一种基于光纤干涉仪稳频的窄线宽光纤激光系统

1.本发明属于光纤激光器领域，具体涉及一种基于光纤干涉仪稳频的窄线宽光纤激光系统。


背景技术：

2.窄线宽激光光源在引力波探测、长距离高精度光频传递、光纤传感等前沿科学及工业领域具有广泛的应用前景。这些应用系统的测量精度与范围会直接受限于激光光源的线宽，因此提高激光器线宽指标有助于提升其实用价值并拓宽其应用范围。随着引力波探测、高精度地基授时系统等重要科学工程建设项目的发展，研究面向工程需求的可搬运窄激光器极为迫切，它的成功研制可以推动上述相关应用领域的进步。
3.目前，hz量级的窄线宽激光器主要通过pdh稳频技术结合超稳光学参考腔实现。随着光纤技术的发展，采用严密封装的光纤环可实现干涉仪光程差的稳定，进而保证其鉴频信号的高稳定，因此干涉仪稳频技术成为窄线宽激光器领域的研究热点。与腔稳窄线宽激光系统相比，利用光纤干涉仪鉴频获得激光系统的窄线宽具有鉴频精度高、易集成化、全光纤、成本低等优势。1989年chen首次采用m-z光纤干涉仪实现激光线宽的压窄。在光纤干涉仪稳频方案中两臂臂差越大，干涉仪探测灵敏度越大，系统的鉴频精度越高。2018年，上海光机所李唐团队在上述方案基础上，将臂差5km的michelson干涉仪放置于高真空热屏蔽罐中并其进行主动控温，闭环后拍频线宽0.2hz。上述这些方案可有效地降低激光器的频率噪声并实现激光线宽的压窄，但都需要上千米的延迟光纤才能获得较高的激光鉴频精度。此外还需对光纤进行主动控温及真空隔离。因此上述方案还不具备轻量化、小型化、环境免疫力高的特点，不适用于广泛的工程应用。
4.综上所述，现有技术无法同时满足高灵敏度和大带宽的使用需求，其鉴频精度低、噪声大、应用范围窄。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于光纤干涉仪稳频的窄线宽光纤激光系统。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
6.一种基于光纤干涉仪稳频的窄线宽光纤激光系统，包括：
7.光纤激光器，用于产生激光光束；第一频移器，连接所述光纤激光器，用于对所述激光光束进行移频得到第一频移信号；
8.y型耦合器，所述y型耦合器的输入端连接所述第一频移器，所述y型耦合器包括第一输出端和第二输出端，其中，所述第一输出端用于将所述第一频移信号分光后作为线宽激光光源进行输出，所述第二输出端将所述第一频移信号分光后通过x型耦合器分别输出至光纤循环干涉回路形成拍频光信号以及输出至光电探测器；
9.所述光电探测器连接射频功分器，还用于将光纤循环干涉回路输出的拍频光信号转换为射频电信号；
10.所述射频功分器输出端分别连接第一反馈校准回路和第二反馈校准回路，以对通过第一反馈校准回路进行激光器频率的快速反馈校准，对通过第二反馈校准回路进行延迟光纤相位噪声的主动补偿。
11.在一个具体实施方式中，所述光纤循环干涉回路包括依次连接的光纤放大器、光学带通滤波器、第二移频器、延迟光纤环、第三移频器，所述第三移频器输出端连接所述x型耦合器。
12.在一个具体实施方式中，所述第一反馈校准回路包括依次连接的第一电学带通滤波器、混频器、第一比例积分放大器。
13.在一个具体实施方式中，还包括第二反馈校准回路，第二反馈校准回路包括依次连接的第二电学带通滤波器、鉴频器、低通滤波器、第三比例积分放大器，其中，所述第三比例积分放大器输出端连接所述第三移频器。
14.在一个具体实施方式中，还包括第二比例积分放大器，所述第二比例积分放大器的输入端连接鉴频器输出端，输出端连接光纤激光器的电压调制端口，用于激光频率的慢速反馈校准。。
15.在一个具体实施方式中，还包括射频信号发生器，连接所述混频器。
16.本发明的有益效果：
17.1.鉴频精度高。与传统的m-z和michelson光纤干涉仪稳频方案相比，本装置采用相同长度的臂差时可将系统的鉴频精度至少提高一个数量级。
18.2.兼顾干涉仪的探测灵敏度和带宽。在传统干涉仪稳频方案中，长臂延迟光纤的长度选择需在干涉仪探测灵敏度和环路带宽之间折中权衡。本装置采用循环干涉仪方案，无需搭建复合干涉仪，只通过选择拍频信号的阶数便可获得不同的光纤探测灵敏度和环路带宽。一阶拍频信号对应的带宽大可用于激光器频率的快反馈控制，高阶拍频信号探测灵敏度高可用于激光器频率的慢反馈控制。
19.3.低环境敏感度。采用光纤主动相位补偿技术实时动态补偿环境耦合噪声(如气流、温度等)对干涉仪的影响，解决光纤干涉仪需要高真空工作环境降低自身噪声的问题。
20.以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
21.图1是光纤干涉仪传递函数在频域中的幅度响应关系图；
