CN111564751A - 大功率窄线宽光纤激光偏振控制系统及方法 - Google Patents

大功率窄线宽光纤激光偏振控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种大功率窄线宽光纤激光偏振控制系统及方法，在大功率窄线宽光纤激光偏振控制系统中，通过控制施加在偏振控制器的偏振控制电压进而调控输出激光的偏振态。其中大功率窄线宽光纤激光偏振控制系统，包括大功率窄线宽线偏振光纤激光器以及偏振电压控制系统，偏振电压控制系统采集大功率窄线宽线偏振光纤激光器输出光束中的p偏振光束的光信号，将其转换为电信号，对电信号进行处理后生成偏振控制电压，并将偏振控制电压施加到偏振控制器上，进而调控输出激光的偏振态，实现整个系统的闭环控制。本发明能够实现更低残差、更高精度的偏振控制效果，为基于主动偏振控制的大功率、高消光比、窄线宽光纤激光系统研制提供技术支撑。

Description

大功率窄线宽光纤激光偏振控制系统及方法
技术领域
本发明属于光纤激光技术领域，具体地涉及一种大功率窄线宽光纤激光偏 振控制系统及方法。
背景技术
大功率窄线宽线偏振光纤激光在激光通信、相干合成、非线性频率变换等 领域具有强烈的应用需求。目前，基于主振荡功率放大结构是产生该类型光纤 激光输出的主流方式。在该方案中，一般采用低功率窄线宽线偏振激光器作为 主振荡源，采用级联保偏放大器作为功率放大模块，最终实现大功率、高消光 比的窄线宽线偏振光纤激光输出。然而，受限于保偏增益光纤本身的热效应、 热致双折射效应、非线性效应、模式不稳定、光纤端面损伤、切割熔接工艺复 杂等因素，基于上述方案进一步提升窄线宽线偏振光纤激光的输出功率面临严 峻挑战。此外，目前研究结果表明：窄线宽线偏振光纤激光中的非线性效应和 模式不稳定阈值明显低于同类型的非保偏光纤放大器。
为了克服上述技术瓶颈，研究人员提出了采用主动偏振控制技术的大功率 窄线宽线偏振光纤激光产生方案。在该方案中，一般采用一个低功率的窄线宽 线偏振光纤激光器作为主振荡器，采用级联非保偏光纤放大器作为功率提升模 块，通过在主振荡器和功率放大模块之间引入主动偏振控制技术，以输出激光 偏振消光比作为评价函数，实时控制和优化注入种子的偏振态，最终实现大功 率、高消光比的窄线宽线偏振光纤激光输出。通过该技术方案，可有效避免级 联保偏光纤放大器引入的功率提升不利因素，且可以有效降低系统的成本，增 加系统的长时间可靠性。
在上述技术方案中，级联非保偏光纤放大器输出激光中基模的纯度和主动 偏振控制方法的控制能力是决定最终输出激光偏振消光比的两个重要因素。基 于上述考虑，提出具有更低控制残差、更高控制精度的新型主动偏振控制方法 具有重要意义。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明提出了一种大功率窄线宽光纤激光偏 振控制系统及方法，能够实现更低残差、更高精度的偏振控制效果，为基于主 动偏振控制的大功率、高消光比、窄线宽光纤激光系统研制提供技术支撑。
为实现上述技术目的，本发明采用的具体技术方案如下：
一种大功率窄线宽光纤激光偏振控制方法，在大功率窄线宽光纤激光偏振 控制系统中，通过控制施加在偏振控制器的偏振控制电压进而调控输出激光的 偏振态。其中大功率窄线宽光纤激光偏振控制系统，包括大功率窄线宽线偏振 光纤激光器以及偏振电压控制系统，偏振电压控制系统采集大功率窄线宽线偏 振光纤激光器输出光束中的p偏振光束的光信号，将其转换为电信号，对电信 号进行处理后生成偏振控制电压，并将偏振控制电压施加到偏振控制器上，进 而调控输出激光的偏振态。
