CN108572469B - 多路不同频点激光同步相位调制光谱展宽装置及方法 - Google Patents

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Abstract

提供了多路不同频点激光同步相位调制光谱展宽装置，包括多个不同频率的单频激光器(1)、合波器(2)、相位调制器(4)、信号源(3)、分波器(5)：利用合波器(2)将多路不同频率的单频激光器(1)发出的激光合为一束，合束后的光束后从相位调制器(4)的光学输入端口输入，同时信号源(3)将调制信号施加到相位调制器(3)的电学输入端口中，合束光束受到相同的相位调制后、不同频点的单频激光的线宽被以相同的方式展宽，各个不同中心频率激光的光谱形态相同，被调制后的光从相位调制器(4)的光学输出端口输出；展宽后的各个频点的窄线宽激光通过分波器(5)后，独立频点对应的窄线宽激光被严格分离出来。

Description

多路不同频点激光同步相位调制光谱展宽装置及方法
技术领域
本发明总体地涉及一种激光光谱展宽技术，尤其涉及多路不同频点激光同步相位调制光谱展宽装置及方法。
背景技术
在高功率光纤激光领域，由于受到非线性效应等物理极限的限制，单路激光输出功率有限，通常采用光谱合成、双色镜光束合成、相干合成等方法来获得更高功率和亮度的激光。无论是光谱合成、双色镜光束合成还是相干合成中，都要求参与合成光束的线宽控制在一定范围内，一般在0.5nm以下，即要求参与合成的光纤放大器为窄线宽放大器。目前，实现窄线宽光纤放大器的前提是种子激光的线宽必须为窄线宽。为了获得窄线宽的种子激光，通常采用单频激光进行相位调制的方法将单频激光展宽为窄线宽激光。
目前，对单频激光进行相位调制来展宽激光光谱的方法，已经得到了广泛验证和使用。根据被调制的对象，当前采用的相位调制展宽光谱的方法包括两种方式。
一是对各个单频种子激光进行独立调制后再进行放大，对于每一个单频种子激光至少需要一套独立的由信号源和相位调制器构成的相位调制模块：将单路单频种子激光注入相位调制器中，利用电学信号源对相位调制器施加调制信号，通过相位调制器调制单频激光展宽激光的线宽；为了实现较宽的线宽展宽或获得可控形态的光谱形态，可以采用多个相位调制器进行级联相位调制，然后将光谱展宽后的激光注入放大器中进行放大。
二是采用一套独立的相位调制系统对多路不同频点种子进行调制后同时放大：首先利用耦合器将多路不同频点的单频激光耦合到一起注入相位调制器中；然后利用电学信号源对相位调制器施加调制信号，通过相位调制器同时调制多个频点的单频激光来展宽各个频点激光的线宽；最后将展宽后的多个不同频率的窄线宽激光注入一路放大器进行放大。这里，耦合器主要是对一定光谱内的激光进行合束和分束，主要是功率合束和分束，不考虑各个波长的合束，尤其是波长间隔较远时，即分束后的各个端口输出光谱中都存在多个不同频率的光。
在面向光谱合成、双色镜光束合成的应用中，都必须使用路数较为庞大的激光束，要求各路光束中只有一个频点对应的窄线宽激光。因此，上述第一种采用独立的相位调制模块对单路单频激光进行相位调制的方式，如果需要N路激光参与合成，那么至少需要N路相位调制器和N路信号源，会导致系统中设备繁多、成本高昂、体积庞大；上述第二种利用耦合器耦合多频点激光相位调制的方式，一方面无法将多个独立频率的激光分离出来、以满足光谱合成等应用中不同路激光频率不同的要求，另一方面由于耦合损耗光谱范围较窄，限制了参与合束光束的光谱范围。
发明内容
本发明针对光谱合成、双色镜光束合成等高功率光纤激光的实现方案，提供了一种多路不同频点激光同步相位调制光谱展宽装置及方法，可以同时实现多路不同频点激光的相位调制、光谱展宽及频率分离。
本发明的总体设计思路为：多路不同频点激光同步相位调制光谱展宽装置主要包括多路不同频点的单频激光器、合波器、信号源、相位调制器、分波器；首先利用合波器将多个不同频点的单频激光合为一束；然后将合束后的光束注入相位调制器中，利用信号源在相位调制器上施加调制信号、展宽各个单频激光器的线宽；最后利用分波器，将线宽展宽后的多个不同中心频率的窄线宽激光分离出来，不同中心频率的窄线宽激光从不同端口输出，可用于不同的光纤放大器中。
