CN211579186U

CN211579186U - 一种窄线宽掺镱光纤放大器及其倍频系统

Info

Publication number: CN211579186U
Application number: CN202020363312.XU
Authority: CN
Inventors: 李平雪; 杨卫鑫; 姚传飞; 朱云晨; 杨敏
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2020-03-20
Filing date: 2020-03-20
Publication date: 2020-09-25
Anticipated expiration: 2030-03-20

Abstract

本实用新型公开了一种窄线宽掺镱光纤放大器及其倍频系统，包括窄线宽激光种子源、光纤功率放大器、偏振控制装置、谐振倍频腔和锁腔电子伺服系统；窄线宽激光种子源为单模光纤输出的窄线宽半导体激光器或光纤激光器；光纤功率放大器为主振荡功率放大器，用于窄线宽激光种子源的功率放大；偏振控制装置用于控制线偏振激光的功率大小和偏振方向；谐振倍频腔用于提高基频光的功率密度和倍频效率；锁腔电子伺服系统用于将腔长锁定在基频光的共振频率处。本实用新型对窄线宽激光种子源的功率进行放大，获得高功率线偏振的窄线宽基频光，然后对基频光进行外腔谐振四倍频，获得窄线宽紫外激光。整个系统结构紧凑、性能稳定、转换效率高、光束质量好。

Description

一种窄线宽掺镱光纤放大器及其倍频系统

技术领域

本实用新型涉及激光技术领域，具体涉及一种窄线宽掺镱光纤放大器及其倍频系统。

背景技术

当前，无线通信技术主要有无线电波、微波以及无线激光通信，前两者极易被窃听、干扰和破坏，而常规的无线激光通信则要求信号的发射端和接收端在通信时严格对准，在一些复杂环境(如山林、沟壑、战场环境等)的应用中，通信质量将受到较大的影响。而紫外波段独特的性质，使得无线紫外光通信在局域无线通信应用中有保密性好、背景噪声低、抗干扰能力强、全方位全天候工作等多方面的优势，非常适合复杂环境中的局域无线通信。与传统的强度调制光通信相比，窄线宽紫外激光相干光通信的通信容量更大，传输误码率更低，对信号的检测灵敏度更高。

常见的紫外激光器有准分子激光器、紫外半导体激光器和固体激光器等，以上激光器在许多方面有重要的应用，但同时这类光源有其不可克服的缺点，如占地面积大、造价昂贵、能耗高、转换效率低、光束质量差、线宽较宽等，严重限制了普通环境下紫外激光源的实际应用。

光纤激光器具有结构紧凑、工作稳定、热管理方便、光束质量好和光光转换效率高等特点，正得到广泛的发展和应用，其中光纤放大器作为本领域重要分支，尤其是高功率、窄线宽的光纤放大器在激光加工、激光倍频等领域应用价值日渐突出。窄线宽光纤激光倍频是获得高性能窄线宽紫外激光的理想方式，与准分子激光器或紫外半导体激光器等传统光源相比，这种直接倍频产生紫外激光的方式具有体积小、成本低、功率高、线宽窄、光束质量好等优势，可很好地满足紫外光通信对光源的应用要求。

实用新型内容

针对背景技术中存在的不足之处，本实用新型提出一种窄线宽掺镱光纤放大器及其倍频系统，解决了窄线宽紫外激光产生过程中存在的问题，降低了系统的复杂程度，提高了光源的稳定性和光束质量，最终实现高功率窄线宽的紫外激光输出。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种窄线宽掺镱光纤放大器及其倍频系统，包括沿光路依次设置的窄线宽激光种子源(A)、光纤功率放大器(B)、偏振控制装置(C)、谐振倍频腔(D)和锁腔电子伺服系统(E)；所述窄线宽激光种子源(A)为单模光纤输出的窄线宽半导体激光器或光纤激光器；所述光纤功率放大器(B)为由两级光纤放大器级联组成的主振荡功率放大器，用于窄线宽激光种子源的功率放大；所述偏振控制装置(C)用于将放大器输出的椭圆偏振光成分转换为线偏振光，以及控制线偏振激光的功率大小和偏振方向；所述谐振倍频腔(D)用于提高基频光的功率密度和倍频效率；所述锁腔电子伺服系统(E)用于将腔长锁定在基频光的共振频率处。

