CN110350388A - 一种1.0μm超低噪声单频光纤激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种1.0μm超低噪声单频光纤激光器。该激光器包括高反射率光纤布拉格光栅、高增益光纤、低反射率光纤布拉格光栅、TEC热电制冷器、泵浦激光器、光波分复用器、光滤波器、光隔离器、中频段强度噪声抑制模块和低频段强度噪声抑制模块。高增益光纤作为激光的增益介质，在泵浦光的抽运下形成激光振荡，输出激光经光滤波器滤除放大自发辐射光，实现稳定、单一纵模激光输出；激光再进入中频段强度噪声抑制模块，利用半导体光放大器对激光弛豫振荡峰附近的强度噪声进行有效抑制，并进行激光功率放大，紧接着再通过低频段强度噪声抑制模块，来实现对低频段的强度噪声抑制，最终实现高功率、超低噪声、窄线宽、单频光纤激光输出。

Description

一种1.0μm超低噪声单频光纤激光器
技术领域
本发明属于光纤激光器技术领域，具体涉及一种1.0μm超低噪声单频光纤激光器。
背景技术
1.0μm单频光纤激光器具有低噪声、窄线宽、良好光束质量、高转换效率等优点，可用于光纤传感、激光测距、高精度光谱学、相干合束，以及产生相干蓝绿光及深紫外光源等应用领域，具有十分重要的应用价值。但由于光纤激光器的弛豫振荡效应以及泵浦激光器的功率波动，导致光纤激光在弛豫振荡峰附近(中频段，1-2MHz)以及低频段(0-200kHz)都存在着较高的强度噪声，而对于光纤传感、相干光通信、激光雷达等某些应用而言，高强度噪声制约了光纤激光器的进一步应用。因此，进行光纤激光器的强度噪声抑制，从而获得超低噪声、超窄线宽的光纤激光输出具有重要意义。
对于激光器强度噪声的抑制技术有很多种，其中主要有注入锁定、模清洁器以及光电反馈等。注入锁定是将一个主激光器输出注入到一个从激光器中，从而激光信号在从激光器中被放大，且最终输出的激光强度噪声以及频率噪声可以实现明显改善，但该方法对主激光器的性能要求较高，实用性和复杂度都不可取。模清洁器是指具有滤波特性的光学组件，激光束通过模清洁器之后耦合出一部分光，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上构成反馈控制回路，从而达到抑制噪声的目的，但该方法结构复杂、对环境要求高。光电反馈指利用测量到的噪声信号来控制泵浦激光器的驱动电流，然后对腔内增益进行调制以达到抑制噪声的目的。此外，光放大器亦可以用来抑制噪声，其机理是利用工作在饱和状态下的非线性放大效应，是一种全光纤化、结构简单、操作性强的噪声抑制方法。
相关专利有：(1)2016年，中科院上海光学精密机械研究所申请了一种光纤激光器强度噪声抑制装置和抑制方法[公开号：CN 105932530A]，利用半导体光放大器的大带宽、增益饱和作用，在宽频段范围内大幅度的抑制了光纤激光器的强度噪声；(2)2017年，电子科技大学申请了一种抑制光纤激光器输出强度噪声的光纤放大器[公开号：CN201611155233]，采用对激光强度噪声的反馈控制环路，实现对弛豫振荡频率附近及低频噪声的有效抑制。相关文献有：2013年，中科院上海光学精密机械研究所研究了一种1.5μm的低频段噪声抑制装置[Laser Physics,2013,23(3):035105]，利用掺铒光纤放大器抑制低频段(0-10kHz)强度噪声，最高抑制深度达20dB。但是上述装置都存在一些问题：低频段的噪声劣化问题没有得到解决，或者抑制带宽不够以及抑制深度不够等；并且结构复杂，不具备全光纤化的优势。
