同時(shí)降低單頻激光強(qiáng)度與頻率噪聲的裝置及其工作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了同時(shí)降低單頻激光強(qiáng)度與頻率噪聲的裝置及其工作方法，所述裝置包括：?jiǎn)文０雽?dǎo)體泵浦光源、激光功率穩(wěn)定裝置、波分復(fù)用器、單頻光纖諧振腔、光纖隔離器。本發(fā)明的方法基于單頻光纖激光器的強(qiáng)度噪聲與頻率噪聲在低頻段均來(lái)源于泵浦激光強(qiáng)度噪聲的現(xiàn)象，通過(guò)采用幅度調(diào)制的方式直接降低泵浦激光的低頻強(qiáng)度噪聲，從而達(dá)到使單頻激光的兩種噪聲在低頻段同時(shí)降低的效果。該發(fā)明可實(shí)現(xiàn)以一種簡(jiǎn)單實(shí)用的方法獲得超穩(wěn)輸出功率與頻率的單頻光纖激光源，在超高精度和超遠(yuǎn)距離激光測(cè)距、光纖傳感以及原子和分子光譜學(xué)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景和巨大的應(yīng)用價(jià)值。
【專利說(shuō)明】同時(shí)降低單頻激光強(qiáng)度與頻率噪聲的裝置及其工作方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及單頻光纖激【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及同時(shí)降低單頻激光強(qiáng)度與頻率噪聲的 裝置及其工作方法。
[0002]

【背景技術(shù)】
[0003] 單頻光纖激光器因其具有超窄線寬、超長(zhǎng)相干長(zhǎng)度等特性，在超高精度和超遠(yuǎn)距 離激光測(cè)距，相干光通信，光纖傳感，激光雷達(dá)（LIDAR)，相干合成等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前 景和巨大的應(yīng)用價(jià)值。而噪聲作為單頻激光的一個(gè)重要指標(biāo)，是制約其進(jìn)一步應(yīng)用的關(guān)鍵 因素。如在高精度傳感中，激光中的噪聲會(huì)與探測(cè)信號(hào)混合轉(zhuǎn)變?yōu)橄到y(tǒng)噪聲，從而影響探測(cè) 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(zhǎng)期追求的 目標(biāo)，也是激光器領(lǐng)域中一個(gè)重要的研究課題。
[0004] 激光的噪聲包括強(qiáng)度噪聲和頻率噪聲，即功率的不穩(wěn)定性及頻率的不穩(wěn)定性。由 于主要的噪聲來(lái)源不同，一般對(duì)這兩種噪聲分別進(jìn)行研究。單頻光纖激光器的強(qiáng)度噪聲在 頻譜上可分為低頻的技術(shù)噪聲、中頻的弛豫振蕩以及高頻段的量子噪聲。技術(shù)噪聲是由外 部干擾、抽運(yùn)源的功率起伏等引起。在連續(xù)抽運(yùn)激光器中，弛豫振蕩表現(xiàn)為某些頻段內(nèi)光強(qiáng) 隨時(shí)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(chǎn)生機(jī)制是增益介 質(zhì)內(nèi)反轉(zhuǎn)粒子與激光腔內(nèi)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(lái)源于激光能量量子化過(guò)程中產(chǎn)生的光量子漲落，且其功率譜密度與頻率無(wú)關(guān)。