本发明的技术方案为，一种多路不同频点激光同步相位调制光谱展宽装置，它包括依次连接的激光器、合波器、相位调制器和分波器，以及与相位调制器电学输入端口连接的信号源；所述激光器为多个不同中心频率的单频激光器；所述信号源用于将调制信号施加到相位调制器的输入端口；所述相位调制器用于对合束后的多路不同频率激光进行同步调制；所述分波器包括数量至少与所述单频激光器的个数相等的光学输出端口，每个光学输出端口只输出一个中心频率与合束前的中心频率对应的窄线宽激光，用于对同步调制后的激光束按照合束前的激光中心频率进行分束。
进一步的，本发明装置还包括光纤放大器，所述光纤放大器连接所述合波器和相位调制器，或者连接所述相位调制器和分波器，用于使最终经分波器分束输出的各路不同频率窄线宽激光功率满足实际应用的需求。
进一步的，上述激光器、合波器、相位调制器和分波器的光学输入输出端口都通过光纤耦合方式输出；上述依次连接的激光器、合波器、相位调制器和分波器之间通过光纤熔接或者光纤法兰对接的方式进行连接。
进一步的，本发明中，依次连接的激光器、合波器、光纤放大器、相位调制器和分波器之间，或者依次连接的激光器、合波器、相位调制器、光纤放大器和分波器之间通过光纤熔接或者光纤法兰对接的方式进行连接。
进一步的，上述多个不同频点的单频激光器的中心波长取值范围在掺镱激光器的900nm至1200nm之间、掺铒激光器的1500至1600nm之间、掺铥激光器的1900至2100nm之间中的一个范围或多个范围内，每个激光器输出激光的频谱宽度小于1MHz、在频率上认为是一个频点，相邻两个单频激光器输出激光之间的中心波长间隔不小于0.1nm。
进一步的，上述合波器为超宽带的低损耗耦合器或定制型波分复用器，用于将多个不同频点的单频激光合为一束输出。
进一步的，上述信号源包括一个电学信号输出端口，输出信号为正弦、矩形脉冲、三角信号中的一种或多种的组合；或者为噪声信号，或者为伪随机二进制信号，所述信号源用于为相位调制器提供电学信号输入，将单频激光线宽展宽。
进一步的，上述相位调制器包括具有电光效应的电光晶体，信号源输入的电学信号施加到电光晶体上，使电光晶体在光束传输方向的折射率产生与电场同频的变化；合束后的激光经过相位调制器后，电光晶体折射率的变化使得激光的相位同频变化，实现激光线宽的展宽。
本发明的分波器用于将激光束按照合波器合束前各个单频激光器对应的中心频率的窄线宽激光从不同的输出端口输出。此处，分波器与现有技术中的耦合器的主要区别和先进性在于，分波器考虑各个波长独立分束，每个端口只存在一个波长，不存在其他波长。
本发明还提供了一种多路不同频点激光同步相位调制光谱展宽的方法，它利用前述多路不同频点激光同步相位调制光谱展宽装置，包括以下步骤：启动各装置，使多个单频激光器发出不同频点的激光，经合波器的输入端口进入合波器，合波器将多个不同频点的单频激光合为一束，然后将合束后的光束注入相位调制器中、同时利用信号源在相位调制器上施加调制信号、展宽各个单频激光器的线宽；得到相位调制和线宽展宽的激光束从相位调制器进入分波器，分波器将线宽展宽后的多个不同中心频率的窄线宽激光分离出来，不同中心频率的窄线宽激光从分波器的不同端口输出。
本发明还提供了前述多路不同频点激光同步相位调制光谱展宽装置的应用，它应用于光谱合成多路窄线宽放大器中。
可以看出，本发明主要包括多个不同频点的单频激光器、合波器、信号源、相位调制器、分波器。在高功率光纤放大器中，通过种子光谱展宽，在抑制光纤放大器非线性效应的同时获得可满足光束合成要求的窄线宽激光。本发明主要用于高功率光纤领域的多个单频种子激光光谱的同时展宽并分离，替代传统多路单频种子激光光谱展宽需要多个调制模块的复杂系统，产生多个线宽可控、光谱形态相同的窄线宽种子激光。
下文以施加在相位调制器的信号为正弦波为例，说明相位调制展宽光谱的原理。
