CN111725693B - 高功率多单频光纤激光倍频系统和方法 - Google Patents

高功率多单频光纤激光倍频系统和方法 Download PDF

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Abstract

一种高功率多单频光纤激光倍频系统和方法，包括单频激光器(1)、相位调制器(2)、信号发生器(3)、光纤放大器(4)、空间隔离器(5)、谐振倍频装置(6)、锁腔装置(7)；对单频激光采用周期性信号进行相位调制，产生多单频激光，通过对多单频激光的频率间隔ΔΩ的控制，使ΔΩ与倍频腔的自由光谱区的整数倍相匹配，通过对周期性信号的输出功率控制，改变多单频激光的调制深度，使产生的多单频激光至少含有3个频谱成分，从而提升光纤激光的SBS阈值，获得高功率、窄线宽的倍频激光输出。

Description

高功率多单频光纤激光倍频系统和方法
技术领域
本发明涉及光电技术领域，特别涉及一种高功率多单频光纤激光倍频方法和系统。
背景技术
可见光与紫外激光在激光显示、激光探测、医学成像及治疗、激光通信、冷原子以及其他基础科学研究等领域具有重要的应用。光纤激光倍频是获得高功率可见光与紫外激光的有效手段。光纤激光器在高功率和窄线宽单频激光两个方面发展迅速。现有的光纤激光器倍频技术主要有两类，包括：单通倍频和谐振倍频。单通倍频技术，采用周期极化晶体，如PPKTP、PPLN、PPSLT等，该技术结构简单，不需要复杂的稳频系统对激光进行稳频，由于激光单次通过，稳定性高；缺点是倍频功率受晶体损伤阈值的限制。外腔谐振倍频，通过采用高损伤阈值的常规非线性晶体，如BBO、LBO等，可实现高效的非线性转换效率，但是它要求基频光为单频、窄线宽激光。随着单频、窄线宽光纤激光的功率提升，由于光纤纤芯横截面积小，相互作用距离长，易导致各种非线性效应产生，特别是受激布里渊散射(SBS)，极大地限制了基频光纤激光的功率，从而使得倍频产生的可见光激光功率难以进一步提升。
目前采用的抑制SBS技术主要有，对光纤施加温度或应力分布、采用高掺杂增益光纤或特殊设计的增益纤、相位调制技术等。其中相位调制技术由于各个频率之间保持一定的相位关系，因此在放大的过程中其时域特性与单频种子的时域特性相一致，可以有效地抑制光谱展宽，实现窄线宽的千瓦量级高功率光纤激光输出，是较为理想的SBS抑制手段，主要包括：白噪声调制和周期性信号调制等。周期性信号的相位调制在光纤激光器中，通过调节频率和强度使激光的线宽展宽，降低了SBS增益谱的交叠程度，减小了频率的功率密度，从而提升SBS的阈值，同时产生的多单频激光的高阶边带具有稳定的频率间隔和功率密度。
在周期性信号调制的光纤放大器中，如正弦相位调制，当调制频率小于布里渊增益带宽时(如，标准的单模石英光纤，其布里渊频移11GHz，布里渊增益带宽为30MHz)，由于各个频率间的SBS增益谱重叠程度较大，因此SBS阈值的提升非常有限。当调制频率在1至5倍的布里渊增益带宽时，各个频率的SBS增益谱的交叠程度逐渐变小，SBS的阈值随着调制频率的增加而增大，在很大的调制频率范围内SBS阈值保持线性提升。当调制带宽大于5倍的布里渊增益带宽时，由于各个频率的SBS增益谱重叠非常小，SBS阈值提升因子基本不随着调制带宽而增大，因此调制信号的频率一般不大于5倍布里渊增益带宽。当调制深度的增大时，SBS阈值会显著增加，这是由于调制深度大将产生更多的频率分量，从而降低了整个频带的功率谱密度，从而抑制SBS，但调制深度上限受到相位调制器可承受调制电压的限制，因此增大调制深度而提升SBS阈值存在着一定的上限。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明提出一种高功率多单频光纤激光倍频系统与方法。
