振荡器、超荧光光源、随机光纤激光器等，也可以是多级级联的主振荡功率放大系统。所述的1018nm泵浦源线宽不限，可以是窄线宽光纤激光器，也可以是宽谱光纤激光器。
4、本发明中，单频光纤激光器种子源实现方式不限，可以是分布式反馈激光器、分布式布拉格反射激光器、非平面环形振荡器、单频环形光纤激光器，也可以是单频半导体激光器经过光纤耦合输出的激光光源；射频信号实现方式不限，可以是任意波形发生器、白噪声源、伪随机相位编码源、正余弦信号产生合束器等。
附图说明
图1为本发明的系统结构原理示意图。
图中包括：单频光纤激光器种子源1、相位调制器2、射频信号产生器3、射频源3-1、增益可调电学放大器3-2、带宽可调电学带通滤波器3-3、掺镱光纤激光预放大系统4、高功率耦合器5、掺镱主放大器6、1018nm泵浦源6-1、信号-泵浦合束器6-2、掺杂光纤6-3、包层光滤除器6-4、光纤端帽7、准直器8、高反镜I 9、高反镜II 10、功率计11、光电探测器12、分束器13、光谱测量仪14、光束质量测量仪15、信号采集处理器16、光电转换器16-1、加载有优化算法的控制器16-2。
具体实施方式
图1为本发明一具体实施例的结构示意图，一种实现高亮度窄线宽掺镱光纤激光放大的系统，包括单频光纤激光器种子源1、相位调制器2、射频信号产生器3、掺镱光纤激光预放大系统4、高功率耦合器5、掺镱主放大器6、光纤端帽7、准直器8、高反镜I9、高反镜II10、功率计11、光电探测器12、分束器13、光谱测量仪14、光束质量测量仪15、信号采集处理器16。
单频光纤激光器种子源1的输出端尾纤连接到相位调制器2。射频信号产生器3驱动相位调制器2，将单频光纤激光器种子源1的线宽展宽。谱线展宽直接导致有效的布里渊增益谱展宽，布里渊增益大幅度降低，实现SBS效应的有效抑制。
经过相位调制器2后的激光首先注入到掺镱光纤激光预放大系统4进行功率预放大。经掺镱光纤激光预放大系统4预放大后的光束从高功率耦合器5的输入臂输入后其中99％以上的光束从高功率耦合器5的输出臂导出，其余的(小于1％)光束从高功率耦合器5回光监测臂导出，从高功率耦合器5的输出臂导出的光束注入到掺镱主放大器6进行最终的高功率放大。从高功率耦合器5的回光监测臂输出的光束注入到信号采集处理器16，信号采集处理器16与射频信号产生器3连接；信号采集处理器16将输入的光信号转换为电信号，并根据电信号的变化产生最优控制信号给射频信号产生器3，由射频信号产生器3产生最优的相位调制信号用于驱动相位调制器2。
射频信号产生器3由射频源3-1、增益可调电学放大器3-2、带宽可调电学带通滤波器3-3构成。谱线展宽直接导致有效的布里渊增益谱展宽，布里渊增益大幅度降低，实现SBS效应的有效抑制。
信号采集处理器16由光电转换器16-1和加载有优化算法的控制器16-2构成。从高功率耦合器5的回光监测臂输出的光束注入到光电转换器16-1中，光电转换器16-1将光信号转换为电信号，并伺服给优化算法控制器16-2。当非线性受激布里渊散射效应(SBS)发生时，从高功率耦合器5的回光监测臂输出的激光功率将呈现出指数增长趋势且时域表现为巨脉冲状态。因此光电转换器16-1输出的电压信号会出现明显的非线性增长趋势和不稳定，光电转换器16-1输出信号的异常变化可以作为优化算法控制器16-2的评价函数。
加载有优化算法的控制器16-2基于光电转换器16-1输出的电信号执行优化算法寻找最优的时域波形控制信号、增益电压控制信号和带宽调节电压控制信号，并将上述控制信号分别施加到射频信号产生器3中的射频源3-1、增益可调电学放大器3-2、带宽可调电学带通滤波器3-3。由射频信号产生器根据上述优化后的控制信号产生相应的相位调制信号用于驱动相位调制器，实现系统闭环，以保证线宽尽可能窄的情况下达到SBS效应的最佳抑制效果。最终，系统将同时兼顾SBS效应抑制和TMI效应抑制，实现高亮度窄线宽掺镱光纤激光的高效放大。
