CN112467504B - 一种超短脉冲光纤放大器的强度噪声抑制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种超短脉冲光纤放大器的强度噪声抑制装置，包括超短脉冲激光光源、光强度调制器、光纤放大器、光分束器、光谱滤波器、直流耦合光电探测器以及锁相环路；所述超短脉冲激光光源、所述光强度调制器的光学端口、所述光纤放大器、所述光分束器依次连接；所述光分束器的一个光学输出端口作为激光输出端口，所述光分束器的另一个光学输出端口、光谱滤波器、直流耦合光电探测器依次连接，所述直流耦合光电探测器通过所述锁相环路与所述光强度调制器的电学输入端口电连接。本发明能够对超短脉冲放大过程中的各类噪声进行主动抑制。

Description

一种超短脉冲光纤放大器的强度噪声抑制装置
技术领域
本发明涉及超快激光技术领域，尤其涉及一种超短脉冲光纤放大器的强度噪声抑制装置。
背景技术
超快激光系统中的强度噪声问题是当前限制超短脉冲激光应用于精密光学测量和计量领域的重要因素之一，并且强度噪声已经成为高峰值功率光纤激光应用于高次谐波和阿秒脉冲产生的重要障碍。针对激光振荡器噪声的产生演化特性，科研人员已经开展了一系列的研究工作。然而超短脉冲激光放大过程中的噪声累计问题现在还缺乏系统、有针对性的抑制方案和技术出现。虽然为了解决强度噪声对高精度光谱分析的影响，已经发展了平衡探测器和调制解调技术，分别用于被动抑制强度噪声向探测信号耦合和提高探测信号对比度，但是对于光源部分的强度噪声现在还没有有效的主动抑制方案提出。
不同于连续激光系统，超短脉冲激光具有一定的频谱宽度，而增益光纤的增益谱线具有不同的线型，导致超短脉冲不同的频谱成分在放大过程中得到的增益不同，因此导致不同频谱成分的能量分布受到增益的调制，最终转换为超短脉冲的强度抖动。同时，超短脉冲传输和放大过程中不可避免的受到非线性效应的影响，如自相位调制、拉曼效应、自陡峭效应等，这些非线性效应均与超短脉冲的频谱分布强度相关，最终都会转换为脉冲的强度抖动。最近的研究表明超短脉冲各频谱成分具有的强度噪声不同，但是主要贡献来源于光谱两侧的成分。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种超短脉冲光纤放大器的强度噪声抑制装置，用以解决超短脉冲放大过程中强度噪声累积，无法实现主动抑制的问题。
本发明提供一种超短脉冲光纤放大器的强度噪声抑制装置，包括超短脉冲激光光源、光强度调制器、光纤放大器、光分束器、光谱滤波器、直流耦合光电探测器、锁相环路；
所述超短脉冲激光光源、所述光强度调制器的光学端口、所述光纤放大器、所述光分束器依次连接；所述光分束器的一个光学输出端口作为激光输出端口，所述光分束器的另一个光学输出端口、光谱滤波器、直流耦合光电探测器依次连接，所述直流耦合光电探测器通过所述锁相环路与所述光强度调制器的电学输入端口电连接。
进一步的，所述超短脉冲激光光源、所述光强度调制器的光学端口、所述光纤放大器、所述光分束器依次空间耦合连接或依次通过光纤连接；所述光分束器的另一个光学输出端口、光谱滤波器、直流耦合光电探测器依次空间耦合连接或依次通过光纤连接。
进一步的，所述超短脉冲激光光源的输出光谱宽度大于10nm，所述超短脉冲激光光源的脉冲宽度压缩至飞秒量级。
进一步的，所述光强度调制器用于接收所述锁相环路输出的电信号，并根据所述电信号调节输出光的光强度。
进一步的，所述光纤放大器包括泵浦激光、增益光纤以及泵浦激光耦合器。
进一步的，所述增益光纤为单个或多个，所述增益光纤采用掺杂光纤。
进一步的，所述光分束器用于接收所述光纤放大器输出的光信号，并将所述光纤放大器输出的光信号按设定比例分束后输出。
进一步的，所述光谱滤波器用于接收所述光分束器输出的光信号，并将所述光分束器输出的光信号按设定波长和设定宽度截取部分光信号进行输出。
进一步的，所述直流耦合光电探测器用于接收所述光谱滤波器输出的光信号，响应所述光谱滤波器输出的光信号并探测光功率抖动引起的直流电信号变化。
进一步的，所述锁相环路用于对输入的误差电信号进行比例和积分运算、放大后输入所述光强度调制器形成锁相反馈环路。