22.图2是本发明实施例提供的一种基于光纤干涉仪稳频的窄线宽光纤激光系统示意图。
具体实施方式
23.下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
24.实施例一
25.为了更清楚的说明发明实施例的方案，首先对光纤干涉仪稳频激光器的基本原理进行说明。
26.其利用不等臂干涉仪鉴频技术探测到激光的频率噪声，然后通过伺服反馈电路校
正激光频率从而实现激光线宽的压窄。光纤干涉仪对激光器频率噪声的分辨能力可用传递函数表示，其在频域中可表示为：
[0027][0028]
其中f是傅立叶频率，l是长臂延迟光纤的长度，τ＝n
·
l/c是干涉仪两臂的延时差，c是真空光速，n是光纤折射率。在低频处，t(f)曲线平坦，其幅值为2πτ(与长臂光纤长度成正比)。随着横轴频率的增加，t(f)幅度响应出现周期性的零点，而零点的位置就是1/τ的整倍数。第一个零点位置(1/τ)为干涉仪的环路带宽。图1所示为根据公式1仿真的t(f)的频域幅度响应图，其中实线和虚线分别表示臂差为200m和2km延迟光纤对应的t(f)仿真曲线。由图1可知，2km不等臂干涉仪的环路带宽为100khz比虚线代表的200m不等臂干涉仪的带宽小十倍；但低频处2km不等臂干涉仪对应的幅值响应比200m的幅值响应大十倍。由此可见，选用的延迟光纤越长，对应的幅值响应(即频率噪声探测灵敏度)越大但其对应的环路带宽越小。由此可知传统不等臂光纤干涉仪的无法在提供高灵敏度的同时提供较高的环路带宽。而本发明不需要搭建复合干涉仪，只用一个短延迟光纤环便可同时获得一系列不同延迟长度的拍频信号，即可同时获得大控制带宽的一阶拍频信号和高探测灵敏度的高阶拍频信号。
[0029]
请参见图2，图2是本发明实施例提供的一种基于光纤干涉仪稳频的窄线宽光纤激光系统示意图，包括：
[0030]
光纤激光器1，用于产生激光光束；为了提供高质量的激光信号，光纤激光器1具有压电陶瓷(pzt)电压调制端口，中心波长一般选择光纤通讯波段，本实施例优选采用1550nm。
[0031]
第一频移器2，连接所述光纤激光器1，用于对所述激光光束进行移频得到第一频移信号；本实施例的第一频移器2可以对激光光束进行移频和相位调制，具体的频移值可以根据具体试验条件进行调整，本实施例不做具体限制。
[0032]
y型耦合器3，所述y型耦合器3的输入端连接所述第一频移器2，所述y型耦合器3包括第一输出端和第二输出端，其中，所述第一输出端用于将所述第一频移信号分光后作为线宽激光光源进行输出，所述第二输出端将所述第一频移信号分光后通过x型耦合器4的b输入端口分别输出至光纤循环干涉回路40形成拍频光信号以及输出至光电探测器5；
[0033]
需要说明的是x型耦合器4具有两个输入端b、e和两个输出端c、d，其中输入端e和输出端d分别接入光纤循环干涉回路40。y型耦合器的分光比90:10，分光比较大的一端作为线宽激光光源进行输出，较小的一端输出至x型耦合器4输入端b。本实施例可选x型耦合器的分光比50:50，即通过x型耦合器分光后输出至c、d端的光功率相同。
[0034]
所述光电探测器5连接射频功分器11，还用于将光纤循环干涉回路输出的拍频光信号转换为射频电信号；
[0035]
所述射频功分器11输出端分别连接第一反馈校准回路50和第二反馈校准回路60，以对通过第一反馈校准回路50进行激光器频率的快速反馈校准，对通过第二反馈校准60进行延迟光纤相位噪声的主动补偿。
[0036]
在一个具体实施方式中，所述光纤循环干涉回路40包括依次连接的光纤放大器6、光学带通滤波器7、第二移频器8、延迟光纤环9、第三移频器10，所述第三移频器10输出端连接所述x型耦合器4的输入端e继而由输出端c进行输出。
[0037]
本实施例对光纤循环干涉回路40的原理进行说明。需要说明的是信号光在光路中循环次数越多，对应的等效光纤延时量越长。如信号光在环路中循环n次时，延时0.5
×
nμs(以延迟光纤环9的长度为100m进行举例)，并频移5
×
n mhz(以第二移频器为一个频移值-ωmhz的声光频移器，第三频移器为一个频移值+(ω+5)mhz的声光频移器)。需要说明的是循环次数根据光纤放大器6的放大倍数和延迟光纤环9的长度确定，放大倍数越大、延迟光纤环9的长度越短，循环次数越多，实际工作中可根据情况进行调整。
[0038]
在一个具体实施方式中，所述第一反馈校准回路50包括依次连接的第一电学带通滤波器12、混频器13、第一比例积分放大器14，所述第一比例积分放大器14的输出端连接第一频移器2用于激光频率的快速反馈校准。
[0039]
