CN114094426A - 一种混合调制的窄线宽种子激光源及调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合调制的窄线宽种子激光源及调制方法，所述种子激光源设有单频激光器、相位调制器、伪随机码产生单元、白噪声产生单元、射频合路器、数控可调射频衰减器、射频放大器，其中单频激光器输出单频激光到相位调制器，受到伪随机码和白噪声的混合调制，随后输出，伪随机码产生单元与射频合路器、数控可调射频衰减器、射频放大器均连接，白噪声产生单元、数控可调射频衰减器、射频合路器和射频放大器依次顺序连接。这种窄线宽种子激光源适应性强、成本节省、实用性好，这种方法采用混合调制实现光谱展宽，同时引入白噪声调制和伪随机码调制，充分利用两种调制方式的调制特性，在窄线宽下获得好的调制效果。

Description

一种混合调制的窄线宽种子激光源及调制方法

技术领域

本发明属于激光技术领域，具体是一种混合调制的窄线宽种子激光源及调制方法。

背景技术

随着激光加工技术应用领域的不断推广与深入，各种特种材料的加工、特殊场景的应用，对激光的品质和功率均提出了更高的要求。由于非线性效应、光损伤和热集聚等问题，单纤激光功率很难提升至数十kW以上。为实现更高功率输出同时保持良好的光束质量，通常采用相干合成和光谱合成方式。相干合成方式需要对激光相位进行控制，光谱合成则是将多种波长的激光进行同孔径合束。为获得较好的合成效果，需要对子束线宽进行控制，对于相干合成，受相干条件限制要求子束线宽在10GHz以内；而对于光谱合成，受色散的影响，对于单光栅光谱合成，线宽要小于10 GHz，若用双光栅补偿，线宽要求控制在100 GHz以内。而过窄的线宽会使得受激布里渊(SBS)效应阈值较低，子束激光功率受限。在控制线宽的情况下，获得更高的子束功率输出是众多研究人员的追求。

窄线宽种子激光源作为高功率激光系统的核心组成之一，其特性将会对激光系统的性能产生明显的影响。窄线宽种子激光源通常由单频光源和相位调制器件构成。为实现对受激布里渊散射的抑制，常用的方法是对激光相位进行调制实现光谱展宽。相位调制方式包括正弦调制、白噪声调制、伪随机码调制等方式。

正弦调制由于频率成分单一，调制后对SBS效应抑制效果较为有限；白噪声调制采用宽谱的白噪声进行调制，具有丰富的频率成分，有利于对SBS效应的抑制，但因为调制的随机性，存在调制不稳定，调制效果起伏的情况；伪随机码调制采用伪随机码进行相位调制，需要采用单独的伪随机码模块产生伪随机码，且在调制过程中需要对调制深度进行精确控制，调制深度的偏移，会导致SBS效应抑制效果快速下降。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，而提供一种混合调制的窄线宽种子激光源及调制方法。这种窄线宽种子激光源适应性强、成本节省、实用性好，这种方法采用混合调制实现光谱展宽， 同时引入白噪声调制和伪随机码调制，充分利用两种调制方式的调制特性，在窄线宽下获得好的调制效果。

实现本发明目的的技术方案是：

一种混合调制的窄线宽种子激光源， 所述窄线宽种子激光源设有单频激光器、相位调制器、伪随机码产生单元、白噪声产生单元、射频合路器、数控可调射频衰减器、射频放大器，其中单频激光器输出单频激光到相位调制器，受到伪随机码和白噪声的混合调制，随后输出；伪随机码产生单元与射频合路器、数控可调射频衰减器、射频放大器均连接，伪随机码产生单元连接到射频放大器，实现射频放大器增益的控制，随机码产生单元连接到数控可调衰减器，实现射频衰减调节；白噪声产生单元、数控可调射频衰减器、射频合路器和射频放大器依次顺序连接，白噪声产生单元产生白噪声，经过数控射频衰减器传输到射频合路器的一个输入端，伪随机码产生单元产生伪随机码，传输到射频合路器的另一个输入端，射频合路器将白噪声和伪随机码进行合路，随后传输到射频放大器进行放大，射频放大器输出射频信号到相位调制器，对单频激光进行相位调制。