有益效果：本发明中，超短脉冲激光光源输出激光脉冲注入光强度调制器，光强度调制器的光学输出端口与光纤放大器连接进行激光脉冲的放大，在放大过程中激光脉冲受到增益效应、非线性效应、泵浦激光抖动等因素的影响，脉冲能量和光谱强度的波动转换为脉冲的强度噪声；光纤放大器的输出光信号通过光分束器，其中大部分作为输出激光用于其他功能，另一部分通过光谱滤波器；通过优化光谱滤波器带宽和中心波长，获得强度噪声贡献较大的成分，耦合至直流耦合光电探测器；直流耦合光电探测器产生的直流电信号作为误差信号通过电路连接线进入锁相环路，经过锁相环路信号处理后，再次返回光强度调制器的电学输入端口进行调制，通过实时探测反馈脉冲强度噪声产生的直流抖动实现对强度噪声进行主动抑制，解决了超短脉冲放大过程中强度噪声累积的技术问题。
附图说明
图１为本发明提供的超短脉冲光纤放大器的强度噪声抑制装置第一实施例的结构示意图；
图2为本发明提供的超短脉冲光纤放大器的强度噪声抑制装置第一实施例采用掺铒光纤放大器实现的结构示意图；
图3为本发明提供的超短脉冲光纤放大器的强度噪声抑制装置第一实施例采用掺镱光纤放大器实现的结构示意图；
附图说明：
1、超短脉冲激光光源；101、掺铒光纤锁模激光器；102、Yb_KGW锁模激光器；2、光强度调制器；201、声光调制器；202、电光强度调制器；3、光纤放大器；301、波分复用器；302、单模耦合泵浦激光器；303、单模掺铒光纤；304、光纤隔离器；305、泵浦合束器；306、多模光纤耦合泵浦激光器；307、双包层掺镱增益光纤；308、光纤隔离器；4、光分束器；401、1550nm光纤耦合器；402、1030nm光纤耦合器；5、光谱滤波器；501、中心波长1560nm带宽2nm的光谱滤波器；502、中心波长1045nm带宽1nm的光谱滤波器；6、直流耦合光电探测器；601、铟镓砷直流耦合光电探测器；602、硅直流耦合光电探测器；7、锁相环路；701、模拟PID锁相环；702、数字模拟混合PID锁相环。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
如图1所示，本发明的实施例1提供了超短脉冲光纤放大器的强度噪声抑制装置，以下简称本装置，包括超短脉冲激光光源1、光强度调制器2、光纤放大器3、光分束器4、光谱滤波器5、直流耦合光电探测器6、锁相环路7；
所述超短脉冲激光光源1、所述光强度调制器2的光学端口、所述光纤放大器3、所述光分束器4依次连接；所述光分束器4的一个光学输出端口作为激光输出端口，所述光分束器4的另一个光学输出端口、光谱滤波器5、直流耦合光电探测器6依次连接，所述直流耦合光电探测器6通过所述锁相环路7与所述光强度调制器2的电学输入端口电连接。
本装置中，超短脉冲激光光源1输出激光脉冲注入光强度调制器2，此时的激光脉冲强度没有被光强度调制器2进行强度调制；光强度调制器2的光学输出端口与光纤放大器3连接进行激光脉冲的放大，在放大过程中激光脉冲受到增益效应、非线性效应、泵浦激光抖动等因素的影响，脉冲能量和光谱强度的波动转换为脉冲的强度噪声；光纤放大器3的输出光信号通过光分束器4，其中大部分作为输出激光用于其他功能，另一部分通过光谱滤波器5，光分束器4的分束比根据应用需求可以灵活调整；通过优化光谱滤波器5带宽和中心波长，获得强度噪声贡献较大的成分，耦合至直流耦合光电探测器6；直流耦合光电探测器6产生的直流电信号作为误差信号通过电路连接线进入锁相环路7，经过锁相环路7信号处理后，再次返回光强度调制器2的电学输入端口进行调制。本装置通过实时探测反馈脉冲强度噪声产生的直流抖动实现对强度噪声进行主动抑制，解决了超短脉冲放大过程中强度噪声累积的技术问题，为实现低噪声高稳定度的超短脉冲光纤放大系统提供了噪声抑制方案。
本发明能够有效抑制超短脉冲在光纤放大器3放大过程中累积的强度噪声，探测超短脉冲不同频谱成分对脉冲强度噪声的贡献程度，反馈控制注入脉冲的强度实现对强度噪声的抑制。本发明的设计方案灵活多变，可以针对不同的工作波段、不同耦合结构，既适用于光纤连接，又适用于空间光耦合。本发明不仅能够抑制泵浦激光抖动引起的强度噪声，还能够抑制自相位调制、拉曼效应、自陡峭效应引起的强度噪声。
优选的，所述超短脉冲激光光源1、所述光强度调制器2的光学端口、所述光纤放大器3、所述光分束器4依次空间耦合连接或依次通过光纤连接；所述光分束器4的另一个光学输出端口、光谱滤波器5、直流耦合光电探测器6依次空间耦合连接或依次通过光纤连接。