具体的，从x型耦合器b端口输入的一部分光从x型耦合器c端口输出离开环路并与参考光干涉拍频，该拍频光经光电探测器5的光电转换可以获得一系列离散的、等间距的差拍信号。该差拍信号经射频功分器11分为两路输出：一路通过第一电学带通滤波器12获得第1阶拍频信号，它经混频器13和第一比例积分放大器14处理得到大控制带宽的鉴频信号，并反馈到第一频移器2的射频调制端口，用于激光器频率的快速反馈校准。
[0040]
在一个具体实施方式中，还包括第二反馈校准回路60，第二反馈校准回路60包括依次连接的第二电学带通滤波器15、鉴频器16、低通滤波器18、第三比例积分放大器19，其中，所述第三比例积分放大器19输出端连接所述第三移频器10。
[0041]
具体的，经射频功分器11输出的另一路拍频信号通过第二电学带通滤波器15获得第n阶拍频信号。该n阶拍频信号对应的等效光纤延迟长度为100
×
n m(以延迟光纤环9的长度为100m进行举例)，例如可以仅用100m的实验光纤便获得2km(以n＝20进行举例，即信号光在光纤循环干涉回路40中循环20次)不等臂干涉仪的探测灵敏度。
[0042]
干涉仪稳频技术的鉴频准确度取决于长延迟光纤的稳定性，因此降低长光纤噪声是提高指标的重要途径。由于环境耦合噪声的存在，干涉仪输出的差拍信号不仅有来自激光器的噪声，还有一部分来自于干涉仪环境耦合噪声。系统反馈环路的理想效果是同时降低两种噪声，但这两种噪声叠加在一起无法直接分离。考虑到激光噪声(主要是白噪声)存在整个傅立叶频率范围内，而光纤耦合的环境噪声主要在低傅立叶频率占主导地位。本实施例采用主动光纤相位补偿技术通过一个锁相环(低通滤波器18、第三比例积分放大器19)将解调信号反馈到第三频移器10用以补偿由于环境噪声导致的光纤干涉仪相位噪声。该技术的主要优点是有效降低光纤干涉仪受环境耦合噪声的影响，解决干涉仪对真空腔的依赖，为实现系统的高性能、小型化、轻量化提供关键技术支撑。
[0043]
在一个具体实施方式中，还包括第二比例积分放大器17，所述第二比例积分放大器17的输入端连接鉴频器16输出端，输出端连接光纤激光器1的电压调制端口，用于激光频率的慢速反馈校准。该高阶拍频信号经鉴频器16解调输出高探测灵敏度的鉴频信号，此鉴频信号经第二比例积分放大器17作用于激光器1电压调制端口用于激光频率的慢速反馈校准，即抑制激光低频处的频率噪声。
[0044]
在一个具体实施方式中，还包括射频信号发生器20，连接所述混频器13。需要说明的是，实际应用中射频信号发生器20可以一体集成于频率综合器中。
[0045]
下面对基于本实施例的基于光纤干涉仪稳频的窄线宽光纤激光系统的执行方法进行说明(以循环次数为20进行举例)：
[0046]
过程一：通过光纤循环干涉仪获取携带激光器噪声的拍频信号。光纤激光器输出的光通过第一频移器被y型耦合器分为两部分，一部分作为窄线宽激光光源输出；另一部分作为稳频光进入光纤循环干涉仪。用于稳频的光束一部分作为参考光从x型耦合器c端直接输出进入探测器，另一部分光束作为信号光进入由x型耦合器b、d两端相连而形成的自循环光路中；一部分信号光经n次循环后由x型耦合器的c端输出并与参考光干涉拍频，该干涉拍频光经光电探测器光电转换获得一系列离散的、等频率间隔的拍频信号。
[0047]
过程二：通过伺服反馈，实现激光频率噪声的抑制和延迟光纤的主动相位噪声补偿。上述拍频信号经功分器分为两路，一路通过第一带通滤波器获得第1阶拍频信号。此信号经混频器和第一比例积分放大器处理得到大控制带宽的鉴频信号，并反馈到第一频移器的电调制端口，用于激光器频率的快速反馈校准。另一路拍频信号通过第二带通滤波器获得第20阶拍频信号，该高阶拍频信号经鉴频器解调输出高探测灵敏度的鉴频信号，此鉴频信号分为两路分别通过第二和第三比例积分放大器各作用于激光器电压调制端口和第三频移器的电调制端口，用于激光频率的慢速校准和延迟光纤的主动相位补偿。鉴频器和第三比例积分放大器之间连接有100hz的低通滤波用于提取来自延迟光纤耦合的环境噪声。
[0048]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0049]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0050]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
[0051]
尽管在此结合各实施例对本技术进行了描述，然而，在实施所要求保护的本技术过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中列举的若干项功能。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。
[0052]
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。