CN110544864B - 基于调频单频种子源和四波混频的窄线宽光纤激光器 - Google Patents

基于调频单频种子源和四波混频的窄线宽光纤激光器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了基于调频单频种子源和四波混频的窄线宽光纤激光器，包括：双波长调频单频种子源、光纤放大器、偏振分束器、合波器、偏振控制器、非线性光纤。通过双波长调频单频种子源输出两束正交偏振泵浦光，将两束光波通过偏振分束器将其分束，再分别经光纤放大器提升其功率强度，然后经合波器合束为一束光，最后进入非线性光纤通过四波混频效应来产生新的频率，使得输出激光的线宽展宽；同时通过调谐与控制双波长单频种子源的两束光波的频率差，从而使得输出激光的线宽可以调节，最终实现线宽可控范围为0.5~200 GHz、线宽调节精度为MHz量级、功率大于100 mW的窄线宽光纤激光输出。本发明具有线宽可控、线宽调节范围大与精度高、噪声低的优点。

Description

基于调频单频种子源和四波混频的窄线宽光纤激光器
技术领域
本发明涉及光纤激光器技术领域，具体涉及线宽可控的窄线宽光纤激光器。
背景技术
高功率单频光纤激光器因输出激光具有线宽窄、噪声低、单色性好、结构紧凑等优良特性，在光纤传感、激光雷达、光谱合成和非线性频率转换等领域具有广泛的应用前景。然而窄线宽单频光纤激光在功率放大过程中，由于其激光线宽较窄(通常kHz或MHz量级)、以及双包层光纤相对有限的纤芯尺寸和较长的作用长度，容易受到受激布里渊散射(SBS)效应的影响，这使得SBS成为了限制窄线宽光纤激光功率提升的主要因素之一，因此需要通过展宽激光线宽来抑制SBS，以实现更高功率规模的窄线宽光纤激光输出。
目前通过线宽展宽的途径来抑制SBS，其主要方法是利用调制器对单频种子源输出信号激光进行相位或频率调制以及通过噪声注入等，即对单频种子源的信号激光线宽进行展宽，随后进入光纤放大器进行功率放大。但是该方式线宽控制与调节范围受限，甚至需要多个调制器级联，系统损耗变大、且结构复杂。
相关专利有：(1)2015年，中国科学院物理研究所申请了一种基于高斯白噪声的激光展宽装置和方法的专利[公开号：CN104901154A]，通过利用齐纳稳压管产生的高斯白噪声，将混合了高斯白噪声的控制信号输入到激光模块对其进行控制。(2)2018年，中国人民解放军国防科技大学申请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的专利[公开号：CN108572469A]，将多路不同频点的合束激光通过相位调制器展宽线宽后，再利用分波器，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，最后得到一种可提供多路不同频点的单频激光器。但是上述两项专利其输出激光相干性不高或线宽不可控。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中存在的不足，提供基于调频单频种子源和四波混频的窄线宽光纤激光器。
本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
基于调频单频种子源和四波混频的窄线宽光纤激光器，包括：双波长调频单频种子源、第一光纤放大器、第二光纤放大器、偏振分束器、合波器、偏振控制器以及非线性光纤；
