CN110994350A - 一种基于中红外光参量放大器的相干合成系统 - Google Patents

一种基于中红外光参量放大器的相干合成系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及激光阵列相干合成领域，公开了一种基于中红外光参量放大器的相干合成系统，本系统由相位可控的光参量放大器激光子束模块、主动相位控制模块和合束与光电探测反馈控制模块三部分组成。其中，光参量放大器激光子束包括泵浦源、种子源和光参量放大器三个部分，当光参量放大器中种子光与泵浦光功率密度比满足一定的条件时，种子光与输出光相位具有确定的关系，通过置于种子源中的相位调制器调节种子光相位以锁定中红外波段光参量放大器阵列光束间的相位，实现中红外光波的主动锁相相干合成。该系统中光参量放大器子束具有单路输出功率高、转换效率高、偏振度高、波长调谐范围广、线宽易于控制等优点。

Description

一种基于中红外光参量放大器的相干合成系统
技术领域
本发明涉及激光阵列相干合成领域，特别涉及一种基于中红外光参量放大器的相干合成系统。
背景技术
3～5μm波段是衰减最小，且涵盖较多原子和分子吸收峰的一个重要波段。该波段被广泛应用于光电对抗、大气监测、太赫兹场产生、自由空间光通信、激光医疗等国防、科研及民用领域。基于频率变换的光参量激光技术是产生1-5μm波段中红外激光的有效途径之一。受限于强抽运能量可能造成的非线性晶体和中红外膜层的损伤，进一步提升中红外光参量振荡器的输出功率并非易事。基于多路激光的功率合束技术是突破中红外激光功率提升瓶颈的一个有效手段。其中，相干合成技术具有很高的远场能量集中度，无需大光束发射孔径，远距离传输后主瓣仍具有很高的到靶功率密度，且具有很强的阵列拓展潜力。相干合成要求子束激光线宽窄、线偏振，且各子束激光间有恒定的相位差。中红外光参量振荡器单路输出功率高、转换效率高、偏振度高、波长调谐范围广、线宽易于控制，是极具潜力的相干合成中红外子光源。
采用主振荡功率放大激光器结构的相干合成系统比较成熟，将低功率的单频激光作为种子激光，并对其进行功率放大，以满足所需要的输出功率，激光放大器对种子激光进行放大的同时，会引入相位噪声，相位噪声的存在使相干合成的效果受到严重影响，一般是通过一定的算法从合成光束的光强起伏中提取出相位噪声信息，并利用相位调制器对种子激光进行实时校正。常用的算法包括随机并行梯度下降算法、外差法和抖动法等。
目前，相干合成在非线性频率变换领域应用的报道很少，且相关研究主要集中于通过基频光的相位锁定实现二次谐波的相干合成，鲜见于光参量激光器的相干合成。究其原因，相干合成技术对子束的相位控制提出了严苛的要求，而相位调制器可注入功率有限，无法直接对高功率激光进行相位控制。对于基于非线性频率变换的高功率光参量激光中红外光源，相干合成系统的相位调制器只能放在种子源的主放大器之前，而非线性频率变换过程中多参量之间相位关系复杂，光参量激光器中三波相位互相影响，具有高度不确定性。只有当光参量放大器中种子光与泵浦光功率密度比满足一定的条件时，种子光与输出光相位才具有确定的关系，通过置于种子源中的相位调制器调节种子光相位以锁定中红外波段光参量放大器阵列光束间的相位，可实现中红外光波的主动锁相相干合成。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供了一种基于中红外光参量放大器的相干合成系统；该系统通过置于种子激光器中的相位调制器调节种子光相位以锁定中红外波段光参量放大器阵列光束间的相位，实现中红外光波的主动锁相相干合成。