本发明具体技术解决方案如下：
一种高功率多单频光纤激光倍频系统，包括：单频激光器(1)、相位调制器(2)、信号发生器(3)、光纤放大器(4)、空间隔离器(5)、谐振倍频装置(6)、锁腔装置(7)；信号发生器(3)产生周期性信号，驱动相位调制器(2)，对单频激光器(1)进行相位调制，产生多单频激光，多单频激光的频率间隔ΔΩ与谐振倍频装置(6)的倍频腔自由光谱区(FSR)满足如下关系：ΔΩ＝n*FSR，其中n为正整数。即：单频激光经过相位调制得到多单频激光，多单频激光含有的多个频谱之间间隔ΔΩ为倍频谐振腔自由光谱区(FSR)的整数倍。之后经光纤激光放大，得到高功率多单频光纤激光，再通过谐振倍频装置(6)实现高功率的倍频激光输出。
所述单频激光器(1)包括单频激光种子(11)、驱动电路及电源(12)、光纤隔离器(13)。
所述单频激光器(1)产生单频激光的线宽小于100MHz。
所述单频激光器(1)可加载外部射MHz量级的频信号。
所述单频激光器(1)为半导体激光器或光纤激光器。
所述单频激光器(1)为分布反馈(DFB)半导体激光器、外腔半导体(ECDL)激光器、分布反馈(DFB)光纤激光器或分布式布拉格反射(DBR)光纤激光器。
所述相位调制器(2)为电光相位调制器；所述电光相位调制器带光纤尾纤；所述电光相位调制器(2)，由信号发生器(3)驱动。
所述信号发生器(3)产生周期性信号，所述周期性信号的输出功率和频率可以调节。
所述周期性信号为正弦信号、方波信号、伪随机码信号或三角波信号。
所述信号发生器(3)频率范围为0—20GHz。
信号发生器(3)产生的周期性信号强度，使产生的多单频激光至少含有3个频谱成分。
以正弦调制情况为例，所述相位调制器(2)由所述信号发生器(3)驱动，对单频种子激光(11)进行相位调制满足公式：
Figure BDA0002523703250000021
其中，Einc为入射光电场强度，E0表示入射光的振幅，β为相位调制深度，Jn(n＝1，2，…)为第一类贝塞尔函数，ω为激光的角频率，Ω为相位调制频率。通过改变所述信号发生器(3)的输出功率和频率，可分别改变所述单频激光器(1)的调制深度β，以及
多单频激光的频谱间的间隔ΔΩ。
所述光纤放大器(4)包括依次连接的光纤隔离器(41)、光纤前置放大器(42)、光纤隔离器(43)、光纤主放大器(42)。
所述光纤放大器(4)是稀土掺杂光纤放大器或拉曼光纤放大器。
所述稀土掺杂光纤激光放大器，其增益光纤为掺镱、铒、铥、钬、钕离子，或铒-镱共掺光纤。
所述拉曼光纤放大器，其增益光纤为石英光纤或掺磷光纤。
所述空间隔离器(5)，在激光偏振方向透过率不小于90％，防止输出激光返射回放大器造成放大器损伤。
所述谐振倍频装置(6)包括，平面输入镜(61)、平面全反镜(62)、凹面全反镜(63)、凹面输出镜(64)、倍频晶体(65)、温控炉(66)；
所述温控炉(66)包括，包括铜质热沉(661)、热敏电阻(662)、热源(663)、温度控制板(664)。
所述倍频晶体(65)为β-偏硼酸钡晶体(BBO)、三硼酸锂晶体(LBO)、硼酸铋晶体(BIBO)、硼酸锂铯晶体(CLBO)或磷酸钛氧钾晶体(KTP)。
所述的热源(663)是加热片或半导体制冷片。
所述平面输入镜对入射基频光部分透射，透射率为60％-95％；
所述平面全反镜背面附有PZT，对基频光全反射。
所述凹面全反镜对基频光全反射。
所述凹面输出镜对基频光全反射，对倍频光完全透射。
所述温控炉，控制相位匹配温度。
所述锁腔装置(7)包括，光电探测器(71)、压电陶瓷PZT(72)、高压放大模块(73)、锁腔伺服系统(74)、控制电脑(75)。
所述光电探测器(71)，用于探测凹面全反镜(63)的透射共振峰。
所述锁腔伺服系统(74)，为数字锁腔伺服系统或模拟电路锁腔伺服系统；所述数字锁腔伺服系统为基于可编程门阵列(FPGA)的数字锁腔伺服系统。
