一种高功率单频激光输出的方法及装置

技术领域

本发明属于光电技术领域，更具体地，涉及一种高功率单频激光输出的方法及装置。

背景技术

高功率单频激光器在相干探测、光谱合成方面具有广阔的应用前景和广泛的应用需求，为了实现单频激光更高功率输出，通常采用MOPA技术方案，即将低功率种子光注入放大器进一步功率放大，然而受限于光纤的非线性效应，单频光纤激光的输出功率至今仍未突破kW量级。

通过单频激光相位调制展宽激光光谱，是抑制非线性效应的有效途径，且放大过程中线宽和光谱特性保持良好，被认为是基于MOPA结构实现高功率窄线宽激光输出的首选方案，目前通过单频激光相位调制可实现近5kW的窄线宽激光输出。利用相位调制技术展宽单频激光光谱，再利用高功率相位调制装置恢复单频激光，有望获得更高功率的单频激光输出。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了种高功率单频激光输出的方法及装置，其中结合单频激光自身的特征及激光高功率输出的工艺特点，采用特定的第一调制信号和第二调制信号对单频激光进行调制，同时，对光纤放大部分进行特定性设计，相应的，可有效提高激光放大过程中的SBS阈值，获得高功率激光输出。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种高功率单频激光输出的方法，包括以下步骤：

S1采用电信号源产生具有规律特征的第一调制信号，记录该第一调制信号的频率和幅值，并根据所述第一调制信号的频率和幅值，计算第一调制信号的调制深度；

S2采用该第一调制信号将信号光的线宽进行展宽，然后将展宽后的信号光进行高功率放大，获得窄线宽激光，其中，所述信号光为单频激光；

S3获取高功率放大后信号光的相位；

S4采用电信号源产生具有规律特征的第二调制信号，所述第二调制信号的调制深度与第一调制信号的调制深度相同，且所述第二调制信号的相位与高功率放大后信号光的相位相反；

S5采用所述第二调制信号将所述窄线宽激光调制为单频激光输出。，

作为进一步优选的，步骤S1中，所述调制信号为有规律可复现的电信号，包括正弦信号、方波信号以及锯齿波信号。

作为进一步优选的，步骤S3中，所述信号光的光波为载波，其场方程为：

所述第一调制信号的场方程为：

经所述第一调制信号调制后的光场分布为：

高功率放大的信号光的场分布为：

其中，E为载波的场方程，ν

作为进一步优选的，步骤S4中，所述第二调制信号的场方程为：

经所述第二调制信号调制后的光场分布为：

其中，m

作为进一步优选的，步骤S2中,采用单频激光器输出所述信号光，所述单频激光器的中心波长取值范围在掺镱激光器的900nm至1200nm之间、掺饵激光器的1500nm至1600nm之间或者掺铥激光器的1900nm至2100nm中的任意一个或多个范围内。

作为进一步优选的，步骤S3还包括以下步骤：

根据获取的高功率放大后信号光的相位，对步骤S2中未进行调制的信号光进行补偿。

按照本发明的另一个方面，还提供了一种高功率单频激光输出的装置，包括：

单频激光器，用于输出信号光，所述信号光为单频激光；

第一电信号发生器，用于产生具有规律特征的第一调制信号；

相位调制器，用于注入所述第一调制信号，并采用该第一调制信号将信号光的线宽进行展宽；

光纤放大器，用于将展宽后的信号光进行高功率放大，获得窄线宽激光；

第二电信号发生器，用于产生具有规律特征的第二调制信号，所述第二调制信号的调制深度与第一调制信号的调制深度相同，且所述第二调制信号的相位与高功率放大后信号光的相位相反；

高功率相位调制器，用于注入所述第二调制信号，并将所述窄线宽激光调制为单频激光输出。

作为进一步优选的，所述单频激光器、相位调制器和光纤放大器依次采用光纤熔接或者光纤法兰连接。

作为进一步优选的，所述高功率相位调制器包括第一高反镜、第二高反镜以及驱动器，所述驱动器用于驱动第一高反镜和第二高反镜水平振动，使得输入的窄线宽激光光路与输出的单频激光光路平行。

作为进一步优选的，所述单频激光器的中心波长取值范围在掺镱激光器的900nm至1200nm之间、掺饵激光器的1500nm至1600nm之间或者掺铥激光器的1900nm至2100nm中的任意一个或多个范围内。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明结合单频激光自身的特征及激光高功率输出的工艺特点，采用特定的第一调制信号和第二调制信号对单频激光进行调制，同时，对光纤放大部分进行特定性设计，相应的，可有效提高激光放大过程中的SBS阈值，获得高功率激光输出。

