CN111564750A - 抑制高功率、窄线宽光纤激光放大器中受激布里渊散射效应的系统及方法 - Google Patents

抑制高功率、窄线宽光纤激光放大器中受激布里渊散射效应的系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种抑制高功率、窄线宽光纤激光放大器中受激布里渊散射效应的系统及方法，对高功率、窄线宽光纤激光放大器中的单频激光器输出的单频激光进行相位调制采用的相位调制信号为φf(t)，其中φf(t)＝rem(φ(t)/2π)，
Figure DDA0002496960410000011
实现单频激光光谱的展宽，以达到抑制受激布里渊散射效应的目的。本发明相较于现有的白噪声信号调制和伪随机相位编码调制，能够实现更高效的受激布里渊散射抑制，为高功率、窄线宽光纤激光系统的进一步功率提升提供理论基础和技术支撑。

Description

抑制高功率、窄线宽光纤激光放大器中受激布里渊散射效应 的系统及方法
技术领域
本发明属于光纤激光技术领域，具体地涉及一种抑制高功率、窄线宽光纤激光放大器中受激布里渊散射效应的系统及方法。
背景技术
高功率、窄线宽光纤激光在光束合成、激光变频、激光通信等领域具有重要应用。目前，受激布里渊散射效应是限制其功率提升的核心因素之一。受激布里渊散射作为一种典型的非线性效应，产生于光纤中信号光场，斯托克斯光场和声波场的相互耦合过程。
针对受激布里渊散射效应，目前国内外研究人员已经提出多种抑制方法，主要包括采用大模场高掺杂增益光纤、施加温度和应力梯度、声波裁剪技术、非线性相位解调技术以及相位调制技术等。其中，相位调制技术作为一种简单、高效的受激布里渊散射抑制手段，已成为千瓦级以上高功率、窄线宽光纤激光系统的首选技术方案。
针对相位调制技术而言，调制信号的选择直接与系统的功率提升能力相关。目前，广泛应用的相位调制信号有白噪声信号、正弦信号和伪随机相位编码信号。其中，白噪声信号(WNS)和伪随机相位编码信号(PRBS)是目前千瓦级以上高功率、窄线宽光纤放大器的两种主流调制方式。基于上述技术，目前已经实现了～4kW级的高功率、窄线宽光纤激光输出。
为了进一步突破受激布里渊散射效应对高功率、窄线宽光纤激光系统输出功率的限制，寻求比白噪声信号调制和伪随机相位编码调制更优的新型调制方式成为该技术领域发展的一个重要研究方向。此外，如何在保证受激布里渊散射功率阈值一致的同时尽可能压窄输出激光的线宽，提升光源的时间相干性也成为高功率、窄线宽光纤激光发展的另一个重要研究方向。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明提出了一种抑制高功率、窄线宽光纤激光放大器中受激布里渊散射效应的系统及方法，其相较于现有的白噪声信号调制和伪随机相位编码调制，能够实现更高效的受激布里渊散射抑制，为高功率、窄线宽光纤激光系统的进一步功率提升提供理论基础和技术支撑。
为实现上述技术目的，本发明采用的具体技术方案如下：
抑制高功率、窄线宽光纤激光放大器中受激布里渊散射效应的方法，对高功率、窄线宽光纤激光放大器中的单频激光器输出的单频激光进行相位调制，实现其光谱的展宽，以达到抑制受激布里渊散射效应的目的。受激布里渊散射效应的阈值与受激布里渊散射的增益谱成正相关；当单频激光经过相位调制信号进行光谱展宽后，受激布里渊散射效应的增益显著减小；当线宽展宽越多，对应的有效布里渊增益谱越宽，受激布里渊散射的增益越小。
作为优选方案，对单频激光进行相位调制时采用的相位调制信号φ(t)的数学形式表示为：
Figure BDA0002496960390000021
Figure BDA0002496960390000022
其中，
Figure BDA0002496960390000023
表示状态函数，B为调制幅度，v为调制频率，n为调制信号的模式，fix表示取整函数，rem为取余函数。
