CN117595056A - 一种高功率光纤激光器频谱线性调控优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高功率光纤激光器频谱线性调控优化方法，包括：定义目标谱和调制谱，基于目标谱和调制谱的差值构建代价函数；定义多点的相位调制信号φ(k)，k＝1、2…M‑1、M；在[‑π，π]中搜索φ(1)，同时固定其他M‑1个点，通过φ(1)的变化，使代价函数最小；同时，依据相同的方法依次确定φ(2)～φ(M)，完成第一次迭代；在上一次迭代所确定的φ(1)～φ(M)的基础上，依据相同的方法重复迭代m次，直至代价函数达到稳定值，此时停止迭代，获得优化后的相位调制信号φ(k)；将优化后的相位调制信号φ(k)加载到光纤激光器光路中。本发明是通过优化调制信号波形，提升光纤放大器的SBS阈值。
Description
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，具体涉及一种高功率光纤激光器频谱线性调控优化方法。
背景技术
由于高功率窄线宽光纤激光器具有结构紧凑、噪声低、光束质量好、相干性好等优势，其在引力波探测、频率转换以及光束合成等领域有着十分重要的应用价值。高功率窄线宽光纤放大器在激光放大过程中很容易产生SBS、SRS、SPM等非线性效应。其中，SBS阈值低，产生的后向斯托克斯光易损坏光学元件，限制了窄线宽光纤放大器输出功率进一步提升。常见的SBS抑制方法一种是设计抑制光纤，一种是对光场的相位调制技术。SBS抑制光纤的设计和制备主要包括大模场光纤以及新型光纤的设计，通过适当的轮廓设计，在光纤的不同部分使用不同的掺杂剂(如GeO2、P2O3、TiO3、Al2O3等)，以减少光场和声场之间的重叠积分控制SBS阈值；设计新型光纤，在一定程度上可以实现对SBS的有效抑制，但是其加工困难，掺杂物的成分和浓度难以准确控制。此外，改变光纤温度场和应力场分布也是抑制SBS的方法。对于温度场分布，在光纤放大器中，增益介质光纤吸收泵浦光时，一部分的能量将转化为热，使得光纤本身存在一种温度梯度分布；通过改变自身或外界温度情况，使得增益光纤中存在纵向分布的温度梯度，从而增加SBS增益带宽。对于应力场，施加纵向张力在增益光纤上，改变增益光纤内的声场，可以展宽SBS增益谱。然而该方案需要考虑不同光纤部分的温度和应力，大大增加了系统的复杂度，实际应用较为困难。
为实现更加简单有效的SBS抑制，国内外致力于对高功率窄线宽光纤激光器的单频种子源进行相位调制。通过相位调制展宽激光器线宽，本质上是使有效布里渊增益谱展宽。
相比于其他的抑制方法，相位调制技术抑制SBS，提升光纤激光器的输出功率的效果更为显著。目前常见的相位调制有白噪声(WNS)相位调制、正弦相位调制、伪随机二进制序列(PRBS)相位调制等，利用相位调制器对激光信号进行外调制，通过改变调制信号的幅度和频率，展宽种子源的线宽，获得高功率窄线宽光纤激光。
以WNS和PRBS为例，PRBS码型可以用由时钟驱动的线性反馈移位寄存器产生，但PRBS中总是存在长驻留时间，其会导致输出激光和后向斯托克斯光存在严重的时间波动，且响应时间等问题会影响激光功率水平。WNS相位调制可将光谱带宽展宽至数十GHz，级联后甚至可将光谱展宽至百GHz，通过使用窄带低通滤波器可以实现对线宽的自由控制。WNS调制易于实现，并且具有连续的功率谱密度；但白噪声是非周期信号，激光线宽将围绕基频均匀展宽。当线宽展宽较大时，布里渊增益谱峰值易与后向瑞利散射光发生重叠，使得SBS阈值降低。WNS和PRBS相位调制技术虽然在一定程度上抑制了SBS效应，提高了高功率窄线宽光纤激光器的输出功率；但WNS和PRBS所获得的光谱是近高斯形，载波与边带的谱功率密度差异较大，谱型的调节灵活度较低。