所述伪随机码产生单元基于FPGA芯片产生伪随机码，在产生伪随机码的同时可对射频放大器进行控制、还可对数控可调射频衰减器进行调节。

所述射频放大器为数控增益可调的射频放大器，射频放大器的增益步进不大于0.5dB、射频增益大于20dB、射频带宽大于5GHz、饱和输出功率大于20dBm。

所述白噪声产生单元所产生白噪声的带宽至少为小于伪随机码速率的一半、白噪声功率水平大于-10dBm。

所述数控可调射频衰减器满足大于5dB的数控衰减调节。

所述相位调制器为铌酸锂波导相位调制器、工作带宽大于5GHz。

一种混合调制的窄线宽种子激光源的调制方法，包括上述的窄线宽种子激光源，所述方法包括如下步骤：

1）白噪声产生单元产生白噪声，注入到数控可调射频衰减器，随后由伪随机码产生单元控制数控可调射频衰减器，实现注入射频放大器的白噪声功率水平控制；

2）伪随机码产生单元控制射频放大器，实现伪随机码和白噪声的混合放大、控制射频放大倍数，获取期望的射频功率输出，随后注入到相位调制器对单频激光进行相位调制；

3）单频激光器产生单频激光，单频激光注入到相位调制器，受到伪随机码和白噪声的混合调制，实现光谱展宽后输出。

单频激光通过相位调制器，在射频信号调制下，会使单频激光产生一定的边带，将能量分布到大量光载波上，表现为光谱展宽，光功率谱能量密度降低，从而能有效抑制SBS效应的激发，单级正弦信号调制可产生的谱线数目较少，单一谱线对功率分担能力有限，因而实验上还有采用级联正弦调制的情况，除正弦调制外，白噪声调制和伪随机码调制亦是相位调制常选的调制手段，白噪声调制产生的光谱近似为高斯型，伪随机码调制产生的激光谱线形态与调制信号的调制频率和编码方式有关，伪随机码调制的光谱通常具有很窄的光谱宽度，在窄线宽激光领域有重要应用，伪随机码调制状态下，微弱的调制深度偏移便会导致SBS抑制效果的迅速下降，这是由于在调制深度偏离π后，调制谱线迅速接近单频，导致SBS抑制效果下降，引入白噪声调制，可以利用白噪声对单频激光的展宽效果，辅助抑制单频激光，从而让伪随机码调制保证较宽的适应范围。

本技术方案具有以下优点：

1）采用混合调制后充分发挥了两种调制方式的优点，克服了白噪声调制的起伏问题，拓宽了伪随机码调制工作点的范围，提升了适应性；

2）本技术方案采用同一个可调的射频放大器对白噪声和伪随机码进行放大，在保证射频放大和可调节功能基础上，缩减了模块体积，节省成本。

这种窄线宽种子激光源适应性强、成本节省、实用性好，这种方法采用混合调制实现光谱展宽， 同时引入白噪声调制和伪随机码调制，充分利用两种调制方式的调制特性，在窄线宽下获得好的调制效果。

附图说明

图1为实施例的结构示意图；

图2为实施例中单独采用伪随机码调制的光谱图；

图3为实施例中采用混合调制的光谱图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步的阐述，但不是对本发明的限定。

实施例：

参照图1，一种混合调制的窄线宽种子激光源， 所述窄线宽种子激光源设有单频激光器、相位调制器、伪随机码产生单元、白噪声产生单元、射频合路器、数控可调射频衰减器、射频放大器，其中单频激光器输出单频激光到相位调制器，受到伪随机码和白噪声的混合调制，随后输出；伪随机码产生单元与数控可调射频衰减器、射频合路器和射频放大器均连接，伪随机码产生单元连接到射频放大器，实现射频放大器增益的控制、随机码产生单元连接到数控可调射频衰减器，实现射频衰减调节；白噪声产生单元、数控可调射频衰减器、射频合路器和射频放大器依次顺序连接，白噪声产生单元产生白噪声，经过数控射频衰减器传输到射频合路器的一个输入端，伪随机码产生单元产生伪随机码，传输到射频合路器的另一个输入端，射频合路器将白噪声和伪随机码进行合路，随后传输到射频放大器进行放大，射频放大器输出射频信号到相位调制器，对单频激光进行相位调制。

本例伪随机码产生单元基于FPGA芯片（Xilinx Spartan-6 LX FPGA）产生伪随机码，在产生伪随机码的同时可对射频放大器进行控制、还可对数控可调射频衰减器进行调节，本例中伪随机码产生单元产生的伪随机码的速率为10Gbps。

所述射频放大器为数控增益可调的射频放大器，射频放大器的增益步进不大于0.5dB、射频增益大于20dB、射频带宽大于5GHz、饱和输出功率大于20dBm，本例中射频放大器的增益步进为0.5dB、射频增益为30dB、射频带宽为10GHz、饱和输出功率为30dBm。

所述白噪声产生单元所产生白噪声的带宽至少为小于伪随机码速率的一半、白噪声功率水平大于-10dBm，本例中白噪声产生单元所产生白噪声带宽为3GHz、白噪声功率水平0dBm。