在高功率、窄线宽光纤激光中，受激布里渊散射效应的阈值与受激布里渊散射的增益谱成正相关。当单频激光经过相位调制信号φ(t)进行光谱展宽后，受激布里渊散射效应的增益显著减小。当线宽展宽越多，对应的有效布里渊增益谱越宽，受激布里渊散射的增益越小。
经公式(1)所示相位调制信号φ(t)调制的激光相位变化幅度较大，达到数十弧度(rad)，因而对系统要求高，实现难度较大。作为优选方案，本发明对公式(1)所示的相位调制信号φ(t)进一步改进。具体是，将公式(1)所示相位调制信号φ(t)除以2π并取余数作为相位值，即最终采用的相位调制信号φf(t)可表示为：
φf(t)＝rem(φ(t)/2π)
在高功率、窄线宽光纤激光中，受激布里渊散射效应的阈值与受激布里渊散射的增益谱成正相关。当单频激光经过相位调制信号φf(t)进行光谱展宽后，受激布里渊散射效应的增益显著减小。当线宽展宽越多，对应的有效布里渊增益谱越宽，受激布里渊散射的增益越小。此外，受激布里渊散射增益的减小幅度不仅与调制后激光的谱线宽度成正相关，而且和调制后激光的谱线形态密切相关。
本发明所述的单频激光器类型不限，可以是全光纤单频光纤激光器，经光纤耦合输出的单频半导体激光器、经光纤耦合输出的单频固体激光器等。单频激光器输出单频光纤激光的实现方式不限，可以基于超短腔结构、环形腔结构等。单频激光器输出的单频光纤激光的时域既可以是连续激光，也可以是纳秒、皮秒等脉冲激光。单频激光器输出的单频光纤激光的偏振方向既可以是线偏振，也可以是随机偏振或椭圆偏振。
本发明还提供一种抑制高功率、窄线宽光纤激光放大器中受激布里渊散射效应的系统，包括单频激光器、相位调制系统、级联光纤预放大器、光纤主放大器、包层光滤除器和光纤端帽，单频激光器输出的单频激光首先注入到相位调制系统，进行相位调制，实现其光谱的展宽；经过相位调制系统后的窄线宽激光首先注入到级联光纤预放大器中进行功率提升，经过级联光纤预放大器放大后的光束经过光纤主放大器进行高功率放大。经放大后的激光相继与包层光滤除器和光纤端帽连接，由光纤端帽输出。其中包层光滤除器将残余的包层光滤除，以达到提升输出激光光束质量的目的；光纤端帽用于减弱发射激光的功率密度，防止输出光纤端面发生光学放电，保护整体放大链路的安全稳定。
进一步地，本发明相位调制系统包括工控计算机、任意波形发生器、电学高压放大器和相位调制器。其中，工控计算机用于编辑相位调制所需的控制代码，工控计算机控制任意波形发生器，任意波形发生器在工控计算机的驱动下产生所需的相位调制信号，电学高压放大器实现对相位调制信号的电压放大，相位调制器将电压信号转换为相位信号施加到注入单频激光光场(包含振幅和相位)的相位项中，实现光谱的展宽。其中，光谱展宽的具体分布由相位调制信号的具体形式决定，展宽的程度由相位调制器的半波电压和施加到相位调制器上的电压幅度决定。
在上述系统中，所述的单频激光器类型不限，可以是全光纤单频光纤激光器，经光纤耦合输出的单频半导体激光器、经光纤耦合输出的单频固体激光器等。单频激光器输出单频光纤激光的实现方式不限，可以基于超短腔结构、环形腔结构等。单频激光器输出的单频光纤激光的时域既可以是连续激光，也可以是纳秒、皮秒等脉冲激光。单频激光器输出的单频光纤激光的偏振方向既可以是线偏振，也可以是随机偏振或椭圆偏振。
本发明中，所述的级联光纤预放大器实现注入激光的功率预放大，注入种子激光的波长在级联光纤预放大器的放大波长范围内。针对级联光纤预放大器中的每一个光纤预放大器，其注入功率需满足预放大器的放大需求。目前，百毫瓦级、瓦级、百瓦级全光纤预放大器已实现产业化，可根据实际需求选取合适的组合。