进一步地，所述窄线宽激光种子源(A)包括窄线宽激光器和第一光纤隔离器；所述窄线宽激光器为单模光纤输出的窄线宽半导体激光器或光纤激光器。

进一步地，所述光纤功率放大器(B)由两级光纤放大器级联组成，其中第一级光纤放大器包括第一半导体泵浦激光器、第一光纤合束器、第一掺镱增益光纤、第一包层光剥除器、带通滤波器、第二光纤隔离器；第二级光纤放大器包括第二半导体泵浦激光器、第二光纤合束器、第二掺镱增益光纤，第二包层光剥除器、第三光纤隔离器、光纤端帽；

第一光纤隔离器输出端连接第一光纤合束器信号端，第一半导体泵浦激光器输出端连接第一光纤合束器泵浦端，第一光纤合束器输出端连接第一掺镱增益光纤输入端，第一掺镱增益光纤输出端连接第一包层光剥除器输入端，第一包层光剥除器输出端连接带通滤波器输入端，带通滤波器输出端连接第二光纤隔离器输入端；第二光纤隔离器输出端连接第二光纤合束器信号端，第二半导体泵浦激光器输出端连接第二光纤合束器泵浦端，第二光纤合束器输出端连接第二掺镱增益光纤输入端，第二掺镱增益光纤输出端连接第二包层光剥除器输入端，第二包层光剥除器输出端连接第三光纤隔离器输入端，第三光纤隔离器输出端连接石英端帽输入端；所述第一掺镱增益光纤与第二掺镱增益光纤是保偏或非保偏的单模掺镱增益光纤、双包层掺镱增益光纤、掺镱光子晶体光纤中的一种或多种。

进一步地，所述偏振控制装置(C)包括沿光路依次设置的准直透镜、四分之一波片、第一二分之一波片、偏振分光棱镜、第二二分之一波片和聚焦透镜；窄线宽掺镱光纤放大器输出的高功率基频光，经过准直透镜准直后，使用四分之一波片将放大器输出的椭圆偏振光成分转换为线偏振光，通过第一二分之一波片和偏振分光棱镜配合控制线偏振激光的功率大小，使用第二二分之一波片控制线偏振激光的偏振方向，使用聚焦透镜提高基频光的功率密度。

进一步地，所述谐振倍频腔(D)包括第一凹面镜、二倍频晶体、四倍频晶体、第二凹面镜、压电陶瓷、第一分光镜、第二分光镜；聚焦后的高功率线偏振基频光通过第一凹面镜耦合进入谐振倍频腔，依次通过二倍频晶体、四倍频晶体、第二凹面镜、第一分光镜和第二分光镜，第二凹面镜固定在压电陶瓷上。

进一步地，所述锁腔电子伺服系统(E)包括光电探测器、锁相放大器、锁相调制信号输出端口、电容、信号发生器、积分器、单刀双掷开关、高压放大器；信号发生器通过单刀双掷开关与高压放大器和压电陶瓷相连，以调节鉴频曲线至最佳，提高倍频腔锁定的稳定性；光电探测器将基频光信号转换为电信号输入到锁相放大器中，经过相敏调制混频检波后得到误差信号；锁相调制信号输出端口输出一个正弦调制信号，依次经过电容、高压放大器加载到压电陶瓷上，通过调节锁相放大器的各个参数，调节误差信号；调节好误差信号进行倍频腔锁定时，使用单刀双掷开关将积分器与高压放大器相连，锁相放大器输出的误差信号经过积分器和高压放大器加载到压电陶瓷上控制腔长，构成锁腔回路。

进一步地，所述窄线宽激光种子源为970nm－1100nm中特定波段可调谐或者特定波长的激光器；所述窄线宽的光谱宽度为10KHz－1GHz。

进一步地，所述光纤功率放大器为保偏光纤激光放大器或非保偏光纤激光放大器。

进一步地，所述倍频晶体为LBO、BBO、BiBO、KTP、PPLN、PPSTL、PPKTP晶体或其它非线性光学晶体的一种或多种。

进一步地，倍频系统按不同倍频晶体要求控制温度运行，其温控精度优于±0.5℃。

与现有技术相比，本实用新型具有下述有益效果：

1.窄线宽掺镱光纤放大器的波长灵活可调，可以实现宽波段的增益放大输出。通过调整种子源的输出波长(如：1020nm～1080nm连续可调谐)，就可以实现宽波段范围的基频光放大输出。通过调整倍频晶体的匹配角度，可以实现可调谐波长的倍频紫外光输出，大大增加了应用时的灵活性。

2.第二掺镱增益光纤采用高掺杂双包层光纤或者大模场光子晶体光纤，与第二光纤合束器的输出端进行全光纤化的熔接，可有效减少系统中累积的非线性效应，提高了系统光光转换效率，增加了系统的稳定性和紧凑性。