第i个单频激光的光场为：
其中A(i)和分别表示第i个单频激光的光场振幅和频率。N个光场通过和波器合为一束后，合成光束光场Ein为：
设相位调制器施加的正弦波调制场为：
EM＝EM0cos(2πνm1t) (3)
其中EM0和νm1分别为信号源施加在相位调制上电信号的振幅和频率。
对输入光施加正弦调制信号进行相位调制，得到调制光波的表达式为：
其中，δ1定义为施加在相位调制器上的相位调制幅度
Vπ为相位调制器的半波电压，相位调制器将信号源施加的电信号振幅EM0和频率νm1转换为光场相位的幅度δ1和频率νm1。由于光场的相位与频率之间满足积分关系，那么对光场相位的调制，本质是对光场频率的调制。
其中，第i个光场被调制后的输出光场为：
将式(5)中的正弦部分按贝塞尔函数展开得：
简化为
其中n为整数，n＝0，±1，±2，±3，…。根据贝塞尔函数表达式，在正弦型号调制下，单频激光光谱被展宽。
根据(4)式和(8)式，多个不同频率单频激光同时调制后光场为：
根据(9)式，每个不同频点激光展宽后光谱形态是一致的。
与现有技术相比，本发明的先进点在于：
本发明基于合波器、分波器将多路不同频点的单频激光合为一束，利用单一相位调制模块进行相位调制后再分开。与现有技术方式相比，首先是减少了相位调制系统的数量、降低成本、减小体积；其次是能够将调制后的各个不同频点的窄线宽激光分开，用于不同频率光纤放大器的放大，满足光谱合成等应用的实际需求；最后，由于不同频率激光的调制模块和调制信号一致，调制产生的各个频点对应激光的光谱形态相同，便于后续放大器中非线性效应的管理和功率提升。
附图说明
从下面结合附图对本发明实施例的详细描述中，本发明的这些和/或其它方面和优点将变得更加清楚并更容易理解，其中：
图1为本发明实施例1中的多路不同频点激光同步相位调制光谱展宽装置结构组成示意图；
图2为本发明实施例2中的多路不同频点激光同步相位调制光谱展宽装置对四个不同频点激光进行合波、同步相位调制光谱展宽及分波的过程示意图；
图3为本发明实施例2中的具有调制前功率放大功能的多路不同频点激光同步相位调制光谱展宽装置结构组成示意图；
图4为本发明实施例3中的具有调制后功率放大功能的多路不同频点激光同步相位调制光谱展宽装置结构组成示意图；
图5为本发明实施例3中的多路不同频点激光同步相位调制光谱展宽装置在光谱合成四路窄线宽放大器中应用的结构组成示意图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
实施例1
一种多路不同频点激光同步相位调制光谱展宽装置，如图1所示，包括多个不同频点的单频激光器(SF)1、合波器(FC)2、相位调制器(PM)4、信号源(SS)3和分波器(FS)5，其中单频激光器1、合波器2、相位调制器4和分波器(FS)5依次通过光纤熔接或光纤法兰连接，信号源3连接至相位调制器(PM)4的电学输入端口；工作过程为：利用合波器2将多路不同频点的单频激光器2发出的激光合为一束，合束后的光束后从相位调制器4的光学输入端口输入、同时信号源3将调制信号施加到相位调制器4的电学输入端口中，合束光束受到相同的相位调制后从相位调制器4光学输出端口输出，不同频点的单频激光的线宽被以相同的方式展宽，各个不同频点激光的光谱形态相同；展宽后的各个中心频率的窄线宽激光通过分波器5后，独立频点对应的窄线宽激光被严格分离出来，各个端口只有一个中心频率对应的窄线宽激光。
实施例2