所述数控可调射频衰减器满足大于5dB的数控衰减调节，本例中数控可调射频衰减器可实现25dB的数控衰减调节。

所述相位调制器为铌酸锂波导相位调制器、工作带宽大于5GHz，本例中铌酸锂波导相位调制器工作带宽为10GHz

一种混合调制的窄线宽种子激光源的调制方法，包括上述的窄线宽种子激光源，所述方法包括如下步骤：

1）白噪声产生单元产生白噪声，注入到数控可调射频衰减器，随后由伪随机码产生单元控制数控可调射频衰减器，实现注入射频放大器的白噪声功率水平控制；

2）伪随机码产生单元控制射频放大器，实现伪随机码和白噪声的混合放大、控制射频放大倍数，获取期望的射频功率输出，随后注入到相位调制器对单频激光进行相位调制；

3）单频激光器产生单频激光，单频激光注入到相位调制器，受到伪随机码和白噪声的混合调制，实现光谱展宽后输出。

本例采用伪随机码和白噪声对单频激光进行调制，取单频激光为1064nm单频激光，采用速率为10Gpbs的伪随机码对单频激光进行调制，在调制深度略微偏离π，得到伪随机码调制的仿真图，如图2所示，图中横坐标为波长、单位nm，纵坐标为光谱强度、单位a.u.，可见采用伪随机码调制，如不能保证精确的调制深度控制，调制光谱会表现出明显的单频尖峰，如在上述伪随机调制的基础上，再增加一部分白噪声（3GHz带宽，18dBm）调制，单频尖峰得到抑制，调制光谱的仿真图如图3所示，图中横坐标为波长、单位nm，纵坐标为光谱强度、单位a.u.，可见采取混合调制后，有效抑制了单频尖峰，拓宽了伪随机码调制的适应性，获得了较为理想的调制效果。

Claims (7)

1.一种混合调制的窄线宽种子激光源，其特征在于，所述窄线宽种子激光源设有单频激光器、相位调制器、伪随机码产生单元、白噪声产生单元、射频合路器、数控可调射频衰减器、射频放大器，其中单频激光器输出单频激光到相位调制器，受到伪随机码和白噪声的混合调制，随后输出；伪随机码产生单元与射频合路器、数控可调射频衰减器、射频放大器均连接，伪随机码产生单元连接到射频放大器，实现射频放大器增益的控制，随机码产生单元连接到数控可调射频衰减器，实现白噪声射频功率调节；白噪声产生单元、数控可调射频衰减器、射频合路器和射频放大器依次顺序连接，白噪声产生单元产生白噪声，经过数控可调射频衰减器传输到射频合路器的一个输入端，伪随机码产生单元产生伪随机码，传输到射频合路器的另一个输入端，射频合路器将白噪声和伪随机码进行合路，随后传输到射频放大器进行放大，射频放大器输出射频信号到相位调制器，对单频激光进行相位调制。

2.根据权利要求1所述的混合调制的窄线宽种子激光源，其特征在于，所述伪随机码产生单元基于FPGA芯片产生伪随机码，在产生伪随机码的同时可对射频放大器进行控制、还可对数控可调射频衰减器进行调节。

3.根据权利要求1所述的混合调制的窄线宽种子激光源，其特征在于，所述射频放大器为数控增益可调的射频放大器，射频放大器的增益步进不大于0.5dB、射频增益大于20dB、射频带宽大于5GHz、饱和输出功率大于20dBm。

4.根据权利要求1所述的混合调制的窄线宽种子激光源，其特征在于，所述白噪声产生单元所产生白噪声的带宽至少为小于伪随机码速率的一半、白噪声功率水平大于-10dBm。

5.根据权利要求1所述的混合调制的窄线宽种子激光源，其特征在于，所述数控可调射频衰减器满足大于5dB的数控衰减调节。

6.根据权利要求1所述的混合调制的窄线宽种子激光源，其特征在于，所述相位调制器为铌酸锂波导相位调制器、工作带宽大于5GHz。

7.一种混合调制的窄线宽种子激光源的调制方法，其特征在于，包括权利要求1-6任意一项所述窄线宽种子激光源，所述方法包括如下步骤：

1）白噪声产生单元产生白噪声，注入到数控可调射频衰减器，随后由伪随机码产生单元控制数控可调射频衰减器，实现注入射频放大器的白噪声功率水平控制；

2）伪随机码产生单元控制射频放大器，实现伪随机码和白噪声的混合放大、控制射频放大倍数，获取期望的射频功率输出，随后注入到相位调制器对单频激光进行相位调制；

3）单频激光器产生单频激光，单频激光注入到相位调制器，受到伪随机码和白噪声的混合调制，实现光谱展宽后输出。

Images