所述双波长调频单频种子源包含：宽带光纤光栅、高增益光纤、窄带保偏光纤光栅、PZT精密压电陶瓷、谐振腔温控模块、波分复用器、单模泵浦激光器、光隔离器；其中，宽带光纤光栅的一端、高增益光纤的两端和窄带保偏光纤光栅的一端依次连接组成单频激光谐振短腔；PZT精密压电陶瓷固定在窄带保偏光纤光栅的侧面；窄带保偏光纤光栅的另一端与波分复用器的公共端连接；单频激光谐振短腔置于谐振腔温控模块中进行精确温度控制；波分复用器的泵浦端与单模泵浦激光器的尾纤连接，波分复用器的信号端与光隔离器的输入端连接；
所述第一光纤放大器包含：第一合束器、第一多模泵浦激光器、第一双包层增益光纤、第一包层光滤除器、第一高功率光隔离器；其中，第一合束器的泵浦端与第一多模泵浦激光器的尾纤连接，第一合束器的公共端与第一双包层增益光纤的一端连接，第一双包层增益光纤的另一端与第一高功率光隔离器的输入端连接，同时在第一双包层增益光纤和第一高功率光隔离器的连接点处设置第一包层光滤除器；
所述第二光纤放大器包含：第二合束器、第二多模泵浦激光器、第二双包层增益光纤、第二包层光滤除器、第二高功率光隔离器；其中，第二合束器的泵浦端与第二多模泵浦激光器的尾纤连接，第二合束器的公共端与第二双包层增益光纤的一端连接，第二双包层增益光纤的另一端与第二高功率光隔离器的输入端连接，同时在第二双包层增益光纤和第二高功率光隔离器的连接点设置处包层第二光滤除器；
光隔离器的输出端与偏振分束器的输入端连接，偏振分束器的两个输出端分别与第一光纤放大器的第一合束器的输入端、第二光纤放大器的第二合束器的输入端连接；第一高功率光隔离器的输出端和第二高功率光隔离器的输出端分别与合波器的两个输入端连接，合波器的输出端与偏振控制器的输入端连接，偏振控制器的输出端与非线性光纤的一端连接，非线性光纤的另一端作为窄线宽光纤激光输出端口。
进一步地，所述宽带光纤光栅、高增益光纤和窄带保偏光纤光栅之间是通过对接或者熔接方式连接。
进一步地，所述高增益光纤的纤芯均匀掺杂高浓度的发光离子，所述发光离子为镧系离子、过渡金属离子中的一种或多种组合，其中，发光离子的掺杂浓度大于1×1019ions/cm3；所述高增益光纤的单位长度增益大于1dB/cm，其光纤有效长度为厘米量级。
进一步地，所述非线性光纤为产生四波混频效应的非线性介质，非线性光纤为光子晶体光纤、石英基质高非线性光纤、掺重金属离子氧化物玻璃光纤、硫属化物玻璃光纤中的一种；非线性光纤在双波长调谐单频种子源的输出光波长处色散值处于范围-50ps/(nm·km)到50ps/(nm·km)之间；非线性光纤的非线性系数大于1(W·km)-1。
进一步地，所述窄带保偏光纤光栅的光纤类型为长拍长保偏光纤，其输出的两束正交偏振光的光波长差为十皮米量级。
进一步地，所述PZT精密压电陶瓷用光学胶紧贴固定于窄带保偏光纤光栅的侧面，对窄带保偏光纤光栅施加应力，即横向拉力或纵向压力。
进一步地，所述PZT精密压电陶瓷对窄带保偏光纤光栅施加侧向应力，根据所需混频光波中心波长及线宽要求，利用改变应力的方式对单频激光谐振短腔所输出两束正交偏振泵浦光的频率差以及两束光波的工作波长(频率)进行调谐与控制，从而改变四波混频效应中四个相近光波的频移量来控制输出混频激光的线宽。
进一步地，所述谐振腔温控模块的控制精度为0.1℃，可以对单频激光谐振短腔整体进行温控。
进一步地，所述谐振腔温控模块可以改变单频激光谐振短腔的工作温度，根据所需混频光波中心波长及线宽要求，利用温控的方式对单频激光谐振短腔所输出两束正交偏振泵浦光的频率差以及两束光波的工作波长(频率)进行调谐与控制，从而改变四波混频效应中四个相近光波的频移量来控制所输出混频激光的线宽。
进一步地，所述合波器为光纤耦合器、合束器、波分复用器中的一种，其端口类型为2×1。
进一步地，通过调节注入到非线性光纤中的双波长光束的功率大小，从而改变非线性光纤7中的增益，从而继续实现四波混频后输出激光的波长包络带宽的精密调谐与控制，实现输出激光线宽的进一步可控。
