CN113517627B - 一种能够抑制弛豫振荡的超窄线宽光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种能够抑制弛豫振荡的超窄线宽光纤激光器，所述光纤激光器沿光路传输方向依次包括泵浦激光源、第一波分复用器、相移光栅、掺铒光纤、第二波分复用器、隔离器及耦合器；所述耦合器与所述泵浦激光源之间设有反馈模块；激光在所述耦合器中分成输出光和反馈光；所述反馈光输入至所述反馈模块中，形成反馈信号；所述反馈模块配置用于：根据泵浦激光源输出功率的变化值，用所述反馈信号调整泵浦激光源的驱动电流，以抑制弛豫振荡噪声。本申请通过光电反馈的方法，抑制了超窄线宽光纤激光器的弛豫振荡噪声，使得超窄线宽光纤激光器在弛豫振荡频率处的强度噪声降低了近20dB。

Description

一种能够抑制弛豫振荡的超窄线宽光纤激光器

技术领域

本公开一般涉及激光器技术领域，具体涉及一种能够抑制弛豫振荡的超窄线宽光纤激光器。

背景技术

超窄线宽光纤激光器因其单色性好、能量转换率高、结构紧凑、可靠性高等特点，广泛用于分布式光纤传感等领域。而高精度的分布式光纤传感的应用，对于激光器噪声性能尤其是驰豫振荡噪声特性的要求很高。

激光建立的过程都存在弛豫振荡。激光器开启时，相当于给其泵浦源一个阶跃信号；由于激光器泵浦源的突变，导致激光器中反转粒子数和光子数密度剧烈变化，使得激光器输出光表现出弛豫振荡的特点；激光器的泵浦源在恒定电流驱动下连续工作时，弛豫振荡仍然存在；弛豫振荡的存在，导致激光器输出光不稳定，即激光器的强度噪声在弛豫振荡频率处有一个峰值；弛豫振荡噪声的存在限制了在高精度分布式光纤传感等领域的应用。

发明内容

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种能够抑制弛豫振荡的超窄线宽光纤激光器。

第一方面本申请提供一种能够抑制弛豫振荡的超窄线宽光纤激光器，所述光纤激光器沿光路传输方向依次包括泵浦激光源、第一波分复用器、相移光栅、掺铒光纤、第二波分复用器、隔离器及耦合器；所述耦合器与所述泵浦激光源之间设有反馈模块；

激光在所述耦合器中分成输出光和反馈光；所述反馈光输入至所述反馈模块中，形成反馈信号；

所述反馈模块配置用于：根据泵浦激光源输出功率的变化值，用所述反馈信号调整泵浦激光源的驱动电流，以抑制弛豫振荡噪声。

根据本申请实施例提供的技术方案，所述反馈模块具体配置用于：

在所述泵浦激光源输出功率大于目标功率时，减小泵浦激光源的驱动电流，使得光纤激光器的输出变小；

在所述泵浦激光源输出功率小于目标功率时，增加泵浦激光源的驱动电流，使得光纤激光器的输出变大。

根据本申请实施例提供的技术方案，所述反馈模块具体配置用于：所述反馈光与所述输出光的比例为1:99。

根据本申请实施例提供的技术方案，所述反馈模块用于调整反馈信号的幅度和相位；包括比例反馈电路、积分反馈电路和微分反馈电路和反馈输出电路；

所述反馈信号输入并联设置的比例反馈电路、积分反馈电路和微分反馈电路后，再经过所述反馈输出电路输出。

根据本申请实施例提供的技术方案，

所述比例反馈电路包括运算放大器U1A、电阻R1、电阻R2；所述运算放大器U1A的负输入端与其输出端之间串联有电阻R1，其正输入端接地；反馈信号流经电阻R2、运算放大器U1A后输出；

