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CN115603162B - 提升光纤激光器受激布里渊散射阈值的方法及系统 - Google Patents

提升光纤激光器受激布里渊散射阈值的方法及系统 Download PDF

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CN115603162B CN202211283497.3A CN202211283497A CN115603162B CN 115603162 B CN115603162 B CN 115603162B CN 202211283497 A CN202211283497 A CN 202211283497A CN 115603162 B CN115603162 B CN 115603162B
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Abstract

本发明提供了一种提升光纤激光器受激布里渊散射阈值的方法及系统。该方法通过偏振控制系统将激光器发射的激光按预设的时间间隔调控成互相正交的第一偏振光和第二偏振光，使第一偏振光和第二偏振光交替传输，确保偏振光和后向斯托克斯光的偏振态互为正交以减小受激布里渊散射增益，从而提升光纤激光器受激布里渊散射的阈值。本发明通过将互相正交的第一偏振光和第二偏振光交替传输，第一偏振光产生的第一后向Stokes光和第二偏振光不会产生SBS增益，第二偏振光产生的第二后向Stokes光和第一偏振光也不会产生SBS增益，使后向Stokes光的能量呈间断式增长，而非连续增长，从而提升光纤激光器的SBS阈值。

Description

提升光纤激光器受激布里渊散射阈值的方法及系统
技术领域
本发明涉及光纤激光技术领域，尤其涉及一种提升光纤激光器受激布里渊散射阈值的方法及系统。
背景技术
在光束合成、相干雷达、非线性频率变换等领域的推动下，高功率窄线宽线偏振光纤激光技术不断取得突破。高功率窄线宽线偏振光纤激光器的光纤长度较长、光纤纤芯截面积较小，当激光器的传输功率达到一定水平后，很容易产生各类非线性效应。在各种非线性效应中，受激布里渊散射(SBS)的阈值最低，是目前限制高功率窄线宽线偏振光纤激光器功率进一步提升的主要因素。
提升SBS阈值主要有三种方式：增大光纤有效模场面积、减小光纤有效长度和减小SBS增益系数。其中，增大光纤有效模场面积和减小光纤有效长度在抑制SBS效应的同时会加强光纤激光的模式不稳定性(TMI)效应，不利于激光器功率的提升；减小SBS增益系数成为提升SBS阈值的主要方法。研究人员就改变受激布里渊增益谱以抑制SBS效应进行了大量研究，提出了通过相位调制操作展宽种子激光线宽、施加温度、应力梯度和声场裁剪等诸多方法，但是SBS效应依然是提升窄线宽光纤激光器功率的最大技术瓶颈。
SBS效应的产生机理是由于高强度的信号光传输后激发后向斯托克斯光(后向Stokes光)，反向传播的后向Stokes光与正向传播的信号光之间发生干涉并产生声波，声波进一步激发后向Stokes光以指数形式增长。众所周知，SBS效应与激光的偏振方向密切相关：当信号光(即激光器发射的激光)和后向Stokes光(因激光的SBS效应产生)的偏振态相同时，SBS增益最大，使SBS阈值最小；当信号光和后向Stokes光的偏振态正交时，SBS增益为零，使SBS阈值得以提升，因此保偏系统的SBS效应最强(保偏系统的信号光和后向Stokes光的偏振态相同)，进而导致输出高功率窄线宽的线偏振激光尤为困难。
研究人员提出将线偏振信号光以45°入射到保偏光纤中以减小SBS增益，然而结果表明，采用45°熔接使线偏振信号光以45°入射到保偏光纤放大器中，SBS阈值并没有明显提升。究其原因，是因为信号光以45°入射到保偏光纤后，产生的后向Stokes光在反向传输过程中的偏振态会趋向于相遇的信号光，从而使后向Stokes光和信号光偏振态趋于相同，导致SBS增益增大，因此SBS阈值提升不明显。