對(duì) 于單頻光纖激光器的頻率噪聲，在排除環(huán)境溫度起伏以及機(jī)械振動(dòng)等因素的情況下，主要 來(lái)源則是在熱平衡狀態(tài)下熱量在模場(chǎng)邊界處隨機(jī)擴(kuò)散引起折射率和腔長(zhǎng)變化導(dǎo)致的激光 頻率的抖動(dòng)，即基本熱噪聲。一般認(rèn)為，基本熱噪聲的大小取決于激光器的基本參數(shù)，而與 環(huán)境干擾以及抽運(yùn)源無(wú)關(guān)。值得指出的是，以上對(duì)于頻率噪聲極限的機(jī)理研究，并未考慮到 激光輸出功率的大小對(duì)光頻抖動(dòng)的影響。而最新的研究結(jié)果表明，泵浦激光器的強(qiáng)度噪聲 誘導(dǎo)激光腔內(nèi)溫度場(chǎng)的起伏也會(huì)引起激光腔光程的變化，并且隨著輸出功率的增加而超過(guò) 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]。
[0005] 因此，在一定的輸出功率水平下，單頻光纖激光器的強(qiáng)度噪聲和頻率噪聲在低頻 段的主要來(lái)源均為外部干擾和泵浦功率的起伏。外部干擾包括外界環(huán)境的聲音、振動(dòng)和溫 度變化，可以通過(guò)精密的封裝工藝來(lái)消除其對(duì)激光噪聲的影響?；谝陨戏治觯景l(fā)明采用 幅度調(diào)制的方式直接降低泵浦激光的低頻強(qiáng)度噪聲，從而達(dá)到使單頻激光的兩種噪聲在低 頻段同時(shí)降低的效果。同時(shí)，通過(guò)設(shè)計(jì)制作激光反饋調(diào)制方案及相應(yīng)的封裝工藝，最終可實(shí) 現(xiàn)以一種簡(jiǎn)單實(shí)用的方法獲得超穩(wěn)輸出功率與頻率的單頻光纖激光源。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是提供同時(shí)降低單頻激光強(qiáng)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(qiáng)度噪聲與頻率噪聲在低頻段均來(lái)源于泵浦激光強(qiáng)度噪聲的現(xiàn)象， 基于激光幅度調(diào)制裝置，通過(guò)反饋控制的方式對(duì)泵浦激光進(jìn)行直接調(diào)制降低其低頻段的強(qiáng) 度噪聲，從而實(shí)現(xiàn)以一種簡(jiǎn)單實(shí)用的方法獲得超穩(wěn)輸出功率與頻率的單頻光纖激光源。本 發(fā)明的目的通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)。
[0007] 本發(fā)明的具體技術(shù)解決方案是： 同時(shí)降低單頻激光低頻強(qiáng)度噪聲與頻率噪聲的裝置，包括單模半導(dǎo)體泵浦光源、激光 幅度調(diào)制裝置、光纖耦合器、光電探測(cè)器、反饋控制單元、單頻光纖激光器模塊；各部件的結(jié) 構(gòu)關(guān)系是：?jiǎn)文０雽?dǎo)體泵浦光源與激光幅度調(diào)制裝置的輸入端連接，激光幅度調(diào)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(cè)器的信號(hào)接收端連 接，光電探測(cè)器的信號(hào)輸出端與反饋控制單元的信號(hào)輸入端連接，反饋控制單元的信號(hào)輸 出端與激光幅度調(diào)制裝置的驅(qū)動(dòng)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。
[0008] 上述同時(shí)降低單頻激光低頻強(qiáng)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。