本发明采用的技术方案如下：一种基于中红外光参量放大器的相干合成系统，包括：光参量放大器激光子束模块、主动相位控制模块和合束与光电探测反馈控制模块；
所述光参量放大器激光子束模块包括泵浦源、种子源和光参量放大器；
所述泵浦源和种子源分别产生泵浦光和中红外光到光参量放大器，所述光参量放大器对中红外光进行功率定标放大，并将放大后的中红外光作为相干合成激光子束，再将激光子束传输给合束与光电探测反馈控制模块；
所述合束与光电探测反馈模块对接收到的激光子束进行相干合成，输出合成光，并探测一部分合成光的光强，将其传输给主动相位控制模块；
所述主动相位控制模块接收合束与光电探测反馈模块传来的合成光的光强，并将其作为反馈信号对中红外光的相位进行控制。
进一步的，所述光参量放大器内依次设有偏振控制组件、耦合系统、合束镜、隔离系统和非线性激光晶体；所述偏振控制组件对接收到的泵浦光和中红外光进行相位调整，使其与非线性激光晶体晶轴匹配；所述耦合系统分别对泵浦光和中红外光进行光束缩束和准直；使其功率密度比满足相位可控条件，通过调整光斑大小优化峰值功率密度、发散角以获得高非线性转换效率；所述合束镜对泵浦光和中红外光进行空间合束；所述隔离系统用以隔离反射光，避免其对低功率种子源造成损伤。
进一步的，所述偏振控制组件包括种子源的偏振控制系统和泵浦源的偏振控制系统；所述种子源的偏振控制系统和泵浦源的偏振控制系统都采用半波片；通过半波片调整泵浦光和中红外光的偏振态进行调整，使其与非线性晶体晶轴匹配；
所述非线性晶体采用大通光口径的PPLN晶体、PPMgLN晶体中的任意一种；或者采用PPLT晶体、PPSLT晶体、ZGP晶体中的任意一种；
所述PPLN晶体或者PPMgLN晶体的晶体表面镀有对应1μm和2μm中红外波段的增透膜。
进一步的，所述泵浦源内依次设有泵浦源的低功率种子源、第一分束器和泵浦源的多级放大系统；所述泵浦源的低功率种子源产生泵浦光，经第一分束器分成N路泵浦光，每一路泵浦光经泵浦源的多级放大系统进行功率放大，放大后的泵浦光注入各路的光参量放大器。
进一步的，所述泵浦源的低功率种子源采用808nm泵浦的Nd掺杂脉冲固体激光器。
进一步的，所述种子源中依次设置有低功率中红外种子源、第二分束器和种子源的多级放大系统；所述低功率中红外种子源产生中红外激光，经第二分束器分成N路中红外激光，每一路中红外激光经种子源的多级放大系统进行功率放大，放大后的中红外激光注入各路的光参量放大器。
进一步的，所述低功率中红外种子源采用2μm连续单频偏振半导体激光器，相应的，所述低功率中红外种子源的多级放大系统多级掺Tm2μm单频连续保偏光纤放大器；
或者所述低功率中红外种子源采用窄线宽脉冲中红外光参量振荡器，相应的，所述低功率中红外种子源的多级放大系统采用多级光参量放大器。
进一步的，所述合束与光电探测反馈控制模块包括光程差调节系统、光电探测器、相干合成的合束器和分光镜；
所述光程差调节系统由几组空间折返镜组成，通过调节折返镜空间距离改变经由此光程差调节系统的激光子束光程；
所述分光镜用于将光参量放大器输出的中红外信号光(此处默认与种子光波长一致)与中红外闲频光空间分离，对中红外信号光与中红外闲频光分别具有高反射率和高透过率；反射的中红外信号光作为参与相干合成的激光子束，透射的中红外闲频光用吸收池进行回收处理；
所述合束器采用一块半透半反镜或者一组微透镜阵列，分别应用于共孔径输出与分孔径光束拼接输出：当采用半透半反镜时，透射光作为输出光，反射光作为指示光；当采用微透镜阵列时，在通过微透镜阵列之后的输出组束之后放置一分光镜，高功率透射光作为输出光，低功率反射光作为指示光；
所述光电探测器对指示光进行功率探测，并将探测信号经过AD转换输入主动相位控制模块。