所述锁腔装置(7)中基于FPGA的数字锁腔伺服系统(或模拟电路锁腔伺服系统)(74)，可以发射MHz量级范围内的锁腔射频信号。
所述锁腔装置(7)中基于FPGA的数字锁腔伺服系统(或模拟电路锁腔伺服系统)(74)，可以发射一个振幅在10V范围内的三角波信号，经过高压放大模块放大，用于控制压电陶瓷PZT(72)。
所述的锁腔装置(7)中基于FPGA的数字锁腔伺服系统(或模拟电路锁腔伺服系统)(74)，可以调制解调加载在多单频激光上的锁腔射频信号，得到锁腔误差信号，用于锁定腔长。
所述光电探测器，探测倍频装置中凹面全反镜的透射光信号，进入所述基于FPGA的数字锁腔伺服系统或模拟电路锁腔伺服系统，产生误差信号，FPGA数字锁腔伺服系统或模拟电路锁腔伺服系统通过误差信号鉴频，控制所述高压放大模块(73)，以此控制所述压电陶瓷PZT(72)，控制谐振腔长。
所述锁腔装置(7)采用方法为PDH技术或HC技术。当采用PDH技术时，单频激光器(1)加载FPGA数字或模拟电路锁腔伺服系统产生的射频信号，用于和光电探测器锁测量的谐振倍频腔的透射信号混频，产生鉴频误差信号；也可以是单频激光器(1)产生的单频激光通过一个加载FPGA数字或模拟电路锁腔伺服系统产生射频信号的相位调制器后产生锁腔调制信号，用于和光电探测器锁测量的谐振倍频腔的透射信号混频，产生鉴频误差信号。当采用HC技术时，凹面全反镜的透射光信号，由四分之一波片和偏振分束棱镜(PBS)分为水平偏振光和竖直偏振光，并由两个光电探测器同时探测后，再将信号混频产生鉴频误差信号。
自由光谱区(FSR)定义为：FSR＝c/(nL)，其中n是折射率，L是谐振腔长，c是光速。
本发明还提供了一种高功率多单频光纤激光倍频方法：将单频激光采用周期性信号进行相位调制，产生多单频激光，所述多单频激光的频率间隔ΔΩ，与倍频腔的自由光谱区(FSR)满足如下关系：ΔΩ＝n*FSR，其中n为正整数。
所述方法中，周期性信号为正弦信号、方波信号、伪随机码信号或三角波信号。调节周期性信号的输出功率，改变多单频激光的调制深度，使产生的多单频激光至少含有3个频谱成分。
所述方法中，利用线宽小于100MHz的单频激光器(1)，通过相位调制，产生具有多个频率成分的多单频激光，其频率成分间的间隔ΔΩ，由信号发生器(3)产生的周期性信号的频率决定，调节周期性信号的频率使ΔΩ与谐振腔FSR的整数倍相匹配，使多单频激光满足谐振倍频腔的共振条件。多单频频率成分与驱动信号的强度与波形有关，通过调节周期性信号，可得到含有多个频谱成分的多单频激光，载波上的能量分布到边带。将得到的多单频激光经过光纤放大器放大，获得高功率激光，通过耦合透镜(或透镜组)进谐振腔。通过锁腔技术，将基频光与倍频腔锁定，在非线性晶体中得到高功率倍频光。
采用周期性信号进行相位调制产生的多单频激光由于具有频率间隔和功率密度稳定的特点，特别适合谐振倍频等研究，当调制频率满足与谐振倍频腔的自由光谱区匹配的条件时，就可实现高功率倍频光输出，由于调制频率为自由光谱区的整数倍，因此调制频率在相位调制器可承受范围内均可满足要求，而不受限于调制频率大于5倍布里渊增益带宽后，光纤激光SBS阈值提升较小的限制。
多单频激光倍谐振倍频特征在于，满足调制频率为自由光谱区的整数倍，在相位调制器可承受调制范围内，均可实现任意频率，以及任意调制深度的周期性信号调制。
单频激光进行相位调制获得多单频激光，相比其他方法结构更加简单，得到的多单频更加稳定。在此基础上，通过调节相位调制器的信号发生器的频率，就可以使多单频与谐振倍频腔的自由光谱区的整数倍匹配，达到腔的共振条件；同时，调节相位调制器的信号发生器的功率，既能保证激光线宽，又能降低单频激光的功率谱密度，利用常规的锁腔技术，就可以获得稳定的高功率倍频光，为激光倍频提供了新的方法和技术，具有重要的应用价值。