优选的，所述超短脉冲激光光源1的输出光谱宽度大于10nm，所述超短脉冲激光光源1的脉冲宽度压缩至飞秒量级。
所述超短脉冲激光光源1为光纤激光器、固体激光器、半导体激光器或碟片激光器。
优选的，所述光强度调制器2用于接收所述锁相环路7输出的电信号，并根据所述电信号调节输出光的光强度。
光强度调制器2属于电调制主动光学器件，其能够通过输入电信号的强度变化，调节通过器件的光强度变化，光强度调制器2可以为电光调制器、声光调制器或半导体放大器。
优选的，所述光纤放大器3包括泵浦激光、增益光纤以及泵浦激光耦合器。
光纤放大器3由泵浦激光、增益光纤、泵浦激光耦合器组成。
优选的，所述增益光纤为单个或多个。
光纤放大器3，可以是单个由增益光纤构成的放大模块，也可以是多个光纤放大模块的组合。
优选的，所述光纤放大器3的增益介质采用掺杂光纤。
增益光纤可以采用稀土掺杂单模光纤、双包层光纤、光子晶体光纤或晶体光纤，也可以是拉曼光纤。优选采用掺杂光纤，能够吸收泵浦光能量为输入信号光提供增益并输出。
优选的，所述光分束器4用于接收所述光纤放大器3输出的光信号，并将所述光纤放大器3输出的光信号按设定比例分束后输出。
光分束器4可以将输入的光信号强度按照特定比例分数输出，光分束器4可以采用光纤耦合器或光分数镜片实现。
优选的，所述光谱滤波器5用于接收所述光分束器4输出的光信号，并将所述光分束器4输出的光信号按设定波长和设定宽度截取部分光信号进行输出。
光谱滤波器5可以采用光纤滤波器、干涉滤波片、光栅或棱镜实现。
优选的，所述直流耦合光电探测器用于接收所述光谱滤波器5输出的光信号，响应所述光谱滤波器5输出的光信号并探测光功率抖动引起的直流电信号变化。
优选的，所述锁相环路7用于对输入的误差电信号进行比例和积分运算、放大后输入所述光强度调制器2形成锁相反馈环路。
本实施例中锁相环路7为比例积分反馈控制电路。
为了对本发明进行更加详细和具体的说明，以下采用本发明提供的方案针对掺铒光纤激光器和掺镱光纤激光器两种情形进行光纤放大强度噪声抑制的具体说明。
如图2所示，该实施例针对掺铒光纤激光器，具体实施方案为：超短脉冲激光光源1采用掺铒光纤锁模激光器101，输出中心波长为1550nm，光谱宽度大于10nm；光强度调制器2采用1550nm的声光调制器201；光纤放大器3包括1550nm波分复用器301、976nm的单模耦合泵浦激光器302、单模掺铒光纤303以及1550nm光纤隔离器304；光分束器4采用分数比为1：9的1550nm光纤耦合器401；光谱滤波器5采用中心波长1560nm带宽2nm的光谱滤波器501；直流耦合光电探测器6采用铟镓砷直流耦合光电探测器601；锁相环路7采用模拟PID锁相环701。
具体工作原理及流程为：掺铒光纤锁模激光器101输出的光谱中心波长为1550nm、覆盖3dB、光谱宽度在10nm；首先通过光纤耦合至声光调制器201，通过零级衍射光路直接输出，在没有反馈控制电压作用的情况下，不会输出的一级衍射光，超短脉冲强度不受到调制；输出的零级衍射光接下来通过光纤耦合至光纤放大器3内；在光纤放大器3内首先通过1550nm波分复用器301和单模耦合泵浦激光器302输出976nm激光合束耦合进入单模掺铒光纤303，然后对脉冲进行放大并通过光纤隔离器304输出；光纤放大器3输出的脉冲由分数比为1：9的1550nm光纤耦合器401按照功率分成两束，其中：90%的输出作为应用光束输，10%的输出耦合至中心波长1560nm带宽2nm的光谱滤波器501；中心波长1560nm带宽2nm的光谱滤波器501用于将超短脉冲光谱抖动较大的成分滤出通过光纤耦合至铟镓砷直流耦合光电探测器601；获得的直流信号作为误差信号传输至模拟PID锁相环701，经过滤波放大运算后重新返回至1550nm声光调制器201的调制信号输入端口，通过控制零级和一级光的强度比例调节放大过程中引入的强度噪声。
如图3所示，该实施例针对掺镱光纤激光器，具体实施方案为：超短脉冲激光光源1采用Yb_KGW锁模激光器102，其输出中心波长1030nm，光谱宽度大于30nm；光强度调制器2采用1030nm电光强度调制器202；光纤放大器3包括1030nm和976nm泵浦合束器305、976nm多模光纤耦合泵浦激光器306、双包层掺镱增益光纤307以及1030nm光纤隔离器308；光分束器4采用分数比为1:99的1030nm光纤耦合器402；光谱滤波器5采用中心波长1045nm、带宽1nm的光谱滤波器502；直流耦合光电探测器6采用硅直流耦合光电探测器602；锁相环路7采用数字模拟混合PID锁相环702。