[0009] 進(jìn)一步的，所述激光幅度調(diào)制裝置是聲光調(diào)制器、電光調(diào)制器或液晶設(shè)備。
[0010] 進(jìn)一步的，所述激光幅度調(diào)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。
[0011] 進(jìn)一步的，所述光纖稱合器的大小輸出端口f禹合比例大于9:1。
[0012] 進(jìn)一步的，所述光纖耦合器可由基于自由空間運(yùn)轉(zhuǎn)的激光分束器代替。
[0013] 進(jìn)一步的，所述激光自由空間運(yùn)轉(zhuǎn)由光纖準(zhǔn)直器實(shí)現(xiàn)。
[0014] 進(jìn)一步的，所述單頻光纖激光器模塊的增益介質(zhì)為摻雜鑭系離子、過(guò)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。
[0015] 進(jìn)一步的，所述單頻光纖激光器模塊的激光腔結(jié)構(gòu)是線性腔或環(huán)形腔。
[0016] 進(jìn)一步的，所述單頻光纖激光器模塊的選頻部件是光纖布拉格光柵、二色鏡、飽和 吸收體、未泵浦的有源光纖或者窄帶濾波器。
[0017] 進(jìn)一步的，所述單頻光纖激光器模塊的輸出特性具有任意偏振態(tài)。
[0018] 進(jìn)一步的，所述單頻光纖激光器模塊是連續(xù)或者脈沖輸出。
[0019] 進(jìn)一步的，所述單頻光纖激光器模塊是頻率調(diào)制或者頻率非調(diào)制輸出。
[0020] 進(jìn)一步的，所述單頻光纖激光器模塊的泵浦方式是前向泵浦、后向泵浦或雙向泵 浦。
[0021] 進(jìn)一步的，所述單頻光纖激光器模塊是通過(guò)精密封裝來(lái)隔絕外界環(huán)境的聲音、振 動(dòng)和溫度變化的干擾。
[0022] 所述的同時(shí)降低單頻激光低頻強(qiáng)度噪聲與頻率噪聲的裝置的工作方法是：?jiǎn)文０?導(dǎo)體泵浦光源輸出的泵浦光經(jīng)由激光幅度調(diào)制裝置后，由光纖耦合器或激光分束器分成兩 部分，其中大部分泵浦光輸入到單頻光纖激光器模塊中對(duì)其進(jìn)行泵浦，剩下的小部分泵浦 光則被光電探測(cè)器轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，并通過(guò)反饋控制單元處理后加載到激光幅度調(diào)制裝置的 驅(qū)動(dòng)電壓上；該電信號(hào)攜帶了泵浦激光的強(qiáng)度噪聲信息；反饋控制單元從接受到的電信號(hào) 中提取出激光噪聲信號(hào)后，經(jīng)過(guò)PID控制處理獲得噪聲抑制信號(hào)，將該噪聲抑制信號(hào)加載 到激光幅度調(diào)制裝置的驅(qū)動(dòng)電壓上，通過(guò)幅度調(diào)制的方式直接降低泵浦激光的低頻強(qiáng)度噪 聲；由于單頻光纖激光器的強(qiáng)度噪聲和頻率噪聲在低頻段的主要來(lái)源均為泵浦激光的強(qiáng)度 噪聲，因此單頻光纖激光器模塊的兩種噪聲在低頻段均得到相應(yīng)的降低 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)效果是： 由于泵浦激光功率具有一定的不穩(wěn)定度，其反應(yīng)到頻域上就是單模半導(dǎo)體泵浦光源的 低頻強(qiáng)度噪聲，因此光纖耦合器或分束器分出的小部分泵浦光被光電探測(cè)器轉(zhuǎn)化為電信號(hào) 后，該電信號(hào)攜帶了泵浦激光的強(qiáng)度噪聲信息。反饋控制單元從接受到的電信號(hào)中提取出 激光噪聲信號(hào)后，經(jīng)過(guò)PID控制處理獲得噪聲抑制信號(hào)，將該信號(hào)加載到激光幅度調(diào)制裝 置的驅(qū)動(dòng)電壓上，可通過(guò)幅度調(diào)制的方式直接降低泵浦激光的低頻強(qiáng)度噪聲。