本发明的优点是，多单频激光的功率分布在多个频谱上，从而抑制光纤放大器中的SBS效应。在提高光纤放大器输出功率的同时，保证输出激光线宽和满足谐振倍频腔的共振条件的前提下，实现稳定的高功率倍频激光输出。基于该方法的激光系统具有设计灵活轻便、波长范围广、光束质量好、输出功率高等特点，为高功率、高稳定性的窄线宽激光倍频提供了新的技术方案，具重要的实用价值和广泛的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的高功率多单频光纤激光倍频方案示意图；
图2为本发明提供的单频激光器的结构示意图；
图3为本发明提供的光纤放大器的结构示意图；
图4为本发明提供的谐振倍频装置的结构示意图；
图5为本发明提供的温控炉结构示意图；
图6为本发明提供的锁腔装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
根据介绍，本发明为了进一步提高现有技术中的倍频输出功率，提出了一种多单频光纤激光倍频的方法和系统。该方法原理为：单频激光经过相位调制得到的多单频激光，其所含的多个频率之间间隔为谐振腔FSR的整数倍。由光纤激光器放大，得到高功率的多单频光纤激光，再通过谐振倍频，通过常规的锁腔技术，实现高功率倍频输出。
下面给出一个具体实现上述方法的实施例。
实施例一：
采用单频激光器线宽小于100MHz的单频激光，单频激光器为分布反馈(DFB)半导体激光器，中心波长可以是1064nm，加载外部射频信号；信号发生器采用射频信号源，射频信号源产生的周期性正弦信号，频率3.2GHz，输出功率25dBm；相位调制器为电光相位调制器EOM；光纤放大器(4)是稀土掺杂光纤放大器，其增益光纤为掺镱光纤；倍频晶体65为β-偏硼酸钡晶体(BBO)；热敏电阻662阻值为10K欧姆；热源663为加热片。基于FPGA的数字锁腔伺服系统，在单频激光器上加载25MHz的射频信号，并输出三角波，被高压放大模块放大后，控制压电陶瓷PZT，三角波频率为50Hz的整数倍。
单频激光器经过由射频信号源驱动的电光相位调制器进行相位调节，产生多单频激光，经所述光纤放大器输出，进入谐振倍频腔，由锁腔装置采用PDH技术将共振波长锁定到多单频激光的中心波长，得到高功率多单频倍频激光。
实施例二：
采用单频激光器线宽小于100MHz的单频激光，单频激光器为分布反馈(DFB)光纤激光器，中心波长可以是1064nm，加载外部射频信号；信号发生器采用射频信号源，射频信号源产生的周期性方波信号，频率1.6GHz，输出功率15dBm；相位调制器为电光相位调制器EOM；光纤放大器(4)是拉曼光纤放大器，其增益光纤为石英光纤；倍频晶体65为三硼酸锂晶体(LBO)；热敏电阻662阻值为10K欧姆；热源663为半导体制冷片；基于可编程门阵列FPGA的数字锁腔伺服系统，在单频激光器上加载一个15MHz的射频信号，并输出三角波，被高压放大模块放大后，控制压电陶瓷PZT，三角波频率为50Hz的整数倍。
单频激光器经过由射频信号源驱动的电光相位调制器进行相位调节，产生多单频激光，经所述光纤放大器输出，进入谐振倍频腔，由锁腔装置采用HC技术将共振波长锁定到多单频激光的中心波长，得到高功率多单频倍频激光。
实施例三：
采用单频激光器线宽小于100MHz的单频激光，单频激光器为外腔半导体(ECDL)激光器，中心波长可以是1178nm，单频激光通过一个加载外部射频信号的相位调制器；信号发生器采用射频信号源，射频信号源产生的周期性三角波信号，频率16GHz，输出功率20dBm；相位调制器为电光相位调制器EOM；光纤放大器(4)是稀土掺杂光纤放大器，其增益光纤为掺铒光纤；倍频晶体65为磷酸钛氧钾晶体(KTP)；热敏电阻662阻值为100欧姆；热源663为加热片。基于可编程门阵列FPGA的数字锁腔伺服系统，在单频激光通过的光电相位调制器上加载一个15MHz的射频信号，并输出三角波，被高压放大模块放大后，控制压电陶瓷PZT，三角波频率为50Hz的整数倍。