发明内容
为了克服现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种1.0μm超低噪声单频光纤激光器。
本发明提供的一种1.0μm超低噪声单频光纤激光器(一种1.0μm单频、窄线宽、低噪声光纤激光器)，通过利用全光纤化结构的强度噪声抑制模块，结合其饱和状态下的非线性放大效应，能够实现对1.0μm单频光纤激光器强度噪声进行有效抑制。
本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
本发明提供的一种1.0μm超低噪声单频光纤激光器，其包括：高反射率光纤布拉格光栅、高增益光纤、低反射率光纤布拉格光栅、TEC热电制冷器、泵浦激光器、光波分复用器、光滤波器、光隔离器、中频段强度噪声抑制模块和低频段强度噪声抑制模块；各个部件之间的连接关系是：高反射率光纤布拉格光栅的一端、高增益光纤的两端和低反射率光纤布拉格光栅的一端，三者之间顺次连接，共同构成激光器的DBR短线型谐振腔，并置于TEC热电制冷器中进行精确温度控制；低反射率光纤布拉格光栅的另一端与光波分复用器的公共端相连接，泵浦激光器的输出端与光波分复用器的泵浦端相连接，光波分复用器的信号端与光滤波器的输入端相连接，光滤波器的输出端与光隔离器的输入端相连接，光隔离器的输出端与中频段强度噪声抑制模块的输入端相连接，中频段强度噪声抑制模块的输出端与低频段强度噪声抑制模块的输入端相连接，低频段强度噪声抑制模块的输出端作为激光输出端口。
进一步地，所述宽带光纤布拉格光栅、高增益光纤和窄带光纤布拉格光栅(低反射率光纤布拉格光栅)之间是通过对接或者熔接方式连接而成。
进一步地，所述高增益光纤为纤芯均匀、高掺杂Yb3+稀土发光离子的光纤，其Yb3+掺杂浓度大于1wt％，其光纤基质材料为磷酸盐玻璃或硅酸盐玻璃。
进一步地，所述高反射率光纤布拉格光栅对泵浦光波长高透，其透射率大于95％；而对信号光波长高反，其反射率大于99％，其反射谱3dB带宽为0.3±0.05nm；低反射率光纤布拉格光栅是对信号光波长低反，其反射率为70±20％，其反射谱3dB带宽为0.08±0.02nm。
进一步地，所述中频段强度噪声抑制模块包括半导体光放大器、光滤波器和光隔离器；所述中频段强度噪声抑制模块为其中一个或者多个半导体光放大器的组合形式(即中频段强度噪声抑制模块包含一个以上的半导体光放大器)，能够实现对激光弛豫振荡峰附近的强度噪声进行抑制，所述激光弛豫振荡峰附近的强度噪声为中频段噪声，其频率为1-2MHz；所述半导体光放大器同时还能够对激光功率进行放大。
进一步地，所述低频段强度噪声抑制模块包括掺镱光纤、泵浦激光器、光波分复用器、光滤波器与光隔离器；所述低频段强度噪声抑制模块为掺镱光纤放大器。
进一步地，所述的低频段强度噪声抑制模块包含一个或者多个掺镱光纤放大器，能够实现对激光低频段(0-200kHz)的强度噪声进行抑制，所述掺镱光纤放大器同时还可以对激光功率进行放大。
进一步地，所述掺镱光纤为石英光纤或者磷酸盐光纤，光纤使用长度范围为0.1-20m，其使用长度在一定范围内随镱离子掺杂浓度成反比，具体使用长度依据噪声抑制效果和工作波长而定。
进一步地，所述掺镱光纤放大器为后向泵浦或者前向泵浦，具体泵浦方式依据噪声抑制效果和工作波长而定。
进一步地，所述光滤波器为高反射率光纤布拉格光栅或波片型滤波器；其工作带宽为中心波长±0.1nm，用于滤除放大自发辐射光，同时一定程度上起到抑制强度噪声的作用。