同時(shí)，由于單 頻光纖激光器的強(qiáng)度噪聲和頻率噪聲在低頻段的主要來(lái)源均為泵浦激光的強(qiáng)度噪聲，因此 單頻光纖激光器模塊的兩種噪聲在低頻段均可得到相應(yīng)的降低，其幅度可達(dá)10 dB以上。與 常規(guī)的噪聲抑制方法相比，該發(fā)明避免了對(duì)強(qiáng)度噪聲與頻率噪聲分別進(jìn)行處理，更加簡(jiǎn)單 實(shí)用，而且不會(huì)引入其他的使單頻光纖激光性能惡化的干擾因素。
[0023]

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】 圖1為實(shí)施例同時(shí)降低單頻光纖激光器低頻強(qiáng)度噪聲與頻率噪聲的裝置的一種原理 示意圖，其中激光幅度調(diào)制裝置的耦合方式是光纖耦合。
[0024] 圖2為實(shí)施例同時(shí)降低單頻光纖激光器低頻強(qiáng)度噪聲與頻率噪聲的裝置的一種 原理示意圖，其中激光幅度調(diào)制裝置的耦合方式是自由空間耦合。
[0025] 圖3為實(shí)施例同時(shí)降低單頻光纖激光器低頻強(qiáng)度噪聲與頻率噪聲的裝置的一種 原理示意圖，其中光纖耦合器由激光分束器代替，激光幅度調(diào)制裝置的耦合方式是光纖耦 合。
[0026] 圖4為實(shí)施例同時(shí)降低單頻光纖激光器低頻強(qiáng)度噪聲與頻率噪聲的裝置的一種 原理示意圖，其中光纖耦合器由激光分束器代替，激光幅度調(diào)制裝置的耦合方式是自由空 間耦合。
[0027] 圖中：1 一單模半導(dǎo)體泵浦光源，2-激光幅度調(diào)制裝置，3-光纖耦合器，4一光電 探測(cè)器，5-反饋控制單元，6-單頻光纖激光器模塊，7-光纖準(zhǔn)直器，8-激光分束器。

【具體實(shí)施方式】
[0028] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述，需要說(shuō)明的是本發(fā)明要求保護(hù) 的范圍并不局限于實(shí)施例表述的范圍。 實(shí)施例
[0029] 圖1~4為本實(shí)施例的同時(shí)降低單頻光纖激光器低頻強(qiáng)度噪聲與頻率噪聲的裝置 原理示意圖。單模半導(dǎo)體泵浦光源1輸出的泵浦光經(jīng)由激光幅度調(diào)制裝置2后，由光纖耦 合器3或激光分束器8分成兩部分，其中大部分泵浦光輸入到單頻光纖激光器模塊6中對(duì) 其進(jìn)行泵浦，剩下的小部分泵浦光則被光電探測(cè)器4轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，并通過(guò)反饋控制單元5 處理后加載到激光幅度調(diào)制裝置2的驅(qū)動(dòng)電壓上。其中，實(shí)現(xiàn)對(duì)泵浦激光進(jìn)行幅度調(diào)制的 激光幅度調(diào)制裝置2可為聲光調(diào)制器、電光調(diào)制器或液晶設(shè)備。根據(jù)具體情況，激光幅度調(diào) 制裝置2的耦合方式可為光纖耦合（圖1)或者是自由空間耦合（圖2)，后者則通過(guò)光纖準(zhǔn)直 器7來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于光纖f禹合器3,其大小輸出端口的f禹合比例應(yīng)大于9:1，且可由基于自由 空間運(yùn)轉(zhuǎn)的激光分束器代替（圖3、圖4)。