[發明專利]同時降低單頻激光強度與頻率噪聲的裝置及其工作方法

有效

• 申請號: 201410291868.1
• 申請日: 2014-06-26
• 公開（公告）號: CN104092088B
• 公開（公告）日: 2017-10-20
• 發明（設計）人: 徐善輝;楊中民;李燦;馮洲明
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: H01S3/067
• 分類號: H01S3/067;H01S3/0941;H01S3/13
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司44102
• 代理人: 何淑珍

技術領域

本發明涉及單頻光纖激技術領域，具體涉及同時降低單頻激光強度與頻率噪聲的裝置及其工作方法。

背景技術

單頻光纖激光器因其具有超窄線寬、超長相干長度等特性，在超高精度和超遠距離激光測距，相干光通信，光纖傳感，激光雷達（LIDAR），相干合成等領域有著廣闊的應用前景和巨大的應用價值。而噪聲作為單頻激光的一個重要指標，是制約其進一步應用的關鍵因素。如在高精度傳感中，激光中的噪聲會與探測信號混合轉變為系統噪聲，從而影響探測精度與靈敏度。因此，研究并改善單頻光纖激光器噪聲特性是激光器研究者們長期追求的目標，也是激光器領域中一個重要的研究課題。

激光的噪聲包括強度噪聲和頻率噪聲，即功率的不穩定性及頻率的不穩定性。由于主要的噪聲來源不同，一般對這兩種噪聲分別進行研究。單頻光纖激光器的強度噪聲在頻譜上可分為低頻的技術噪聲、中頻的弛豫振蕩以及高頻段的量子噪聲。技術噪聲是由外部干擾、抽運源的功率起伏等引起。在連續抽運激光器中，弛豫振蕩表現為某些頻段內光強隨時間變化的阻尼振蕩，是引起激光器輸出功率起伏的最主要原因。其產生機制是增益介質內反轉粒子與激光腔內光子相互作用而引起的激光振蕩。量子噪聲又稱散粒噪聲（Shot noise），來源于激光能量量子化過程中產生的光量子漲落，且其功率譜密度與頻率無關。對于單頻光纖激光器的頻率噪聲，在排除環境溫度起伏以及機械振動等因素的情況下，主要來源則是在熱平衡狀態下熱量在模場邊界處隨機擴散引起折射率和腔長變化導致的激光頻率的抖動，即基本熱噪聲。一般認為，基本熱噪聲的大小取決于激光器的基本參數，而與環境干擾以及抽運源無關。值得指出的是，以上對于頻率噪聲極限的機理研究，并未考慮到激光輸出功率的大小對光頻抖動的影響。而最新的研究結果表明，泵浦激光器的強度噪聲誘導激光腔內溫度場的起伏也會引起激光腔光程的變化，并且隨著輸出功率的增加而超過基本熱噪聲成為主要的頻率噪聲源[IEEE J. Quantum Electron., 2010, 46:737; Laser Phys., 2013, 23:045107]。

因此，在一定的輸出功率水平下，單頻光纖激光器的強度噪聲和頻率噪聲在低頻段的主要來源均為外部干擾和泵浦功率的起伏。外部干擾包括外界環境的聲音、振動和溫度變化，可以通過精密的封裝工藝來消除其對激光噪聲的影響。基于以上分析，本發明采用幅度調制的方式直接降低泵浦激光的低頻強度噪聲，從而達到使單頻激光的兩種噪聲在低頻段同時降低的效果。同時，通過設計制作激光反饋調制方案及相應的封裝工藝，最終可實現以一種簡單實用的方法獲得超穩輸出功率與頻率的單頻光纖激光源。

發明內容

本發明的目的是提供同時降低單頻激光強度與頻率噪聲的裝置及其工作方法，其利用單頻光纖激光器的強度噪聲與頻率噪聲在低頻段均來源于泵浦激光強度噪聲的現象，基于激光幅度調制裝置，通過反饋控制的方式對泵浦激光進行直接調制降低其低頻段的強度噪聲，從而實現以一種簡單實用的方法獲得超穩輸出功率與頻率的單頻光纖激光源。本發明的目的通過如下技術方案實現。

本發明的具體技術解決方案是：

同時降低單頻激光低頻強度噪聲與頻率噪聲的裝置，包括單模半導體泵浦光源、激光幅度調制裝置、光纖耦合器、光電探測器、反饋控制單元、單頻光纖激光器模塊；各部件的結構關系是：單模半導體泵浦光源與激光幅度調制裝置的輸入端連接，激光幅度調制裝置的輸出端與光纖耦合器的輸入端連接，光纖耦合器的小輸出端與光電探測器的信號接收端連接，光電探測器的信號輸出端與反饋控制單元的信號輸入端連接，反饋控制單元的信號輸出端與激光幅度調制裝置的驅動端口連接，而光纖耦合器的大輸出端與單頻光纖激光器模塊的泵浦端口連接。

上述同時降低單頻激光低頻強度噪聲與頻率噪聲的裝置中，所述低頻是指20 Hz-100 kHz的頻率范圍。

進一步的，所述激光幅度調制裝置是聲光調制器、電光調制器或液晶設備。

進一步的，所述激光幅度調制裝置的輸入輸出端口是光纖耦合的，或者是自由空間耦合的。

進一步的，所述光纖耦合器的大小輸出端口耦合比例大于9:1。

進一步的，所述光纖耦合器可由基于自由空間運轉的激光分束器代替。

進一步的，所述激光自由空間運轉由光纖準直器實現。

進一步的，所述單頻光纖激光器模塊的增益介質為摻雜鑭系離子、過渡金屬離子中一種或多種的組合體的單一組分或者多組分玻璃光纖。

進一步的，所述單頻光纖激光器模塊的激光腔結構是線性腔或環形腔。