进一步的，所述主动相位控制模块包括相位控制器，所述相位控制器接收反馈来的合束光的光强，根据其控制中红外光的相位；
所述相位控制器执行外差法或者SPGD算法，所述相位控制器执行SPGD算法时，相干合成系统只需要一个光电探测器对合束光进行探测；
所述相位控制器为2μm光纤波导铌酸锂相位控制器或者空间铌酸锂相位控制器。
进一步的，所述泵浦源和种子源都采用多级MOPA结构；所述泵浦源的低功率种子源和低功率中红外种子源都采用连续模式或者脉冲模式分别产生泵浦光和中红外光；
所述连续模式泵浦源的低功率种子源的谐振腔内包括全反镜、泵浦激光增益模块和输出镜；所述输出镜设置在泵浦激光增益模块的一侧，泵浦激光增益模块发射出的激光束穿过输出镜后射入光参量放大器内的耦合隔离系统；所述全反镜设置在泵浦激光增益模块远离输出镜的一侧；
所述脉冲模式的泵浦源的低功率种子源的谐振腔在连续模式的泵浦源谐振腔设置方式的基础上还包括在泵浦源谐振腔的输出镜前放置Q开关，并且采用数字信号发射器控制泵浦源的时间同步性。
与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：该系统中中红外光参量放大器子束具有单路输出功率高、转换效率高、偏振度高、波长调谐范围广、线宽易于控制、相位可控等优点，基于光参量放大器的相干合成系统突破了单路光参量激光器中非线性晶体的强光热损伤带来的功率提升瓶颈，具有很强的阵列拓展潜力。
附图说明
图1是本发明一种实施方式的结构示意图。
图2是本发明另一种实施方式的结构示意图。
附图标记：1为低功率中红外种子源，2为泵浦源的低功率种子源，3为种子源的相位调制器，4为种子源的多级放大系统，5为泵浦源的多级放大系统，6为种子源的偏振控制系统，7为泵浦源的偏振控制系统，8为耦合系统，9为光参量放大器的合束镜，10为隔离系统，11为非线性晶体，12为光程差调节系统，13为光电探测器，14为相干合成的合束器，15为分光镜，16为高透过率低反射的分光镜。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
实施例1
如图1所示，一种基于中红外光参量放大器的相干合成系统，包括：光参量放大器激光子束模块、主动相位控制模块和合束与光电探测反馈控制模块三大部分；其中光参量放大器激光子束包括泵浦源、种子源和光参量放大器三个部分；主动相位控制模块包括种子源的相位控制器；合束与光电探测反馈控制模块由光程差调节系统、光电探测器、相干合成的合束器和分光镜组成。
泵浦源采用多级MOPA结构，泵浦源由泵浦源的低功率种子源、第一分束器和泵浦源的多级放大系统依次设置组成；泵浦源的低功率种子源采用脉冲模式或者连续模式产生泵浦光，经第一分束器分成N路泵浦光，每一路泵浦光经泵浦源的多级放大系统进行功率放大，放大后的泵浦光注入各路的光参量放大器。
连续模式泵浦源的低功率种子源的谐振腔内包括全反镜、泵浦激光增益模块和输出镜；所述输出镜设置在泵浦激光增益模块的一侧，泵浦激光增益模块发射出的激光束穿过输出镜后射入光参量放大器内的耦合隔离系统；全反镜设置在泵浦激光增益模块远离输出镜的一侧。
脉冲模式的泵浦源的低功率种子源的谐振腔在连续模式的泵浦源谐振腔设置方式的基础上还包括在泵浦源谐振腔的输出镜前放置Q开关，并且采用数字信号发射器控制泵浦源的时间同步性。
泵浦源中的低功率种子源采用808nm泵浦的Nd掺杂脉冲固体激光器(如Nd:YAG、Nd:YVO4、Nd:GdVO4)，Q开关采用1μm的声光Q开关，可以实现1μm的脉冲激光输出，泵浦源的多级放大系统采用808nm泵浦的Nd掺杂晶体，可以实现平均功率百瓦级的1μm的高功率脉冲激光输出，重复频率为20～50kHz，脉宽约为40～100ns。泵浦源低功率种子源采用数字信号发生器精确控制各路泵浦源的时间同步性。