作为本发明的优选方案，所述偏振电压控制系统包括半波片、偏振分束器、 光学分束器、光电探测器和主动偏振控制系统，大功率窄线宽线偏振光纤激光 器输出的光束依次经过半波片和偏振分束器后分解为s偏振和p偏振的两路线偏 振光束，其中p偏振光束经过光学分束器分束后的小部分反射光束入射到光电 探测器，光电探测器将光信号转换为电信号，并将电信号导入到主动偏振控制 系统，主动偏振控制系统接收到光电探测器的输出的电信号，并对该电信号进 行处理得到偏振控制电压，将偏振控制电压施加到偏振控制器上，调控输出激 光的偏振态，实现整个系统的闭环控制。
作为本发明的优选方案，所述主动偏振控制系统包括数据采集模块、数据 处理模块和数据输出模块，数据采集模块对接收的电信号进行噪声滤除和信号 缩放后传送给数据处理模块；数据处理模块接收数据采集模块提供的电信号， 并对该电信号进行处理得到偏振控制电压；数据输出模块将数据处理模块得到 的偏振控制电压施加到偏振控制器上。主动偏振控制系统还包括硬件启停模块， 硬件启停模块用于控制主动偏振控制系统的启停。当硬件启停模块处于开启状 态时，可实现整个大功率窄线宽光纤激光偏振控制系统的闭环控制。
作为本发明的优选方案，主动偏振控制系统生成偏振控制电压的方法，如 下：
(1)预先设置学习率ε、衰减速率ρ、小常数θ以及扰动幅度的初始值du(0)、 累积梯度平方值的初始值r(0)和偏振控制电压值的初始值u(0)；
(2)基于上一次的扰动幅度du(i-1)，其中i＝1,2,3…，以伯努利分布生成本 次的扰动幅度du(i)；
(3)数据处理模块输出偏振控制电压值u(i-1)+du(i)到数据输出模块，由数据 输出模块将该电压施加到偏振控制器上；
(4)偏振控制器的偏振控制电压值为u(i-1)+du(i)时，数据处理模块接收到数 据采集模块处理后的电信号，生成正向评价函数Ji +；
(5)数据处理模块输出偏振控制电压值u(i-1)-du(i)到数据输出模块，由数据 输出模块将该电压施加到偏振控制器上；
(6)偏振控制器的偏振控制电压值为u(i-1)-du(i)时，数据处理模块接收数据 采集模块处理后的电信号，生成反向评价函数Ji -；
(7)数据处理模块计算两次相反方向扰动产生的梯度，得到扰动梯度值 g(i)＝(Ji +-Ji -)/(Ji ++Ji -)；
(8)数据处理模块计算累计梯度平方r(i)＝ρ×r(i-1)+(1-ρ)×g(i) 2；
(9)数据处理模块计算参数更新值Δu(i)＝-ε/sqrt(θ+r(i))×g(i)；
(10)数据处理模块输出偏振控制电压值u(i)＝u(i-1)+Δu(i)到数据输出模块， 由数据输出模块将该电压施加到偏振控制器上；
(11)i＝i+1，重复操作步骤(2)到步骤(10)，直到满足终止条件。其中，终 止条件为硬件启停模块的关闭。
优选地，本发明提供一种大功率窄线宽线偏振光纤激光器包括低功率窄线 宽线偏振光纤激光器、偏振控制器、级联非保偏光纤放大系统以及准直器，所 述低功率窄线宽线偏振光纤激光器出的光纤激光首先入射到偏振控制器；经过 偏振控制器后的激光注入到级联非保偏光纤放大系统进行高功率放大，经级联 非保偏光纤放大系统放大后的窄线宽光纤激光经过准直器准直输出。偏振电压 控制系统采集准直器准直输出光束中的p偏振光束的光信号，将其转换为电信 号，对电信号进行处理后生成偏振控制电压，并将偏振控制电压施加到偏振控 制器上，调控输出激光的偏振态。
