相位調(diào)制展寬激光的線寬壓縮方法研究

劉迎國,岳耀笠,朱尤智

(1.中國人民解放軍第95835部隊,新疆 烏魯木齊 830000;2.中國電子科技集團(tuán)公司第三十四研究所,廣西 桂林 541000)

1 引 言

光纖激光器是波導(dǎo)式的結(jié)構(gòu),使泵浦光場與信號光場重合得非常好,從而轉(zhuǎn)換效率相當(dāng)高,同時由于有源光纖有較大的表面積,使其具備功耗低、散熱快等優(yōu)點；然而,同樣是因為光纖的波導(dǎo)結(jié)構(gòu),小模場面積也導(dǎo)致了非線性效應(yīng)的閾值很低,容易使激光器產(chǎn)生物理損傷,從而限制了光纖激光器的輸出功率[1]。例如,作為相干激光測風(fēng)雷達(dá)的主要光源之一的單頻脈沖光纖激光器,由于受限于受激布里淵散射(SBS)閾值,以Amonics公司產(chǎn)品為例,脈沖峰值功率最大700 W,與固體激光器的輸出水平有很大差距。因此,提高單頻脈沖光纖激光器的受激布里淵散射閾值,是與固體激光器縮小技術(shù)差距的主要方法。

國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)[4]、西南技術(shù)物理研究所[5]、中國工程物理研究院[6]等單位驗證了通過使用大模場光纖、提高光纖摻雜濃度、縮短有源光纖長度及輸出尾纖長度等常規(guī)手段,可以提高光纖激光器SBS閾值,北京交通大學(xué)嘗試了通過溫度應(yīng)力場分布提高SBS閾值[7],但都提高有限,發(fā)展前景十分有限；中國工程物理研究院[8-9]通過使用相位調(diào)制光譜展寬的方法提高SBS閾值,可以將SBS閾值提高到占光纖激光器輸出功率限制的次要作用下,但大幅度增加的相位噪聲嚴(yán)重影響了光纖激光器的相干性能。

本文根據(jù)相位調(diào)制激光展寬的理論,提出了二級相位調(diào)制線寬壓縮的構(gòu)想,分析了線寬壓縮的成立條件,并根據(jù)該條件設(shè)計了激光線寬壓縮裝置。

2 相位調(diào)制激光展寬原理

單頻激光相位調(diào)制展寬方法[8]如圖1所示,輸入激光脈沖經(jīng)加載電信號的光纖相位調(diào)制器,輸出光譜展寬的激光信號,其中展寬激光的光譜為頻率間隔與電信號頻率相同的梳狀光譜,并且相位調(diào)制器的調(diào)制強度越大,激光光譜展寬級數(shù)越多,即光譜展寬越寬,光纖放大器的SBS閾值也越高。激光光譜展寬理論分析如下。

圖1 相位調(diào)制光譜展寬原理圖

相位調(diào)制器輸出的光場由下式表示:

Eout=Acos[ωt+Ψ]

(1)

相位調(diào)制器通過改變Ψ(調(diào)相)來得到Eout的不同值,而

Ψ=δsinωmt

(2)

從文獻(xiàn)[9]中可得,相位調(diào)制系數(shù)δ與外加電壓成正比,與晶體程度無關(guān)。通過改變相位調(diào)制系數(shù)δ和外加電場頻率ωm來改變相位Ψ,從而得到不同的光場eout,輸出光場按貝塞爾函數(shù)展開為:

eout=Acos[ωt+Ψ]

=A[J0(δ)cosωt+J1(δ)cos(ω+ωm)t-

J1(δ)cos(ω-ωm)t+J2(δ)cos(ω+2ωm)t-

J2(δ)cos(ω-2ωm)t+…]

(3)

從上式可知,電光相位調(diào)制的結(jié)果產(chǎn)生若干邊頻帶,理論上是無窮多邊頻帶組成。光譜展寬是指由許多邊帶頻譜組成的波形包絡(luò)的半寬。均勻展寬要求邊帶盡量豐富。這就要求eout的展開項更多更大,因而需要增大δ或ωm；而要增加δ,從(3)式可知,需要增加在晶體上的微波調(diào)制功率和選擇好的調(diào)制器。