2.本发明中，第二个相位调制器的深度必须和第一个相同，相位满足反向关系，即首先将单频激光进行电信号相位调制实现光谱展宽，再将展宽后的光谱进行高功率激光放大，然后利用高功率反相相位调制装置将放大后的激光恢复为单频激光输出，实现高功率单频激光输出。

3.本发明为了得到高功率的单频激光，先利用相位调制展宽光谱，规避掉放大过程中的非线性效应。

附图说明

图1是本发明优选实施例涉及的一种高功率单频激光输出的方法的流程图；

图2是本发明优选实施例涉及的一种高功率单频激光输出装置的结构示意图；

图3是本发明优选实施例涉及的高功率相位调制装置的结构示意图；

图4是本发明另一实施例涉及的一种高功率单频激光输出装置的结构示意图。

在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-单频激光器、2-相位补偿器、3-第一电信号发生器、4-相位调制器、5-光纤放大器、6-第二电信号发生器、7-高功率相位调制装置、8-探测与控制装置、9-第一高反镜、10-第二高反镜、11-驱动器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

单一激光振荡器直接输出功率有限，为提升光纤激光的输出功率，通常采用种子源主振荡功率放大(MOPA)的技术方案，即使用低功率的光纤激光器作为主振荡种子源，然后采用多级放大器结构进行功率放大。然而，高功率窄线宽光纤激光的功率提升受到模式不稳定(TMI)效应和受激布里渊散射(SBS)效应等非线性效应的限制。SBS产生的后向Stokes光将对激光器产生严重危害，从而限制其功率提升。此外，随着功率提升，TMI效应的出现将使得激光能量在基模与高阶模之间转换，导致输出激光的光束质量突然退化截止目前，受限于SBS和TMI，单频光纤激光器输出功率尚停留在数百W量级。介于此，本发明利用电信号相位调制，将单频激光的光谱展宽，提高激光放大过程中的SBS阈值，获得高功率激光输出。高功率放大后，再将输出激光进行反相相位调制，恢复单频状态，实现高功率单频激光输出。

如图1至图4所示，本发明实施例提供的一种高功率单频激光输出的方法，包括以下步骤：

步骤一，采用电信号源产生具有规律特征的第一调制信号，记录该第一调制信号的频率和幅值，并根据所述第一调制信号的频率和幅值，计算第一调制信号的调制深度。

步骤二，采用该第一调制信号将信号光的线宽进行展宽，然后将展宽后的信号光进行高功率放大，获得窄线宽激光，其中，所述信号光为单频激光。

步骤三，获取高功率放大后信号光的相位。

步骤四，采用电信号源产生具有规律特征的第二调制信号，所述第二调制信号的调制深度与第一调制信号的调制深度相同，且所述第二调制信号的相位与高功率放大后信号光的相位相反。

步骤五，采用所述第二调制信号将所述窄线宽激光调制为单频激光输出。

具体而言，首先，本发明采用单频激光器1发射单频激光，也就是上述的信号光。本发明中所述信号光的光波为载波，其场方程为：

其中，E为载波的场方程，ν

单频激光器中心波长取值范围在掺镱激光器的900nm至1200nm之间或者掺饵激光器的1500nm至1600nm之间或者掺铥激光器的1900nm至2100nm之间，或者在上述的三个范围中的多个范围内。

然后采用电信信号源产生具有规律特征的第一调制信号。第一调制信号调制电信号可以为其他有规律可复现的电信号种类，不限于正弦信号、方波信号和锯齿波信号。然后将该第一调制信号注入至相位调制器4中，对单频激光器1输出的信号光进行调制。在本发明的一个优选实时例中，采用正弦电信号对信号光进行调制，具体而言，该正弦电信号场方程为：