本发明中，所述的低功率窄线宽线偏振光纤激光器实现方式不限、中心波 长不限、时域特性不限；从窄线宽实现方式上而言，可以是传统窄线宽光纤振 荡器、窄线宽超荧光光纤光源、窄线宽随机光纤激光器、单频种子施加相位调 制的窄线宽光纤激光器等；从中心波长而言，可以是覆盖镱离子发射谱、铒离 子发射谱、铥离子发射谱、钬离子发射谱等之内的任意波长。从时域特性而言， 可以是连续激光或皮秒、纳秒、飞秒脉冲激光。
所述的偏振控制器是一种基于压电式的偏振控制器件。通过改变施加到主 动偏振控制器上的电压，便可以自由调控输出激光的偏振态。所述的偏振控制 器实现方式不限，可以是方位角型偏振控制器、延迟量型偏振控制器、方位角- 延迟量型偏振控制器等。
所述的级联非保偏光纤放大系统实现入射激光的多级放大，其由多个独立 的非保偏光纤放大器构成。级联非保偏光纤放大系统中光纤放大器的级数不限， 具体放大级数由注入激光功率和最终放大功率确定。一般而言，偏振控制器承 受功率<100mW。若想将其功率提升至数千瓦量级，一般需要3级以上级联非 保偏光纤放大器进行功率提升。
所述的准直器实现输出激光的准直发射，准直器一般由一个或多个光学透 镜组成；光学透镜材料不限，可以是K9、熔石英等光学晶体材料，具体根据输 出激光功率密度选择。
所述的半波片用于实现输出激光偏振方向的调节，其构成材料可以是单轴 光学晶体材料中的任意一种，具体根据输出激光功率密度选择。
所述的偏振分束器用于将入射激光分解为s偏振和p偏振的两束线偏振光 束，其实现方式不限，可以是偏振分束片、布鲁斯特窗、格兰棱镜等。
所述的1#功率计和2#功率计用于接收对应位置的输出功率，功率计靶心材 料不限，可以是石英材料、硅基材料、铜基材料等，具体根据接收功率水平确 定。
所属的光学分束器构成材料不限，可以是熔石英、K9、ZnSe、CaF2等。
所述的光电探测器将光信号转换为电信号，其带宽需高于主动偏振控制算 法执行器的控制带宽；光电探测器类型根据激光波长和所需带宽可有多种选择。
本发明的有益效果如下：
1、本发明提供了一种大功率窄线宽光纤激光偏振控制方法与传统大功率窄 线宽光纤激光偏振控制方法不同，实现整个系统的闭环控制。具体地，本发明 通过施加两次相反方向扰动，产生梯度值，随后以扰动梯度值(g)和累计梯度平 方值(r)按照Δu＝-ε/sqrt(θ+r)×g(其中ε为学习率、θ为小常数)不断更新扰动 迭代。
2、与现有主流的随机并行梯度下降算法(SPGD)等主动偏振控制方法相比， 本发明方法具有更小的控制残差、更高的控制精度。
3、本发明提供的方法具备通用性：就发射激光中心波长而言，该方法可以 用于覆盖镱离子发射谱、铒离子发射谱、铥离子发射谱、钬离子发射谱等之内 的任意中心波长窄线宽光纤激光的主动偏振控制；从时域特性而言，该方法可 以用于连续激光或皮秒、纳秒、飞秒等不同时域特性脉冲激光的偏振控制领域。
4、进一步地本发明中低功率窄线宽线偏振光纤激光器实现方式可有多种选 择，偏振控制器实现方式多样。
综上，本发明在强激光领域，特别是在大功率窄线宽光纤激光主动偏振控 制领域具有重要的应用价值。
附图说明
图1是一实施例的系统结构原理示意图。