发明内容
针对现有技术中存在的不足之处，本发明提供一种高功率光纤激光器频谱线性调控优化方法，其基于相位调制的方法，通过种子源光谱形状控制和光谱加宽，提升SBS阈值；相对于高斯形光谱，近矩形光谱可以更高效地降低功率谱密度，进而可以更有效地抑制光纤激光器的SBS效应；在相同的线宽下，近矩形光谱可以获得最高的SBS阈值。
本发明公开了一种高功率光纤激光器频谱线性调控优化方法，包括：
定义目标谱和调制谱，基于目标谱和调制谱的差值构建代价函数；
定义多点的相位调制信号
在[-π，π]中搜索同时固定其他M-1个点，通过/>的变化，使代价函数最小；同时，依据相同的方法依次确定/>完成第一次迭代；
在第一次迭代所确定的的基础上，重新在[-π，π]中搜索/>同时固定其他M-1个点，通过/>的变化，使代价函数最小；同时，依据相同的方法依次确定完成第二次迭代；
依据上述方法重复迭代，直至代价函数达到稳定值，此时停止迭代，获得优化后的相位调制信号
将优化后的相位调制信号加载到光纤激光器光路中。
作为本发明的进一步改进，定义目标谱为矩形；同时，当目标谱为矩形时，调制谱也为矩形。
作为本发明的进一步改进，调制激光的调制谱表示为调制激光的傅里叶变换：
式中，P(ν)为调制谱功率强度，ν表示激光频率，A0为激光光强，为激光相位分布，t为时间。
作为本发明的进一步改进，代价函数Jm的表达式为：
式中，j为1，2…，M，M为采样点个数，m为迭代次数。
作为本发明的进一步改进，根据奈奎斯特-香农采样定理(如果一个系统以超过信号最高频率至少两倍的速率对模拟信号进行均匀采样，那么原始模拟信号就能从采样产生的离散值中完全恢复)，设定调制信号带宽，采样率为调制信号带宽×2，设两相位点之间的频率间隔为f0。因此，采样点个数M＝[采样率/f0]+1。采样点个数由调制信号带宽和相位频率间隔决定。
作为本发明的进一步改进，定义Jm≤0.004且(Jm-Jm-1)/Jm≤0.0035时为迭代第m次的代价函数达到稳定；理想情况时，当代价函数Jm＝0时，调制谱与目标谱完全一致。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明通过将代价函数的值减小，使调制信号与目标信号趋于一致；在[-π，π]中，搜索的相位调制信号值会导致代价函数变化；因此，通过调整调制信号/>保证其与目标谱近似或一致，以确认其对SBS抑制效果；光谱形状与限制最大输出功率的SBS阈值直接相关，本发明的方法具有灵活和可配置的光谱，以优化相位调制光谱，提高SBS阈值和激光功率；优化后的相位调制信号生成后，带内平坦度和光谱连续性得到改善，并且相应地控制频谱形状；通过调整信号，可以独立设计采样率范围内的加宽频谱。
附图说明
图1为本发明公开的高功率光纤激光器频谱线性调控优化方法的流程图；
图2为本发明公开的基于主振荡器功率放大(MOPA)结构示意图。
图中：
1、单频线性偏振光纤激光器；
2、相位调制器；
3、信号发生器；
4、射频放大器；
5、前置放大器；
6、隔离器；
7、光纤耦合器；
8、包层光剥离器；
9、增益光纤；
10、合束器；
11、泵浦源。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：
