CN112103758B - 相位调制解调的高功率倍频单频激光产生装置 - Google Patents

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Abstract

一种相位调制解调的高功率倍频单频激光产生装置，包括：依次连接的单频激光器(1)、第一相位调制器(2)、光纤放大器(4)、空间隔离器(5)、倍频装置(6)和第二相位调制器(7)，还包括信号发生器(3)。其特征在于：所述的信号发生器(3)产生两个形状、频率相同的周期性信号，分别驱动所述第一相位调制器(2)和第二相位调制器(7)，两个周期性信号相位差为nπ‑Δφ，n为奇数，Δφ为第二相位调制器(7)和第一相位调制器(2)之间激光传输放大产生的相位延迟，第二相位调制器(7)的调制深度是第一相位调制器(2)的二倍。单频基频光相位调制产生多单频基频光，提升了激光SBS阈值，放大、倍频后得到高功率多单频倍频光，将倍频光相位解调，获得高功率单频倍频光。该方案使单频激光具备相位调制前的倍频线宽特性，还具有结构简单灵活、光束质量好等特点，为高功率单频激光倍频提供了新的方案，具重要的实用价值。

Description

相位调制解调的高功率倍频单频激光产生装置
技术领域
本发明涉及光电技术领域，特别涉及一种相位调制解调的高功率倍频单频激光产生装置。
背景技术
可见光激光在探测、通信、医学检测与治疗、工业加工以及冷原子等领域具有重要的应用。光纤激光倍频技术主要通过单通倍频和谐振倍频，获得高功率可见光与紫外激光。在激光倍频中，实现高效的非线性转换效率，要求基频光为单频或窄线宽激光。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、相互作用距离长等原因，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输出功率，从而使倍频光功率难以进一步提升。目前，提升单频、窄线宽激光功率的方法主要有：光纤线施加梯度温度或应力，特殊设计的增益光纤，采用高掺杂或大模场增益光纤，以及相位调制技术等。其中，相位调制技术由于时域稳定等诸多优点被广泛应用于激光放大器，一般采用周期性的信号调制(如，正弦波、三角波、方波以及伪随机码等信号)和非周期性信号调制(如，白噪声等)。但由于相位调制过程中需要单频或窄线宽激光器的线宽展宽后再进行放大，在一定程度上破坏了激光的窄线宽特性，通过倍频后激光线宽则会继续加宽，这种方法一般不能获得单频的倍频激光，而很多高端应用中需要单频的倍频激光。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明提出一种相位调制解调的高功率倍频单频激光产生装置，通过周期性信号将单频基频光相位调制，产生多单频基频光，经过激光放大、倍频，获得高功率多单频倍频光，对所述多单频倍频光相位解调，获得高功率单频倍频光。基频光的相位调制深度为β1、相位为φ1、频率为Ω，倍频光的相位调制深度为β2、相位为φ2、频率为Ω；
所述调制与解调信号满足条件：β2＝2β1、φ2-φ1＝nπ-Δφ，n为奇数，即施加在倍频光的相位调制深度是施加在基频光调制深度的二倍、相位相差π的奇数倍减去第二相位调制器与第一相位调制器间激光传输放大产生的相位延迟、调制频率相同；当倍频装置是谐振倍频装置时，相位调制信号频率Ω与倍频腔自由光谱区(FSR)满足条件：Ω＝n1FSR，其中n1为正整数。
本发明具体技术解决方案如下：
一种相位调制解调的高功率倍频单频激光系统，包括：单频激光器、第一相位调制器、信号发生器、光纤放大器、空间隔离器、倍频装置、第二相位调制器，还包括信号发生器；：信号发生器产生周期性信号，驱动第一相位调制器，对单频激光器进行相位调制，产生多单频基频光；信号发生器产生的周期性信号，驱动第二相位调制器，对倍频装置产生的倍频激光相位解调，产生单频倍频光；第二相位调制器上施加的调制深度等于第一相位调制器上的调制深度的二倍，两者频率相等，相位相差nπ-Δφ,n为奇数，Δφ为第二相位调制器与第一相位调制器间激光传输放大产生的相位延迟。
所述单频激光器包括单频激光种子、驱动电路及电源、隔离器。
所述单频激光器产生单频激光的线宽小于20MHz；
所述单频激光器可加载外部MHz量级的射频信号；
所述单频激光器为固体激光器、半导体激光器或光纤激光器。其中，固体激光器可以是，激活粒子掺杂的固体激光器或固体拉曼激光器；半导体激光器可以是，分布反馈(DFB)半导体激光器或外腔半导体(ECDL)激光器；光纤激光器可以是，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。