申请号为CA2342538C的专利提供了一种减少SBS效应的光导纤维传输系统，将入射光分为具有时间延迟的p光和s光(破坏p光和s光之间的相干性)，虽然激光器的SBS阈值理论上可增长2倍，但该系统的输出光为非偏振光，无法满足一些线偏振高功率激光的应用需求。在该专利的基础上，申请号为US8995049B2的专利提供了一种使用具有双折射延迟元件的偏振控制来抑制SBS效应的方法和装置，通过在输出端增加相干性补偿装置将输出光重新还原为线偏振光，但是其采用的光学延迟线必须设置在放大器输出端的主光路中，这无疑增加了放大器的有效光纤长度，当系统线宽很窄时，SBS阈值提升效果将大打折扣。
有鉴于此，有必要设计一种改进的提升光纤激光器受激布里渊散射阈值的方法及系统，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提升光纤激光器受激布里渊散射阈值的方法及系统，通过偏振控制系统将激光器发射的激光按预设的时间间隔调控成互相正交的第一偏振光和第二偏振光，同时使第一偏振光和第二偏振光交替传输，在第一偏振光和第二偏振光交替向前传输的过程中，第一偏振光产生的第一后向Stokes光和第二偏振光处于相互正交的状态，两者不会产生SBS增益(即SBS增益为零)；同样地，第二偏振光产生的第二后向Stokes光和第一偏振光处于相互正交的状态，两者也不会产生SBS增益，因此，后向Stokes光的能量呈间断式增长，而非连续增长，这种方式可有效降低激光器发射的激光的SBS增益，从而提升光纤激光器的SBS阈值。
为实现上述发明目的，本发明提供了一种提升光纤激光器受激布里渊散射阈值的方法，通过偏振控制系统将激光器发射的激光按预设的时间间隔调控成互相正交的第一偏振光和第二偏振光，使第一偏振光和第二偏振光交替传输，确保偏振光和后向斯托克斯光的偏振态互为正交以减小受激布里渊散射增益，从而提升光纤激光器受激布里渊散射的阈值。
为实现上述发明目的，本发明还提供了一种提升光纤激光器受激布里渊散射阈值的系统，用于实现上述所述的提升光纤激光器受激布里渊散射阈值的方法，包括依次相连的激光器、第一偏振控制系统、光纤准直端帽以及第二偏振控制系统，所述激光器发射的激光经所述第一偏振控制系统调控后，按预定的时间间隔产生互相正交的第一偏振光和第二偏振光，使第一偏振光和第二偏振光交替传输到所述光纤准直端帽，第一偏振光或者第二偏振光经所述光纤准直端帽输出，被所述第二偏振控制系统还原为线偏振光后输出。
作为本发明的进一步改进，所述第一偏振控制系统和所述光纤准直端帽之间设有光纤激光预放大级和光纤激光主放大级，经所述第一偏振控制系统调控的偏振光先经过所述光纤激光预放大级初步进行功率放大，再经过所述光纤激光主放大级再次进行功率放大，以得到高功率的光纤。
作为本发明的进一步改进，所述激光器和所述第一偏振控制系统之间设有相位调节组件，用于将所述激光器发射的激光的光谱展宽，从而减小受激布里渊散射增益，提升光纤激光器受激布里渊散射的阈值。
作为本发明的进一步改进，所述光纤激光预放大级和所述光纤激光主放大级之间设有高功率保偏型的环形隔离器，用于传输正向传播的偏振光并将反向传播的后向斯托克斯光传导至所述环形隔离器未接入主光路的第三个端口。
作为本发明的进一步改进，所述环形隔离器的第三个端口上连接有受激布里渊散射功率检测仪，用于检测后向斯托克斯光的功率变化，以判断所述光纤激光主放大级的激光是否达到受激布里渊散射阈值。
作为本发明的进一步改进，所述第二偏振控制系统的光信号输出端设有主功率计，用于检测从所述第二偏振控制系统输出的偏振光的功率。
作为本发明的进一步改进，所述第一偏振控制系统和所述第二偏振控制系统均由压电式偏振控制器和信号发生器组成；所述压电式偏振控制器为方位角型偏振控制器或延迟量型偏振控制器中的一种。