目前的调制信号都是类高斯，谱功率密度仍然是载波高，边带低；而，近矩形光谱获得了更好的频谱平坦度；在相同的条件下，不同种子光谱的SBS抑制程度不同，本发明通过优化调制信号波形，将优化后的调制信号通过射频驱动器及相位调制器加载到光纤激光器光路中，使种子源激光光谱更接近理想矩形，以提升光纤放大器的SBS阈值。为此，本发明提供一种高功率光纤激光器频谱线性调控优化方法，通过调制光谱和理想光谱之间的差异定义代价函数，并将波形输入到任意波形发生器中，获得了近平顶型光谱，几乎实现了谱功率密度的一致性；且根据本方法光谱展宽灵活可调，通过此优化方法，理论上可以通过改变目标谱来实现任意形状的调制谱。
具体的：
如图1所示，本发明的高功率光纤激光器频谱线性调控优化方法，包括：
步骤1、定义目标谱Pt(v)和调制谱P(v)，基于目标谱和调制谱的差值构建代价函数Jm；其中，
本发明通过相位调制产生近平顶形光谱在理论上是使调制激光的光谱变为矩形，调制激光P(ν)的光谱表示为调制激光的傅立叶变换：
式中，P(ν)为调制谱功率强度，ν表示激光频率，A0为激光光强，为激光相位分布，t为时间。
本发明的目标是使P(ν)＝Pt(ν)，Pt(ν)定义为矩形时，P(ν)也为矩形；sinc函数的傅立叶变换是矩形的，即但方程没有实数解；只能通过优化调制信号，使相位调制频谱尽可能接近矩形频谱。
代价函数Jm的表达式为：
式中，j为1，2…，M，M为采样点个数，m为迭代次数。
步骤2、定义多点的相位调制信号其中，M为采样点个数。根据奈奎斯特-香农采样定理(如果一个系统以超过信号最高频率至少两倍的速率对模拟信号进行均匀采样，那么原始模拟信号就能从采样产生的离散值中完全恢复)，设定调制信号带宽，采样率为调制信号带宽×2，设两相位点之间的频率间隔为f0。因此，采样点个数M＝[采样率/f0]+1。采样点个数由调制信号带宽和相位频率间隔决定。
是从/>中选取的M个点。
步骤3、在[-π，π]中搜索同时固定其他M-1个点，通过/>的变化，使代价函数最小；同时，依据相同的方法依次确定/>完成第一次迭代；
步骤4、在第一次迭代所确定的的基础上，重新在[-π，π]中搜索/>同时固定其他M-1个点，通过/>的变化，使代价函数最小；同时，依据相同的方法依次确定/>完成第二次迭代；
步骤5、依据上述方法重复迭代m次，直至代价函数Jm达到稳定值，此时停止迭代，获得优化后的相位调制信号其中，定义Jm≤0.004且(Jm-Jm-1)/Jm≤0.0035时为迭代第m次的代价函数达到稳定。理想情况时，当代价函数Jm＝0时，调制谱与目标谱完全一致。
步骤6、将优化后的相位调制信号经由图2的信号发生器3产生，并经射频放大器和相位调制器加载到光纤激光器光路中。
进一步，通过上述优化方法，理论上可以通过改变目标谱来实现任意形状的调制谱。
进一步，调制信号是从1，2…M逐一确认，在确认的过程中逐一改变的信号会导致前一信号的代价函数值发生改变，需要重复迭代确认调制信号；迭代次数过小会使调制信号与目标信号差异较大，SBS抑制效果不佳。迭代次数过多会导致工作时间增加。因此，需要确定最佳的迭代次数，本发明的最佳的迭代次数m为20～30次。
如图2所示的基于主振荡器功率放大(MOPA)结构，其包括：单频线性偏振光纤激光器1、相位调制器2、信号发生器3、射频放大器4、前置放大器5、隔离器6、光纤耦合器7、包层光剥离器8、增益光纤9、合束器10和泵浦源11；上述组件的连接或布设关系如图2所示；各组件的作用为：
单频线性偏振光纤激光器1：实验信号光光源；
相位调制器2：通过接收外部信号，改变输入光的相位
信号发生器3：产生输出波形的设备；
射频放大器4：将输入的射频信号放大并输出；
前置放大器5：增加激光种子的功率；
隔离器6：防止反向光的损坏光学器件；