其中，E

经正弦电信号调制后信号光的光场分布为：

其中，E

经过注入第一调制信号的相位调制器4调制后，信号光的线宽展宽，得到展宽的光谱。

接着，将展宽后的信号光输入光纤放大器进行高功率放大，获得窄线宽激光。在本发明的一个实施例中，光纤放大器包括第一隔离器、模式整理器、铒镱共掺单模单包层光纤、第二隔离器和多模Pump激光器，模式整理器分别与第一隔离器和多模Pump激光器相连接，铒镱共掺单模单包层光纤与模式整理器相连接，第二隔离器与铒镱共掺单模单包层光纤相连接。在本发明的另一个实施例中，为了克服不稳定效应(TMI)，铒镱共掺单模单包层光纤采用手性耦合纤芯，该手性耦合纤芯采用掺锗二氧化硅制备而成，包层材料为二氧化硅。此外，在本发明中，铒镱共掺单模单包层光纤采用为锥形结构，该锥形结构使得光束在传输过程中保持较好的光束质量，同时，锥形结构可引起SBS频移以展宽SBS增益谱。

高功率放大的信号光的场分布为：

其中，P为高功率放大后信号光的幅值，a

接着，采用电信号源产生具有规律特征的第二调制信号，所述第二调制信号的调制深度与第一调制信号的调制深度相同，且所述第二调制信号的相位与高功率放大后信号光的相位相反。具体而言，该第二调制信号的场方程为：

其中，E

经所述第二调制信号调制后的光场分布为：

当高功率相位调制频率和调制深度与单频调制一样，即m1＝m2,ν

本发明技术原理如下：

单频相位调制方式中，单频种子源输出的光波为载波，其场方程为：

按照本发明的另一个方面，还提供了一种高功率单频激光输出的装置，包括：

单频激光器，用于输出信号光，所述信号光为单频激光；

第一电信号发生器，用于产生具有规律特征的第一调制信号；

相位调制器，用于注入所述第一调制信号，并采用该第一调制信号将信号光的线宽进行展宽；

光纤放大器，用于将展宽后的信号光进行高功率放大，获得窄线宽激光；

第二电信号发生器，用于产生具有规律特征的第二调制信号，所述第二调制信号的调制深度与第一调制信号的调制深度相同，且所述第二调制信号的相位与高功率放大后信号光的相位相反；

高功率相位调制器，用于注入所述第二调制信号，并将所述窄线宽激光调制为单频激光输出。

其中，所述单频激光器、相位调制器和光纤放大器依次采用光纤熔接或者光纤法兰连接。

作为进一步优选的，所述高功率相位调制器包括第一高反镜、第二高反镜以及驱动器，所述驱动器用于驱动第一高反镜和第二高反镜水平振动，使得输入的窄线宽激光光路与输出的单频激光光路平行。

作为进一步优选的，所述单频激光器的中心波长取值范围在掺镱激光器的900nm至1200nm之间、掺饵激光器的1500nm至1600nm之间或者掺铥激光器的1900nm至2100nm中的任意一个或多个范围内。

在本发明中，装置还包括探测与控制装置以及相位补偿器，其中，括探测与控制装置用于探测经光纤放大器放大后信号光的相位和功率，并实时对单频激光器输出的信号光进行功率补充，使得输入光纤放大器前和输出光纤放大器放大后的信号光的功率不变。

实施例1

一种通过相位调制实现高功率单频激光输出的方法，实现该方法的结构如图2和图3所示，包括一个单频激光器1、一个相位补偿器2一个第一电信号发生器3、一个相位调制器4、一个光纤放大器5、一个第二电信号发生器6、一个高功率相位调制装置7和一个放大后输出激光的探测与控制装置8。其中单频激光器1、相位补偿器2、相位调制器4和光纤放大器5依此通过光纤熔接或光纤法兰连接。光纤放大器输出的激光经过高功率相位调制装置7出射。

图3为图2中高功率相位调制装置的一种空间结构，包括可同步水平振动的第一高反镜9、第二高反镜10和用来控制镜组振动的驱动器11，其中第一高反镜9、第二高反镜10如图垂直放置，反射面与光路分别呈45°，虚线部位的9’、10’分别为第一高反镜9和第二高反镜10经水平振动后的示意位置。驱动器用来驱动第一高反镜9和第二高反镜10的水平振动。

实施例2

如图4所示，本实施例提供的一种高功率单频激光输出装置，包括一个单频激光器1、一个可变延迟线2、一个相位调制器4、一个第一电信号发生器6、一个光纤放大器5、一个激光探测与控制装置8、第一高反镜9、第二高反镜10、驱动器11、第二电信号发生器6。其中单频激光器的输出光谱，经过可变延迟线2后仍为单频，经过正弦相位调制器后，光谱展宽后经过光纤放大器后得到的光谱分布与相位调制后得到的光谱一致，再经过空间结构的高功率相位调制装置，光谱变为单频输出。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。