所述积分电路包括运算放大器U1B、电阻R5和电容C1；所述运算放大器U1B的负输入端与其输出端之间串联有电容C1，其正输入端接地；反馈信号流经电阻R5、运算放大器U1B后输出；

所述微分电路包括运算放大器U2B、电阻R7和电容C2；所述运算放大器U2B的负输入端与其输出端之间串联有电阻R7，其正输入端接地；反馈信号流经电容C2、运算放大器U2B后输出；

所述反馈输出电路包括运算放大器U2A和电阻R4、电阻R3、电阻R6、电阻R8；所述运算放大器U2A的负输入端与其输出端之间串联有电阻R4，其正输入端接地；所述运算放大器U2A的负输入端分别通过电阻R3、电阻R6、电阻R8与所述比例反馈电路、积分反馈电路和微分反馈电路的输出端连接。

根据本申请实施例提供的技术方案，所述电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R5、电阻R5、电容C1和电容C2满足以下公式一和公式二：

actg(B/A)<90° 公式二

其中：A＝(R1*R4)/(R2*R3)；

B＝ω*R7*C2*(R4/R8)-(R4/R6)/(ω*R5*C1)。

根据本申请实施例提供的技术方案，所述反馈模块还包括将所述反馈信号光电转换成反馈电流信号的光电耦合器、将所述反馈电流信号转换成反馈电压信号的跨阻放大电路；

所述反馈电压信号同时输入至所述反馈比例电路、反馈积分电路和反馈微分电路的输入端；

所述泵浦激光源的激光器驱动电路整合所述反馈输出电路的输出信号后驱动所述泵浦激光源。

本发明将激光器产生的激光在所述耦合器中分成输出光和少量反馈光；所述反馈光输入至所述反馈模块中，形成反馈信号；所述反馈模块根据泵浦激光源输出功率的变化值，用所述反馈信号调整泵浦激光源的驱动电流，以抑制弛豫振荡噪声。

根据本申请实施例提供的技术方案，通过调整反馈电路中各电阻电容的值，使得其满足公式一和公式二，从而调整反馈电路的增益G和相移

使得G小于1，

小于90°，反馈信号通过反馈电路，调节了振幅和相位，使其达到抑制弛豫振荡噪声的目的。

本发明通过光电反馈的方法，抑制了超窄线宽光纤激光器的弛豫振荡噪声，使得超窄线宽光纤激光器在弛豫振荡频率处的强度噪声降低了近20dB。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本申请实施例的原理框图；

图2为本申请实施例中反馈模块中各个反馈电路的电路图；

图3为本申请中弛豫振荡噪声信号和反馈信号的示意图；

图4为现有的弛豫振荡噪声信号和本申请中弛豫振荡噪声信号的对比示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

请参考图1，本实施例提供一种能够抑制弛豫振荡的超窄线宽光纤激光器，所述光纤激光器沿光路传输方向依次包括泵浦激光源10、第一波分复用器20、相移光栅30、掺铒光纤40、第二波分复用器50、隔离器60及耦合器70；所述耦合器70与所述泵浦激光源10之间设有反馈模块80；

激光在所述耦合器70中分成输出光和反馈光；所述反馈光输入至所述反馈模块80中，形成反馈信号；在本实施例中，反馈光与输出光的比例为1:99。

所述反馈模块80配置用于：根据泵浦激光源10输出功率的变化值，用所述反馈信号调整泵浦激光源的驱动电流，以抑制弛豫振荡噪声。

在本实施例中，泵浦激光源10为980nm泵浦激光器；第一波分复用器20用于将980nm的泵浦光注入相移光栅30；相移光栅30用于生成C波段中指定波长的超窄线宽激光；掺铒光纤40用于放大超窄线宽激光；第二波分复用器50用于滤出超窄线宽激光；隔离器60用于滤除泵浦光，防止输出光返回；耦合器70用于分出总输出光的一小部分用于反馈；