所述第一相位调制器为电光相位调制器，包括光纤耦合的光电相位调制器或空间光电相位调制器；所述电光相位调制器由信号发生器驱动。
所述信号发生器产生周期性信号，所述周期性信号的输出幅值和频率可以调节；
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。
所述信号发生器频率范围为：0-40GHz；
所述信号发生器产生的周期性信号峰峰值不大于10kV。
以正弦调制情况为例，所述第一相位调制器由所述信号发生器驱动，对单频种子激光进行相位调制满足公式：
Figure GDA0003486087880000021
Figure GDA0003486087880000031
其中，Einc表示基频光电场，E0表示基频光的振幅，β1为相位调制深度，Jn (n＝0，1，2，…)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的输出功率，可分别改变所述单频激光器的输出激光的调制深度β1，以及多单频激光的频谱间的间隔Ω。
所述光纤放大器，包括依次连接的光纤隔离器、光纤前置放大器、光纤隔离器、光纤主放大器。
所述光纤放大器是激活粒子掺杂光纤放大器或拉曼光纤放大器。
所述激活粒子掺杂光纤激光放大器，其增益光纤为掺镱、铒、铥、铋、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、磷酸盐光纤、硅酸盐光纤、碲酸盐光纤或氟化物光纤。
所述空间隔离器，防止输出激光返射回放大器造成放大器损伤。
所述倍频装置，包括：单通倍频装置、谐振倍频装置。
所述单通倍频装置包括，聚焦透镜、倍频晶体、平面分光镜、准直透镜；
所述倍频晶体为周期性极化的铌酸锂(PPLN)或周期性极化的化学计量比钽酸锂(PPSLT)。
所述谐振倍频装置包括，聚焦透镜、平面输入镜、平面全反镜、凹面全反镜、凹面输出镜、倍频晶体、压电陶瓷、高压放大、伺服系统、光电探测器；
所述平面输入镜对基频光部分透射；
所述平面全反镜与压电陶瓷连接，对基频光全反射；
所述凹面全反镜对多单频基频光全反射；
所述凹面输出镜对多单频基频光全反射，对多单频倍频光完全透射；
所述倍频晶体为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)。
所述谐振倍频装置伺服系统是基于可编程门阵列(FPGA)的数字锁腔伺服系统或模拟电路锁腔伺服系统，可以发射MHz量级的锁腔射频信号。
所述谐振倍频装置伺服系统可以发射一个振幅在10V范围内，频率小于 10kHz的三角波信号，经过高压放大，用于控制压电陶瓷。
所述谐振倍频装置伺服系统，可以采用PDH或HC技术锁腔。
所述第二相位调制器为空间电光相位调制器，包括：空间电光相位调制器，温控；
所述第二相位调制器温度，由所述温控控制；
所述第二相位调制器，由信号发生器驱动，通过改变所述信号发生器的输出功率，可以分别改变所述空间相位调制器的调制深度β2，以及多单频倍频光的频谱间隔Ω；改变所述信号发生器的相位，还可以分别改变所述第二相位调制器和所述第一相位调制器的调制相位。
所述第二相位调制器对倍频装置产生的倍频光相位调制，满足β2＝2β1；
所述第二相位调制器的调制晶体为铌酸锂(LiNbO3，LN)、掺氧化镁的铌酸锂(MgO:LiNbO3，MgO:LN)、钽酸锂(LT)、磷酸钛氧钾(KTP)、磷酸二氢钾(KDP)、β-偏硼酸钡晶体(BBO)、硼酸锂铯晶体(CLBO)或三硼酸锂晶体(LBO)等。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)单频基频光进行相位调制获得多单频基频光，使激光功率分布在多个频谱上，抑制光纤放大器中的SBS效应，输出激光功率稳定；对倍频产生的多单频倍频光进行解调，可以避免激光放大器对倍频光线宽的影响，保持单频激光在相位调制前的倍频线宽特性，从而获得高功率单频倍频光。
2)采用周期性信号对激光进行相位调制，获得高功率单频倍频光，具有结构简单、调制灵活等特点。单频基频光相位调制产生的多单频基频光，其功率分布在多个频谱上，通过调节相位调制器的驱动信号就可满足激光倍频条件，通过放大、倍频过程产生的多单频倍频光施加调制深度等于单频基频光调制深度二倍、与多单频基频光有一定相位差的周期性相位调制信号，即可获得稳定的高功率单频倍频光，具有简单灵活的特点。同时还具有设计灵活轻便、波长范围广、光束质量好、输出功率高等特点，为高功率、高稳定性的单频激光倍频技术提供了新的方案，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是本发明提供的相位调制解调的高功率倍频单频激光系统示意图；
