[发明专利]一种实现高亮度窄线宽掺镱光纤激光放大的系统

说明书

本发明提供一种实现高亮度窄线宽掺镱光纤激光放大的系统，该系统综合兼顾高亮度窄线宽掺镱光纤激光放大器中TMI效应和SBS效应的抑制，利用高功率耦合器的回光监测臂判断SBS效应发生的阈值，通过信号采集处理器将光信号转换为电压信号，并伺服给优化算法控制器，提供相应的控制信号，进而施加到射频信号产生器中的射频源、增益可调电学放大器、带宽可调电学带通滤波器，实现光谱特性的优化，在保证输出线宽尽可能窄的情况下实现SBS效应的最佳抑制效果。同时利用1018nm泵浦源有效降低掺镱主放大器的量子亏损，实现TMI的高效抑制。本发明为光束合成、非线性波长转换、激光通信、相干雷达、遥感探测等领域提供更高亮度的光纤光源设计方案。

技术领域

本发明属于强激光技术领域，特别是涉及一种实现高亮度窄线宽掺镱光纤激光放大的系统。

背景技术

高亮度窄线宽掺镱光纤激光在光束合成、非线性波长转换、激光通信、相干雷达、遥感探测等领域具有强烈的应用需求。

目前，主振荡功率放大结构(MOPA)是实现高亮度窄线宽掺镱光纤激光放大的主流技术手段。MOPA结构一般包含一个主振荡器和多级级联光纤放大器。由于光纤激光输出亮度正比于输出功率，反比于光束质量(M2)的平方，因此光纤激光放大器的亮度提升主要体现在光束质量优化(模式控制)和功率提升两个方面。

然而，随着输出功率的不断提升，窄线宽掺镱光纤激光放大器中产生的热致模式不稳定效应(TMI)和非线性受激布里渊散射效应(SBS)成为限制其进一步亮度提升的主要技术瓶颈。具体而言，针对TMI，当输出功率达到一定阈值功率后，光纤激光放大器输出模式出现从基模到高阶模式的动态耦合，导致激光输出时域分布和频域分布出现明显不稳定，伴随着光束质量的急剧退化，严重限制了窄线宽掺镱光纤激光的亮度提升能力。针对SBS，当输出功率达到一定阈值功率后，光纤激光放大器的输出功率将快速向反向的斯托克斯光转移，进一步提升泵浦功率将导致光纤放大器输出功率出现滞涨或反降，反向斯托克斯光出现非线性指数增长，影响光纤放大器的功率提升和安全，最终导致亮度提升受限。

截止目前，国内外研究人员已分别针对上述两种受限因素进行了系统研究，并提出了相应的抑制方法。然而，目前研究结果表明TMI抑制方法和SBS抑制方法存在内在的矛盾性，具体体现在以下四个方面：

(1)随着光纤放大器纤芯尺寸的增加，SBS阈值上升、TMI阈值降低；

(2)当泵浦功率偏移976nm，在保证光纤放大器泵浦吸收效率的情况下，SBS阈值下降，TMI阈值上升；

(3)当增加种子功率时，SBS阈值降低，TMI阈值增加；

(4)当在光纤放大器中引入模式损耗时，SBS阈值降低、TMI阈值上升。

上述两种受限因素的共同制约和抑制方法的内在矛盾性使得窄线宽掺镱光纤激光放大器的亮度提升异常困难。因此，综合兼顾SBS和TMI效应抑制，从系统设计着手提出进一步提升窄线宽掺镱光纤激光放大器亮度的新方案具有重要的科学意义和迫切的现实需要。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提供一种实现高亮度窄线宽掺镱光纤激光放大的系统。本发明综合兼顾高亮度窄线宽掺镱光纤激光放大器中TMI效应和SBS效应的抑制，为光束合成、非线性波长转换、激光通信、相干雷达、遥感探测等领域提供更高亮度的光纤光源设计方案，推动大功率窄线宽光纤激光的整体发展和应用领域的进一步拓展。

为实现上述技术目的，本发明的技术方案是：

一种实现高亮度窄线宽掺镱光纤激光放大的系统，包括单频光纤激光器种子源、相位调制器、射频信号产生器、掺镱光纤激光预放大系统、高功率耦合器、掺镱主放大器、光纤端帽、准直器、高反镜I、高反镜II、功率计、光电探测器、分束器、光谱测量仪、光束质量测量仪、信号采集处理器。