3.使用驻波谐振腔对窄线宽掺镱光纤放大器获得的高功率基频光进行外腔谐振倍频，充分利用了基频光功率，提高了倍频转换效率。

4.通过合理设计两块倍频晶体的角度和厚度等参数，并将两块晶体以超表面贴合的方式形成一种复合晶体，可以实现高的倍频转换效率和较好的激光系统稳定性，降低了系统结构的复杂程度。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明：

附图1是本实用新型一个实施例的模块示意图

附图2是本实用新型一个实施例的光路结构示意图

图中：(A)窄线宽激光种子源、(B)光纤功率放大器、(C)偏振控制装置、(D)谐振倍频腔、(E)锁腔电子伺服系统；1—窄线宽光纤激光器，2—第一光纤隔离器，3—第一半导体泵浦激光器，4—第一光纤合束器，5—保偏单模掺镱增益光纤，6—第一包层光剥除器，7—带通滤波器，8—第二光纤隔离器，9—第二半导体泵浦激光器，10—第二光纤合束器，11—保偏双包层掺镱增益光纤，12—第二包层光剥除器，13—第三光纤隔离器，14—端帽，15—准直透镜，16—四分之一波片，17—第一二分之一波片，18—偏振分光棱镜，19—第二二分之一波片，20—聚焦透镜，21—第一凹面镜，22—二倍频晶体，23—四倍频晶体，24—第二凹面镜，25—压电陶瓷，26—第一分光镜，27—第二分光镜，28—光电探测器，29—锁相放大器，30—锁相调制信号输出端口，31—电容，32—信号发生器，33—积分器，34—单刀双掷开关，35—高压放大器。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优势更加清晰明确，以下结合附图和具体实施例作进一步说明。显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，本实用新型实施例提供一种窄线宽掺镱光纤放大器及其倍频系统，包括沿光路依次设置的窄线宽激光种子源(A)、光纤功率放大器(B)、偏振控制装置(C)、谐振倍频腔(D)和锁腔电子伺服系统(E)；所述窄线宽激光种子源(A)为单模光纤输出的窄线宽半导体激光器或光纤激光器；所述光纤功率放大器(B)为由两级光纤放大器级联组成的主振荡功率放大器，用于窄线宽激光种子源的功率放大；所述偏振控制装置(C)用于将放大器输出的椭圆偏振光成分转换为线偏振光，以及控制线偏振激光的功率大小和偏振方向；所述谐振倍频腔(D)用于提高基频光的功率密度和倍频效率；锁腔电子伺服系统(E)用于将腔长锁定在基频光的共振频率处。

如图2所示，窄线宽激光种子源(A)包括窄线宽光纤激光器1和第一光纤隔离器2；窄线宽光纤激光器1的输出端与第一光纤隔离器2输入端相连接，避免反向传输的激光对激光种子源的损坏。

光纤功率放大器(B)为两级光纤放大器级联组成的主振荡功率放大器，用于窄线宽激光种子源的功率放大；第一光纤隔离器2输出端连接第一光纤合束器4信号端，第一半导体泵浦激光器3输出端连接第一光纤合束器4泵浦端，第一光纤合束器4输出端连接保偏单模掺镱增益光纤5输入端，保偏单模掺镱增益光纤5输出端连接第一包层光剥除器6输入端，第一包层光剥除器6输出端连接带通滤波器7输入端，带通滤波器7输出端连接第二光纤隔离器8输入端，第二光纤隔离器8输出端连接第二光纤合束器10信号端，第二半导体泵浦激光器9输出端连接第二光纤合束器10泵浦端，第二光纤合束器10输出端连接保偏双包层掺镱增益光纤11输入端，保偏双包层掺镱增益光纤11输出端连接第二包层光剥除器12输入端，第二包层光剥除器12输出端连接第三光纤隔离器13输入端，第三光纤隔离器13输出端连接石英端帽14输入端。

偏振控制装置(C)包括沿光路依次设置的准直透镜15、四分之一波片16、第一二分之一波片17、偏振分光棱镜18、第二二分之一波片19和聚焦透镜20；窄线宽掺镱光纤放大器输出的高功率基频光，经过准直透镜15准直后，使用四分之一波片16将光纤放大器输出的椭圆偏振光成分转换为线偏振光输出；第一二分之一波片17可以旋转线偏振光的偏振方向，通过与偏振分光棱镜18配合可以获得最大功率的线偏振光输出；由于倍频晶体通常需要特定的入射角度才能完成相位匹配，第二二分之一波片19可以对线偏振光的偏振角度进行调整，以使倍频晶体达到最佳相位匹配；倍频效率与基频光的功率密度正相关，通过聚焦透镜20对平行光进行聚焦，通过提高基频光功率密度的方式提高倍频效率。