由于泵浦激光功率具有一定的不穩(wěn)定度，其反應(yīng) 到頻域上就是單模半導(dǎo)體泵浦光源1的低頻強(qiáng)度噪聲，因此光纖耦合器3或激光分束器8 分出的小部分泵浦光被光電探測(cè)器4轉(zhuǎn)化為電信號(hào)后，該電信號(hào)攜帶了泵浦激光的強(qiáng)度噪 聲信息。反饋控制單元5從接受到的電信號(hào)中提取出激光噪聲信號(hào)后，經(jīng)過(guò)PID控制處理 獲得噪聲抑制信號(hào)，將該信號(hào)加載到激光幅度調(diào)制裝置2的驅(qū)動(dòng)電壓上，可通過(guò)幅度調(diào)制 的方式直接降低泵浦激光的低頻強(qiáng)度噪聲，其中低頻是指20 Hz-100 kHz的頻率范圍。
[0030] 作為最終噪聲抑制對(duì)象的單頻光纖激光器模塊6可以是基于受激輻射的工作在 任意波段的單頻光纖激光源，其增益介質(zhì)為摻雜鑭系離子、過(guò)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。對(duì)于單頻光纖激光腔結(jié)構(gòu)，可以是基于光纖布拉 格光柵、二色鏡、飽和吸收體、未泵浦的有源光纖或者窄帶濾波器等選頻部件的線性腔或環(huán) 形腔。同時(shí)，單頻光纖激光器模塊6可具有任意偏振態(tài)，連續(xù)或者脈沖以及頻率調(diào)制或者頻 率非調(diào)制的輸出特性。泵浦源的耦合方式可根據(jù)具體激光腔結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)，根據(jù)單頻激光的 輸出方向可分為前向泵浦、后向泵浦以及雙向泵浦三種泵浦方式。由于單頻光纖激光器的 強(qiáng)度噪聲和頻率噪聲在低頻段的主要來(lái)源為外部干擾和泵浦功率的起伏，因此單頻光纖激 光器模塊6還需通過(guò)精密封裝來(lái)隔絕外界環(huán)境的聲音、振動(dòng)和溫度變化的干擾。在此前提 下，當(dāng)?shù)皖l強(qiáng)度噪聲已通過(guò)幅度調(diào)制得到降低的單模半導(dǎo)體泵浦光源1對(duì)單頻光纖激光器 模塊6進(jìn)行泵浦時(shí)，其兩種噪聲在低頻段均可得到相應(yīng)的降低，其幅度可達(dá)10 dB以上。與 常規(guī)的噪聲抑制方法相比，該發(fā)明避免了對(duì)強(qiáng)度噪聲與頻率噪聲分別進(jìn)行處理，更加簡(jiǎn)單 實(shí)用，而且不會(huì)引入其他的使單頻光纖激光性能惡化的干擾因素。
【權(quán)利要求】
1. 同時(shí)降低單頻激光低頻強(qiáng)度噪聲與頻率噪聲的裝置，其特征在于包括單模半導(dǎo)體泵 浦光源（1)、激光幅度調(diào)制裝置（2)、光纖耦合器（3)、光電探測(cè)器（4)、反饋控制單元（5)、單 頻光纖激光器模塊（6);各部件的結(jié)構(gòu)關(guān)系是：?jiǎn)文０雽?dǎo)體泵浦光源（1)與激光幅度調(diào)制裝 置（2)的輸入端連接，激光幅度調(diào)制裝置（2)的輸出端與光纖耦合器（3)的輸入端連接，光 纖耦合器（3)的小輸出端與光電探測(cè)器（4)的信號(hào)接收端連接，光電探測(cè)器（4)的信號(hào)輸出 端與反饋控制單元（5)的信號(hào)輸入端連接，反饋控制單元（5)的信號(hào)輸出端與激光幅度調(diào) 制裝置（2)的驅(qū)動(dòng)端口連接，而光纖耦合器（3)的大輸出端與單頻光纖激光器模塊（6)的泵 浦端口連接。
2. 如權(quán)利要求1所述的同時(shí)降低單頻激光低頻強(qiáng)度噪聲與頻率噪聲的裝置，其特征在 于所述低頻是指20 Hz-100 kHz的頻率范圍。
3. 如權(quán)利要求1所述的同時(shí)降低單頻激光低頻強(qiáng)度噪聲與頻率噪聲的裝置，其特征在 于所述激光幅度調(diào)制裝置（2)是聲光調(diào)制器、電光調(diào)制器或液晶設(shè)備；所述激光幅度調(diào)制 裝置（2)的輸入輸出端口是光纖耦合的，或者是自由空間耦合的。