种子源采用多级MOPA结构，种子源中依次设置有低功率中红外种子源、第二分束器和种子源的多级放大系统；低功率中红外种子源产生中红外激光，经第二分束器分成N路中红外激光，每一路中红外激光经种子源的多级放大系统进行功率放大，放大后的中红外激光注入各路的光参量放大器。
低功率中红外种子源采用2μm连续单频偏振半导体激光器，种子源的多级放大系统采用多级掺Tm2μm单频连续保偏光纤放大器，种子源的相位控制器为2μm光纤波导铌酸锂相位控制器。尾纤输出的2μm单频偏振半导体激光器输出光经光纤分束器后，每路激光小于10mW，注入2μm光纤波导铌酸锂相位控制器中，再由多级掺Tm2μm单频保偏光纤激光器进行功率放大，线宽小于100kHz。
光参量放大器内依次设有偏振控制组件、耦合系统、合束镜、隔离系统和非线性激光晶体；偏振控制组件包括泵浦源的偏振控制系统和种子源的偏振控制系统；泵浦源的偏振控制系统和种子源的偏振控制系统采用半波片分别对1μm泵浦光和2μm种子光偏振态进行调整，使其与非线性晶体晶轴匹配；耦合系统对1μm泵浦光和2μm种子光进行光束缩束和准直，使其功率密度比满足相位可控条件，通过调整光斑大小优化峰值功率密度、发散角以获得高非线性转换效率；光参量放大器的合束镜对1μm泵浦光和2μm种子光进行空间合束，通过精确调节耦合系统和合束镜使1μm泵浦光和2μm种子光获得良好的空间交叠以获得高非线性转换效率；隔离系统用以隔离反射光，避免其对前级2μm连续单频偏振半导体激光器造成损伤；非线性晶体采用大通光口径的PPLN晶体(Periodically Poled LithiumNiobate，周期极化铌酸锂)或PPMgLN晶体(Periodically Poled MgO doped LithiumNiobate，周期极化铌酸锂)，晶体表面镀有对应1μm和2μm中红外波段的增透膜。通过设计PPLN晶体的极化周期(单周期、混合周期、扇形周期等复合周期)及工作温度，可以满足系统中种子源波长与泵浦源波长的相位匹配条件，实现2μm波段的中红外激光输出。
合束与光电探测反馈控制模块的光程差调节系统由几组空间折返镜组成，通过调节折返镜空间距离改变经由此系统的激光子束光程；相干合成的分光镜对2μm中红外信号光具有高反射率，对另一波段的中红外闲频光有高透过率，反射的2μm中红外信号光可以参与下一步合束，透过的中红外闲频光则采用吸收池进行回收处理；合束器采用一块半透半反镜，两路合成子束经由合束器后分为两路共孔径输出光，在合束器的透射或反射方向上实现光束截面重叠传输方向一致，实现全孔径光场相干叠加，其中一路指示光作为相位控制光，另一路高亮度的相干光束采用相同方式进行下一轮合成，通过多级相干合成，得到更高亮度的输出光束；光电探测器对指示光进行功率探测，探测器输出信号经过AD转换后进入主动相位控制模块。
主动相位控制模块中的种子源相位控制器执行外差法，低功率中红外种子源的一束分束中红外光进行移频作为参考光，通过获取指示光的外差信号，用外差处理电路进行处理，解调出各路光束的相位噪声，反相施加到对应的种子源相位调制器上，使各路中红外光与参考光相位保持一致，实现光束相位相干锁定。
实施例2
优选地，低功率中红外种子源采用窄线宽脉冲中红外光参量振荡器，其中红外输出激光线宽通过在中红外光参量振荡器腔内插入光栅、FP标准具等方式进行压窄以满足相干合成对子束线宽提出的要求，通过调节晶体温度可获得中心波长2～5μm的可调谐中红外激光输出。相应的，种子源的多级放大系统采用多级光参量放大器，其非线性晶体的各项参数与种子源窄线宽中红外光参量振荡器和后续光参量放大器中保持一致，通过精细调节各系统的PPLN晶体温度，使得最终相干合成系统中每束中红外激光中心波长保持一致。需注意的是，需通过数字信号发生器调节窄线宽脉冲中红外光参量振荡器的泵浦源脉冲状态，使得光参量放大器中的泵浦源和种子源时间同步。