掺镱主放大器6包括1018nm泵浦源6-1、信号-泵浦合束器6-2、掺杂光纤6-3、包层光滤除器6-4；1018nm泵浦源6-1输出的泵浦光与从高功率耦合器5的输出臂导出的光束通过信号-泵浦合束器6-2进行合束后经掺杂光纤6-3传输，大幅度降低掺镱主放大器6中的量子亏损，实现热致模式不稳定效应(TMI)的高效抑制，保证窄线宽掺镱光纤激光的高亮度提升。掺杂光纤6-3连接有包层光滤除器，包层光滤除器将残余的泵浦光和包层光滤除到自由空间，防止包层光对输出器件造成损坏，保证高光束质量输出。其中1018nm泵浦源实现方式不限，可以是直接高功率振荡器、超荧光光源、随机光纤激光器等，也可以是多级级联的主振荡功率放大系统。所述的1018nm泵浦源线宽不限，可以是窄线宽光纤激光器，也可以是宽谱光纤激光器。信号-泵浦合束器由信号输入臂、泵浦臂、信号输出臂构成，其中从高功率耦合器5的输出臂导出的光束由信号输入臂输入，1018nm泵浦源6-1输出的泵浦光由泵浦壁输入，经信号-泵浦合束器6-2合束后从信号输出臂输出。掺杂光纤可有多种选择，考虑数千瓦级高亮度输出，掺杂光纤纤芯一般>20μm、包层一般>200μm。
经过掺镱主放大器6输出的激光经光纤端帽7输出到准直器8，经准直器8扩束准直输出到自由空间。准直输出的激光依次被高反镜I 9和高反镜II 10反射后注入到功率计11。经高反镜I 9透射的光束被光电探测器12接收，光电探测器12将光信号转换为电信号。根据光电探测器输出的电信号可以用来观察当光纤放大器中产生TMI或SBS效应时输出激光的时域和频域变化，依次判断TMI与SBS的阈值。具体而言，当MOPA系统出现SBS效应时，光电探测器12上时域信号会在连续基底上出现峰值很高的巨脉冲；当MOPA系统出现TMI时，光电探测器12上时域信号会出现不稳定，表现为时域信号的突然加粗。若对时域信号进行傅里叶变换，则2kHz附近将出现明显的特征包络或特征峰。
经高反镜II 10透射的激光经分束器13后被分为两束，其中经分束器13反射出的光束注入光谱测量仪14，实现对输出激光光谱分布和线宽的测试，经分束器13透射出的光束入射到光束质量测量仪15，用于观察和监测在整个系统功率提升过程中输出激光的光束质量变化。
以上所述仅为本发明的优选的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种实现高亮度窄线宽掺镱光纤激光放大的系统，其特征在于：包括单频光纤激光器种子源、相位调制器、射频信号产生器、掺镱光纤激光预放大系统、高功率耦合器、掺镱主放大器、光纤端帽、准直器、高反镜I、高反镜II、功率计、光电探测器、分束器、光谱测量仪、光束质量测量仪、信号采集处理器；
单频光纤激光器种子源的输出端尾纤连接到相位调制器，射频信号产生器驱动相位调制器，将单频光纤激光器种子源的线宽展宽；
经过相位调制器后的激光首先注入到掺镱光纤激光预放大系统进行功率预放大；经掺镱光纤激光预放大系统预放大后的光束从高功率耦合器的输入臂输入后其中一部分光束从高功率耦合器的输出臂导出，其余部分光束从高功率耦合器的回光监测臂导出，从高功率耦合器的输出臂导出的光束注入到掺镱主放大器进行最终的高功率放大；从高功率耦合器的回光监测臂输出的光束注入到信号采集处理器，信号采集处理器与射频信号产生器连接；信号采集处理器将输入的光信号转换为电信号，并根据电信号的变化产生最优控制信号给射频信号产生器，由射频信号产生器产生最优的相位调制信号用于驱动相位调制器，实现系统闭环；
