CN113140952A - 一种基于随机光纤激光器的高效率可调谐波长倍频系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于随机光纤激光器的高效率可调谐波长倍频系统,包括依次连接的随机光纤激光模块、窄带可调谐滤波器、第一放大模块、第二放大模块和倍频模块;随机光纤激光模块用于输出可调谐波长的掺镱随机激光。本发明利用可调谐滤波器构建点反馈,实现波长可调谐的掺镱随机激光器,通过调节PPLN温度实现相位匹配,输出波长可调谐的倍频可见光随机激光;第一放大模块前设置一个窄带可调谐滤波器,窄带可调谐滤波器的中心波长与掺镱随机激光中心波长具有一定的偏移,以滤出掺镱随机激光的光谱边沿成分,实现对基频光的时域强度统计特性的调控,进一步提升倍频效率。
Description
技术领域
本发明涉及激光领域,具体涉及一种基于随机光纤激光器的高效率可调谐波长倍频系统。
背景技术
光纤随机激光器作为一种新型的激光器,由于其独特的物理特性和广泛的潜在应用,得到了人们广泛的关注和研究。相比于传统的激光器,这种无谐振腔的光纤随机激光器结构更加简单、转换效率更高、稳定性更好、可靠性更高以及噪声更低。利用这些特性和优点,光纤随机激光器在光纤通信、传感、成像以及中红外激光泵浦源中都有着广泛的潜在应用。
虽然光纤随机激光器因其独特的性质得到了人们广泛的关注,但基于二氧化硅光纤的光纤随机激光器波长限制在近红外区域。为了产生可见随机激光,可借助非线性光学频率转换,将光纤随机激光器倍频产生可见随机激光。通过该手段,可以利用近红外(1.1~1.7μm)光纤随机激光产生绿色,黄色和红色的可见随机激光。
目前报道的光纤随机激光倍频产生的可见随机激光的波长是固定的,倍频效率不高。另一方面,倍频效率不仅取决于基频激光的带宽,还取决于基频激光的时域动态特性和统计特性。目前报道的光纤随机激光倍频系统并没有实现通过调控光纤随机激光的时域强度统计特性来实现倍频效率的提升。
发明内容
本发明提供一种通过对光纤随机激光进行光谱边沿滤波调控其时域强度统计特性,提升光纤随机激光器倍频效率的基于随机光纤激光器的高效率可调谐波长倍频系统。
本发明采用的技术方案是:一种基于随机光纤激光器的高效率可调谐波长倍频系统,包括依次连接的随机光纤激光模块、窄带可调谐滤波器、第一放大模块、第二放大模块和倍频模块;
随机光纤激光模块用于输出可调谐波长的掺镱随机激光,包括依次连接的用于产生可选择波长点反馈的反馈模块、第一泵浦合束器、第一掺镱光纤、单模光纤;第一泵浦合束器连接第一泵浦光源;反馈模块包括依次连接的1:1光耦合器,可调谐滤波器集成于基于1:1光耦合器的光纤环反射镜中;随机光纤激光模块输出激光波长由可调谐滤波器中心波长决定;
窄带可调谐滤波器的中心波长与可调谐滤波器中心波长具有偏移,波长偏移量大于掺镱随机激光光谱-10dB带宽的一半,滤出掺镱随机激光的光谱边沿成分;
第一放大模块包括依次连接的第二泵浦合束器和第二掺镱光纤;第二泵浦合束器连接第二泵浦光源;第二放大模块包括相互连接的第三泵浦合束器和第三掺镱光纤;第三泵浦合束器连接第三泵浦光源;倍频模块包括依次连接的第一透镜、起偏器、第二透镜、PPLN晶体、第三透镜、二色镜和功率计。
进一步的,所述随机光纤激光模块和窄带可调谐滤波器之间设置有第一隔离器。
进一步的,所述第一放大模块和第三放大模块之间设置有第二隔离器。
进一步的,所述可调谐滤波器带宽为0.1nm,生成可调谐滤波器掺镱随机激光的带宽<0.3nm,波长输出为1030nm~1100nm。
进一步的,所述窄带可调谐滤波器带宽<0.04nm。
进一步的,所述PPLN晶体长度大于10mm。
一种高效率可调谐波长倍频系统的使用方法,包括以下步骤:
通过集成到基于1:1光耦合器光纤环反射镜中的可调谐滤波器构建可选择波长的点反馈;
