CN112993725A - 预展宽激光光谱的sbs效应抑制装置和抑制方法 - Google Patents

Abstract

一种预展宽激光光谱的SBS效应抑制装置和抑制方法，装置包括调制激光光源、相位调制器、射频放大器、射频低通滤波器、白噪声源、伪随机二进制序列信号发生器和光纤放大器系统。本发明运用一个滤波后的白噪声源对激光光谱进行预展宽，以及一个滤波后的伪随机二进制序列信号对激光光谱进行主展宽，实现在维持激光光谱线宽的同时对光谱强度进一步匀化。根据SBS效应阈值增强因子关系式，调节伪随机调制信号的谱线间隔和选择白噪声源的调制带宽，可实现在光纤激光中SBS效应的最大化抑制。

Description

预展宽激光光谱的SBS效应抑制装置和抑制方法

技术领域

本发明涉及光纤激光SBS效应抑制，特别是一种预展宽激光线宽的SBS效应抑制装置和抑制方法。

背景技术

窄线宽高功率的光纤激光器已经被广泛地应用在激光组束、非线性频率转换、激光雷达和相干通信等领域。随着技术的发展，这些领域对光源的相干性和功率要求日益提升，但是在窄线宽高功率光纤激光器中，线宽的压窄和功率的提升容易激起受激布里渊散射(简称为SBS)效应，SBS效应会形成后向巨脉冲，损伤前级光学系统，因此光纤激光器的线宽和功率的进一步发展都受到SBS效应的限制。为了抑制SBS效应，国内外研究人员运用白噪声信号和伪随机二进制序列信号的相位调制技术将激光光谱展宽至数十GHz，目前最高实现了4kW级激光输出。基于这些技术的光纤激光器要想拓展功率，则需要拓展线宽，而想要压窄线宽，则必须牺牲输出功率，两者难以同时提升，因此线宽<2GHz的光纤激光器输出功率难以达到千瓦级。先前技术表明，离散谱线型激光光谱(基于伪随机二进制序列信号的相位调制技术)比连续型激光光谱(基于白噪声信号的相位调制技术)更能有效地抑制SBS效应。但是在光谱展宽过程中，离散谱线的形态都维持激光种子的光谱形态，而激光种子的光谱线宽通常<MHz，这使得离散谱线的强度依然较高，从而导致SBS效应阈值难以提升。为了突破SBS效应的限制实现光纤激光器在GHz量级甚至亚GHz量级线宽千瓦级输出，研究离散谱线的控制及其强度的匀化是压窄线宽和提升功率的关键。

发明内容

为解决上述现有技术存在的问题，本发明提出一种预展宽激光光谱的SBS效应抑制装置和抑制方法，本发明通过白噪声源预展宽待调制激光光源线宽至MHz量级，使得光谱强度进一步匀化。根据SBS效应阈值增强因子选取白噪声源带宽和伪随机二进制序列信号发生器输出信号的谱线间隔，令SBS效应阈值增强因子接近最优调制点，可以实现预期激光线宽内最有效地抑制光纤激光的SBS效应。

本发明的技术解决方案如下：

一种预展宽激光光谱的SBS效应抑制装置，其特点在于，包括待调制激光光源、第一相位调制器、第一射频放大器、第一射频低通滤波器、白噪声源、伪随机二进制序列信号发生器、光纤放大器系统、第二相位调制器、第二射频放大器和第二射频低通滤波器；

所述的待调制激光光源发射窄线宽激光，沿该激光传输方向依次设置第一两个相位调制器、第二相位调制器和光纤放大器系统，相邻器件之间通过光纤相互连接；

所述的白噪声源的输出端与第一射频低通滤波器的输入端通过射频信号传输线相连；所述的第一射频低通滤波器的输出端与第一射频放大器的输入端通过射频信号传输线相连，所述的第一射频放大器的输出端通过射频信号传输线与所述的第一相位调制器的调制端相连；

所述的伪随机二进制序列信号发生器的输出端与所述的第二射频低通滤波器的输入端通过射频信号传输线相连；所述的第二射频低通滤波器的输出端与第二射频放大器的输入端通过射频信号传输线相连，所述的第二射频放大器的输出端通过射频信号传输线与所述的第二相位调制器的调制端相连。

与白噪声源相连接的第一射频低通滤波器的带宽小于所述的伪随机二进制序列信号发生器输出信号谱线间隔的一半。

利用上述预展宽激光光谱的SBS效应抑制装置抑制光纤激光SBS效应的方法，包括下列步骤：

1)测量所述的光纤放大器系统的SBS增益谱带宽Γ_B；

2)根据预期激光线宽Δν₁选取对应带宽的第一射频低通滤波器；

3)所述的光纤放大器系统的SBS效应阈值增强因子满足下列关系式：

其中，ω_L是待调制激光光源的中心频率，f(ω,Δν₃)是滤波后白噪声源的频谱函数，Δν₃是该频谱函数的带宽；υ_pm是伪随机二进制序列信号发生器的调制码率，Δν₂是所述的伪随机二进制序列信号发生器输出信号的谱线间隔，N是在激光线宽Δν₁内的光谱谱线数量的一半，这些参数之间满足关系2N＝Δν₁/Δν₂，Δν₂＝υ_pm/(2ⁿ-1)，n是所述的伪随机二进制序列信号发生器的模式长度；

