[发明专利]宽频带近肖特噪声极限的单频光纤激光强度噪声抑制装置

说明书

本发明公开了宽频带近肖特噪声极限的单频光纤激光强度噪声抑制装置，其包括单频光纤激光谐振腔、波分复用器、单模半导体泵浦光源、光纤隔离器、偏振控制器、激光饱和放大装置、光纤滤波模块、光纤耦合器、光电探测器和反馈控制系统。本发明通过激光饱和放大装置可以降低输出激光较宽频带的强度噪声，并且对激光饱和放大装置再进行反馈控制，从而可以进一步降低输出激光强度噪声以及拓宽强度噪声抑制的频率范围，最终实现单频激光器的强度噪声在宽频带内同时降低至肖特噪声极限附近的效果。本发明在超高精度和超远距离激光测距、光纤传感以及原子和分子光谱学等领域有着广阔的应用前景和巨大的应用价值。

技术领域

本发明涉及激光器的强度噪声抑制技术领域，具体涉及一种宽频带近肖特噪声极限的单频光纤激光强度噪声抑制装置。

背景技术

光纤激光器是指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器。在泵浦光的作用下光纤内极易形成高功率密度，造成激光工作物质的激光能级粒子数反转，采取简要措施便可构成谐振腔，形成激光输出。光纤激光器因其抽运阈值功率低、转换效率高、输出激光波长多、可调谐范围宽、耦合效率高（与现有光纤通信系统和光纤传感系统完全兼容）、结构紧凑、成本低廉等优点在高速率和密集波分复用激光光纤通讯、高精度光纤传感技术、大功率激光加工等领域有着广阔的应用前景和巨大的应用价值。然而强度噪声作为光纤激光器的一个重要指标，是制约其进一步应用的关键因素。如在光纤水听器传感中，光纤激光的低频强度噪声（通常频率范围为0-20 kHz）会增加系统的噪声基底，从而影响探测精度与灵敏度；在多普勒测风雷达中，处于中频段的弛豫振荡所带来的明显的激光强度噪声（通常频率范围为几百kHz至几MHz）会干扰测试信号，极大地影响了测试结果。此外，在例如压缩光的产生、量子通信、引力波探测等一些先进应用场合，强度噪声接近肖特噪声极限的激光光源是一个重要的组成部分。因此，对光纤激光器的强度噪声性能进行分析研究并探索其抑制方法，如何获得一个宽频带近肖特噪声极限的单频光纤激光器成为了近期的研究热点。

激光器的强度噪声指激光器的输出功率波动情况，用相对强度噪声RIN（RelativeIntensity Noise）来描述，其定义为单位频带内单位功率上的激光强度变化。光纤激光器的强度噪声主要包括两部分：低频的技术噪声、中频的弛豫振荡、高频的量子噪声。低频的技术噪声是由外部环境干扰、泵浦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。高频的量子噪声来源于激光能量量子化过程中的光量子涨落，已经接近肖特噪声极限。因此，对光纤激光器的强度噪声抑制主要是针对低频技术噪声和中频弛豫振荡这两个部分。

目前，激光强度噪声抑制方案已经有很多种。其中以注入锁定、模清洁器、光电反馈以及激光饱和放大为主。注入锁定是指将一个主激光器（Master Laser）的输出注入到一个从激光器（Slave Laser）中，当主激光器的输出光频率刚好为从激光器的谐振频率时，该激光信号将在从激光器中被放大，且最终输出的激光强度噪声会得到相应改善。但是这个方案需要两台激光器同时工作，并且还要求主激光器拥有较好的噪声性能，在实用性方面存在较大的缺陷。模清洁器指具有滤波特性的光学组件，激光束通过后耦合出一部分光，然后由光电探测器探测并经功率放大器放大后反馈到振幅调制器（AOM、EOM）上构成反馈控制回路，从而达到抑制噪声的目的。然而，该方案使得整个激光结构变得很复杂，同时对外界环境的要求也很高，并使得光纤激光器全光纤结构的优势不复存在。光电反馈则指利用分光装置提取部分光，利用其中的噪声信号来控制泵浦驱动电流，进而影响腔内增益以达到抑制噪声的目的。但是光电反馈的抑制带宽存在自身局限，难以获得全频带的强度噪声抑制，同时在不断的调节激光泵浦功率时，容易影响激光的输出频率的稳定性和激光线宽。激光饱和放大是指利用激光饱和放大器的非线性放大作用，可以将高频段的强度噪声进行抑制。但是仅仅利用一个激光饱和放大器，难以抑制低频段的技术噪声。

发明内容