实施例3
优选地，非线性晶体采用PPLT晶体(Periodically Poled Lithium Tantalate，周期极化钽酸锂)、PPSLT晶体(Periodically Poled Stoichiometric Lithium Tantalate，周期极化化学计量比钽酸锂)或ZGP晶体(ZnGeP2，磷锗锌)。通过设计PPLT或PPSLT晶体的极化周期(单周期、混合周期、扇形周期等复合周期)及工作温度，设计ZGP晶体的切割角度等参数，可以满足光参量放大器的相位匹配条件。相位调制器波段及各种光学器件镀膜均做出相应改变。
实施例4
如图2所示，优选地，主动相位控制模块中的种子源的相位控制器执行SPGD算法，只需要1个光电探测器对N路合束光的小功率分光进行探测。信号处理电路通过相位控制器对各路光束施加小幅高频振荡信号，信号处理电路通过滤波、锁相检测从光电探测器中分离出每一路光束的相位误差信号，将这些误差信号作为控制信号反馈到相位控制器，实现各路中红外光束相位锁定。
同时，合束器采用分孔径光束拼接的方式微透镜阵列，首先将各子束中红外激光进行准直，压缩子束间距离，准直输出光经分束镜分为两束，一路经透镜聚焦过小孔进入光电探测器，一路直接输出，在远场获得稳定的干涉。
实施例5
优选地，泵浦源中的低功率种子源采用793nm的Tm:YAP固体激光器，输出1.9μm激光。相位调制器波段及各种光学器件镀膜均做出相应改变。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种基于中红外光参量放大器的相干合成系统，其特征在于，包括：光参量放大器激光子束模块、主动相位控制模块和合束与光电探测反馈控制模块；
所述光参量放大器激光子束模块包括泵浦源、种子源和光参量放大器；
所述泵浦源和种子源分别产生泵浦光和中红外光到光参量放大器，所述光参量放大器对中红外光进行功率定标放大，并将放大后的中红外光作为相干合成激光子束，再将激光子束传输给合束与光电探测反馈控制模块；
所述合束与光电探测反馈模块对接收到的激光子束进行相干合成输出，并探测一部分合成光的光强，将其传输给主动相位控制模块；
所述主动相位控制模块接收合束与光电探测反馈模块传来的合成光的光强，并将其作为反馈信号对中红外光的相位进行控制。
2.根据权利要求1所述的一种基于中红外光参量放大器的相干合成系统，其特征在于，所述光参量放大器内依次设有偏振控制组件、耦合系统、合束镜、隔离系统和非线性激光晶体；所述偏振控制组件对接收到的泵浦光和中红外光进行相位调整，使其与非线性激光晶体晶轴匹配；所述耦合系统分别对泵浦光和中红外光进行光束缩束和准直；所述合束镜对泵浦光和中红外光进行空间合束；所述隔离系统用以隔离反射光。
3.根据权利要求2所述的一种基于中红外光参量放大器的相干合成系统，其特征在于，
所述偏振控制组件包括种子源的偏振控制系统和泵浦源的偏振控制系统；所述种子源的偏振控制系统和泵浦源的偏振控制系统都采用半波片；
所述非线性晶体采用大通光口径的PPLN晶体、PPMgLN晶体中的任意一种；或者采用PPLT晶体、PPSLT晶体、ZGP晶体中的任意一种；
所述PPLN晶体或者PPMgLN晶体的晶体表面镀有对应1μm及2μm中红外波段的增透膜。