聚焦后的高功率线偏振基频光通过第一凹面镜21耦合进入谐振倍频腔，依次通过二倍频晶体22、四倍频晶体23、第二凹面镜24、第一分光镜26和第二分光镜27，组成谐振倍频腔(D)；第一凹面镜21对基频光、二倍频光、四倍频光高反；第二凹面镜24对基频光、二倍频光高反，对四倍频光高透，用于返回未被利用的基频光和二倍频激光，提高基频光的功率密度和倍频效率；同时，第二凹面镜24固定在压电陶瓷25上，与锁腔电子伺服系统配合，将谐振倍频腔长锁定在基频光的共振频率处；第二凹面镜24输出的主要为四倍频紫外激光，含有少量二倍频光和基频光，第一分光镜26为基频光高反，二倍频光、四倍频光高透；第二分光镜27为二倍频光高反，四倍频光高透，最后经过第二分光镜输出功率稳定的四倍频紫外激光。

锁腔电子伺服系统(E)包括光电探测器28、锁相放大器29、锁相调制信号输出端口30、电容31、信号发生器32、积分器33、单刀双掷开关34、高压放大器35；信号发生器32依次与单刀双掷开关34的a端、高压放大器35、压电陶瓷25相连，光电探测器28依次与锁相放大器29、锁相调制信号输出端口30、电容31、高压放大器35、压电陶瓷25相连，锁相放大器29依次与积分器33、单刀双掷开关34的b端、高压放大器35、压电陶瓷25相连；为了提高倍频腔锁定的稳定性，信号发生器32产生一个三角波信号，通过单刀双掷开关34的a端，经高压放大器35放大后，加载到压电陶瓷25上，调节锁腔系统参数到最佳，以获得好的鉴频曲线；最佳鉴频曲线要求：当相位改变90度，鉴频曲线基本消失为0，再朝同一个方向改变相位90度后，鉴频曲线恢复原来的形状，但是信号正负改变，则说明鉴频曲线已经调节到了最佳状态；光电探测器28将基频光信号转换为电信号输入到锁相放大器29中，经过相敏调制混频检波后得到误差信号；锁相调制信号输出端口30输出一个正弦调制信号，依次经过电容31、高压放大器35加载到压电陶瓷25上，通过调节锁相放大器29的各个参数，调节误差信号；调节好误差信号进行倍频腔锁定时，需要去掉三角波信号，使用单刀双掷开关34的b端将积分器33与高压放大器35相连，锁相放大器29输出的误差信号经过积分器33和高压放大器35加载到压电陶瓷25上控制腔长，构成锁腔回路。

可选地，所述窄线宽激光种子源(A)为单模光纤输出的窄线宽半导体激光器或光纤激光器。

可选地，所述窄线宽激光种子源(A)为970nm－1100nm中特定波段可调谐或者特定波长的激光器，所述窄线宽的光谱宽度为10KHz－1GHz。

可选地，所述的光纤功率放大器(B)为保偏光纤激光放大器或非保偏光纤激光放大器。

可选地，所述倍频晶体为LBO、BBO、BiBO、KTP、PPLN、PPSTL、PPKTP晶体或其它非线性光学晶体的一种或多种。

本发明设计简单、结构紧凑、满足高功率高光束质量的窄线宽紫外激光输出。

最后应说明的是，以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种窄线宽掺镱光纤放大器及其倍频系统，其特征在于：包括沿光路依次设置的窄线宽激光种子源(A)、光纤功率放大器(B)、偏振控制装置(C)、谐振倍频腔(D)和锁腔电子伺服系统(E)；

所述窄线宽激光种子源(A)为单模光纤输出的窄线宽半导体激光器或光纤激光器；所述光纤功率放大器(B)为由两级光纤放大器级联组成的主振荡功率放大器；所述偏振控制装置(C)包括沿光路依次设置的准直透镜、四分之一波片、第一二分之一波片、偏振分光棱镜、第二二分之一波片和聚焦透镜；所述谐振倍频腔(D)包括第一凹面镜、二倍频晶体、四倍频晶体、第二凹面镜、压电陶瓷、第一分光镜、第二分光镜。

2.根据权利要求1所述的一种窄线宽掺镱光纤放大器及其倍频系统，其特征在于：所述窄线宽激光种子源(A)包括窄线宽激光器和第一光纤隔离器；所述窄线宽激光器为单模光纤输出的窄线宽半导体激光器或光纤激光器。

