[发明专利]同时降低单频激光强度与频率噪声的装置及其工作方法

说明书

技术领域

本发明涉及单频光纤激技术领域，具体涉及同时降低单频激光强度与频率噪声的装置及其工作方法。

背景技术

单频光纤激光器因其具有超窄线宽、超长相干长度等特性，在超高精度和超远距离激光测距，相干光通信，光纤传感，激光雷达（LIDAR），相干合成等领域有着广阔的应用前景和巨大的应用价值。而噪声作为单频激光的一个重要指标，是制约其进一步应用的关键因素。如在高精度传感中，激光中的噪声会与探测信号混合转变为系统噪声，从而影响探测精度与灵敏度。因此，研究并改善单频光纤激光器噪声特性是激光器研究者们长期追求的目标，也是激光器领域中一个重要的研究课题。

激光的噪声包括强度噪声和频率噪声，即功率的不稳定性及频率的不稳定性。由于主要的噪声来源不同，一般对这两种噪声分别进行研究。单频光纤激光器的强度噪声在频谱上可分为低频的技术噪声、中频的弛豫振荡以及高频段的量子噪声。技术噪声是由外部干扰、抽运源的功率起伏等引起。在连续抽运激光器中，弛豫振荡表现为某些频段内光强随时间变化的阻尼振荡，是引起激光器输出功率起伏的最主要原因。其产生机制是增益介质内反转粒子与激光腔内光子相互作用而引起的激光振荡。量子噪声又称散粒噪声（Shot noise），来源于激光能量量子化过程中产生的光量子涨落，且其功率谱密度与频率无关。对于单频光纤激光器的频率噪声，在排除环境温度起伏以及机械振动等因素的情况下，主要来源则是在热平衡状态下热量在模场边界处随机扩散引起折射率和腔长变化导致的激光频率的抖动，即基本热噪声。一般认为，基本热噪声的大小取决于激光器的基本参数，而与环境干扰以及抽运源无关。值得指出的是，以上对于频率噪声极限的机理研究，并未考虑到激光输出功率的大小对光频抖动的影响。而最新的研究结果表明，泵浦激光器的强度噪声诱导激光腔内温度场的起伏也会引起激光腔光程的变化，并且随着输出功率的增加而超过基本热噪声成为主要的频率噪声源[IEEE J. Quantum Electron., 2010, 46:737; Laser Phys., 2013, 23:045107]。

因此，在一定的输出功率水平下，单频光纤激光器的强度噪声和频率噪声在低频段的主要来源均为外部干扰和泵浦功率的起伏。外部干扰包括外界环境的声音、振动和温度变化，可以通过精密的封装工艺来消除其对激光噪声的影响。基于以上分析，本发明采用幅度调制的方式直接降低泵浦激光的低频强度噪声，从而达到使单频激光的两种噪声在低频段同时降低的效果。同时，通过设计制作激光反馈调制方案及相应的封装工艺，最终可实现以一种简单实用的方法获得超稳输出功率与频率的单频光纤激光源。

发明内容

本发明的目的是提供同时降低单频激光强度与频率噪声的装置及其工作方法，其利用单频光纤激光器的强度噪声与频率噪声在低频段均来源于泵浦激光强度噪声的现象，基于激光幅度调制装置，通过反馈控制的方式对泵浦激光进行直接调制降低其低频段的强度噪声，从而实现以一种简单实用的方法获得超稳输出功率与频率的单频光纤激光源。本发明的目的通过如下技术方案实现。

本发明的具体技术解决方案是：

同时降低单频激光低频强度噪声与频率噪声的装置，包括单模半导体泵浦光源、激光幅度调制装置、光纤耦合器、光电探测器、反馈控制单元、单频光纤激光器模块；各部件的结构关系是：单模半导体泵浦光源与激光幅度调制装置的输入端连接，激光幅度调制装置的输出端与光纤耦合器的输入端连接，光纤耦合器的小输出端与光电探测器的信号接收端连接，光电探测器的信号输出端与反馈控制单元的信号输入端连接，反馈控制单元的信号输出端与激光幅度调制装置的驱动端口连接，而光纤耦合器的大输出端与单频光纤激光器模块的泵浦端口连接。

上述同时降低单频激光低频强度噪声与频率噪声的装置中，所述低频是指20 Hz-100 kHz的频率范围。

进一步的，所述激光幅度调制装置是声光调制器、电光调制器或液晶设备。

进一步的，所述激光幅度调制装置的输入输出端口是光纤耦合的，或者是自由空间耦合的。

进一步的，所述光纤耦合器的大小输出端口耦合比例大于9:1。

进一步的，所述光纤耦合器可由基于自由空间运转的激光分束器代替。

进一步的，所述激光自由空间运转由光纤准直器实现。

进一步的，所述单频光纤激光器模块的增益介质为掺杂镧系离子、过渡金属离子中一种或多种的组合体的单一组分或者多组分玻璃光纤。

进一步的，所述单频光纤激光器模块的激光腔结构是线性腔或环形腔。