4.根据权利要求1-3任一所述的一种基于中红外光参量放大器的相干合成系统，其特征在于，所述泵浦源内依次设有泵浦源的低功率种子源、第一分束器和泵浦源的多级放大系统；所述泵浦源的低功率种子源产生泵浦光，经第一分束器分成N路泵浦光，每一路泵浦光经泵浦源的多级放大系统进行功率放大，放大后的泵浦光注入各路的光参量放大器。
5.根据权利要求4所述的一种基于中红外光参量放大器的相干合成系统，其特征在于，所述泵浦源的低功率种子源采用808nm泵浦的Nd掺杂脉冲固体激光器。
6.根据权利要求1、2、3、5任一所述的一种基于中红外光参量放大器的相干合成系统，其特征在于，所述种子源中依次设置有低功率中红外种子源、第二分束器和种子源的多级放大系统；所述低功率中红外种子源产生中红外激光，经第二分束器分成N路中红外激光，每一路中红外激光经种子源的多级放大系统进行功率放大，放大后的中红外激光注入各路的光参量放大器。
7.根据权利要求6所述的一种基于中红外光参量放大器的相干合成系统，其特征在于，所述低功率中红外种子源采用2μm单频连续偏振半导体激光器，相应的，所述低功率中红外种子源的多级放大系统多级掺Tm2μm单频连续保偏光纤放大器；
或者所述低功率中红外种子源采用窄线宽脉冲中红外光参量振荡器，相应的，所述低功率中红外种子源的多级放大系统采用多级光参量放大器。
8.根据权利要求1、2、3、5、7任一所述的一种基于中红外光参量放大器的相干合成系统，其特征在于，所述合束与光电探测反馈控制模块包括光程差调节系统、光电探测器、相干合成的合束器和分光镜；
所述光程差调节系统由几组空间折返镜组成，通过调节折返镜空间距离改变经由此光程差调节系统的激光子束光程；
所述分光镜用于将光参量放大器输出的中红外信号光与中红外闲频光空间分离，对中红外信号光与中红外闲频光分别具有高反射率和高透过率；反射的中红外信号光作为参与相干合成的激光子束，透射的中红外闲频光用吸收池进行回收处理；
所述合束器采用一块半透半反镜或者一组微透镜阵列，分别应用于共孔径输出与分孔径光束拼接输出：当采用半透半反镜时，透射光作为输出光，反射光作为指示光；当采用微透镜阵列时，在通过微透镜阵列之后的输出组束之后放置一分光镜，高功率透射光作为输出光，低功率反射光作为指示光；
所述光电探测器对指示光进行功率探测，并将探测信号经过AD转换输入主动相位控制模块。
9.根据权利要求1、2、3、5、7任一所述的一种基于中红外光参量放大器的相干合成系统，其特征在于，所述主动相位控制模块包括相位控制器，所述相位控制器接收反馈来的合束光的光强，根据其控制中红外光的相位；
所述相位控制器执行外差法或者SPGD算法，所述相位控制器执行SPGD算法时，相干合成系统只需要一个光电探测器对合束光进行探测；
所述相位控制器为2μm光纤波导铌酸锂相位控制器或者空间铌酸锂相位控制器。
10.根据权利要求1、2、3、5、7任一所述的一种基于中红外光参量放大器的相干合成系统，其特征在于，所述泵浦源和种子源都采用多级MOPA结构；所述泵浦源的低功率种子源和低功率中红外种子源都采用连续模式或者脉冲模式分别产生泵浦光和中红外光；
所述连续模式泵浦源的低功率种子源的谐振腔内包括全反镜、泵浦激光增益模块和输出镜；所述输出镜设置在泵浦激光增益模块的一侧，泵浦激光增益模块发射出的激光束穿过输出镜后射入光参量放大器内的耦合隔离系统；所述全反镜设置在泵浦激光增益模块远离输出镜的一侧；
所述脉冲模式的泵浦源的低功率种子源的谐振腔在连续模式的泵浦源谐振腔设置方式的基础上还包括在泵浦源谐振腔的输出镜前放置Q开关，并且采用数字信号发射器控制泵浦源的时间同步性。
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