本发明首先通过宽带光纤光栅、高增益光纤、窄带保偏光纤光栅组成单频激光谐振短腔，通过设计光栅对的参数进而设计双波长调频单频种子源的自身工作波长(频率)，即通过设计带宽足够宽的高反射率光栅，使该高反射率光栅的带宽足够覆盖保偏长拍长低反射率光栅的快轴反射波与慢轴反射波，最后使得双波长调频单频种子源输出两束正交偏振泵浦光。其中窄带保偏光纤光栅由于应力双折射作用，两束光波从窄带保偏光纤光栅中所透射的快轴光和慢轴光得到。再由于窄带保偏光纤光栅光纤的长拍长特性，其光纤两主轴的有效双折射率差较小，从而使得窄带光纤光栅的快轴光与慢轴光的波长差为十皮米量级，将此双波长光束作为四波混频的泵浦光，可以得到四个光频接近的光波，实现输出激光线宽高调节精度的目的。
接着将两束光波通过偏振分束器将其分束，分别经第一光纤放大器和第二光纤放大器提升其功率强度至满足产生非线性参量增益的要求，再经合波器合束为一束光波，将混合了两个光频的光波经由偏振控制器调节进入非线性光纤的激光偏振态，使得两束泵浦光尽可能同向偏振，最后进入非线性光纤通过四波混频效应来产生新的频率，由四波混频原理得到四个光频接近的光波，其光谱包络带宽较窄，由此得到经光谱展宽的窄线宽光纤激光输出。
再者，利用PZT精密压电陶瓷的电致伸缩效应对窄带保偏光纤光栅施加应力，精确调谐与控制经单频激光谐振短腔输出的两束光波的频率差以及自身工作波长(频率)，使得四波混频效应中四个相近光波的频移量自由改变，从而控制输出激光线宽。同时利用谐振腔温控模块改变单频激光谐振短腔的工作温度，利用温控方式对单频激光谐振短腔输出的两束光波的频率差以及自身工作波长(频率)进行调谐与控制，从而改变四波混频效应中四个相近光波的频移量来控制输出激光线宽，实现其线宽可控的目的。此外，通过调节注入到非线性光纤中的双波长光束的功率大小，从而改变非线性光纤中的增益，实现输出激光线宽的进一步可控。因此，通过调谐与控制双波长调频单频种子源的两束光波的频率差，最终实现线宽可控窄线宽光纤激光输出。
与现有技术相比，本发明的技术效果是：
利用长拍长保偏光纤设计窄带光纤光栅组成单频激光谐振短腔，从而使得窄带光纤光栅的快轴光与慢轴光的波长差为皮米量级，将双波长调频单频种子源输出的两束正交偏振光波作为四波混频的泵浦光，可以得到四个光频接近的光波，实现输出激光线宽的高调节精度。再利用固定在窄带光纤光栅上的PZT精密压电陶瓷加载偏置电压信号，对窄带保偏光纤光栅施加侧向应力的方式，以及通过谐振腔温控模块改变单频激光谐振短腔的工作温度的温控方式，实现两束光波的频率差以及自身工作波长(频率)的精确调谐与控制，使得四波混频效应中四个相近光波的频移量自由改变，其波长包络的带宽可调，从而控制输出激光线宽。进一步利用调节注入到非线性光纤中的双波长光束的功率大小，从而改变非线性光纤中的增益，实现输出激光线宽的进一步可控。最终实现输出激光在保持原有单频激光谐振短腔的低噪声、结构紧凑的特点之外，还具有线宽可控、线宽调节范围大、线宽调节精度高的优点。本发明提供的窄线宽光纤激光器可广泛用于非线性频率转换、相干合成、光谱合成、引力波探测等领域。
附图说明
图1为本发明实施例中基于调频单频种子源和四波混频的窄线宽光纤激光器的原理示意图。
具体实施方式
以下结合附图，通过具体实施例对本发明的具体实施作进一步描述，需要说明的是本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。
实施例：
如图1所示，基于调频单频种子源和四波混频的窄线宽光纤激光器，包括：双波长调频单频种子源1、第一光纤放大器2、第二光纤放大器3、偏振分束器4、合波器5、偏振控制器6以及非线性光纤7；