图2是本发明提供的倍频装置的单通倍频结构示意图；
图3是本发明提供的倍频装置的谐振倍频结构示意图；
图4是本发明提供的倍频激光解调装置示意图；
图1中：
单频激光器1；第一相位调制器2；信号发生器3；光纤放大器4；空间隔离器5；倍频装置6；第二相位调制器7；
图2中：聚焦透镜611；倍频晶体612；平面分光镜613；准直透镜614；
图3中：聚焦透镜621；平面输入镜622；平面全反镜623；凹面全反镜624；凹面输出镜625；倍频晶体626；压电陶瓷627；高压放大628；伺服系统629；光电探测器6210；
图4中：信号发生器3；空间电光相位调制器71；温控72。
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倍频产生的单频激光的输出功率，提出了一种相位调制解调的高功率倍频单频激光产生方法与系统。方法原理：采用周期性信号将单频基频光相位调制，产生多单频基频光，所述多单频基频光满足倍频条件，经过激光放大、倍频，获得高功率多单频倍频光，对所述多单频倍频光相位调制，多单频倍频光的相位调制深度等于多单频基频光的二倍、相位与多单频基频光相差π的奇数倍、频率间隔与多单频基频光相同，从而获得高功率单频倍频光。
下面给出具体实现上述方法的实施例。
实施例一：
单频激光器1为分布式布拉格反射(DBR)光纤激光器，中心波长可以是1120 nm，线宽10MHz；信号发生器3采用射频信号源，产生2个正弦信号，一个频率 1.6GHz，相位0°，输出功率23dBm，另一个频率1.6GHz，相位为-91°或 269°，输出功率29dBm；第一相位调制器2为电光相位调制器；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612为周期性极化的铌酸锂 (PPLN)；第二相位调制器7为空间电光相位调制器。所述单频激光器1中心波长，还可以是1-2μm范围内的任意波长。所述倍频晶体612还可以是PPSLT、 PPKTP、KTP、KDP、BBO、CLBO或LBO等。所述光纤放大器4，其增益光纤还可以为磷酸盐光纤、硅酸盐光纤、碲酸盐光纤或氟化物光纤。
实施例二：
单频激光器1为外腔半导体(ECDL)激光器，中心波长1178nm，线宽1MHz，加载外部射频信号；信号发生器3采用射频信号源，产生2个周期性正弦信号，一个频率1.6GHz，相位为0°，输出功率23dBm，另一个频率1.6GHz，相位为-99°或260°，输出功率29dBm；第一相位调制器2为电光相位调制器；光纤放大器4 是拉曼光纤放大器，其增益光纤为磷酸盐光纤；倍频晶体626为三硼酸锂晶体 (LBO)；基于FPGA的数字锁腔伺服系统，采用PDH锁腔技术，在单频激光器上加载12MHz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；第二相位调制器7为空间电光相位调制器。所述单频激光器1中心波长，还可以是1-2μm范围内的任意波长。倍频晶体626还可以是 KTP、KDP、BBO或CLBO等。所述光纤放大器4，其增益光纤还可以为石英光纤、硅酸盐光纤、碲酸盐光纤或氟化物光纤。所述锁腔技术，还可采用HC技术。所述三角波频率还可以为100Hz、150Hz或200Hz。
实施例三：
单频激光器1为分布式布拉格反射(DBR)光纤激光器，中心波长1064nm，线宽小于100kHz；信号发生器3采用方波信号源，产生2个周期性方波信号，一个频率100MHz，相位为0°，输出功率17dBm，另一个频率100MHz，相位为 -100°或260°，输出功率23dBm；第一相位调制器2为电光相位调制器；光纤放大器4是稀土掺杂光纤放大器，其增益光纤为掺钕光纤；倍频晶体612为周期性极化的化学计量比钽酸锂(PPSLT)；第二相位调制器7为空间电光相位调制器。所述单频激光器1中心波长，还可以是1-2μm范围内的任意波长。所述倍频晶体612还可以是PPLN、PPKTP、KTP、KDP、BBO、CLBO或LBO等。所述光纤放大器4，其增益光纤还可为掺镱、铋、铒、钬、铥离子或铒-镱共掺光纤。
实施例四：