多路不同频点激光同步相位调制光谱展宽装置对四个不同频点激光进行合波、同步相位调制光谱展宽及分波的过程，如图2所示，装置包括四个不同频点的单频激光器(SF)1、合波器(FC)2、相位调制器(PM)4、信号源(SS)3和分波器(FS)5，其中单频激光器1、合波器2、相位调制器4和分波器(FS)5依次通过光纤熔接或光纤法兰连接，信号源3连接至相位调制器(PM)4的电学输入端口；工作过程为：利用合波器2将四路中心波长1040nm、1060nm、1080nm、1100nm的单频激光器2发出的激光合为一束，合束光束包括了四个波长的激光，各个波长均为单频激光；合束后的光束后从相位调制器4的光学输入端口输入、同时信号源3将调制信号施加到相位调制器4的电学输入端口中，合束光束受到相同的相位调制后从相位调制器4光学输出端口输出，四路不同频点的单频激光的线宽被以相同的方式展宽，四个不同中心频率激光的光谱形态相同；展宽后的四个中心频率的窄线宽激光通过分波器5后，四个独立频点对应的窄线宽激光被严格分离出来，各个端口只有一个中心频率对应的窄线宽激光。
实施例3
一种多路不同频点激光同步相位调制光谱展宽装置，它具有调制前功率放大功能，如图3所示，包括多个不同频点的单频激光器(SF)1、合波器(FC)2、相位调制器(PM)4、信号源(SS)3、分波器(FS)5和光纤放大器(A1)6，其中单频激光器1、合波器2、光纤放大器6、相位调制器4和分波器(FS)5依次通过光纤连接，信号源3连接至相位调制器(PM)4的电学输入端口；工作过程为：利用合波器2将多路不同频点的单频激光器1发出的光合为一束，合束后首先经过放大器6进行放大以保证最终分束输出的各路光束功率满足实际应用的需求，放大后光束后从相位调制器4的光学输入端口输入、同时信号源3将调制信号施加到相位调制器的电学输入端口中，合束光束受到相同的相位调制后从相位调制器4的光学输出端口输出，不同频点的单频激光的线宽被以相同的方式展宽，各个不同中心频率激光的光谱形态相同；展宽后的各个中心频率的窄线宽激光通过分波器5后，独立频点对应的窄线宽激光被严格分离出来，各个端口只有一个中心频率对应的窄线宽激光。
实施例4
一种多路不同频点激光同步相位调制光谱展宽装置，它具有调制后功率放大功能，如图4所示，包括多个不同频点的单频激光器(SF)1、合波器(FC)2、相位调制器(PM)4、信号源(SS)3、分波器(FS)5和光纤放大器(A1)6，其中单频激光器1、合波器2、相位调制器4、光纤放大器6和分波器(FS)5依次通过光纤连接，信号源3连接至相位调制器(PM)4的电学输入端口；工作过程为：利用合波器2将多路不同频点的单频激光器1发出的光合为一束，合束后光束后从相位调制器4的光学输入端口输入、同时信号源3将调制信号施加到相位调制器4的电学输入端口中，合束光束受到相同的相位调制后从相位调制器4的光学输出端口输出，不同频点的单频激光的线宽被以相同的方式展宽，各个不同频点激光的光谱形态相同，调制后的光束经过放大器6进行放大以保证最终分束输出的各路光束功率满足实际应用的需求，放大后的各个频点的窄线宽激光通过分波器5后，独立频点对应的窄线宽激光被严格分离出来，各个端口只有一个中心频率对应的窄线宽激光。
实施例5
多路不同频点激光同步相位调制光谱展宽装置在光谱合成四路窄线宽放大器中的应用，如图5所示，包括四个不同频点的单频激光器(SF)1、合波器(FC)2、光纤放大器(A0)6、相位调制器(PM)4、信号源(SS)3、分波器(FS)5、放大器链路7、输出准直器(CO)8，工作过程为：利用合波器2将四路不同频点的单频激光器合为一束，合束后首先经过放大器6进行放大以保证最终分束输出的各路光束功率满足放大器链路对输入功率的需求，放大后光束后从相位调制器4的光学输入端口输入、从相位调制器4光学输出端口输出，信号源3将调制信号施加到相位调制器4的电学输入端口中，合束光束受到相同的相位调制后、四路不同频点的单频激光的线宽被以相同的方式展宽，各个不同中心频率激光的光谱形态相同；展宽后的各个中心频率的窄线宽激光通过分波器5后，独立频点对应的窄线宽激光被严格分离出来；分离出来的各个频点的窄线宽放大器经过放大器链路7放大后由准直器8输出，获得谱线形态类似的高功率窄线宽激光；该放大后的光束可以用于光谱合成等系统中。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种多路不同频点激光同步相位调制光谱展宽装置，其特征在于，它包括依次连接的激光器(1)、合波器(2)、相位调制器(4)和分波器(5)，以及与相位调制器(4)电学输入端口连接的信号源(3)；