本发明提供的1.0μm超低噪声单频光纤激光器是紧凑的DBR结构短线性腔，由高反射率光纤布拉格光栅、高增益光纤和低反射率光纤布拉格光栅共同构成谐振腔部分。
本发明公开了一种1.0μm超低噪声单频光纤激光器，所述激光器包括高反射率光纤布拉格光栅、高增益光纤、低反射率光纤布拉格光栅、TEC热电制冷器、泵浦激光器、光波分复用器、光滤波器、光隔离器、中频段强度噪声抑制模块和低频段强度噪声抑制模块。
本发明将厘米量级长度的高增益光纤作为激光的增益介质，高反射率光纤布拉格光栅和低反射率光纤布拉格光栅分别构成分布式布拉格反射(DBR)线型短腔的前后腔镜；DBR短腔在泵浦光的持续抽运下形成激光振荡，输出激光经光滤波器滤除放大自发辐射光，首先实现稳定、单一纵模的光纤激光输出；然后激光再进入中频段强度噪声抑制模块，该模块由半导体光放大器、光滤波器和光隔离器组成，利用半导体光放大器的增益饱和效应对激光弛豫振荡峰附近(中频段，1-2MHz)的强度噪声进行有效抑制，同时进行激光功率放大；由于一般半导体光放大器本身及其驱动电源会劣化低频段(0-200kHz)的噪声，紧接着再通过低频段强度噪声抑制模块(该模块由掺镱光纤、泵浦激光器、光波分复用器、光滤波器与光隔离器组成)来实现对低频段的强度噪声抑制，最终实现高功率、超低噪声、窄线宽、单频光纤激光输出。
本发明所设计的光纤激光器具有全光纤化结构、超低的噪声和极窄的线宽，可用于光纤传感、激光测距、高精度光谱学、相干合束，以及产生相干蓝绿光及深紫外光源等应用领域，具有十分重要的应用价值。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
(1)本发明提供的1.0μm超低噪声单频光纤激光器，将厘米量级长度的高增益光纤作为激光的增益介质，由高反射率光纤布拉格光栅和低反射率光纤布拉格光栅共同构成DBR线型短腔的前后腔镜；DBR短腔在泵浦光的持续抽运下形成激光振荡，输出激光经光滤波器滤除放大自发辐射光，首先实现稳定、单一纵模的光纤激光输出；然后再进入中频段强度噪声抑制模块，该模块由半导体光放大器、光滤波器和光隔离器组成，利用半导体光放大器的增益饱和效应对激光弛豫振荡峰附近(中频段，1-2MHz)的强度噪声进行有效抑制，同时进行激光功率放大；由于一般半导体光放大器本身及其驱动电源会劣化低频段(0-200kHz)的噪声，紧接着再通过低频段强度噪声抑制模块(该模块由掺镱光纤、泵浦激光器、光波分复用器、光滤波器与光隔离器组成)来实现对低频段的强度噪声抑制，最终能够实现高功率、超低噪声、窄线宽、单频光纤激光输出。
附图说明
图1为本发明提供的一种1.0μm超低噪声单频光纤激光器的结构示意图。
其中，1-高反射率光纤布拉格光栅，2-高增益光纤，3-低反射率光纤布拉格光栅，4-TEC热电制冷器，5-泵浦激光器，6-光波分复用器，7-光滤波器，8-光隔离器，9-中频段强度噪声抑制模块和10-低频段强度噪声抑制模块。
图2为本发明提供的一种1.0μm超低噪声单频光纤激光器的中频段强度噪声抑制示意图。
图3为本发明提供的一种1.0μm超低噪声单频光纤激光器的低频段强度噪声抑制示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实例对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明的实施和保护不限于此。需指出的是，以下若有未特别详细说明之过程，均是本领域技术人员可参照现有技术实现或理解的。