图2是本发明方法与传统主流随机并行梯度下降算法的控制能力对比结果 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，本实施例提供一种大功率窄线宽光纤激光偏振控制系统， 包括低功率窄线宽线偏振光纤激光器1、偏振控制器2、级联非保偏光纤放大系 统3、准直器4、半波片5、偏振分束器6、1#功率计7、光学分束器8、光电探 测器9、2#功率计10、主动偏振控制系统11。其中，主动偏振控制系统11由数 据采集模块11-1、数据处理模块11-2、数据输出模块11-3、硬件启停模块11-4 构成。
从低功率窄线宽线偏振光纤激光器1输出的光纤激光首先入射到偏振控制 器2；经过偏振控制器2后的激光注入到级联非保偏光纤放大系统3进行高功率 放大；经级联非保偏光纤放大系统3放大后的窄线宽光纤激光经过准直器4准 直输出。经准直器4准直输出的光束依次经过半波片5和偏振分束器6；半波片 5和偏振分束器6的组合将注入激光分解为s偏振和p偏振的两路线偏振光束。 其中，s偏振光束被功率计I 7接收，p偏振光束经过光学分束器8分束后，小 部分反射光束入射到光电探测器9，经过光学分束器8透射的光束被功率计II 10 接收。光电探测器9将光信号转换为电信号，并将电信号导入到主动偏振控制系统11。主动偏振控制系统11中的数据采集模块11-1接收到光电探测器9输 出电信号，并对电信号进行噪声滤除和信号缩放后传送给数据处理模块11-2。 数据处理模块11-2接收数据采集模块11-1提供的电信号，并对该电信号进行处 理得到偏振控制电压。数据输出模块11-3将数据处理模块11-2得到的偏振控制 电压施加到偏振控制器2上。硬件启停模块11-4用于控制数据处理模块11-2的 启停。当硬件启停模块处于开启状态时，可实现整个大功率窄线宽光纤激光偏 振控制系统的闭环控制。
本实施例中主动偏振控制系统生成偏振控制电压的方法，步骤如下：
(1)预先设置学习率ε、衰减速率ρ、小常数θ以及扰动幅度的初始值du(0)、 累积梯度平方值的初始值r(0)和偏振控制电压值的初始值u(0)；
(2)基于上一次的扰动幅度du(i-1)，其中i＝1,2,3…，以伯努利分布生成本 次的扰动幅度du(i)；
(3)数据处理模块11-2输出偏振控制电压值u(i-1)+du(i)到数据输出模块11-3， 由数据输出模块11-3将该电压施加到偏振控制器2上；
(4)偏振控制器2的偏振控制电压值为u(i-1)+du(i)时，数据处理模块11-2接 收到数据采集模块11-1理后的电信号，生成正向评价函数Ji +；
(5)数据处理模块11-2输出偏振控制电压值u(i-1)-du(i)到数据输出模块11-3， 由数据输出模块11-3将该电压施加到偏振控制器2上；
(6)偏振控制器2的偏振控制电压值为u(i-1)-du(i)时，数据处理模块11-2接 收数据采集模块11-1处理后的电信号，生成反向评价函数Ji -；
(7)数据处理模块11-2计算两次相反方向扰动产生的梯度，得到扰动梯度 值g(i)＝(Ji +-Ji -)/(Ji ++Ji -)；
(8)数据处理模块11-2计算得到累积梯度平方值r(i)＝ρ×r(i-1)+(1-ρ)×g(i) 2；
(9)数据处理模块11-2以Δu(i)＝-ε/sqrt(θ+r(i))×g(i)计算参数更新值大小；
(10)数据处理模块11-2输出偏振控制电压值u(i)＝u(i-1)+Δu(i)到数据输出模 块11-3，由数据输出模块11-3将该电压施加到偏振控制器2上；
(11)i＝i+1，重复操作步骤(2)到步骤(10)，实现整个系统的实时闭环控制， 直到硬件启停模块11-4处于关闭状态。