具体工作原理及流程为：掺Yb_KGW锁模激光器102输出的光谱，中心波长为1030nm、覆盖3dB、光谱宽度在30nm；首先通过光纤耦合至1030nm电光强度调制器202，输出的脉冲光接下来通过光纤耦合至光纤放大器3内；在光纤放大器3内首先通过1030nm和976nm的泵浦合束器305、976nm的多模光纤耦合泵浦激光器306输出的激光合束耦合进入双包层掺镱增益光纤307，然后对脉冲进行放大后通过光纤隔离器308输出；光纤放大器3输出的脉冲由分数比为1：99的1030nm光纤耦合器402按照功率分成两束，其中：99%的输出作为应用光束输出，1%的输出耦合至中心波长1045nm带宽1nm的光谱滤波器502；中心波长1045nm带宽1nm的光谱滤波器502用于将超短脉冲光谱抖动较大的成分滤出通过光纤耦合至硅直流耦合光电探测器602；获得的直流信号作为误差信号传输至数字模拟混合PID锁相环702，经过滤波放大运算后重新返回至1030nm电光强度调制器202的调制信号输入端口，通过控制电光调制器的输出强度调节放大过程中引入的强度噪声。
应该理解的，图2和图3只是一个优选的实施例的示意图，各器件的编号以及附图的编号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
综上所述，本发明能够有效抑制超短脉冲在光纤放大器3放大过程中累积的强度噪声，探测超短脉冲不同频谱成分对脉冲强度噪声的贡献程度，反馈控制注入脉冲的强度实现对强度噪声的抑制。本发明不仅能够抑制泵浦激光抖动引起的强度噪声，还能够抑制自相位调制、拉曼效应、自陡峭效应引起的强度噪声。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种超短脉冲光纤放大器的强度噪声抑制装置，其特征在于，包括超短脉冲激光光源、光强度调制器、光纤放大器、光分束器、光谱滤波器、直流耦合光电探测器以及锁相环路；
所述超短脉冲激光光源、所述光强度调制器的光学端口、所述光纤放大器、所述光分束器依次连接；所述光分束器的一个光学输出端口作为激光输出端口，所述光分束器的另一个光学输出端口、光谱滤波器、直流耦合光电探测器依次连接，所述直流耦合光电探测器通过所述锁相环路与所述光强度调制器的电学输入端口电连接；
其中，所述光强度调制器用于接收所述锁相环路输出的电信号，并根据所述电信号调节输出光的光强度；
所述光谱滤波器用于接收所述光分束器输出的光信号，并将所述光分束器输出的光信号按设定波长和设定宽度截取部分光信号进行输出；
所述直流耦合光电探测器用于接收所述光谱滤波器输出的光信号，响应所述光谱滤波器输出的光信号并探测光功率抖动引起的直流电信号变化。
2.根据权利要求1所述的超短脉冲光纤放大器的强度噪声抑制装置，其特征在于，所述超短脉冲激光光源、所述光强度调制器的光学端口、所述光纤放大器、所述光分束器依次空间耦合连接或依次通过光纤连接；所述光分束器的另一个光学输出端口、光谱滤波器、直流耦合光电探测器依次空间耦合连接或依次通过光纤连接。
3.根据权利要求1所述的超短脉冲光纤放大器的强度噪声抑制装置，其特征在于，所述超短脉冲激光光源的输出光谱宽度大于10nm，所述超短脉冲激光光源的脉冲宽度压缩至飞秒量级。
4.根据权利要求1所述的超短脉冲光纤放大器的强度噪声抑制装置，其特征在于，所述光纤放大器包括泵浦激光、增益光纤以及泵浦激光耦合器。
5.根据权利要求4所述的超短脉冲光纤放大器的强度噪声抑制装置，其特征在于，所述增益光纤为单个或多个，所述增益光纤采用掺杂光纤。
6.根据权利要求1所述的超短脉冲光纤放大器的强度噪声抑制装置，其特征在于，所述光分束器用于接收所述光纤放大器输出的光信号，并将所述光纤放大器输出的光信号按设定比例分束后输出。
7.根据权利要求1所述的超短脉冲光纤放大器的强度噪声抑制装置，其特征在于，所述锁相环路用于对输入的误差电信号进行比例和积分运算、放大后输入所述光强度调制器形成锁相反馈环路。
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