单频激光器经过由射频信号源驱动的电光相位调制器进行相位调节，产生多单频激光，经所述光纤放大器输出，进入谐振倍频腔，由锁腔装置采用PDH技术将共振波长锁定到多单频激光的中心波长，得到高功率多单频倍频激光。
实施例四：
采用单频激光器线宽小于100MHz的单频激光，单频激光器为分布式布拉格反射(DBR)光纤激光器，中心波长可以是1178nm；信号发生器采用射频信号源，射频信号源产生的周期性伪随机码信号，频率20GHz，输出功率18dBm；相位调制器为电光相位调制器EOM；光纤放大器(4)是拉曼光纤放大器，其增益光纤为掺磷光纤；倍频晶体65为硼酸锂铯晶体(CLBO)；热敏电阻662阻值为1000欧姆；热源663为半导体制冷片；基于FPGA的数字锁腔伺服系统，在单频激光器上加载一个30MHz的射频信号，并输出三角波，被高压放大模块放大后，控制所述压电陶瓷PZT，三角波频率为50Hz的整数倍。
单频激光器经过由射频信号源驱动的电光相位调制器进行相位调节，产生多单频激光，经所述光纤放大器输出，进入谐振倍频腔，由锁腔装置采用HC技术将共振波长锁定到多单频激光的中心波长，得到高功率多单频倍频激光。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高功率多单频光纤激光倍频系统，包括：单频激光器(1)、相位调制器(2)、信号发生器(3)、光纤放大器(4)、空间隔离器(5)、谐振倍频装置(6)、锁腔装置(7)，其特征在于：信号发生器(3)产生周期性信号，驱动相位调制器(2)，对单频激光器(1)进行相位调制，产生多单频激光，所述多单频激光的频率间隔ΔΩ，与所述谐振倍频装置(6)的倍频腔自由光谱区FSR满足如下关系：ΔΩ＝n*FSR，其中n为正整数。
2.一种如权利要求1所述的高功率多单频光纤激光倍频系统，其特征在于所述单频激光器(1)产生单频激光的线宽小于100MHz。
3.一种如权利要求1所述的高功率多单频光纤激光倍频系统，其特征在于调节信号发生器的(3)产生的周期性信号强度，产生的多单频激光至少含有3个频谱成分。
4.一种如权利要求1所述的高功率多单频光纤激光倍频系统，其特征在于所述单频激光器(1)为分布反馈(DFB)半导体激光器、外腔半导体(ECDL)激光器、分布反馈(DFB)光纤激光器或分布式布拉格反射(DBR)光纤激光器。
5.一种如权利要求1所述的高功率多单频光纤激光倍频系统，其特征在于所述相位调制器(2)为电光相位调制器。
6.一种如权利要求1所述的高功率多单频光纤激光倍频系统，其特征在于所述光纤放大器(4)为稀土掺杂光纤放大器或拉曼光纤放大器。
7.一种如权利要求1所述的高功率多单频光纤激光倍频系统，其特征在于所述谐振倍频装置(6)中的倍频晶体为β-偏硼酸钡晶体(BBO)、三硼酸锂晶体(LBO)、硼酸铋晶体(BIBO)、硼酸锂铯晶体(CLBO)或磷酸钛氧钾晶体(KTP)。
8.一种高功率多单频光纤激光倍频方法，其特征在于，将单频激光采用周期性信号进行相位调制，产生多单频激光，所述多单频激光的频率间隔ΔΩ，与倍频腔的自由光谱区FSR满足如下关系：ΔΩ＝n*FSR，其中n为正整数。
9.一种如权利要求8所述的高功率多单频光纤激光倍频方法，其特征在于所述周期性信号为正弦信号、方波信号、伪随机码信号或三角波信号。
10.一种如权利要求8所述的高功率多单频光纤激光倍频方法，其特征还在于调节周期性信号的输出功率，改变多单频激光的调制深度，使产生的多单频激光至少含有3个频谱成分。
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