根据本申请实施例提供的技术方案，所述反馈模块80用于调整反馈信号的幅度和相位；包括比例反馈电路83、积分反馈电路84和微分反馈电路85和反馈输出电路86；

所述反馈信号输入并联设置的比例反馈电路83、积分反馈电路84和微分反馈电路85后，再经过所述反馈输出电路86输出。

在本实施例中，所述反馈模块还包括将所述反馈信号光电转换成反馈电流信号的光电耦合器81，将所述反馈电流信号转换成反馈电压信号的跨阻放大电路82；

所述反馈电压信号同时输入至所述反馈比例电路83、反馈积分电路84和反馈微分电路85的输入端；

所述泵浦激光源的激光器驱动电路90整合所述反馈输出电路的输出信号后驱动所述泵浦激光源10。

如图2所示为本实施例中比例反馈电路83、积分反馈电路84和微分反馈电路85及反馈输出电路的电路图：

所述比例反馈电路83包括运算放大器U1A、电阻R1、电阻R2；所述运算放大器U1A的负输入端与其输出端之间串联有电阻R1，其正输入端接地；反馈信号流经电阻R2、运算放大器U1A后输出；

所述积分电路包括运算放大器U1B、电阻R5和电容C1；所述运算放大器U1B的负输入端与其输出端之间串联有电容C1，其正输入端接地；反馈信号流经电阻R5、运算放大器U1B后输出；

所述微分电路包括运算放大器U2B、电阻R7和电容C2；所述运算放大器U2B的负输入端与其输出端之间串联有电阻R7，其正输入端接地；反馈信号流经电容C2、运算放大器U2B后输出；

所述反馈输出电路包括运算放大器U2A和电阻R4、电阻R3、电阻R6、电阻R8；所述运算放大器U2A的负输入端与其输出端之间串联有电阻R4，其正输入端接地；所述运算放大器U2A的负输入端分别通过电阻R3、电阻R6、电阻R8与所述比例反馈电路、积分反馈电路和微分反馈电路的输出端连接。

在本实施例中，所述电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R5、电阻R5、电容C1和电容C2满足以下公式一和公式二：

actg(B/A)<90° 公式二

其中：A＝(R1*R4)/(R2*R3)；

B＝ω*R7*C2*(R4/R8)-(R4/R6)/(ω*R5*C1)。

反馈信号经过下述处理过程：

比例反馈电路公式

积分反馈电路公式

Dout＝-jω×R7×C2×Vin (3)微分反馈电路公式

反馈输出电路公式

将式(1)、式(2)、式(3)带入式(4)，同时令

R5×C1＝τ_I，R7×C2＝τ_D可得：

令A＝G₁G_p,

则：

超窄线宽光源的弛豫振荡信号，从反馈电路的IN端输入，从OUT端输出，其幅值变化了

其相位变化了

调整电路中各电容电阻的值，使得G小于1，

小于90°，即可达到抑制噪声的效果。

调整过程应遵循先调比例反馈电路，再调积分微分电路的原则。

超窄线宽激光器的弛豫振荡噪声有着明显的周期性，这里为简化问题表述，使用正弦曲线表示；如图3所示，曲线A为超窄超窄线宽激光器在不加抑制的情况下的弛豫振荡噪声信号；而曲线B为噪声反馈信号通过反馈电路后的反馈信号，用于加载在泵浦激光源驱动信号上；

弛豫振荡抑制过程可以表述为：

t0～t1段，激光器因弛豫振荡影响，输出功率在变大，故反馈信号在减小驱动电流，使得激光器输出变小；

t1～t2段，激光器因弛豫振荡影响，输出功率在变小，但还是大于均值，故反馈信号在继续减小驱动电流，使得激光器输出变小；

t2～t3段，激光器因弛豫振荡影响，输出功率在变小，且将要小于均值，故反馈信号在增大驱动电流，使得激光器输出变大；

t3～t4段，激光器因弛豫振荡影响，输出功率在变大，但还是小于均值，故反馈信号在增大驱动电流，使得激光器输出变大；

如此，将激光器的振荡幅值降低，达到抑制弛豫振荡噪声的目的。

如图4所示，为激光器输出噪声的频域曲线；其中线C和线D为激光器不加抑制时不同工作电流下的噪声频域曲线；其中线E为增加抑制后的噪声频域曲线；两相比较，噪声抑制了20dB。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (4)