所述激光器(1)为多个不同频点的单频激光器；
所述合波器(2)用于将多个不同频点的单频激光合为一束；
所述信号源(3)用于将调制信号施加到相位调制器(4)的电学输入端口；
所述相位调制器(4)用于对合束后的多路不同频点激光进行同步相位调制；
所述分波器(5)包括数量至少与所述单频激光器(1)的个数相等的光学输出端口，每个光学输出端口只输出一个中心频率与合束前的频点对应的窄线宽激光，用于对同步调制后的激光束按照合束前的激光频点进行分束。
2.如权利要求1所述的多路不同频点激光同步相位调制光谱展宽装置，其特征在于，还包括光纤放大器(6)，所述光纤放大器(6)连接所述合波器(2)和相位调制器(4)；或者连接所述相位调制器(4)和分波器(5)，用于使最终经分波器(5)分束输出的各路不同中心频率窄线宽激光功率满足实际应用的需求。
3.如权利要求1所述的多路不同频点激光同步相位调制光谱展宽装置，其特征在于，所述激光器(1)、合波器(2)、相位调制器(4)和分波器(5)的光学输入输出端口都通过光纤耦合方式输出；所述依次连接的激光器(1)、合波器(2)、相位调制器(4)和分波器(5)之间通过光纤熔接或者光纤法兰对接的方式进行连接。
4.如权利要求2所述的多路不同频点激光同步相位调制光谱展宽装置，其特征在于，依次连接的激光器(1)、合波器(2)、光纤放大器(6)、相位调制器(4)和分波器(5)之间，或者依次连接的激光器(1)、合波器(2)、相位调制器(4)、光纤放大器(6)和分波器(5)之间通过光纤熔接或者光纤法兰对接的方式进行连接。
5.如权利要求1所述的多路不同频点激光同步相位调制光谱展宽装置，其特征在于，所述多个不同频点的单频激光器(1)的中心波长取值范围在900nm至1200nm之间、1500至1600nm之间、1900至2100nm之间中的一个范围或多个范围；每个激光器输出激光的频谱宽度小于1MHz，相邻两个单频激光器输出激光之间的中心波长间隔不小于0.1nm。
6.如权利要求1所述的多路不同频点激光同步相位调制光谱展宽装置，其特征在于，所述合波器(2)为超宽带的低损耗耦合器或定制型波分复用器，用于将多个不同频点的单频激光合为一束输出。
7.如权利要求1所述的多路不同频点激光同步相位调制光谱展宽装置，其特征在于，所述信号源(3)包括一个电学信号输出端口，输出信号为正弦、矩形脉冲、三角信号的一种或多种的组合；或者为噪声信号，或者为伪随机二进制信号，所述信号源(3)用于为相位调制器(4)提供电学信号输入，将单频激光线宽展宽。
8.如权利要求1所述的多路不同频点激光同步相位调制光谱展宽装置，其特征在于，所述相位调制器(4)包括具有电光效应的电光晶体，所述信号源(3)输入的电学信号施加到所述电光晶体上，使所述电光晶体在光束传输方向的折射率产生与电场同频的变化；合束后的激光经过相位调制器(4)后，电光晶体折射率的变化使得激光的相位同频变化，实现激光线宽的展宽。
9.一种多路不同频点激光同步相位调制光谱展宽方法，其特征在于，它利用如权利要求1-8中任一权利要求所述的多路不同频点激光同步相位调制光谱展宽装置，包括以下步骤：启动各器件，使多个单频激光器(1)发出不同频点的激光，经合波器(2)的输入端口进入合波器(2)，合波器(2)将多个不同频点的单频激光合为一束，然后将合束后的光束注入相位调制器(4)中、同时利用信号源(3)在相位调制器上施加调制信号、展宽各个单频激光器的线宽；得到相位调制和线宽展宽的激光束从相位调制器(4)进入分波器(5)，分波器(5)将线宽展宽后的多个不同频点的窄线宽激光分离出来，不同中心频率的窄线宽激光从分波器(5)的不同端口输出。
10.如权利要求1-8中任一权利要求所述的多路不同频点激光同步相位调制光谱展宽装置，其特征在于，它可应用于光谱合成多路窄线宽放大器中。
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