4)将所述的伪随机二进制序列信号发生器的模式长度设定为9；

5)将饱和SBS效应阈值增强因子的90％视为最优调制点，选取合适的函数匹配滤波后所述的白噪声源的频谱函数，以白噪声源的频谱函数带宽Δν₃和所述的伪随机二进制序列信号发生器输出信号的谱线间隔Δν₂为变量计算全局最优调制点；

6)最后调节所述的伪随机二进制序列信号发生器的调制码率υ_pm，使其输出信号的谱线间隔尽可能接近最优调制点的Δν₂，同时选用对应带宽的第一射频低通滤波器和第二射频低通滤波器，使所述的白噪声源的频谱函数带宽尽接近靠近最优调制点的Δν₃。

与现有技术相比，本发明的技术效果如下：

1)进一步匀化离散激光光谱强度，可提升SBS效应阈值；

2)增加了调控激光光谱的自由度；

3)可实现在预期激光线宽内最有效地抑制SBS效应。

附图说明

图1为本发明预展宽激光光谱的SBS效应抑制装置的结构示意图。

101为待调制激光光源；102为光纤；103为第一相位调制器；104为第一射频放大器；105为第一射频低通滤波器；106为白噪声源；107为伪随机二进制序列信号发生器；108为光纤放大器系统；109为射频信号传输线；110为第二相位调制器；111为第二射频放大器；112为第二射频低通滤波器。

图2为本发明实施例中激光光谱演变原理图。

图3为本发明实施例中被展宽后的激光光谱示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明，实施例仅用于解释本发明，不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1为本发明预展宽激光光谱的SBS效应抑制装置抑制方法的结构示意图，由图可见，本发明预展宽激光光谱的SBS效应抑制装置，包括待调制激光光源101、第一相位调制器103、第一射频放大器104、第一射频低通滤波器105、白噪声源106、伪随机二进制序列信号发生器107、光纤放大器系统108、第二相位调制器110、第二射频放大器111和第二射频低通滤波器112；

所述的待调制激光光源101发射窄线宽激光，沿该激光传输方向依次设置第一相位调制器103、第二相位调制器110和光纤放大器系统108，相邻器件之间通过光纤102相互连接；

所述的白噪声源106的输出端与第一射频低通滤波器105的输入端通过射频信号传输线109相连；所述的第一射频低通滤波器105的输出端与第一射频放大器104的输入端通过射频信号传输线109相连，所述的第一射频放大器104的输出端通过射频信号传输线109与所述的第一相位调制器103的调制端相连；

所述的伪随机二进制序列信号发生器107的输出端与所述的第二射频低通滤波器112的输入端通过射频信号传输线109相连；所述的第二射频低通滤波器112的输出端与第二射频放大器111的输入端通过射频信号传输线109相连，所述的第二射频放大器111的输出端通过射频信号传输线109与所述的第二相位调制器110的调制端相连。

与白噪声源106相连接的第一射频低通滤波器105的带宽小于所述的伪随机二进制序列信号发生器107经第二射频低通滤波器112输出信号谱线间隔的一半。

实施例

在本实施例中，待调制激光光源101的线宽为20kHz。如图2所示，激光光谱线宽从初始的kHz量级首先被所述的白噪声源106的调制信号预展宽Δν₃至MHz量级，然后被伪随机二进制序列信号发生器107的调制信号主展宽至GHz量级，在主展宽过程中，每个谱线保持预展宽后的形态。与白噪声源106相连接的射频低通滤波器105的带宽小于所述的伪随机二进制序列信号发生器107输出信号谱线间隔的一半。

在本实施例中，光纤放大器系统108的SBS增益谱带宽Γ_B为20MHz，预期激光线宽Δν₁选定为2GHz，并通过相应带宽的第二射频低通滤波器112限制随机二进制序列信号发生器107的输出调制信号来实现，随机二进制序列信号发生器107的模式长度设置为9。所述的第二相位调制器110的半波电压为3.6V，与伪随机二进制序列信号发生器107加载到第二相位调制器110上的信号调制深度为π。根据图3所示的激光光谱示意图，结合先前技术(ZL201910904362.6)可知，光谱的谱线间隔Δν₂和预展宽后的光谱线宽Δν₃决定SBS效应抑制装置的SBS效应阈值增强因子。其中阈值增强因子满足以下关系：