在实际系统执行中，通过观察1#功率计7和2#功率计10的读数可以使主 动偏振控制系统11中数据处理模块11-2的控制参数达到最优；当系统处于闭环 状态时，通过旋转半波片5的角度可以使得输出的线偏振光的比例达到最大， 最终实现最优的偏振控制效果。
为了进一步说明该新方法的优势，不失一般性，设置初始值如下：扰动幅 度初始值du(0)＝30mV、学习率ε＝1、衰减速率ρ＝0.1、小常数θ＝0.001、累积梯 度平方值的初始值r(0)＝0、偏振控制电压值的初始值u(0)＝0，对比了本发明提供 的偏振控制方法与传统主流随机并行梯度下降算法(SPGD)在相同扰动幅度和扰 动分布下的偏振控制性能，结果如附图2所示。由附图2结果可得，在相同的 控制步数下，采用本发明所提方法理论上可以控制到57dB的偏振消光比，而采 用传统SPGD偏振控制方法只能控制到37dB的水平。由此可得，采用该方法 可以实现更小残差、更高精度的主动偏振控制效果。
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)

1.一种大功率窄线宽光纤激光偏振控制方法，在大功率窄线宽光纤激光偏振控制系统中，通过控制施加在偏振控制器的偏振控制电压进而调控输出激光的偏振态，其特征在于：大功率窄线宽光纤激光偏振控制系统，包括大功率窄线宽线偏振光纤激光器以及偏振电压控制系统，偏振电压控制系统采集大功率窄线宽线偏振光纤激光器输出光束中的p偏振光束的光信号，将其转换为电信号，对电信号进行处理后生成偏振控制电压，并将偏振控制电压施加到偏振控制器上，进而调控输出激光的偏振态。
2.根据权利要求1所述的大功率窄线宽光纤激光偏振控制方法，其特征在于，所述主动偏振控制系统包括数据采集模块、数据处理模块和数据输出模块，数据采集模块对接收的电信号进行噪声滤除和信号缩放后传送给数据处理模块；数据处理模块接收数据采集模块提供的电信号，并对该电信号进行处理得到偏振控制电压；数据输出模块将数据处理模块得到的偏振控制电压施加到偏振控制器上。
3.根据权利要求2所述的大功率窄线宽光纤激光偏振控制方法，其特征在于，主动偏振控制系统还包括硬件启停模块，硬件启停模块用于控制主动偏振控制系统的启停；当硬件启停模块处于开启状态时，可实现整个大功率窄线宽光纤激光偏振控制系统的闭环控制。
4.根据权利要求2或3所述的大功率窄线宽光纤激光偏振控制方法，其特征在于，主动偏振控制系统生成偏振控制电压的方法，如下：
(1)预先设置学习率ε、衰减速率ρ、小常数θ以及扰动幅度的初始值du(0)、累积梯度平方值的初始值r(0)和偏振控制电压值的初始值u(0)；
(2)基于上一次的扰动幅度du(i-1)，其中i＝1,2,3…，以伯努利分布生成本次的扰动幅度du(i)；
(3)数据处理模块输出偏振控制电压值u(i-1)+du(i)到数据输出模块，由数据输出模块将该电压施加到偏振控制器上；
(4)偏振控制器的偏振控制电压值为u(i-1)+du(i)时，数据处理模块接收到数据采集模块处理后的电信号，生成正向评价函数Ji +；
(5)数据处理模块输出偏振控制电压值u(i-1)-du(i)到数据输出模块，由数据输出模块将该电压施加到偏振控制器上；
(6)偏振控制器的偏振控制电压值为u(i-1)-du(i)时，数据处理模块接收数据采集模块处理后的电信号，生成反向评价函数Ji -；
(7)数据处理模块计算两次相反方向扰动产生的梯度，得到扰动梯度值g(i)＝(Ji +-Ji -)/(Ji ++Ji -)；