本发明所述的主放大器主要包括泵浦源、泵浦-信号合束器、增益光纤。其中，泵浦源波长有多种选择，可以是976nm、915nm、1018nm等。考虑到数千瓦级以上的高功率输出，泵浦-信号合束器一般采用熔融拉锥方式实现，其结构可以是(6+1)×1)，即6个泵浦臂、一个信号输入臂和一个信号输出臂，也可以是(18+1)×1)等。增益光纤可有多种选择，增益光纤其纤芯包层比可以是20/400μm、25/400μm、30/400μm、20/250μm、25/250μm、30/250μm、25/600μm、30/600μm等。
本发明所述的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。包层光滤除器实现方式包括传能光纤涂覆层腐蚀法、涂覆层剥除和折射率匹配膏导出法等。
本发明所述的光纤端帽为采用光纤与熔石英头经过熔融拉锥制作的激光传输发射器件，可有效降低输出端面的激光功率密度，防止发生光学放电。
本发明的有益效果如下：
1、本发明提供了一种新型的相位调制方法，能够实现单频激光光谱的展宽，以达到抑制受激布里渊散射效应的目的。定义本发明提出的相位调制方法为多项调制方法(MPCS)，其对应的相位调制信号为多项编码信号。与现有主流的白噪声调制和伪随机相位编码调制相比，当放大器增益光纤较长时，本发明提出的多项调制方法在受激布里渊散射效应抑制方面具有独特的优势。
2、该新型光谱展宽调制方法具备便捷的谱线宽度调控特性，通过选取高带宽相位调制器，设置不同的调制幅度和调制频率，该方法可以实现从kHz到百GHz任意谱线宽度的灵活调节。
3、本发明提供的方法具备通用性：就光纤放大器时域特性而言，该方法可以应用到窄线宽连续激光、窄线宽纳秒脉冲激光、窄线宽皮秒脉冲激光等领域；从光纤放大器的偏振特性而言，该方法可以应用于随机偏振窄线宽光纤放大器、线偏振窄线宽放大器、特殊偏振分布的窄线宽光纤放大器；此外，该方法还可以应用到不同中心波长、不同类型窄线宽光纤放大器系统中。
综上，本发明在强激光领域，特别是高功率、窄线宽光纤放大器亮度提升和光谱调控领域有重大的应用价值。
附图说明
图1为本发明一实施例的系统结构示意图。
图2为调制模式n＝7、调制幅度B＝π、调制频率f＝1.5GHz时经新型多项调制方法调制后激光的相位(Phase)随时间(Time)的变化示意图。
图3为调制模式n＝7、调制幅度B＝π、调制频率f＝1.5GHz时经新型多项调制方法调制后激光的光谱分布图。图中横坐标为频率(Frequency)，纵坐标为归一化强度(Normalized amplitude)。
图4为纤芯包层比为20/400μm增益光纤利用本发明所提供的相位调制方法与传统调制方法对受激布里渊散射效应的抑制效果对比结果图；
图5为纤芯包层比为25/400μm增益光纤利用本发明所提供的相位调制方法与传统调制方法对受激布里渊散射效应的抑制效果对比结果图；
图6为纤芯包层比为30/400μm增益光纤利用本发明所提供的相位调制方法与传统调制方法对受激布里渊散射效应的抑制效果对比结果图。
具体实施方式
为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：
如附图1所示，本实施例提供一种抑制高功率、窄线宽光纤激光放大器中受激布里渊散射效应的系统，包括：单频激光器1、相位调制系统2、级联光纤预放大器3、光纤主放大器4、包层光滤除器5、光纤端帽6。其中，相位调制系统2包括工控计算机2-1、任意波形发生器2-2、电学高压放大器2-3和相位调制器2-4。光纤主放大器4包括泵浦源4-1、泵浦-信号合束器4-2、增益光纤4-3。
单频激光器1输出的单频激光首先注入到相位调制系统2，将单频光纤激光的输出光谱进行适当展宽，以达到抑制受激布里渊散射效应的目的。相位调制系统2包括工控计算机2-1、任意波形发生器2-2、电学高压放大器2-3和相位调制器2-4。其中，工控计算机用于编辑相位调制所需的控制代码，工控计算机控制任意波形发生器，任意波形发生器在工控计算机的驱动下产生所需的相位调制信号，电学高压放大器实现对相位调制信号的电压放大，相位调制器将电压信号转换为相位信号施加到注入单频激光光场(包含振幅和相位)的相位项中，实现光谱的展宽。其中，光谱展宽的具体分布由相位调制信号的具体形式决定，展宽的程度由相位调制器的半波电压和施加到相位调制器上的电压幅度决定。