所述双波长调频单频种子源1包含：宽带光纤光栅11、高增益光纤12、窄带保偏光纤光栅13、PZT精密压电陶瓷14、谐振腔温控模块15、波分复用器16、单模泵浦激光器17、光隔离器18；其中，宽带光纤光栅11的一端、高增益光纤12的两端和窄带保偏光纤光栅13的一端依次连接组成单频激光谐振短腔；PZT精密压电陶瓷14固定在窄带保偏光纤光栅13的侧面；窄带保偏光纤光栅13的另一端与波分复用器16的公共端连接；单频激光谐振短腔置于谐振腔温控模块15中进行精确温度控制；波分复用器16的泵浦端与单模泵浦激光器17的尾纤连接，波分复用器16的信号端与光隔离器18的输入端连接；
所述第一光纤放大器2包含：第一合束器21、第一多模泵浦激光器22、第一双包层增益光纤23、第一包层光滤除器24、第一高功率光隔离器25；其中，第一合束器21的泵浦端与第一多模泵浦激光器22的尾纤连接，第一合束器21的公共端与第一双包层增益光纤23的一端连接，第一双包层增益光纤23的另一端与第一高功率光隔离器25的输入端连接，同时在第一双包层增益光纤23和第一高功率光隔离器25的连接点处设置第一包层光滤除器24；
所述第二光纤放大器3包含：第二合束器31、第二多模泵浦激光器32、第二双包层增益光纤33、第二包层光滤除器24、第二高功率光隔离器35；其中，第二合束器31的泵浦端与第二多模泵浦激光器32的尾纤连接，第二合束器31的公共端与第二双包层增益光纤33的一端连接，第二双包层增益光纤33的另一端与第二高功率光隔离器35的输入端连接，同时在第二双包层增益光纤33和第二高功率光隔离器35的连接点设置处包层第二光滤除器34；
光隔离器18的输出端与偏振分束器4的输入端连接，偏振分束器4的两个输出端分别与第一光纤放大器2的第一合束器21的输入端、第二光纤放大器3的第二合束器31的输入端连接；第一高功率光隔离器25的输出端和第二高功率光隔离器35的输出端分别与合波器5的两个输入端连接，合波器5的输出端与偏振控制器6的输入端连接，偏振控制器6的输出端与非线性光纤7的一端连接，非线性光纤7的另一端作为窄线宽光纤激光输出端口。
本实施例中，单频激光谐振短腔所使用的高增益光纤12为纤芯均匀掺杂高增益Yb3+的磷酸盐玻璃光纤，其核心区Yb3+掺杂浓度为15.2wt％，其单位长度增益为5.7dB/cm，其光纤有效长度为1.5cm。
本实施例中，使用的宽带光纤光栅11的工作中心波长为1064.52nm，3dB反射带宽为2nm，对激光信号波长的反射率为99.9％；长拍长窄带保偏光纤光栅13的慢轴、快轴工作中心波长分别为1064.54nm、1064.53nm，3dB反射带宽均为0.08nm，对激光信号波长反射率均为65％，慢轴、快轴光波长差为10pm。宽带光纤光栅11、窄带保偏光纤光栅13和掺Yb3+磷酸盐玻璃光纤之间通过熔接方式连接，一起构成分布式布拉格反射(DBR)型单频激光谐振短腔。
本实施例中，使用的PZT精密压电陶瓷14用环氧树脂紧贴固定在长拍长窄带保偏光纤光栅13的侧面，对其施加横向拉力。
本实施例中，谐振腔温控模块15的实现是将单频激光谐振短腔封装于铜管中，并用TEC制冷器温控模块对整个单频激光谐振短腔进行精确温度控制，控制精度为0.1℃。
本实施例中，使用的单模泵浦激光器17为工作波长976nm的单模半导体激光器。
本实施例中，使用的合波器5为2×1端口类型的光纤耦合器。
本实施例中，使用的非线性光纤7为光子晶体光纤，其纤芯直径为4.6μm、零色散波长点为1060nm、非线性系数@1060nm为15(W·km)-1。