(8)数据处理模块计算得到累计梯度平方r(i)＝ρ×r(i-1)+(1-ρ)×g(i) 2；
(9)数据处理模块计算参数更新值Δu(i)＝-ε/sqrt(θ+r(i))×g(i)；
(10)数据处理模块输出偏振控制电压值u(i)＝u(i-1)+Δu(i)到数据输出模块，由数据输出模块将该电压施加到偏振控制器上；
(11)i＝i+1，重复操作步骤(2)到步骤(10)，直到满足终止条件。
5.根据权利要求1所述的大功率窄线宽光纤激光偏振控制方法，其特征在于，大功率窄线宽线偏振光纤激光器包括低功率窄线宽线偏振光纤激光器、偏振控制器、级联非保偏光纤放大系统以及准直器，所述低功率窄线宽线偏振光纤激光器出的光纤激光首先入射到偏振控制器；经过偏振控制器后的激光注入到级联非保偏光纤放大系统进行高功率放大，经级联非保偏光纤放大系统放大后的窄线宽光纤激光经过准直器准直输出。
6.根据权利要求5所述的大功率窄线宽光纤激光偏振控制方法，其特征在于，所述偏振电压控制系统包括半波片、偏振分束器、光学分束器、光电探测器和主动偏振控制系统，大功率窄线宽线偏振光纤激光器输出的光束依次经过半波片和偏振分束器后分解为s偏振和p偏振的两路线偏振光束，其中p偏振光束经过光学分束器分束后的小部分反射光束入射到光电探测器，光电探测器将光信号转换为电信号，并将电信号导入到主动偏振控制系统，主动偏振控制系统接收到光电探测器的输出的电信号，并对该电信号进行处理得到偏振控制电压，将偏振控制电压施加到偏振控制器上，调控输出激光的偏振态，实现整个系统的闭环控制。
7.根据权利要求6所述的大功率窄线宽光纤激光偏振控制方法，其特征在于，所述的低功率窄线宽线偏振光纤激光器是窄线宽光纤振荡器、窄线宽超荧光光纤光源、窄线宽随机光纤激光器或者单频种子施加相位调制的窄线宽光纤激光器。
8.根据权利要求6所述的大功率窄线宽光纤激光偏振控制方法，其特征在于，所述的低功率窄线宽线偏振光纤激光器输出的激光是覆盖镱离子发射谱、铒离子发射谱、铥离子发射谱或钬离子发射谱之内的任意波长激光。
9.根据权利要求6所述的大功率窄线宽光纤激光偏振控制方法，其特征在于，所述的低功率窄线宽线偏振光纤激光器输出的激光是连续激光或皮秒、纳秒或者飞秒脉冲激光。
10.一种大功率窄线宽光纤激光偏振控制系统，其特征在于，包括大功率窄线宽线偏振光纤激光器以及偏振电压控制系统，大功率窄线宽线偏振光纤激光器包括低功率窄线宽线偏振光纤激光器、偏振控制器、级联非保偏光纤放大系统以及准直器，所述低功率窄线宽线偏振光纤激光器出的光纤激光首先入射到偏振控制器；经过偏振控制器后的激光注入到级联非保偏光纤放大系统进行高功率放大，经级联非保偏光纤放大系统放大后的窄线宽光纤激光经过准直器准直输出；
所述偏振电压控制系统包括半波片、偏振分束器、光学分束器、光电探测器和主动偏振控制系统，大功率窄线宽线偏振光纤激光器输出的光束依次经过半波片和偏振分束器后分解为s偏振和p偏振的两路线偏振光束，其中p偏振光束经过光学分束器分束后的小部分反射光束入射到光电探测器，光电探测器将光信号转换为电信号，并将电信号导入到主动偏振控制系统，主动偏振控制系统接收到光电探测器的输出的电信号，并对该电信号进行处理得到偏振控制电压，将偏振控制电压施加到偏振控制器上，调控输出激光的偏振态，实现整个系统的闭环控制。
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