定义本发明提出的相位调制方法为多项调制方法(MPCS)，其对应的相位调制信号为多项编码信号。具体地，首先由工控计算机2-1编辑多相编码信号即相位调制信号φf(t)，其中φf(t)＝rem(φ(t)/2π)，
Figure BDA0002496960390000081
随后控制任意波形发生器2-2产生用于相位调制的电信号。任意波形发生器2-2产生的信号经过高压放大器2-3进行电信号放大，达到所需的调制深度，随后将其加载到相位调制器2-4上。不失一般性，本实施例中设调制模式n＝7、调制幅度B＝π、调制频率f＝1.5GHz，单频激光经过上述相位调制后激光的相位时域变化如附图2所示。从图2可以看出，调制后的相位在0到2π之间的多个固定相位态转换。此时，单频激光经新型多项调制方法调制后激光的光谱分布如附图3所示。由附图3可得，该新型调制方法获得的光谱呈现sinc2函数形态，其3dB线宽约为1.5GHz。与白噪声(WNS)调制产生的连续高斯型光谱相比，此光谱具有分立性，确定性等特征，与传统的伪随机编码(PRBS)调制产生的sinc2型光谱相比，此光谱的谱线更密集，谱线间隔更小，因此具有更好的受激布里渊散射效应抑制特性。
高功率、窄线宽光纤放大器作为单元光束的一个典型重要应用方向为超高功率相干合成系统。为了进一步说明该新型调制方法相比于传统方法的优势，以相干合成系统合成效率(87.5％)作为评价标准，对比了在合成效率一致时不同调制信号产生的窄线宽激光在放大过程中的受激布里渊散射阈值特性。不失一般性，设单频激光器1输出的激光经过相位调制系统2进行光谱展宽后，注入到级联光纤预放大器3后将其功率提升至18W。通过级联光纤预放大器3放大后的光束注入到光纤主放大器4进行最终高功率放大。其中，选取主放大器泵浦源4-1中心波长为915nm，增益光纤4-3选取纤芯包层比为20/400μm、25/400μm、30/400μm三种典型情况进行对比，分析不同调制信号下的受激布里渊散射阈值特性。此外，为了方便对比，针对不同的增益光纤4-3，设置放大过程中泵浦光总的吸收系数为13.5dB。经主放大器4放大后的激光相继与包层光滤除器5和光纤端帽6连接，随后输入到自由空间。包层光滤除器5将残余的包层光滤除，以达到提升输出激光光束质量的目的；光纤端帽6用于减弱发射激光的功率密度，防止输出光纤端面发生光学放电，保护整体放大链路的安全稳定。设不同增益光纤类型下包层光滤除器5和光纤端帽6引入的传能光纤长度均为3米。
不同增益光纤和调制信号下高功率、窄线宽光纤放大器的受激布里渊散射阈值特性分析模型如下：
由三波耦合原理可知，激光信号光的光场强度(AS)，Stokes光的光场强度(AB)，以及产生受激布里渊散射效应过程中声场强度(Q)满足下列方程：
Figure BDA0002496960390000091
Figure BDA0002496960390000092
Figure BDA0002496960390000101
其中vgs和vgB表示信号光和Stokes光在光纤中的群速度，vA是光纤中的声速。αS和αB分别表示信号光和Stokes光在光纤中的损耗，σas和σes分别表示信号光吸收截面和发射截面。γS是信号光的非线性吸收系数，ГB是声阻尼率。κ1S,κ1B和κ2分别是信号光、Stokes光和声波场的耦合系数。Aao是光场和声波场的有效作用面积，f表示引起自发受激布里渊散射效应的噪声源，根据热力学理论，其可以表示为：
<f(z,t)f*(z',t')>＝NQδ(z-z')δ(t-t')
Figure BDA0002496960390000102
<f(z,t)>＝0
