一种抑制光纤中受激布里渊散射的方法及系统

技术领域

本发明属于光纤激光器技术领域，更具体地，涉及一种抑制光纤中受激布里渊散射的方法及系统。

背景技术

光纤激光器具有高光束质量、高转换效率、高集成度以及便于热管理等特点，已成为目前最热门的激光技术之一，应用场景遍布包括光通信、工业加工、国防安全、生物医疗等领域。其中光谱宽度小于或在0.1nm量级的窄线宽光纤激光器更是因为其高相干性、低噪声系数等优势，在光束合成、非线性频率转换、引力波探测等领域具有广阔的应用前景。然而，当纤芯中激光功率达到受激布里渊散射阈值后，所产生的反向传输Stokes光将对光纤激光器系统造成严重损害，因此被视为限制窄线宽激光器输出功率的首要因素。

目前主要通过优化光纤、优化泵浦结构、优化增益谱来实现对受激布里渊散射的抑制。通过增大光纤有效模场面积、减小光纤长度和有效长度的方法有助于提高受激布里渊散射阈值，但是容易激发产生高阶模，不利于抑制模式不稳定性效应。通过优化主放大器泵浦结构提升阈值的方法对布里渊散射阈值的抑制效果有限。通过施加温度或应力梯度展宽布里渊增益谱，优化相位调制信号实现频谱展宽的方法系统复杂，易受环境扰动。专利文献CN109378687B公开了一种光纤激光放大器中的受激布里渊散射抑制方法，利用倾斜光纤光栅在布里渊波段具有高损耗性，抑制光纤激光放大器系统中产生的后向Stokes光，提升光纤激光放大器的SBS阈值。据报道，这种倾斜布拉格光栅对后向Stokes光的平均滤除率大于16dB(田鑫，王蒙，王泽锋.基于倾斜光栅Bragg光栅的受激布里渊散射滤波器.光学学报，2020,40(10))。但是该方法会引起信号光的损耗，影响激光放大性能。由于该方法要求信号光波长和反向Stokes光波长分别位于光栅的通带区域和阻带区域，因此对光栅的制作工艺要求较高。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种抑制光纤中受激布里渊散射的方法，正向信号光/反向Stokes光经过45度倾斜光纤光栅进行偏振化处理，通过光电探测器探测光强，将其传送给控制模块，控制模块根据控制算法做出解析，并给偏振控制器发送指令，精确调节光偏振态。通过这种双偏振控制环系统实现了正向信号光保持而对反向Stokes光高效抑制的功能。

为了实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供一种抑制光纤中受激布里渊散射的方法，包括：

S100：种子源输出的信号光及泵浦光源输出的泵浦光，通过信号泵浦合束器注入到掺杂光纤中，注入的泵浦光迅速转换成信号光；

S200：利用45度倾斜光纤光栅对正向信号光进行偏振化处理，通过光电探测器探测光强，并将其传送到控制模块进行解析，控制模块根据算法作出解析并给偏振控制器发出指令，精确调解光偏振态，控制输出光的功率，并将信号光以最大光功率的偏振态输出；

S300：当信号光强度超过阈值时产生SBS效应，继续注入掺杂光纤的泵浦光转化成反向Stokes光；

S400：利用45度倾斜光纤光栅对反向Stokes光进行偏振化处理，通过光电探测器探测光强，并将其传送到控制模块，控制模块根据算法作出解析并给偏振控制器发出指令，精准调解光偏振态，控制输出光的功率，将反向Stokes光以最小功率的偏振态输出。

进一步地，所述算法包括：

S201：在控制模块上随机设置一个初始控制电压u

S202：通过光电探测器采集到的信号快速计算出初始评价函数J

S203：再生成随机扰动电压δu

S204：将扰动电压δu

S205：测量上一步扰动后得到的评价函数J

S206：将随机扰动电压δu

S207：获取上一步扰动后的评价函数J

S208：计算两次评价函数的变化量ΔJ

S209：按照公式u

其中，u

进一步地，步骤S204和S205中，增益系数γ>0。

进一步地，步骤S209中，增益系数γ<0。

进一步地，步骤S200中，信号光通过45度倾斜光纤光栅时，具有s偏振态的光被转换为辐射模，能量耗散在自由空间中，具有p偏振态的光则将以低损耗形式在纤芯中传输。

进一步地，步骤S200中，信号光通过光纤耦合器后，大部分光继续进行前向传输，少部分光经过光电探测器并转换为电信号，并作为评价函数传送到控制模块中。

进一步地，步骤S200中，控制模块根据算法解析出偏振控制器中所需要的控制信号传输给振控制器的各控制端口，快速修正信号光偏振态，进而实现信号光的高精度闭环控制。

进一步地，步骤S400中，反向Stokes光经过光纤耦合器后到达45度倾斜光纤光栅，信号光通过45度倾斜光纤光栅时，具有s偏振态的光被转换为辐射模能量被耗散在自由空间中，具有p偏振态的光则将以低损耗形式在纤芯中传输。