实施例1
如图1所示，实施例1提供的一种1.0μm超低噪声单频光纤激光器，其包括高反射率光纤布拉格光栅1、高增益光纤2、低反射率光纤布拉格光栅3、TEC热电制冷器4、泵浦激光器5、光波分复用器6、光滤波器7、光隔离器8、中频段强度噪声抑制模块9和低频段强度噪声抑制模块10。
上述各部件之间的结构关系是：高反射率光纤布拉格光栅的一端、高增益光纤的两端和低反射率光纤布拉格光栅的一端，三者之间顺次连接，共同构成激光器的DBR短线型谐振腔，并置于TEC热电制冷器中进行精确温度控制；低反射率光纤布拉格光栅的另一端与光波分复用器的公共端相连接，泵浦激光器的输出端与光波分复用器的泵浦端相连接，光波分复用器的信号端与光滤波器的输入端相连接，光滤波器输出端与光隔离器的输入端相连接，光隔离器的输出端与中频段强度噪声抑制模块的输入端相连接，中频段强度噪声抑制模块的输出端与低频段强度噪声抑制模块的输入端相连接，低频段强度噪声抑制模块的输出端作为激光输出端口。
本实施例中所使用的高增益光纤为Yb3+掺杂浓度10wt％的磷酸盐玻璃光纤，光纤使用长度为1.9厘米。高反射率光纤布拉格光栅的中心波长为1064nm，其反射谱3dB带宽为0.3nm，其中心波长反射率为99％。低反射率光纤布拉格光栅的中心波长为1064nm，其反射谱3dB带宽为0.08nm，其中心波长反射率为70％。由增益光纤和一对光纤布拉格光栅共同组成一个DBR单频激光谐振短腔；将谐振腔置于特殊定制的金属槽中，并用TEC热电制冷器对整个谐振腔进行精确温度控制，控制精度±0.1℃；同时选择工作波长为980nm的半导体激光器作为泵浦激光器，其最大输出功率为250mW，带尾纤方式输出。
光滤波器的工作带宽为1064±0.1nm。泵浦激光通过一个光波分复用器对DBR单频激光谐振短腔进行抽运；输出激光经光滤波器滤除放大自发辐射光，再经光隔离器，首先实现稳定、单一纵模的光纤激光输出；然后再进入中频段强度噪声抑制模块，利用半导体光放大器(SOA)的增益饱和效应对激光弛豫振荡峰附近(中频段，1-2MHz)的强度噪声进行有效抑制，中频段的相对强度噪声降低至-151.5dB/Hz，接近量子噪声极限(-153.4dB/Hz)，如图2所示，图2的中频率带宽范围0-10MHz内(包括弛豫振荡峰附近)的强度噪声均得到大幅度的抑制，噪声低至-151.5dB/Hz；由于一般半导体光放大器本身及其驱动电源会劣化低频段(0-200kHz)的噪声，紧接着再通过基于掺镱光纤放大器(YDFA)的低频段强度噪声抑制模块来实现对低频段的强度噪声抑制，在低频段0-100kHz范围内抑制深度最大达到30dB，如图3所示，图3的中频率带宽范围0-2MHz，其中强度噪声抑制带宽0-200kHz，最大抑制深度达30dB(1kHz附近)；同时激光功率被放大，最大输出功率为300mW、线宽为3kHz，最终获得高功率、超低噪声、窄线宽、单频光纤激光输出。
以上实施例仅为本发明较优的实施方式，仅用于解释本发明，而非限制本发明，本领域技术人员在未脱离本发明精神实质下所作的改变、替换、修饰等均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种1.0 