其中NQ表示其抖动幅度，k是玻尔兹曼常数，ρ0是光纤密度,T0为环境温度，Aeff为光纤内的有效模场面积。除了信号光，Stokes光以及声波场，根据激光速率方程，光纤放大器的泵浦光满足以下方程：
Figure BDA0002496960390000103
其中，PP表示泵浦功率，νgp表示泵浦光在放大器中的群速度，αP表示泵浦光在放大器中的损耗。σap和σep分别表示泵浦光在放大器中的吸收截面和发射截面，N和N2表示放大器中镱离子的掺杂浓度和上能级镱离子的数目。
根据速率方程，N2满足方程：
Figure BDA0002496960390000111
其中，τ是镱离子在上能级的寿命，c表示真空中的光速，h为普朗克常数，Ac表示掺杂面积，ГS和ГP分别是信号光和泵浦光的重叠因子。PS、PB和PP分别表示信号光、Stokes光和泵浦光的功率。各项计算参数具体如表1所示。
表.1计算仿真参数设置
信号光波长(λ<sub>s</sub>) 1064.0nm Stokes光波长(λ<sub>B</sub>) 1064.1nm
信号光折射率(n<sub>co</sub>) 1.451 泵浦光折射率(n<sub>p</sub>) 1.415
声光作用面积(A<sub>ao</sub>) 2.6543×10<sup>-10</sup>m<sup>2</sup> 镱离子上能级寿命(τ) 840us
信号光非线性系数(γ<sub>e</sub>) 0.902 声阻尼率(Г<sub>B</sub>) 2.0552×10<sup>8</sup>
泵浦光重叠因子(Г<sub>P</sub>) 0.0025 信号光重叠因子(Г<sub>S</sub>) 1.0000
泵浦光损耗(α<sub>p</sub>) 2.1dB/km 信号光损耗(α<sub>s</sub>) 15dB/km
温度(T<sub>0</sub>) 293K 光纤密度(ρ) 2210.0kg/m<sup>3</sup>
声速(v<sub>A</sub>) 5897.4m/s 镱离子浓度(N) 7.8189×10<sup>25</sup>/m<sup>3</sup>
不同增益光纤类型和调制信号下高功率、窄线宽光纤放大器的受激布里渊散射效应的抑制效果对比结果如附图4至6所示。附图4至6中，横坐标为输出功率(Output power)、纵坐标为反射率(Reflectivity)。当放大系统出现受激布里渊散射效应时，信号光功率会迅速向后向Stokes光转移，导致后向回光功率呈现明显非线性增长。因此，附图4至6中定义纵坐标反射率(Reflectivity)为后向回光功率与输出激光的功率之比。定义当反射率达到0.02％时对应的输出功率为受激布里渊散射阈值(附图4至6中水平点划线标记)。
图4为纤芯包层比为20/400μm增益光纤的对比结果；图5为纤芯包层比为25/400μm增益光纤的对比结果；图6为纤芯包层比为30/400μm增益光纤的对比结果。由图4可知，在20/400μm光纤放大器中，激光经本发明多相编码信号(MPCS)调制后的受激布里渊散射阈值约为560W,是白噪声调制(WNS)的光纤放大器受激布里渊散射阈值的1.3倍，并高出伪随机编码信号(PRBS)调制的光纤放大器受激布里渊散射阈值约40W。由附图5可知，当光纤放大器的纤芯包层比为25/400μm时，MPCS调制方式抑制受激布里渊散射效应的优势同样存在。在此种情形下，相比于PRBS调制和WNS调制，MPCS调制可将受激布里渊散射效应阈值分别提升10％和20％。附图6表示MPCS调制方式在纤芯包层比为30/400μm的光纤放大器中仍具有较高的受激布里渊散射阈值，约为680W。而WNS调制和PRBS调制的受激布里渊散射效应阈值分别为660W和620W。因此，与传统典型的相位调制方法相比，多项调制新型相位调制方法在高功率、窄线宽光纤放大器中具有更优的受激布里渊散射效应抑制能力。