进一步地，步骤S400中，控制模块根据算法解析出偏振控制器中所需要的控制信号传输给偏振控制器的各控制端口，快速修正反向Stokes光的偏振态，进而实现反向Stokes光的高精度闭环控制。

按照本发明的第二方面，提供一种抑制光纤中受激布里渊散射的系统，包括依次成光路连接的种子源、泵浦光源、信号泵浦合束器、环形器、第一偏振控制器、45度倾斜光纤光栅、光纤耦合器、第二偏振控制器、第一光电探测器、第一控制模块、第二光电探测器以及第二控制模块；

在信号泵浦合束器和掺杂光纤之间接入双偏振控制环，45度倾斜光纤光栅、光纤耦合器、第一光电探测器、第一控制模块、第一偏振控制器熔接依次连接构成信号光偏振控制环；

光纤耦合器、45度倾斜光纤光栅，环形器，第二光电探测器，第二控制模块，偏振控制器熔接依次连接构成反向Stokes光偏振控制环。

进一步地，所述第一偏振控制器和第二偏振控制器用于调解光偏振态，控制输出光的功率。

进一步地，所述第一光电探测器和第二光电探测器用于将光信号转换成电信号，将其传送给第一控制模块以及第二控制模块，相应的控制模块根据控制算法做出解析，并给对应的偏振控制器发出指令，精确调解光偏振态控制输出光的功率。

进一步地，所述光纤耦合器用于对光信号功率在不同光纤间的分配作用，确保信号光和反向Stokes光能进入到各自的控制环。

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，能够取得下列有益效果：

1.本发明的方法，正向信号光/反向Stokes光经过45度倾斜光纤光栅进行偏振化处理，通过光电探测器探测光强，将其传送给控制模块，控制模块根据控制算法做出解析，并给偏振控制器发送指令，精确调节光偏振态。通过这种双偏振控制环系统实现了正向信号光保持而对反向Stokes光高效抑制的功能。

2.本发明的方法，45度倾斜光纤光栅具有良好的偏振特性：对p偏振态的光具有高透过性，对s偏振态的光具有高损耗性，且损耗的能量以辐射模形式在包层中耗散掉，对后向Stokes光具有很好的隔离作用。

3.本发明的方法，双偏振控制环系统能实现偏振态的实时控制及调谐，具备较强的抗环境扰动性。

附图说明

图1为本发明实施例一种抑制光纤中受激布里渊散射方法的流程示意图；

图2为本发明实施例一种抑制光纤中受激布里渊散射系统的结构示意图；

图3为本发明实施例另一种抑制光纤中受激布里渊散射系统的结构示意图；

图4为本发明实施例一种抑制光纤中受激布里渊散射系统中使用的45度倾斜光纤光栅辐射模轴向分布特性的原理示意图。

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-种子源、2-泵浦光源、3-信号泵浦合束器、4-环形器、5-第一偏振控制器、6-45度倾斜光纤光栅、7-光纤耦合器、8-第二偏振控制器、9-掺杂光纤、10-第一光电探测器、11-第一控制模块、12-第二光电探测器、13-第二控制模块、14-光纤纤芯。

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。

实施例1

如图1所示，本发明实施例提供一种抑制光纤中受激布里渊散射的方法，具体步骤：

S100：种子源输出的信号光以及泵浦光源输出的泵浦光，通过信号泵浦合束器注入到掺杂光纤中，注入的泵浦光会迅速转换成信号光；

S200：利用45度倾斜光纤光栅对正向信号光进行偏振化处理，通过光电探测器探测光强，并将其传送到控制模块，控制模块根据算法作出解析，并给偏振控制器发出指令，精准调解光偏振态，控制输出光的功率，将信号光以最大光功率的偏振态输出；

S300：当信号光强度超过一定阈值时，产生SBS效应，继续注入掺杂光纤的泵浦光转化成反向Stokes光；

S400：利用45度倾斜光纤光栅对反向Stokes光进行偏振化处理，通过光电探测器探测光强，并将其传送到控制模块，控制模块根据算法作出解析，并给偏振控制器发出指令，精准调解光偏振态，控制输出光的功率，将反向Stokes光以最小光功率的偏振态输出。

实施例2

如图2所示，本发明实施例提供一种抑制光纤中受激布里渊散射的系统，包括种子源1、泵浦光源2、信号泵浦合束器3、环形器4、第一偏振控制器5、45度倾斜光纤光栅6、光纤耦合器7、第二偏振控制器8、掺杂光纤9、第一光电探测器10、第一控制模块11、第二光电探测器12以及第二控制模块13。