第一泵浦光源通过第一泵浦合束器进入第一掺镱光纤中,提供掺镱增益;
第一掺镱光纤连接单模光纤,结合可选择波长的点反馈和单模光纤中的瑞利散射随机分布反馈,输出可调谐波长的掺镱随机激光;
单模光纤连接第一隔离器,第一隔离器连接窄带可调谐滤波器对掺镱随机激光中的边沿光谱分量进行滤波;从而滤出掺镱随机激光的光谱边沿成分;
光谱边沿滤波后的掺镱随机激光与第二泵浦光源通过第二泵浦合束器进入第二掺镱光纤中实现光功率的预放大;
经过预防大的掺镱随机激光通过第二隔离器,进入第二放大模块实现光功率的进一步放大;
放大后的掺镱随机激光经第一透镜准直、起偏器线偏振输出,经第二透镜聚焦到PPLN晶体中实现倍频,经第三透镜准直后传输至二色镜滤出倍频得到的可见光成分。
本发明的有益效果是:
(1)本发明利用可调谐滤波器构建点反馈,实现波长可调谐的掺镱随机激光器,通过调节PPLN温度实现相位匹配,输出波长可调谐的倍频可见光随机激光;
(2)本发明第一放大模块前设置一个窄带可调谐滤波器,窄带可调谐滤波器的中心波长与掺镱随机激光中心波长具有一定的偏移,以滤出掺镱随机激光的光谱边沿成分,实现对基频光的时域强度统计特性的调控,进一步提升倍频效率。
附图说明
图1为本发明高效率可调谐波长倍频系统的结构示意图。
图2为本发明实施例中采用窄带可调谐滤波器对从掺镱随机激光滤波后的光谱图。
图3为本发明实施例中窄带可调谐滤波器的中心波长和掺镱随机激光中心波长不同偏移量下,滤波后的掺镱随机激光的时域动态特性(a)和时域强度统计特性(b)。
图4为本发明实施例中窄带可调谐滤波器的中心波长和掺镱随机激光中心波长不同偏移量下,倍频产生的绿光随机激光输出功率与基频光入射功率的关系。
图中:1-随机光纤激光模块,2-第一放大模块,3-第一隔离器,4-第二隔离器,5-第二放大模块,6-第一透镜,7-起偏器,8-第二透镜,9-PPLN晶体,10-第三透镜,11-二色镜,12-第一功率计,13-第二功率计,14-可调谐滤波器,15-1:1光耦合器,16-第一泵浦光源,17-第一泵浦合束器,18-第一掺镱光纤,19-单模光纤,20-窄带可调谐滤波器,21-第二泵浦光源,22-第二泵浦合束器,23-第二掺镱光纤,24-第三泵浦光源,25-第三泵浦合束器,26-第三掺镱光纤。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
如图1所示,一种基于随机光纤激光器的高效率可调谐波长倍频系统,包括依次连接的随机光纤激光模块1、窄带可调谐滤波器20、第一放大模块2、第二放大模块5和倍频模块;
随机光纤激光模块1用于输出可调谐波长的掺镱随机激光,包括依次连接的用于产生可选择波长点反馈的反馈模块、第一泵浦合束器17、第一掺镱光纤18、单模光纤19;第一泵浦合束器17连接第一泵浦光源16;反馈模块包括依次连接的1:1光耦合器15,可调谐滤波器14集成于基于1:1光耦合器15的光纤环反射镜中;随机光纤激光模块1输出激光波长由可调谐滤波器14中心波长决定;
窄带可调谐滤波器20的中心波长与可调谐滤波器14中心波长具有偏移,波长偏移量大于掺镱随机激光光谱-10dB带宽的一半,滤出掺镱随机激光的光谱边沿成分;
第一放大模块2包括依次连接的第二泵浦合束器22和第二掺镱光纤23;第二泵浦合束器22连接第二泵浦光源21;第二放大模块5包括相互连接的第三泵浦合束器25和第三掺镱光纤26;第三泵浦合束器25连接第三泵浦光源24;倍频模块包括依次连接的第一透镜6、起偏器7、第二透镜8、PPLN晶体9、第三透镜10、二色镜11和功率计。
随机光纤激光模块1和窄带可调谐滤波器20之间设置有第一隔离器3;第一放大模块2和第三放大模块5之间设置有第二隔离器4。