在本实施例中，被白噪声源106预展宽后的激光光谱可根据实际滤波情况选取较匹配的函数表示，通常可呈现sinc²形式、洛伦兹形式和巴特沃斯形式，以sinc²形式为例，函数f(ω,Δν₃)可表示为：

其中，A₀是归一化常数，则阈值增强因子可表示为：

在本实施例中，阈值增强因子ζ可通过数值计算得到，在代入对应参数后，可计算出以光谱的谱线间隔Δν₂和预展宽后的光谱线宽Δν₃为自变量的阈值增强因子数值，将达到饱和阈值增强因子数值的90％视为最优调制点，找到满足条件的谱线间隔Δν₂和预展宽后的光谱线宽Δν₃，根据随机二进制序列信号发生器107的调制码率与的谱线间隔Δν₂关系，选取对应调制码率使实际的谱线间隔Δν₂接近最优调制点，同时同时选用对应带宽的第一射频低通滤波器105和第二射频低通滤波器112，使预展宽后的光谱线宽Δν₃接近最优调制点，可实现预期线宽内最有效地抑制SBS效应。

以上所述，只是本发明较佳的实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在本发明所揭露的技术范围内，其还可对这些已描述的实施例做出若干替换或增减，这些都属于本发明技术方案的范围，因此本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种预展宽激光光谱的SBS效应抑制装置，其特征在于，包括待调制激光光源(101)、第一相位调制器(103)、第一射频放大器(104)、第一射频低通滤波器(105)、白噪声源(106)、伪随机二进制序列信号发生器(107)、第二相位调制器(110)、第二射频放大器(111)、第二射频低通滤波器(112)和光纤放大器系统(108)；

所述的待调制激光光源(101)发射窄线宽激光，沿该激光传输方向依次设置第一相位调制器(103)、第二相位调制器(110)和光纤放大器系统(108)，相邻器件之间通过光纤(102)相互连接；

所述的白噪声源(106)的输出端与第一射频低通滤波器(105)的输入端通过射频信号传输线(109)相连；所述的第一射频低通滤波器(105)的输出端与第一射频放大器(104)的输入端通过射频信号传输线(109)相连，所述的第一射频放大器(104)的输出端通过射频信号传输线(109)与所述的第一相位调制器(103)的调制端相连；

所述的伪随机二进制序列信号发生器(107)的输出端与所述的第二射频低通滤波器(112)的输入端通过射频信号传输线(109)相连；所述的第二射频低通滤波器(112)的输出端与第二射频放大器(111)的输入端通过射频信号传输线(109)相连，所述的第二射频放大器(111)的输出端通过射频信号传输线(109)与所述的第二相位调制器(110)的调制端相连。

2.根据权利要求1所述的预展宽激光光谱的SBS效应抑制装置，其特征在于，与白噪声源(106)相连接的第一射频低通滤波器(105)输出的带宽小于所述的伪随机二进制序列信号发生器(107)经第二射频低通滤波器(112)输出信号谱线间隔的一半。

3.利用权利要求1所述的预展宽激光光谱的SBS效应抑制装置抑制光纤激光SBS效应的方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

1)测量所述的光纤放大器系统(108)的SBS增益谱带宽Γ_B；

2)根据预期激光线宽Δν₁选取对应带宽的第一射频低通滤波器(105)；

3)所述的光纤放大器系统(108)的SBS效应阈值增强因子满足下列关系式：

其中，ω_L是待调制激光光源(101)的中心频率，f(ω,Δν₃)是滤波后白噪声源(106)的频谱函数，Δν₃是该频谱函数的带宽；υ_pm是伪随机二进制序列信号发生器(107)的调制码率，Δν₂是所述的伪随机二进制序列信号发生器(107)输出信号的谱线间隔，N是在激光线宽Δν₁内的光谱谱线数量的一半，这些参数之间满足关系2N＝Δν₁/Δν₂，Δν₂＝υ_pm/(2ⁿ-1)，n是所述的伪随机二进制序列信号发生器(107)的模式长度；

4)将所述的伪随机二进制序列信号发生器(107)的模式长度设定为9；

5)将饱和SBS效应阈值增强因子的90％视为最优调制点，选取合适的函数匹配滤波后所述的白噪声源(106)的频谱函数，以白噪声源(106)的频谱函数带宽Δν₃和所述的伪随机二进制序列信号发生器(107)输出信号的谱线间隔Δν₂为变量计算全局最优调制点；

6)最后调节所述的伪随机二进制序列信号发生器(107)的调制码率υ_pm，使其输出信号的谱线间隔尽可能接近最优调制点的Δν₂，同时选用对应带宽的第一射频低通滤波器(105)和第二射频低通滤波器(112)，使所述的白噪声源(106)的频谱函数带宽尽接近靠近最优调制点的Δν₃。

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