3 相位調(diào)制激光線寬壓縮可行性分析

根據(jù)公式(1),假設(shè)使用兩個相位調(diào)制器,并且兩個相位調(diào)制器的相位改變量為Ψ1、Ψ2時,且Ψ1+Ψ2=0,有:

eout=Acos[ωt+Ψ1+Ψ2]=Acosωt

(4)

即光信號恢復(fù)到為原來的窄線寬特性。

實際應(yīng)用中,兩個相位調(diào)制器之間有一定的光纖長度,該光纖長度的光程還受到環(huán)境溫度、振動等因素的調(diào)制,結(jié)合公式(4),有:

eout=

(5)

要將相位調(diào)制器光譜展寬的激光再實現(xiàn)線寬壓縮,恢復(fù)激光器的窄線寬特性,則需滿足:

(6)

δ1sinωmt+δ2sinωnt=0

(7)

(8)

或:

=2Nπ

(9)

4 激光線寬壓縮裝置設(shè)計

根據(jù)公式(7)和(8),光纖激光器的線寬壓縮系統(tǒng)可以設(shè)計為圖2、圖3的系統(tǒng)[10]。光纖激光器為MOPA結(jié)構(gòu),激光種子源一般為外調(diào)制的窄線寬脈沖激光器,經(jīng)過相位調(diào)制器1將光譜展寬,使得光纖放大器的SBS閾值提高,經(jīng)過功率放大之后再由相位調(diào)制器2進(jìn)行線寬壓縮。為達(dá)到線寬壓縮條件,兩個相位調(diào)制器的調(diào)制頻率相同,調(diào)制相位相差π的奇數(shù)倍。為實現(xiàn)以上要求,兩個相位調(diào)制器采用同一個頻率源(假設(shè)其頻率為F),配合不同功率的射頻放大器進(jìn)行驅(qū)動,以實現(xiàn)調(diào)制頻率相同；同時光路中添加一個光纖移相器,用于調(diào)節(jié)兩個相位調(diào)制器的相位差,使(n(L0+ΔL))/λ接近2π的整數(shù)倍。

圖2 相位調(diào)制線寬壓縮裝置結(jié)構(gòu)圖

圖3 線寬壓縮檢測

激光線寬壓縮裝置(如圖4所示)的工作調(diào)節(jié)控制由種子源本振光和線寬壓縮后的激光信號相干,檢測拍頻頻率和強度,當(dāng)光纖移相器連續(xù)改變2π相位過程中,檢測到的拍頻頻率nF中n最小(n為整數(shù))、拍頻強度最小時,就是光纖移相器的最佳工作點,然后光纖移相器連續(xù)跟蹤該點進(jìn)行工作。然后調(diào)節(jié)相位調(diào)制器2的射頻驅(qū)動功率,同樣檢測到拍頻強度最弱時為相位調(diào)制器2的最佳工作點。

圖4 線寬壓縮控制部分

通常,窄線寬脈沖放大器為了盡量獲得更大的峰值功率,末級放大器一般使用低數(shù)值孔徑大模場光纖(LMA)的放大器,即會造成相位調(diào)制器2輸入光纖為LMA光纖；同時,相位調(diào)制器為了提高端面損傷閾值,也需要擴大輸入光斑直徑,最終使相位調(diào)制器2做成空間光相位調(diào)制器,因此兩個相位調(diào)制器的射頻驅(qū)動功率是不一致的。

限于實驗條件不足,本文僅對線寬壓縮裝置的理論模型進(jìn)行了分析。

5 結(jié) 語

本文介紹了一種MOPA結(jié)構(gòu)的單頻脈沖光纖激光器的激光放大過程中提高SBS閾值的方法,通過相位調(diào)制器將單頻激光脈沖進(jìn)行光譜展寬,可以大大提高激光脈沖放大過程中光纖放大器的SBS閾值,再通過第二個相位調(diào)制器進(jìn)行線寬壓縮,使激光信號恢復(fù)窄線寬特性；本方法相對于溫度應(yīng)力場分布法,所能提高的SBS閾值范圍更大。

然而,由于現(xiàn)有相位調(diào)制器的端面損傷閾值較低,設(shè)計出能夠承受大功率激光脈沖的相位調(diào)制器,是相位調(diào)制展寬激光線寬壓縮方法實用化的前提。