μm超低噪声单频光纤激光器，其特征在于包括：高反射率光纤布拉格光栅（1）、高增益光纤（2）、低反射率光纤布拉格光栅（3）、TEC热电制冷器（4）、泵浦激光器（5）、光波分复用器（6）、光滤波器（7）、光隔离器（8）、中频段强度噪声抑制模块（9）和低频段强度噪声抑制模块（10）；各个部件之间的连接关系是：高反射率光纤布拉格光栅（1）的一端、高增益光纤（2）的两端和低反射率光纤布拉格光栅（3）的一端，三者之间顺次连接，共同构成激光器的DBR短线型谐振腔，并置于TEC热电制冷器（4）中进行温度控制；低反射率光纤布拉格光栅（3）的另一端与光波分复用器（6）的公共端相连接，泵浦激光器（5）的输出端与光波分复用器（6）的泵浦端相连接，光波分复用器（6）的信号端与光滤波器（7）的输入端相连接，光滤波器（7）的输出端与光隔离器（8）的输入端相连接，光隔离器（8）的输出端与中频段强度噪声抑制模块（9）的输入端相连接，中频段强度噪声抑制模块（9）的输出端与低频段强度噪声抑制模块（10）的输入端相连接，低频段强度噪声抑制模块（10）的输出端作为激光输出端口。
2.根据权利要求1所述的一种1.0 μm超低噪声单频光纤激光器，其特征在于：所述的宽带光纤布拉格光栅（1）、高增益光纤（2）和低反射率光纤布拉格光栅（3）之间是通过对接或者熔接方式连接而成。
3.根据权利要求1所述的一种1.0 μm超低噪声单频光纤激光器，其特征在于：所述高增益光纤（2）为纤芯均匀、高掺杂Yb3+稀土发光离子的光纤，其Yb3+掺杂浓度大于1wt%，其光纤基质材料为磷酸盐玻璃或硅酸盐玻璃。
4.根据权利要求1所述的一种1.0 μm超低噪声单频光纤激光器，其特征在于：所述高反射率光纤布拉格光栅（1）对泵浦光波长高透，其透射率大于95%；而对信号光波长高反，其反射率大于99%，其反射谱3 dB带宽为0.3±0.05 nm；低反射率光纤布拉格光栅（3）是对信号光波长低反，其反射率为70±20%，其反射谱3 dB带宽为0.08±0.02 nm。
5.根据权利要求1所述的一种1.0 μm超低噪声单频光纤激光器，其特征在于：所述中频段强度噪声抑制模块（9）包括半导体光放大器、光滤波器和光隔离器；所述中频段强度噪声抑制模块（9）包含一个以上的半导体光放大器，能够实现对激光弛豫振荡峰附近的强度噪声进行抑制，所述激光弛豫振荡峰附近的强度噪声为中频段噪声，其频率为1-2 MHz；所述半导体光放大器同时还能够对激光功率进行放大。
6.根据权利要求1所述的一种1.0 μm超低噪声单频光纤激光器，其特征在于：所述低频段强度噪声抑制模块（10）包括掺镱光纤、泵浦激光器、光波分复用器、光滤波器与光隔离器；所述低频段强度噪声抑制模块（10）为掺镱光纤放大器。
7.根据权利要求6所述的一种1.0 μm超低噪声单频光纤激光器，其特征在于：所述掺镱光纤为石英光纤或者磷酸盐光纤，光纤使用长度范围为0.1-20 m。
8.根据权利要求6所述的一种1.0 μm超低噪声单频光纤激光器，其特征在于：所述掺镱光纤放大器为后向泵浦或者前向泵浦。
9.根据权利要求1所述的一种1.0 μm超低噪声单频光纤激光器，其特征在于：所述的低频段强度噪声抑制模块（10）包含一个以上的掺镱光纤放大器，能够实现对激光低频段的强度噪声进行抑制，所述激光低频段的强度噪声的频率为0-200 kHz，所述掺镱光纤放大器同时还可以对激光功率进行放大。
10.根据权利要求1所述的一种1.0 μm超低噪声单频光纤激光器，其特征在于：所述光滤波器（7）为高反射率光纤布拉格光栅或波片型滤波器；其工作带宽为中心波长±0.1 nm，用于滤除放大自发辐射光，同时能够抑制强度噪声。
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