光纤耦合器7：其中tap1端口来监测反向功率和反向光谱；
包层光剥离器8：剥离泵浦光；
增益光纤9：在光纤激光器中起着增益介质的作用，通过实现泵浦光到信号光的能量转换及在谐振腔内将泵浦光能量放大；
合束器10：将多个输入光信号合并成一个输出光信号；
泵浦源11：承担激励源的功能，使工作物质中的粒子处于反转分布的状态。
使用时，由单频种子源1发出信号光，将优化后的调制信号通过信号发生器3产生，经射频放大器4放大驱动信号，输入给相位调制器2展宽种子源激光线宽。调制后的种子源激光经前置放大器5提高功率后进入主放大器，在前置放大器5和后续光路之间熔接保偏隔离器6以防止反向光的损坏器件。主放大器由PM YDF增益光纤9(PLMA-YDF-10/125-M)构成，熔接(2+1)×1的合束器10，合束器11的输入端光纤熔接泵浦源11，后向泵浦将泵浦光耦合至产掺镱光纤将光放大，泵浦源11采用中心波长为976nm的半导体激光器。利用包层功率剥离器8对残余抽运光和包层信号光进行剥离，包层泵浦剥离器8后接8°角输出减少回光。在PM隔离器6和包层泵浦剥离器中间熔接99：1的保偏光纤耦合器7，其中99％端用来传输激光，1％端用来监测后向光(即图2所示的Tap1端)监测反向功率和反向光谱，判断是否有SBS产生，以便及时终止泵浦功率的增加。通过实验，优化的调制信号相比常规的PRBS相位调制提升了SBS阈值。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种高功率光纤激光器频谱线性调控优化方法，其特征在于，包括：
定义目标谱和调制谱，基于目标谱和调制谱的差值构建代价函数；
定义多点的相位调制信号
在[-π，π]中搜索同时固定其他M-1个点，通过/>的变化，使代价函数最小；同时，依据相同的方法依次确定/>完成第一次迭代；
在第一次迭代所确定的的基础上，重新在[-π，π]中搜索/>同时固定其他M-1个点，通过/>的变化，使代价函数最小；同时，依据相同的方法依次确定完成第二次迭代；
依据上述方法重复迭代，直至代价函数达到稳定值，此时停止迭代，获得优化后的相位调制信号
将优化后的相位调制信号加载到光纤激光器光路中。
2.如权利要求1所述的高功率光纤激光器频谱线性调控优化方法，其特征在于，定义目标谱为矩形；同时，当目标谱为矩形时，调制谱也为矩形。
3.如权利要求2所述的高功率光纤激光器频谱线性调控优化方法，其特征在于，调制激光的调制谱表示为调制激光的傅里叶变换：
式中，P(ν)为调制谱功率强度，ν表示激光频率，A0为激光光强，为激光相位分布，t为时间。
4.如权利要求1所述的高功率光纤激光器频谱线性调控优化方法，其特征在于，代价函数Jm的表达式为：
式中，j为1，2…，M，M为采样点个数，m为迭代次数。
5.如权利要求1所述的高功率光纤激光器频谱线性调控优化方法，其特征在于，采样点个数M＝[采样率/f0]+1；其中，采样率为调制信号带宽×2，f0为两相位点之间的频率间隔。
6.如权利要求1所述的高功率光纤激光器频谱线性调控优化方法，其特征在于，定义Jm≤0.004且(Jm-Jm-1)/Jm≤0.0035时为迭代第m次的代价函数达到稳定。
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|---|---|---|---|
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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