综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书界定的范围为准。

Claims (10)

1.抑制高功率、窄线宽光纤激光放大器中受激布里渊散射效应的方法，其特征在于：对高功率、窄线宽光纤激光放大器中的单频激光器输出的单频激光进行相位调制，实现其光谱的展宽，以达到抑制受激布里渊散射效应的目的。
2.根据权利要求1所述的抑制高功率、窄线宽光纤激光放大器中受激布里渊散射效应的方法，其特征在于：对单频激光进行相位调制时采用的相位调制信号φ(t)的数学形式表示为：
Figure FDA0002496960380000011
Figure FDA0002496960380000012
其中，
Figure FDA0002496960380000013
表示状态函数，B为调制幅度，v为调制频率，n为调制信号的模式，fix表示取整函数，rem为取余函数。
3.根据权利要求1所述的抑制高功率、窄线宽光纤激光放大器中受激布里渊散射效应的方法，其特征在于：对单频激光进行相位调制时采用的相位调制信号φf(t)的数学形式表示为：
φf(t)＝rem(φ(t)/2π)
其中
Figure FDA0002496960380000014
B为调制幅度，v为调制频率，n为调制信号的模式，fix表示取整函数，rem为取余函数。
4.根据权利要求1所述的抑制高功率、窄线宽光纤激光放大器中受激布里渊散射效应的方法，其特征在于：受激布里渊散射效应的阈值与受激布里渊散射的增益谱成正相关；当单频激光经过相位调制信号进行光谱展宽后，受激布里渊散射效应的增益显著减小；当线宽展宽越多，对应的有效布里渊增益谱越宽，受激布里渊散射的增益越小。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的抑制高功率、窄线宽光纤激光放大器中受激布里渊散射效应的方法，其特征在于：单频激光器是全光纤单频光纤激光器、经光纤耦合输出的单频半导体激光器或者经光纤耦合输出的单频固体激光器。
6.根据权利要求1、2、3或4所述的抑制高功率、窄线宽光纤激光放大器中受激布里渊散射效应的方法，其特征在于：单频激光器输出单频激光的实现方式是基于超短腔结构或者环形腔结构实现。
7.根据权利要求1、2、3或4所述的抑制高功率、窄线宽光纤激光放大器中受激布里渊散射效应的方法，其特征在于：单频激光器输出的单频激光的时域是连续激光、纳秒或者皮秒脉冲激光。
8.根据权利要求1、2、3或4所述的抑制高功率、窄线宽光纤激光放大器中受激布里渊散射效应的方法，其特征在于：单频激光器输出的单频激光的偏振方向是线偏振、随机偏振或椭圆偏振。
9.抑制高功率、窄线宽光纤激光放大器中受激布里渊散射效应的系统，其特征在于：包括单频激光器、相位调制系统、级联光纤预放大器、光纤主放大器、包层光滤除器和光纤端帽，单频激光器输出的单频激光首先注入到相位调制系统，进行相位调制，实现其光谱的展宽；经过相位调制系统后的窄线宽激光首先注入到级联光纤预放大器中进行功率提升，经过级联光纤预放大器放大后的光束经过光纤主放大器进行高功率放大；经放大后的激光相继与包层光滤除器和光纤端帽连接，由光纤端帽输出。
10.根据权利要求9所述的抑制高功率、窄线宽光纤激光放大器中受激布里渊散射效应的系统，其特征在于：相位调制系统包括工控计算机、任意波形发生器、电学高压放大器和相位调制器；其中，工控计算机用于编辑相位调制所需的控制代码，工控计算机控制任意波形发生器，任意波形发生器在工控计算机的驱动下产生所需的相位调制信号，电学高压放大器实现对相位调制信号的电压放大，相位调制器将电压信号转换为相位信号施加到注入单频激光光场的相位项中，实现光谱的展宽。
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