3.根据权利要求1所述的一种窄线宽掺镱光纤放大器及其倍频系统，其特征在于：所述光纤功率放大器(B)由两级光纤放大器级联组成，其中第一级光纤放大器包括第一半导体泵浦激光器、第一光纤合束器、第一掺镱增益光纤、第一包层光剥除器、带通滤波器、第二光纤隔离器；第二级光纤放大器包括第二半导体泵浦激光器、第二光纤合束器、第二掺镱增益光纤，第二包层光剥除器、第三光纤隔离器、光纤端帽；

第一光纤隔离器输出端连接第一光纤合束器信号端，第一半导体泵浦激光器输出端连接第一光纤合束器泵浦端，第一光纤合束器输出端连接第一掺镱增益光纤输入端，第一掺镱增益光纤输出端连接第一包层光剥除器输入端，第一包层光剥除器输出端连接带通滤波器输入端，带通滤波器输出端连接第二光纤隔离器输入端；第二光纤隔离器输出端连接第二光纤合束器信号端，第二半导体泵浦激光器输出端连接第二光纤合束器泵浦端，第二光纤合束器输出端连接第二掺镱增益光纤输入端，第二掺镱增益光纤输出端连接第二包层光剥除器输入端，第二包层光剥除器输出端连接第三光纤隔离器输入端，第三光纤隔离器输出端连接石英端帽输入端；

所述第一掺镱增益光纤与第二掺镱增益光纤是保偏或非保偏的单模掺镱增益光纤、双包层掺镱增益光纤、掺镱光子晶体光纤中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的一种窄线宽掺镱光纤放大器及其倍频系统，其特征在于：所述偏振控制装置(C)包括沿光路依次设置的准直透镜、四分之一波片、第一二分之一波片、偏振分光棱镜、第二二分之一波片和聚焦透镜；

窄线宽掺镱光纤放大器输出的高功率基频光，经过准直透镜准直后，使用四分之一波片将放大器输出的椭圆偏振光成分转换为线偏振光，通过第一二分之一波片和偏振分光棱镜配合控制线偏振激光的功率大小，使用第二二分之一波片控制线偏振激光的偏振方向，使用聚焦透镜提高基频光的功率密度。

5.根据权利要求1所述的一种窄线宽掺镱光纤放大器及其倍频系统，其特征在于：所述谐振倍频腔(D)包括第一凹面镜、二倍频晶体、四倍频晶体、第二凹面镜、压电陶瓷、第一分光镜、第二分光镜；

聚焦后的高功率线偏振基频光通过第一凹面镜耦合进入谐振倍频腔，依次通过二倍频晶体、四倍频晶体、第二凹面镜、第一分光镜和第二分光镜，第二凹面镜固定在压电陶瓷上。

6.根据权利要求1所述的一种窄线宽掺镱光纤放大器及其倍频系统，其特征在于：所述锁腔电子伺服系统(E)包括光电探测器、锁相放大器、锁相调制信号输出端口、电容、信号发生器、积分器、单刀双掷开关、高压放大器；

信号发生器通过单刀双掷开关与高压放大器和压电陶瓷相连，以调节鉴频曲线至最佳，提高倍频腔锁定的稳定性；光电探测器将基频光信号转换为电信号输入到锁相放大器中，经过相敏调制混频检波后得到误差信号；锁相调制信号输出端口输出一个正弦调制信号，依次经过电容、高压放大器加载到压电陶瓷上；使用单刀双掷开关将积分器与高压放大器相连，锁相放大器输出的误差信号经过积分器和高压放大器加载到压电陶瓷上控制腔长，构成锁腔回路。

7.根据权利要求1所述的一种窄线宽掺镱光纤放大器及其倍频系统，其特征在于：所述窄线宽激光种子源为970nm－1100nm中特定波段可调谐或者特定波长的激光器；所述窄线宽其光谱宽度为10KHz－1GHz。

8.根据权利要求1所述的一种窄线宽掺镱光纤放大器及其倍频系统，其特征在于：所述光纤功率放大器为保偏光纤激光放大器或非保偏光纤激光放大器。

9.根据权利要求1所述的一种窄线宽掺镱光纤放大器及其倍频系统，其特征在于：所述倍频晶体为LBO、BBO、BiBO、KTP、PPLN、PPSTL、PPKTP晶体的一种或多种。

10.根据权利要求1所述的一种窄线宽掺镱光纤放大器及其倍频系统，其特征在于：倍频系统按不同倍频晶体要求控制温度运行，其温控精度优于±0.5℃。