本实施例中，基于调频单频种子源和四波混频的窄线宽光纤激光器的工作过程为：首先，单模泵浦激光器17产生的单模泵浦光通过976/1064nm波分复用器16对单频激光谐振短腔进行后向泵浦，由其长拍长窄带保偏光纤光栅13输出正交偏振的快慢轴光，此快慢轴光作为四波混频的泵浦光，双波长调频单频种子源1产生的两束正交偏振泵浦光即单频光纤激光经1064nm光隔离器18输出。将两束光波通过偏振分束器4将其分束后分别进入第一光纤放大器2和第二光纤放大器3，各自经过长度为2.5m的掺Yb3+双包层石英光纤进行功率放大至10W，掺Yb3+双包层石英光纤的纤芯直径为5μm、内包层直径为125μm、数值孔径为0.08NA；然后将放大后的两束激光经合波器5即光纤耦合器合束为一束光，将其经偏振控制器6调整偏振态之后，再将激光输入到非线性光纤7中直至出现四波混频效应，由四波混频产生新的频率，使得输出激光的线宽展宽；最后根据所需混频光波中心波长及线宽要求，通过对PZT精密压电陶瓷加载偏置电压信号，调节与控制施加于长拍长窄带保偏光纤光栅的侧向应力；以及通过谐振腔温控模块调节与控制单频激光谐振短腔的工作温度，从而使得两束光波的频率差以及自身工作波长(频率)的精确调谐与控制，从而改变基于四波混频效应中四个相近光波的频移量来控制输出激光线宽。进一步通过调节注入到光子晶体光纤中的双波长光束的功率大小在1-10W之间变化，其改变光子晶体光纤中的增益，从而继续实现四波混频后输出激光的波长包络带宽的精密调谐与控制。最终实现线宽可控范围为0.5～200GHz、线宽调节精度为MHz量级、功率大于100mW、工作波长1.0μm波段的窄线宽光纤激光输出。

Claims (9)

1.基于调频单频种子源和四波混频的窄线宽光纤激光器，其特征在于，包括：双波长调频单频种子源（1）、第一光纤放大器（2）、第二光纤放大器（3）、偏振分束器（4）、合波器（5）、偏振控制器（6）以及非线性光纤（7）；
所述双波长调频单频种子源（1）包含：宽带光纤光栅（11）、高增益光纤（12）、窄带保偏光纤光栅（13）、PZT精密压电陶瓷（14）、谐振腔温控模块（15）、波分复用器（16）、单模泵浦激光器（17）、光隔离器（18）；其中，宽带光纤光栅（11）的一端、高增益光纤（12）的两端和窄带保偏光纤光栅（13）的一端依次连接组成单频激光谐振短腔；PZT精密压电陶瓷（14）固定在窄带保偏光纤光栅（13）的侧面；窄带保偏光纤光栅（13）的另一端与波分复用器（16）的公共端连接；单频激光谐振短腔置于谐振腔温控模块（15）中进行精确温度控制；波分复用器（16）的泵浦端与单模泵浦激光器（17）的尾纤连接，波分复用器（16）的信号端与光隔离器（18）的输入端连接；
所述第一光纤放大器（2）包含：第一合束器（21）、第一多模泵浦激光器（22）、第一双包层增益光纤（23）、第一包层光滤除器（24）、第一高功率光隔离器（25）；其中，第一合束器（21）的泵浦端与第一多模泵浦激光器（22）的尾纤连接，第一合束器（21）的公共端与第一双包层增益光纤（23）的一端连接，第一双包层增益光纤（23）的另一端与第一高功率光隔离器（25）的输入端连接，同时在第一双包层增益光纤（23）和第一高功率光隔离器（25）的连接点处设置第一包层光滤除器（24）；
所述第二光纤放大器（3）包含：第二合束器（31）、第二多模泵浦激光器（32）、第二双包层增益光纤（33）、第二包层光滤除器（34）、第二高功率光隔离器（35）；其中，第二合束器（31）的泵浦端与第二多模泵浦激光器（32）的尾纤连接，第二合束器（31）的公共端与第二双包层增益光纤（33）的一端连接，第二双包层增益光纤（33）的另一端与第二高功率光隔离器（35）的输入端连接，同时在第二双包层增益光纤（33）和第二高功率光隔离器（35）的连接点处设置第二包层光滤除器（34）；