4. 如權(quán)利要求1所述的同時(shí)降低單頻激光低頻強(qiáng)度噪聲與頻率噪聲的裝置，其特征在 于所述光纖f禹合器（3)的大輸出端口與小輸出端口f禹合比例大于9:1。
5. 如權(quán)利要求4所述的同時(shí)降低單頻激光低頻強(qiáng)度噪聲與頻率噪聲的裝置，其特征在 于所述光纖耦合器（3)由基于自由空間運(yùn)轉(zhuǎn)的激光分束器代替；所述自由空間運(yùn)轉(zhuǎn)由光纖 準(zhǔn)直器實(shí)現(xiàn)。
6. 如權(quán)利要求1所述的同時(shí)降低單頻激光低頻強(qiáng)度噪聲與頻率噪聲的裝置，其特征在 于所述單頻光纖激光器模塊（6)的增益介質(zhì)為摻雜鑭系離子、過(guò)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；所述單頻光纖激光器模塊（6)的激光腔結(jié)構(gòu)是 線性腔或環(huán)形腔；所述單頻光纖激光器模塊（6)的選頻部件是光纖布拉格光柵、二色鏡、飽 和吸收體、未泵浦的有源光纖或者窄帶濾波器；單頻光纖激光器模塊（6)的泵浦方式是前 向泵浦、后向泵浦或雙向泵浦。
7. 如權(quán)利要求1所述的同時(shí)降低單頻激光低頻強(qiáng)度噪聲與頻率噪聲的裝置，其特征在 于所述單頻光纖激光器模塊（6)的輸出特性具有任意偏振態(tài)。
8. 如權(quán)利要求1所述的同時(shí)降低單頻激光低頻強(qiáng)度噪聲與頻率噪聲的裝置，其特征在 于所述單頻光纖激光器模塊（6 )是連續(xù)或者脈沖輸出。
9. 如權(quán)利要求1所述的同時(shí)降低單頻激光低頻強(qiáng)度噪聲與頻率噪聲的裝置，其特征在 于單頻光纖激光器模塊（6)是頻率穩(wěn)定或者頻率調(diào)制輸出。
10. 如權(quán)利要求1所述的同時(shí)降低單頻激光低頻強(qiáng)度噪聲與頻率噪聲的裝置的工作方 法，其特征在于單模半導(dǎo)體泵浦光源輸出的泵浦光經(jīng)由激光幅度調(diào)制裝置后，由光纖耦合 器或激光分束器分成兩部分，其中大部分泵浦光輸入到單頻光纖激光器模塊中對(duì)其進(jìn)行泵 浦，剩下的小部分泵浦光則被光電探測(cè)器轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，并通過(guò)反饋控制單元處理后加載 到激光幅度調(diào)制裝置的驅(qū)動(dòng)電壓上；該電信號(hào)攜帶了泵浦激光的強(qiáng)度噪聲信息；反饋控制 單元從接受到的電信號(hào)中提取出激光噪聲信號(hào)后，經(jīng)過(guò)PID控制處理獲得噪聲抑制信號(hào)， 將該噪聲抑制信號(hào)加載到激光幅度調(diào)制裝置的驅(qū)動(dòng)電壓上，通過(guò)幅度調(diào)制的方式直接降低 泵浦激光的低頻強(qiáng)度噪聲；由于單頻光纖激光器的強(qiáng)度噪聲和頻率噪聲在低頻段的主要來(lái) 源均為泵浦激光的強(qiáng)度噪聲，因此單頻光纖激光器模塊的兩種噪聲在低頻段均得到相應(yīng)的 降低。
【文檔編號(hào)】H01S3/0941GK104092088SQ201410291868
【公開(kāi)日】2014年10月8日 申請(qǐng)日期:2014年6月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月26日
【發(fā)明者】徐善輝, 楊中民, 李 燦, 馮洲明 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)