作为本发明的进一步改进，所述激光器为线偏振单频光纤激光器，所述线偏振单频光纤激光器为分布式反馈激光器或单频环形激光器中的一种。
作为本发明的进一步改进，所述激光器发射的激光为连续激光或脉冲激光中的一种。
本发明的有益效果是：
(1)本发明提供的提升光纤激光器受激布里渊散射阈值的方法，通过偏振控制系统将激光器发射的激光按预设的时间间隔调控成互相正交的第一偏振光和第二偏振光，同时使第一偏振光和第二偏振光交替传输，在第一偏振光和第二偏振光交替向前传输的过程中，第一偏振光产生的第一后向Stokes光和第二偏振光处于相互正交的状态，两者不会产生SBS增益(即SBS增益为零)；同样地，第二偏振光产生的第二后向Stokes光和第一偏振光处于相互正交的状态，两者也不会产生SBS增益；后向Stokes光只有遇到与其偏振态相同的偏振光时能量才能加强，而遇到与其偏振态正交的偏振光时能量无增长，直至遇到下一段与其偏振态相同的偏振光时能量才继续加强，因此，后向Stokes光的能量呈间断式增长，而非连续增长，这种方式可有效降低激光器发射的激光的SBS增益，从而提升光纤激光器的SBS阈值。
(2)本发明提供的提升光纤激光器受激布里渊散射阈值的系统，通过设置相位调节组件，对激光器发射的激光的相位进行调节，使其光谱展宽，初步实现SBS增益的降低。通过设置第一偏振控制系统，使激光按预设的时间间隔产生互相正交的第一偏振光和第二偏振光，并使第一偏振光和第二偏振光交替向前传输，从根本上减少了向前传输的偏振光和反向传输的后向Stokes光的发生干涉导致后向Stokes光能量增强的可能，从而降低了SBS增益。通过设置光纤激光预放大级和光纤激光主放大级，对偏振光的功率进行多级放大，进一步提高输出激光的功率。通过设置第一偏振控制系统，使高功率激光被还原为线偏振激光输出。可见，通过该系统中各部件的协同作用，降低SBS增益，提高SBS阈值，实现高功率窄线宽线偏振激光的输出。该系统为突破提升激光器输出功率过程遇到的瓶颈提供了一种简单有效的解决方案。
附图说明
图1为本发明的提升光纤激光器受激布里渊散射阈值的系统的结构示意图。
图2为利用本发明提供的提升光纤激光器受激布里渊散射阈值的方法进行光传输过程中偏振光产生的受激布里渊散射效应的示意图。
附图标记
1-激光器；2-第一偏振控制系统；3-光纤准直端帽；4-第二偏振控制系统；5-光纤激光预放大级；6-光纤激光主放大级；7-相位调节组件；8-环形隔离器；9-受激布里渊散射功率检测仪；10-输出功率检测仪。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
另外，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
本发明提供了一种提升光纤激光器受激布里渊散射阈值的方法，通过偏振控制系统将激光器发射的激光按预设的时间间隔调控成互相正交的第一偏振光和第二偏振光，使第一偏振光和第二偏振光交替传输，向前传输的第一偏振光会产生反向传输(即向后传播)的第一后向斯托克斯光(后向Stokes光)，向前传输的第二偏振光会产生反向传输的第二后向Stokes光。如此操作，在第一偏振光和第二偏振光交替向前传输的过程中，第一偏振光产生的第一后向Stokes光和第二偏振光处于相互正交的状态，两者不会产生受激布里渊散射(SBS)增益(即SBS增益为零)；同样地，第二偏振光产生的第二后向Stokes光和第一偏振光处于相互正交的状态，两者也不会产生SBS增益。因此，在偏振光(第一偏振光和第二偏振光)向前传输过程中，后向Stokes光只有遇到与其偏振态相同的偏振光时能量才能加强，而遇到与其偏振态正交的偏振光时能量无增长，直至遇到下一段与其偏振态相同的偏振光时能量才继续加强，可见后向Stokes光的能量呈间断式增长，而非连续增长，这种方式可有效降低激光器发射的激光的SBS增益，从而提升光纤激光器的SBS阈值。