第一泵浦光源16、第二泵浦光源21、第三泵浦光源24均产生976nm光。可调谐滤波器14带宽为0.1nm,生成可调谐掺镱随机激光的带宽<0.3nm,掺镱随机激光的输出波长由可调谐滤波器14中心波长决定。窄带可调谐滤波器20带宽<0.04nm,窄带可调谐滤波器20的中心波长与可调谐滤波器14中心波长具有一定的偏移,以滤出掺镱随机激光的光谱边沿成分,波长偏移量为掺镱随机激光光谱-20dB带宽的一半。
滤波后的掺镱随机激光经两级放大后,在第三掺镱光纤26后输出功率在瓦量级。PPLN晶体9长度大于10mm,通过对PPLN温度的调节满足不同波长掺镱随机激光倍频的相位匹配条件。PPLN指周期极化铌酸锂晶体。
使用时,通过集成到基于1:1光耦合器15光纤环反射镜中的可调谐滤波器14构建可选择波长的点反馈。
第一泵浦光源16通过第一泵浦合束器17进入第一掺镱光纤18中,提供掺镱增益;
第一掺镱光纤18连接单模光纤19,结合可选择波长的点反馈和单模光纤19中的瑞利散射随机分布反馈,输出可调谐波长的掺镱随机激光。
单模光纤19连接第一隔离器3,第一隔离器3连接窄带可调谐滤波器20对掺镱随机激光中的边沿光谱分量进行滤波,从而滤出掺镱随机激光的光谱边沿成分。
光谱边沿滤波后的掺镱随机激光与第二泵浦光源21通过第二泵浦合束器22进入第二掺镱光纤23中实现光功率的预放大。
经过预防大的掺镱随机激光通过第二隔离器4,进入第二放大模块5实现光功率的进一步放大;第二放大模块5包括相互连接的第三泵浦合束器25和第三掺镱光纤26;第三泵浦合束器25连接第三泵浦光源24。
放大后的掺镱随机激光经第一透镜6准直、起偏器7线偏振输出,经第二透镜8聚焦到PPLN晶体9中实现倍频,经第三透镜10准直后传输至二色镜11滤出倍频得到的可见光成分。
通过功率计可测试输出的可见光功率。
图2为采用窄带可调谐滤波器对从掺镱随机激光滤波后的光谱图,从图中可以看出,通过改变窄带可调滤波器的中心波长和掺镱随机激光中心波长的偏移量,可以实现对掺镱随机激光的光谱边沿滤波。其中A为绿色光,B为橙色光,C为紫色光。
图3为窄带可调谐滤波器的中心波长和掺镱随机激光中心波长不同偏移量下,滤波后的掺镱随机激光的时域动态特性(a)和时域强度统计特性(b)。从图3a中可以看出随着滤波偏移量的增加,滤波后的光强度波动越大,当滤波波长远离光谱中心时,反映其光强统计特性的概率密度分布函数曲线具有长拖尾。考虑到倍频光强度正比于基频光强度的平方,在相同基频光平均功率下,具有更大强度波动的光强统计分布特性的基频光能产生更强功率的倍频光。因此,采用光谱边沿滤波掺镱随机激光作为基频光能实现倍频效率的提升。其中A为中心波长,B为偏移0.15nm,C为偏移0.2nm。
图4为窄带可调谐滤波器的中心波长和掺镱随机激光中心波长不同偏移量下,倍频产生的绿光随机激光输出功率与基频光入射功率的关系。可以看出,当波长偏移量增加时,在相同基频光入射功率下,倍频光输出功率更大,倍频效率也越高。通过将波长偏移量从0nm提高到0.2nm,在2.85W的输入功率下,倍频光的光光转换效率从6%提高到了11.5%。因此,与光谱中心滤波光纤随机激光相比,采用光谱边沿滤波掺镱随机激光作为基频光,倍频效率几乎可以提高一倍。其中A为中心波长,B为偏移0.15nm,C为偏移0.2nm。
本发明利用可调谐滤波器构建点反馈,实现波长可调谐的掺镱随机激光器,并通过调节PPLN温度实现相位匹配,从而输出波长可调谐的倍频可见光随机激光。在第一放大模块前设置了一个窄带可谐调滤波器,对不同波长的掺镱光纤随机激光特定光谱成分进行滤波,得到波长及时域强度统计特性可调的掺镱随机激光,从而进一步调控倍频系统的输出波长和输出效率,实现高效率可调谐波长的可见光随机激光;窄带可调谐滤波器的中心波长与掺镱随机激光中心波长具有一定的偏移,以滤出掺镱随机激光的光谱边沿成分,从而实现对基频光的时域强度统计特性的调控,进一步提升倍频效率。