经过掺镱主放大器功率放大后的激光经光纤端帽输出到准直器，经准直器扩束准直输出到自由空间；准直输出的激光依次被高反镜I和高反镜II反射后注入到功率计；经高反镜I透射的光束被光电探测器接收，光电探测器将光信号转换为电信号；经高反镜II透射的激光经分束器后被分为两束，其中经分束器反射出的光束注入光谱测量仪，实现对输出激光光谱分布和线宽的测试，经分束器透射出的光束入射到光束质量测量仪，用于观察和监测在整个系统功率提升过程中输出激光的光束质量变化。
2.根据权利要求1所述的实现高亮度窄线宽掺镱光纤激光放大的系统，其特征在于：根据光电探测器输出的电信号用来观察当光纤放大器中产生TMI或SBS效应时输出激光的时域和频域变化，依此判断TMI与SBS的阈值。
3.根据权利要求1所述的实现高亮度窄线宽掺镱光纤激光放大的系统，其特征在于：射频信号产生器由射频源、增益可调电学放大器、带宽可调电学带通滤波器构成,射频源用以产生射频信号，射频源产生的射频信号经增益可调电学放大器实现放大，增益可调电学放大器输出的放大射频信号再经带宽可调电学带通滤波器以滤除放大射频信号的边带成分。
4.根据权利要求3所述的实现高亮度窄线宽掺镱光纤激光放大的系统，其特征在于：信号采集处理器由光电转换器和加载有优化算法的控制器构成；从高功率耦合器的回光监测臂输出的光束注入到光电转换器中，光电转换器将光信号转换为电信号，并伺服给优化算法控制器；当非线性受激布里渊散射效应发生时，从高功率耦合器的回光监测臂输出的激光功率将呈现出指数增长趋势且时域表现为巨脉冲状态，光电转换器输出的电压信号会出现明显的非线性增长趋势和不稳定，光电转换器输出信号的异常变化可以作为优化算法控制器的评价函数；
加载有优化算法的控制器基于光电转换器输出的电信号执行优化算法输出优化后的控制信号，控制信号包括时域波形控制信号、增益电压控制信号和带宽调节电压控制信号，将各控制信号分别施加到射频信号产生器中的射频源、增益可调电学放大器、带宽可调电学带通滤波器；由射频信号产生器根据上述优化后的控制信号产生相应的相位调制信号用于驱动相位调制器，实现系统闭环。
5.根据权利要求4所述的实现高亮度窄线宽掺镱光纤激光放大的系统，其特征在于：加载有优化算法的控制器其加载的优选算法是遗传算法、随机并行梯度下降算法或爬山法。
6.根据权利要求1至5中任一权利要求所述的实现高亮度窄线宽掺镱光纤激光放大的系统，其特征在于：掺镱主放大器包括1018nm泵浦源、信号-泵浦合束器、掺杂光纤和包层光滤除器；1018nm泵浦源输出的泵浦光与从高功率耦合器的输出臂导出的光束通过信号-泵浦合束器进行合束后经掺杂光纤传输，掺杂光纤连接有包层光滤除器，包层光滤除器将残余的泵浦光和包层光滤除到自由空间，其中信号-泵浦合束器由信号输入臂、泵浦臂、信号输出臂构成，从高功率耦合器的输出臂导出的光束由信号输入臂输入，1018nm泵浦源输出的泵浦光由泵浦壁输入，经信号-泵浦合束器合束后从信号输出臂输出。
7.根据权利要求6所述的实现高亮度窄线宽掺镱光纤激光放大的系统，其特征在于：掺杂光纤的纤芯直径>20μm、掺杂光纤的包层厚度>200μm。
8.根据权利要求6所述的实现高亮度窄线宽掺镱光纤激光放大的系统，其特征在于：单频光纤激光器种子源为分布式反馈激光器、分布式布拉格反射激光器、非平面环形振荡器或者单频环形光纤激光器；或者单频光纤激光器种子源为单频半导体激光器经过光纤耦合输出的激光光源。
9.根据权利要求6所述的实现高亮度窄线宽掺镱光纤激光放大的系统，其特征在于：掺镱光纤激光预放大系统采用两级预放大器；高反镜I和高反镜II的反射率均>99.9％；光电探测器相应带宽>2kH。
10.根据权利要求6所述的实现高亮度窄线宽掺镱光纤激光放大的系统，其特征在于：高功率耦合器其输出臂到输入臂的透过率>99％，输出臂到回光臂的分束比<1％。
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