请参阅图1所示，本发明还提供了一种提升光纤激光器受激布里渊散射阈值的系统，用于实现上述的提升光纤激光器受激布里渊散射阈值的方法。该提升光纤激光器受激布里渊散射阈值的系统为全保偏光纤激光系统，包括依次相连的激光器1、第一偏振控制系统2、光纤准直端帽3以及第二偏振控制系统4。如此设置，激光器1发射的激光经第一偏振控制系统2的周期性调控后，按预设的时间间隔产生互相正交的第一偏振光和第二偏振光(第一偏振光和第二偏振光均能在后续的保偏光纤中保持其原本的偏振态)，使第一偏振光和第二偏振光交替传输到光纤准直端帽3，第一偏振光或者第二偏振光经光纤准直端帽3输出，被第二偏振控制系统4还原为线偏振光后输出。
具体地，激光器1为线偏振单频光纤激光器，该线偏振单频光纤激光器为分布式反馈激光器或单频环形激光器中的一种。激光器1发射的激光的波长根据所选用的激光器1的种类而异，激光器1发射的激光的波长为1～2μm。另外，激光器1发射的激光为连续激光或脉冲激光中的一种。
第一偏振控制系统2和第二偏振控制系统4均由压电式偏振控制器和信号发生器组成；其中，压电式偏振控制器为方位角型偏振控制器或延迟量型偏振控制器中的一种。如图1所示，压电式偏振控制器设置于主光路中，信号发生器通过其内部预设的编码程序调节压电式偏振控制器的工作状态，具体来讲，在信号发生器中编码需要的程序，并将该程序传递给与其相连的压电式偏振控制器，随后通过压电式偏振控制器实现激光偏振态的控制。
在本实施例中，通过第一偏振控制系统2交替输出的第一偏振光为p光，第二偏振光为s光，确保p光和s光的输出时间间隔小于光子在整个光纤系统中传输一遍的时间即可。优选为，每次p光和s光的输出时间为1:1设置，即p光和s光的输出时间间隔相同。如图2所示，后向Stokes光的能量呈间断式增长，而非连续增长。
如图1所示，激光器1和第一偏振控制系统2之间设有相位调节组件7，用于从源头上将激光器1发射的激光的光谱展宽，从而增大SBS增益的谱宽，以减小SBS增益，提升光纤激光器的SBS阈值。
第一偏振控制系统2和光纤准直端帽3之间设有光纤激光预放大级5和光纤激光主放大级6，经第一偏振控制系统2调控输出的偏振光先经过光纤激光预放大级5初步进行功率放大，再经过光纤激光主放大级6再次进行功率放大，以得到高功率的光纤。
光纤激光预放大级5和光纤激光主放大级6的泵浦激光的波长为900～1100nm，优选为915nm或976nm的半导体泵浦源激光器以及1018nm的泵浦源激光器
光纤激光预放大级5和光纤激光主放大级6之间设有高功率保偏型的环形隔离器8，用于传输正向传播的偏振光并将反向传播的后向Stokes光传导至环形隔离器8未接入主光路的第三个端口(环形隔离器8上设有三个端口，第一个端口和第二个端口接入主光路中，第三个端口未接入主光路中；具体来讲，光纤激光预放大级5的输出端接入环形隔离器8的第一个端口，环形隔离器8的第二个端口接入光纤激光主放大级6的输入端，光信号从环形隔离器8的第一个端口输入，并从第二个端口输出)。同时，环形隔离器8的第三个端口上连接有受激布里渊散射功率检测仪9，用于检测后向Stokes光的功率变化，以判断光纤激光主放大级6发射的激光是否达到SBS阈值。具体来讲，偏振光在向前传输过程中不断产生后向Stokes光，反向传输的后向Stokes光通过环形隔离器8的第三个端口耦合输出，该信号被传递至与环形隔离器8相连的受激布里渊散射功率检测仪9中；当受激布里渊散射功率检测仪9监测到后向Stokes光的功率出现指数增长时，说明光纤激光主放大级6的激光达到SBS阈值。
在一些实施例中，第二偏振控制系统4的光信号输出端设有输出功率检测仪10，用于检测从第二偏振控制系统4输出的偏振光的功率。