更具体地说，在信号泵浦合束器3和掺杂光纤9之间接入双偏振控制环。其中，45度倾斜光纤光栅6，光纤耦合器7，第一光电探测器10，第一控制模块11，第一偏振控制器5通过熔接的方式依次连接构成信号光偏振控制环；光纤耦合器7，45度倾斜光纤光栅6，环形器4，第二光电探测器12，第二控制模块13，偏振控制器8通过熔接的方式依次连接构成反向Stokes光偏振控制环，进一步的说，第一偏振控制器5不涉及反向Stokes光的调解。

更具体地说，种子源1，泵浦光源2以及信号泵浦合束器3的参数，掺杂光纤9对选取波长、输出功率等因实际而异，没有特殊要求。

更具体地说，环形器4是一种隔离光器件，起到使信号仅沿固定光路传输的作用。第一偏振控制器5和第二偏振控制器8可以调解光偏振态，控制输出光的功率，光纤耦合器起到光信号功率在不同光纤间的分配作用，确保信号光和反向Stokes光能进入到各自的控制环。第一光电探测器10和第二光电探测器12可以将光信号转换成电信号，将其传送给第一控制模块11以及第二控制模块13，然后相应的控制模块根据控制算法做出解析，并给对应的偏振控制器发出指令，做到精确调解光偏振态，控制输出光的功率。

更具体地说，45度倾斜光纤光栅6是一种特殊的倾斜光纤光栅，其光栅倾角等于光栅布儒斯特角，布儒斯特角满足:

n为纤芯折射率，Δn为光栅制备过程中所引入的折射率调制量。

进一步的说，该光栅可以将纤芯模中的s偏振光耦合成辐射模将其直接衍射至自由空间中,而保留p偏振光在其中传输，实现起偏功能，如图4所示。因此，45度倾斜光纤光栅是一种非常好的全光纤起偏器件。45度倾斜光纤光栅的偏振性能与光栅的长度有关，长度越长，偏振相关损耗越大，光栅的起偏性能越好。相较于传统的体起偏器件，45度倾斜光纤光栅具有更小的插入损耗，可以承受更高的输入功率，光纤的传光特性使得外界的信号光能直接传输至45度倾斜光纤光栅，使其克服了传统色散器件在应用中需要使用的准直模块所带来的缺陷，可以作为传统体衍射光栅的理想代替品，实现光谱分析系统的微型化，提高系统的集成度和便携性。其稳定性和兼容性更强，成本更低。

更具体地说，正向信号光控制环和反向Stokes光控制环包括如下步骤：

正向信号光控制环：

步骤1，首先，正向信号光经过光纤环形器4和第一偏振控制器5后到达45度倾斜光纤光栅6；

步骤2，由于任意方向的线偏振光可分解为由s偏振态和p偏振态构成的正交偏振光，当光通过45度倾斜光纤光栅时，具有s偏振态的光被转换为辐射模，能量耗散在自由空间中，具有p偏振态的光则将以低损耗形式在纤芯中传输，如图4所示；

步骤3，当信号光通过光纤耦合器7时，大部分光继续进行前向传输，少部分光经过第一光电探测器10并转换为电信号，并作为评价函数传送到第一控制模块11中；

步骤4，第一控制模块11根据算法解析出第一偏振控制器5中所需要的控制信号，然后传输给第一偏振控制器5的各控制端口，快速修正信号光偏振态，进而实现信号光的高精度闭环控制；

步骤5，所述控制模块根据算法对所述控制信号进行迭代，当算法优化到极大值时，信号光偏振态稳定在p偏振态，信号光经过45度倾斜光纤光栅则以低损耗形式在纤芯中传输，第一光电探测器10所采集到的评价函数稳定在最大值，即实现信号光的低损输出。

反向Stokes光控制环：

步骤6，首先，反向Stokes光经过光纤耦合器7后到达45度倾斜光纤光栅6；

步骤7，当光通过45度倾斜光纤光栅6时，具有s偏振态的光被转换为辐射模，能量被耗散在自由空间中，具有p偏振态的光则将以低损耗形式在纤芯中传输，如图4所示；

步骤8，第一偏振控制器5对反向Stokes光不起调解作用，反向Stokes光经过光纤环形器4时，光经过第二光电探测器12并转换为电信号，并作为评价函数传送到第二控制模块13中；

步骤9，第二控制模块13根据算法解析出第二偏振控制器8中所需要的控制信号，然后传输给第二偏振控制器8的各控制端口，快速修正反向Stokes光的偏振态，进而实现反向Stokes光的高精度闭环控制；