Claims (7)
1.一种基于随机光纤激光器的高效率可调谐波长倍频系统,其特征在于,包括依次连接的随机光纤激光模块(1)、窄带可调谐滤波器(20)、第一放大模块(2)、第二放大模块(5)和倍频模块;
随机光纤激光模块(1)用于输出可调谐波长的掺镱随机激光,包括依次连接的用于产生可选择波长点反馈的反馈模块、第一泵浦合束器(17)、第一掺镱光纤(18)、单模光纤(19);第一泵浦合束器(17)连接第一泵浦光源(16);反馈模块包括依次连接的1:1光耦合器(15),可调谐滤波器(14)集成于基于1:1光耦合器(15)的光纤环反射镜中;随机光纤激光模块(1)输出激光波长由可调谐滤波器(14)中心波长决定;
窄带可调谐滤波器(20)的中心波长与可调谐滤波器(14)中心波长具有偏移,波长偏移量大于掺镱随机激光光谱-10dB带宽的一半,滤出掺镱随机激光的光谱边沿成分;
第一放大模块(2)包括依次连接的第二泵浦合束器(22)和第二掺镱光纤(23);第二泵浦合束器(22)连接第二泵浦光源(21);第二放大模块(5)包括相互连接的第三泵浦合束器(25)和第三掺镱光纤(26);第三泵浦合束器(25)连接第三泵浦光源(24);倍频模块包括依次连接的第一透镜(6)、起偏器(7)、第二透镜(8)、PPLN晶体(9)、第三透镜(10)、二色镜(11)和功率计。
2.根据权利要求1所述的一种基于随机光纤激光器的高效率可调谐波长倍频系统,其特征在于,所述随机光纤激光模块(1)和窄带可调谐滤波器(20)之间设置有第一隔离器(3)。
3.根据权利要求1所述的一种基于随机光纤激光器的高效率可调谐波长倍频系统,其特征在于,所述第一放大模块(2)和第三放大模块(5)之间设置有第二隔离器(4)。
4.根据权利要求1所述的一种基于随机光纤激光器的高效率可调谐波长倍频系统,其特征在于,所述可调谐滤波器(14)带宽为0.1nm,生成可调谐滤波器掺镱随机激光的带宽<0.3nm,波长输出为1030nm~1100nm。
5.根据权利要求1所述的一种基于随机光纤激光器的高效率可调谐波长倍频系统,其特征在于,所述窄带可调谐滤波器(20)带宽<0.04nm。
6.根据权利要求1所述的一种基于随机光纤激光器的高效率可调谐波长倍频系统,其特征在于,所述PPLN晶体(9)长度大于10mm。
7.一种基于随机光纤激光器的高效率可调谐波长倍频系统的使用方法,其特征在于,包括以下步骤:
通过集成到基于1:1光耦合器(15)光纤环反射镜中的可调谐滤波器(14)构建可选择波长的点反馈;
第一泵浦光源(16)通过第一泵浦合束器(17)进入第一掺镱光纤(18)中,提供掺镱增益;
第一掺镱光纤(18)连接单模光纤(19),结合可选择波长的点反馈和单模光纤(19)中的瑞利散射随机分布反馈,输出可调谐波长的掺镱随机激光;
单模光纤(19)连接第一隔离器(3),第一隔离器(3)连接窄带可调谐滤波器(20)对掺镱随机激光中的边沿光谱分量进行滤波,从而滤出掺镱随机激光的光谱边沿成分;
光谱边沿滤波后的掺镱随机激光与第二泵浦光源(21)通过第二泵浦合束器(22)进入第二掺镱光纤(23)中实现光功率的预放大;
经过预防大的掺镱随机激光通过第二隔离器(4),进入第二放大模块(5)实现光功率的进一步放大;
放大后的掺镱随机激光经第一透镜(6)准直、起偏器(7)线偏振输出,经第二透镜(8)聚焦到PPLN晶体(9)中实现倍频,经第三透镜(10)准直后传输至二色镜(11)滤出倍频得到的可见光成分。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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