该提升光纤激光器受激布里渊散射阈值的系统的工作原理为：激光器1发射的激光经过相位调节组件7，对激光的相位进行调节，使其光谱展宽，初步实现SBS增益的降低。随后，光谱展宽后的激光进入第一偏振控制系统2，此时信号发生器中预设的编码程序传递给压电式偏振控制器，通过压电式偏振控制器实现激光偏振态的控制，使激光按预设的时间间隔产生互相正交的第一偏振光和第二偏振光，并使第一偏振光和第二偏振光交替向前传输。向前传输的偏振光先经过光纤激光预放大级5初步实现功率放大，再通过环形隔离器8进入光纤激光主放大级6实现功率的再次放大，以得到高功率的光纤。从光纤激光主放大级6输出的偏振光经过光纤准直端帽3，光纤准直端帽3通过对输出光束进行扩束，降低其输出端的功率密度，防止光纤端面被烧伤。从光纤准直端帽3输出的偏振光经过第二偏振控制系统4，第一偏振光和第二偏振光交替输出的高功率激光被第二偏振控制系统4还原为线偏振激光，从而实现高功率窄线宽线偏振激光输出；最后通过输出功率检测仪10检测输出的激光的功率。在偏振光不断向前传输的过程中，不断产生后向Stokes光，反向传输的后向Stokes光通过环形隔离器8的第三个端口耦合输出，该信号被传递至与环形隔离器8相连的受激布里渊散射功率检测仪9中，当受激布里渊散射功率检测仪9监测到后向Stokes光的功率出现指数增长时，说明光纤激光主放大级6的激光达到SBS阈值。该提升光纤激光器受激布里渊散射阈值的系统可实现入射激光的多级功率放大，且放大的级数不限。
综上所述，本发明提供的一种提升光纤激光器受激布里渊散射阈值的方法及系统，通过偏振控制系统将激光器发射的激光按预设的时间间隔调控成互相正交的第一偏振光和第二偏振光，同时使第一偏振光和第二偏振光交替传输，在第一偏振光和第二偏振光交替向前传输的过程中，第一偏振光产生的第一后向Stokes光和第二偏振光处于相互正交的状态，两者不会产生SBS增益(即SBS增益为零)；同样地，第二偏振光产生的第二后向Stokes光和第一偏振光处于相互正交的状态，两者也不会产生SBS增益，因此，后向Stokes光的能量呈间断式增长，而非连续增长，这种方式可有效降低激光器发射的激光的SBS增益，从而提升光纤激光器的SBS阈值；该系统为突破提升激光器输出功率过程遇到的瓶颈提供了一种简单有效的解决方案。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (2)

1.一种提升光纤激光器受激布里渊散射阈值的系统，其特征在于，包括依次相连的激光器、相位调节组件、第一偏振控制系统、光纤激光预放大级、高功率保偏型的环形隔离器、光纤激光主放大级、光纤准直端帽以及第二偏振控制系统；
所述第一偏振控制系统和所述第二偏振控制系统均由压电式偏振控制器和信号发生器组成；所述第一偏振控制系统按输出时间比为1:1交替输出相互正交的第一偏振光和第二偏振光；
所述高功率保偏型的环形隔离器用于传输正向传播的偏振光并将反向传播的后向斯托克斯光传导至所述环形隔离器未接入主光路的第三个端口；所述环形隔离器的第三个端口上连接有受激布里渊散射功率检测仪，用于检测后向斯托克斯光的功率变化，以判断所述光纤激光主放大级的激光是否达到受激布里渊散射阈值；
所述第二偏振控制系统的光信号输出端设有输出功率检测仪，用于检测从所述第二偏振控制系统输出的偏振光的功率；
所述激光器发射的激光经所述相位调节组件进行相位调节，使光谱展宽，再经所述第一偏振控制系统调控后，按预定的时间间隔产生互相正交的第一偏振光和第二偏振光，并使第一偏振光和第二偏振光交替传输至所述光纤激光预放大级初步实现功率放大，再通过所述环形隔离器进入所述光纤激光主放大级实现功率的再次放大，以得到高功率的光纤；接着所得高功率的光纤经过所述光纤准直端帽输出，被所述第二偏振控制系统还原为线偏振光后输出；
所述激光器为线偏振单频光纤激光器，所述线偏振单频光纤激光器为分布式反馈激光器或单频环形激光器中的一种；所述激光器发射的激光为连续激光或脉冲激光中的一种。
2.根据权利要求1所述的提升光纤激光器受激布里渊散射阈值的系统，其特征在于，所述压电式偏振控制器为方位角型偏振控制器或延迟量型偏振控制器中的一种。
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