光隔离器（18）的输出端与偏振分束器（4）的输入端连接，偏振分束器（4）的两个输出端分别与第一光纤放大器（2）的第一合束器（21）的输入端、第二光纤放大器（3）的第二合束器（31）的输入端连接；第一高功率光隔离器（25）的输出端和第二高功率光隔离器（35）的输出端分别与合波器（5）的两个输入端连接，合波器（5）的输出端与偏振控制器（6）的输入端连接，偏振控制器（6）的输出端与非线性光纤（7）的一端连接，非线性光纤（7）的另一端作为窄线宽光纤激光输出端口；所述窄带保偏光纤光栅（13）的光纤类型为长拍长保偏光纤，其输出的两束正交偏振光的光波长差为十皮米量级。
2.如权利要求1所述的基于调频单频种子源和四波混频的窄线宽光纤激光器，其特征在于：所述宽带光纤光栅（11）、高增益光纤（12）和窄带保偏光纤光栅（13）之间是通过对接或者熔接方式连接。
3.如权利要求1所述的基于调频单频种子源和四波混频的窄线宽光纤激光器，其特征在于：所述高增益光纤（12）的纤芯均匀掺杂高浓度的发光离子，所述发光离子为镧系离子、过渡金属离子中的一种或多种组合，其中，发光离子的掺杂浓度大于1×1019 ions/cm3；所述高增益光纤（12）的单位长度增益大于1dB/cm，其光纤有效长度为厘米量级。
4.如权利要求1所述的基于调频单频种子源和四波混频的窄线宽光纤激光器，其特征在于：所述非线性光纤（7）为产生四波混频效应的非线性介质，非线性光纤（7）为光子晶体光纤、石英基质高非线性光纤、掺重金属离子氧化物玻璃光纤、硫属化物玻璃光纤中的一种；非线性光纤（7）在双波长调频单频种子源（1）的输出光波长处色散值处于范围-50 ps/(nm·km）到50 ps/(nm·km）之间；非线性光纤（7）的非线性系数大于1（W·km）-1。
5.如权利要求1所述的基于调频单频种子源和四波混频的窄线宽光纤激光器，其特征在于：所述PZT精密压电陶瓷（14）用光学胶紧贴固定于窄带保偏光纤光栅（13）的侧面，对窄带保偏光纤光栅（13）施加应力，即横向拉力或纵向压力；所述谐振腔温控模块（15）的控制精度为0.1℃，可以对单频激光谐振短腔整体进行温控。
6.如权利要求5所述的基于调频单频种子源和四波混频的窄线宽光纤激光器，其特征在于：所述PZT精密压电陶瓷（14）对窄带保偏光纤光栅（13）施加侧向应力，根据所需混频光波中心波长及线宽要求，利用改变应力的方式对单频激光谐振短腔所输出两束正交偏振泵浦光的频率差以及两束光波的工作波长进行调谐与控制，从而改变四波混频效应中四个相近光波的频移量来控制输出混频激光的线宽。
7.如权利要求5所述的基于调频单频种子源和四波混频的窄线宽光纤激光器，其特征在于：所述谐振腔温控模块（15）可以改变单频激光谐振短腔的工作温度，根据所需混频光波中心波长及线宽要求，利用温控的方式对单频激光谐振短腔所输出两束正交偏振泵浦光的频率差以及该两束光波的工作波长进行调谐与控制，从而改变四波混频效应中四个相近光波的频移量来控制所输出混频激光的线宽。
8.如权利要求1所述的基于调频单频种子源和四波混频的窄线宽光纤激光器，其特征在于：所述合波器（5）为光纤耦合器、合束器、波分复用器中的一种，其端口类型为2×1。
9.如权利要求4所述的基于调频单频种子源和四波混频的窄线宽光纤激光器，其特征在于：进一步通过调节注入到非线性光纤（7）中的双波长光束的功率大小，从而改变非线性光纤（7）中的增益，从而继续实现四波混频后输出激光的波长包络带宽的精密调谐与控制，实现输出激光线宽的进一步可控。
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