单频激光器1为分布反馈(DFB)半导体激光器，中心波长可以是1064nm，线宽10kHz，加载外部射频信号；信号发生器3采用射频信号源，产生2个周期性正弦信号，一个频率3.2GHz，相位为0°输出功率25dBm，另一个频率3.2GHz，相位为-99°或261°，输出功率31dBm；第一相位调制器2为电光相位调制器；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626为β -偏硼酸钡晶体(BBO)；基于FPGA的数字锁腔伺服系统，采用PDH锁腔技术，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150Hz；第二相位调制器7为空间电光相位调制器。所述单频激光器1中心波长，还可以是1018nm、1560nm等1-2μm范围内的其他任意波长。所述倍频晶体626还可以是KTP、KDP、CLBO或LBO等。所述光纤放大器4，其增益光纤还可为掺钕、铋、铒、钬、铥离子或铒-镱共掺光纤。所述锁腔技术，可采用HC技术。所述三角波频率还可以为50Hz、100Hz或200Hz。
实施例五：
单频激光器1为固体激光器，中心波长可以是1018nm，线宽20MHz；信号发生器3采用方波信号源，产生2个周期性方波信号，一个频率50MHz，相位为 0°，输出功率17dBm，另一个频率50MHz，相位为-96°或264°，输出功率23 dBm；第一相位调制器2为电光相位调制器；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626为周期性极化的化学计量比钽酸锂 (PPSLT)；第二相位调制器7为空间电光相位调制器。所述单频激光器1中心波长，还可以是1064nm等1-2μm范围内的其他任意波长。所述倍频晶体626还可以是PPLN、PPKTP、KTP、KDP、BBO、CLBO或LBO等。所述光纤放大器4，其增益光纤还可为掺钕、铋、铒、钬、铥离子或铒-镱共掺光纤。
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)

1.一种相位调制解调的高功率倍频单频激光产生装置，包括：依次连接的单频激光器(1)、第一相位调制器(2)、光纤放大器(4)、空间隔离器(5)、倍频装置(6)和第二相位调制器(7)，还包括信号发生器(3)；其特征在于：所述的信号发生器(3)产生两个形状相同、频率相同的周期性信号，用于分别驱动所述的第一相位调制器(2)和第二相位调制器(7)，两个周期性信号相位差为nπ-Δφ，其中，n为奇数，Δφ为第二相位调制器(7)和第一相位调制器(2)之间激光传输放大产生的相位延迟，所述的第一相位调制器(2)对单频激光器(1)输出激光进行相位调制，产生多单频基频光，所述的第二相位调制器(7)对倍频装置(6)产生的倍频光进行相位解调，第二相位调制器(7)的调制深度是第一相位调制器(2)的二倍。
2.如权利要求1所述的相位调制解调的高功率倍频单频激光产生装置，其特征在于，所述单频激光器(1)为激活粒子掺杂的固体激光器、固体拉曼激光器、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，产生单频激光的线宽小于20MHz。
3.如权利要求1所述的相位调制解调的高功率倍频单频激光产生装置，其特征在于，所述第一相位调制器(2)和第二相位调制器(7)为光纤耦合电光相位调制器或空间电光相位调制器。
4.如权利要求1或3所述的相位调制解调的高功率倍频单频激光产生装置，其特征在于，所述第二相位调制器(7)温度可以调节。
5.如权利要求1所述的相位调制解调的高功率倍频单频激光产生装置，其特征在于，所述倍频装置(6)是单通倍频装置或谐振倍频装置。
6.如权利要求1所述的相位调制解调的高功率倍频单频激光产生装置，其特征在于，当倍频装置(6)是谐振倍频装置时，所述周期性信号的频率Ω是谐振倍频腔的自由光谱区(FSR)的整数倍，满足Ω＝n1FSR，n1为正整数。
7.如权利要求1所述的相位调制解调的高功率倍频单频激光产生装置，其特征在于，所述周期性信号的幅值小于10kV，调节周期性信号的输出功率，用于改变多单频基频光、多单频倍频光的频率间隔和调制深度。
8.如权利要求1或7所述的相位调制解调的高功率倍频单频激光产生装置，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。
9.如权利要求1-3或5-7任一所述的相位调制解调的高功率倍频单频激光产生装置，其特征在于，所述光纤放大器(4)为激活粒子掺杂光纤放大器或拉曼光纤放大器。
10.如权利要求1-3或5-7任一所述的相位调制解调的高功率倍频单频激光产生装置，其特征在于，所述倍频装置(6)中倍频晶体为:周期性极化的铌酸锂(PPLN)、周期性极化的化学计量比钽酸锂(PPSLT)、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)。
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