1.一种能够抑制弛豫振荡的超窄线宽光纤激光器，其特征在于，所述光纤激光器沿光路传输方向依次包括泵浦激光源、第一波分复用器、相移光栅、掺铒光纤、第二波分复用器、隔离器及耦合器；所述耦合器与所述泵浦激光源之间设有反馈模块；

激光在所述耦合器中分成输出光和反馈光；所述反馈光输入至所述反馈模块中，形成反馈信号；

所述反馈模块配置用于：根据泵浦激光源输出功率的变化值，用所述反馈信号适应性地调整泵浦激光源的驱动电流，以抑制弛豫振荡噪声；

所述反馈模块用于调整反馈信号的幅度和相位；包括比例反馈电路、积分反馈电路和微分反馈电路和反馈输出电路；

所述反馈信号输入并联设置的比例反馈电路、积分反馈电路和微分反馈电路后，再经过所述反馈输出电路输出；

所述比例反馈电路包括运算放大器U1A、电阻R1、电阻R2；所述运算放大器U1A的负输入端与其输出端之间串联有电阻R1，其正输入端接地；反馈信号流经电阻R2、运算放大器U1A输出；

所述积分反馈 电路包括运算放大器U1B、电阻R5和电容C1；所述运算放大器U1B的负输入端与其输出端之间串联有电容C1，其正输入端接地；反馈信号流经电阻R5、运算放大器U1B后输出；

所述微分反馈 电路包括运算放大器U2B、电阻R7和电容C2；所述运算放大器U2B的负输入端与其输出端之间串联有电阻R7，其正输入端接地；反馈信号流经电容C2、运算放大器U2B后输出；

所述反馈输出电路包括运算放大器U2A和和电阻R4、电阻R3、电阻R6、电阻R8；所述运算放大器U2A的负输入端与其输出端之间串联有电阻R4，其正输入端接地；所述运算放大器U2A的负输入端通过电阻R3、电阻R6、电阻R8分别与所述比例反馈电路、积分反馈电路和微分反馈电路的输出端连接；

所述电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6 、电阻R7 、电阻R8 、 电容C1和电容C2满足以下公式一和公式二：

actg(B/A)<90° 公式二

其中：A＝(R1*R4)/(R2*R3)；

B＝ω*R7*C2*(R4/R8)-(R4/R6)/(ω*R5*C1)。

2.根据权利要求1所述的能够抑制弛豫振荡的超窄线宽光纤激光器，其特征在于，所述反馈模块具体配置用于：

在所述泵浦激光源输出功率大于目标功率时，减小泵浦激光源的驱动电流，使得光纤激光器的输出变小；

在所述泵浦激光源输出功率小于目标功率时，增加泵浦激光源的驱动电流，使得光纤激光器的输出变大。

3.根据权利要求1或2所述的能够抑制弛豫振荡的超窄线宽光纤激光器，其特征在于，所述反馈光与所述输出光的比例为1:99。

4.根据权利要求1或2任意一项所述的能够抑制弛豫振荡的超窄线宽光纤激光器，其特征在于：所述反馈模块还包括将所述反馈信号光电转换成反馈电流信号的光电耦合器、将所述反馈电流信号转换成反馈电压信号的跨阻放大电路；

所述反馈电压信号同时输入至所述反馈比例电路、反馈积分电路和反馈微分电路的输入端；

所述泵浦激光源的激光器驱动电路整合所述反馈输出电路的输出信号后驱动所述泵浦激光源。

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