步骤10，所述控制模块根据算法对所述控制信号进行迭代，当算法优化到极小值时，反向Stokes光偏振态稳定在p偏振态最小值，第二光电探测器12所采集到的评价函数稳定在最小值，即实现反向Stokes光的低损输出。步骤4，步骤5，步骤9和步骤10中所采用的算法为随机并行梯度下降法，其实现过程包括以下步骤：

步骤一，首先在控制模块上随机设置一个初始控制电压u

步骤二，然后通过光电探测器采集到的信号快速计算出初始评价函数J

步骤三，再生成随机扰动电压δu

步骤四，将扰动电压δu

步骤五，测量上一步扰动后得到的评价函数J

步骤六，将随机扰动电压δu

步骤七，获取上一步扰动后的评价函数J

步骤八，计算两次评价函数的变化量ΔJ

步骤九，按照公式u

步骤十，重复步骤一-步骤九，继续进行电压控制，直至系统稳定；

其中，u

进一步的说，步骤四，步骤五中，γ>0；步骤九和步骤十中,γ<0。

实施例3

如图3所示，本发明实施例提供另一种抑制光纤中受激布里渊散射的系统。与实施例2的不同之处在于，本发明实施例中，环形器4在第一偏振控制器5和45度倾斜光纤光栅6中间，可以避免反向Stokes光经过正向信号控制环的第一偏振控制器5，可以更加精确地对信号光进行调解。所涉及到的部件与实施例2一致。

更具体地说，只涉及到正向信号光控制环和反向Stokes光控制环，其包括如下步骤：

正向信号光控制环：

步骤1，首先，正向信号光经过第一偏振控制器5和光纤环形器4后到达45度倾斜光纤光栅6；

步骤2，由于任意方向的线偏振光可分解为由s偏振态和p偏振态构成的正交偏振光，当光通过45度倾斜光纤光栅时，具有s偏振态的光被转换为辐射模，能量耗散在自由空间中，具有p偏振态的光则将以低损耗形式在纤芯14中传输，如图4所示；

步骤3，当信号光通过光纤耦合器7时，大部分光继续进行前向传输，少部分光经过第一光电探测器10并转换为电信号，并作为评价函数传送到第一控制模块11中；

步骤4，第一控制模块11根据算法解析出第一偏振控制器5中所需要的控制信号，然后传输给第一偏振控制器5的各控制端口，快速修正信号光偏振态，进而实现信号光的高精度闭环控制；

步骤5，所述控制模块根据算法对所述控制信号进行迭代，当算法优化到极大值时，信号光偏振态稳定在p偏振态，信号光经过环形器4和45度倾斜光纤光栅6则以低损耗形式在纤芯14中传输，第一光电探测器10所采集到的评价函数稳定在最大值，即实现信号光的低损输出。

反向Stokes光控制环：

步骤6，首先，反向Stokes光经过光纤耦合器7后到达45度倾斜光纤光栅6；

步骤7，当光通过45度倾斜光纤光栅6时，具有s偏振态的光被转换为辐射模，能量被耗散在自由空间中，具有p偏振态的光则将以低损耗形式在纤芯中传输，如图4所示；

步骤8，反向Stokes光经过光纤环形器4时，光经过第二光电探测器12并转换为电信号，并作为评价函数传送到第二控制模块13中；

步骤9，第二控制模块13根据算法解析出第二偏振控制器8中所需要的控制信号，然后传输给第二偏振控制器8的各控制端口，快速修正反向Stokes光的偏振态，进而实现反向Stokes光的高精度闭环控制；

步骤10，所述控制模块根据算法对所述控制信号进行迭代，当算法优化到极小值时，反向Stokes光偏振态稳定在p偏振态最小值，第二光电探测器12所采集到的评价函数稳定在最小值，即实现反向Stokes光的低损输出。步骤4，步骤5，步骤9和步骤10中所采用的算法为随机并行梯度下降法，其实现过程包括以下步骤：

步骤一，首先在控制模块上随机设置一个初始控制电压u

步骤二，然后通过光电探测器采集到的信号快速计算出初始评价函数J

步骤三，再生成随机扰动电压δu

步骤四，将扰动电压δu

步骤五，测量上一步扰动后得到的评价函数J

步骤六，将随机扰动电压δu

步骤七，获取上一步扰动后的评价函数J

步骤八，计算两次评价函数的变化量ΔJ

步骤九，按照公式u

步骤十，重复步骤一-步骤九，继续进行电压控制，直至系统稳定；

其中，u

进一步的说，步骤四，步骤五中，γ>0；步骤九和步骤十中,γ<0。

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，并不用于限制本发明，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。