一种激光线宽压缩装置及其调试方法

一种激光线宽压缩装置及其调试方法
1.本技术要求在2022年3月02日提交中国专利局、申请号为202210199962.9、发明名称为“一种激光线宽压缩装置及其调试方法”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本技术中。
技术领域
2.本技术涉及谐振器技术领域，具体涉及一种激光线宽压缩装置及其调试方法。


背景技术：

3.激光器的原理是利用受激辐射使得光在某些受激发的物质中放大或振荡发射。光纤激光器是采用掺杂稀土离子的光纤或者光纤自身具有的非线性效应作为其增益介质，在泵浦激光的作用下光纤纤芯内形成高功率密度，引起光纤内掺杂离子能级的粒子数反转，然后在谐振腔内来回振荡形成激光输出。相比于传统激光，窄线宽激光器不管是在科研领域还是工业领域都是一种重要的工具，在像如精密频率计量、光学时钟、相干光通信和激光雷达等领域发挥着重要的作用。
4.受激布里渊散射(stimulate brillouin scattering，sbs)是光纤中一种非常重要的非线性效应，现有的基于sbs效应来实现的窄线宽激光是通过将激光射入某种介质，利用介质中的非线性效应产生特定频率的sbs增益区或者说特定频率的光子，当光子在介质中传播的增益大于其损耗时，就会表现出像注入激光一样的受激发射现象，这束新频率的激光为受激布里渊激光(stimulate brillouin laser，sbl)，sbl的线宽要比原始激光更窄。
5.现有技术中，对光纤进行加工来制成光纤谐振腔，使光在谐振腔内来回反射来增强sbs效应，产生sbl激光。参见图1，为现有技术中利用谐振腔技术产生sbl的原理图。当光在介质中不断反射，光与光之间便会产生干涉，只有满足特定条件的光，其干涉结果才会使得总光强变大，这样满足干涉相长条件的频率称为腔的纵模频率。图1中细柱代表谐振腔的纵模频率，当泵浦激光的频率满足谐振腔的纵模频率时就可在腔内往返传播增强激光与介质的相互作用，产生特定频率偏移量的斯托克斯光子。图1中
△
f是指相邻的两个不同偏振的纵模间的频率间隔(单位hz)。当该光子频率也满足谐振腔的振荡条件时，便可在腔内振荡增强，最终输出sbl激光，所以，能否精确控制谐振频率让泵浦光与斯托克斯光在腔内同时振荡是产生sbl的关键，激光在腔内能否往返传播可以用下式判断：
6.v＝n
×
fsr；
[0007][0008]
式中，fsr为谐振腔的自由光谱范围(单位hz)，v为激光频率(单位hz)，c为光速，η为介质的折射率，n为任意整数，l为谐振腔的长度(m)。激光要想成功注入谐振腔中其频率要为谐振腔fsr的整数倍，而fsr与腔的长度和折射率相关。因为现有的谐振腔大都只利用了腔内的一种偏振模式，对于同一种偏振模式，各谐振频率的间隔在一定范围内可近似相
等，所以需要精确控制腔的长度来使得泵浦光子与产生的斯托克斯光子频率以下条件：
[0009][0010]
式中，v1为泵浦光子频率(单位hz)，v2为斯托克斯光子频率(单位hz)，fsr1为第二折射光的纵模自由光谱范围(单位hz)，fsr2为第一折射光的纵模自由光谱范围(单位hz)，n、m为任意整数，因为两频率光子共用同一组fsr，所以导致谐振腔的加工精度和难度大大提高；同时，当sbl在腔内振荡会继续产生新频率的光子，新的光子频率如v3、v4…
依然满足上式条件，故在泵浦功率较高时就会产生多个频率间隔相等的激光(级联问题)，则无法获得高功率单频激光。


技术实现要素：

[0011]
本技术提供一种激光线宽压缩装置及其调试方法，以解决现有技术中谐振腔制作工艺要求高且在高功率下存在的级联问题。
[0012]
本技术第一方面提供了一种激光线宽压缩装置，包括：fp谐振腔，由两端镀有多层平行且具有反射力的纳米薄膜光纤主体组成，所述光纤主体为具有双折射效应的非线性光纤，所述fp谐振腔在接收泵浦激光后在腔内产生第一折射光和第二折射光，其中，所述第一折射光和所述第二折射光在所述fp谐振腔内形成两套偏振方向垂直的纵模，应力施加装置，包括底座，所述底座上开设有用于卡接fp谐振腔的凹槽以及用于对fp谐振腔表面施加应力的施力机构，所述施力机构与底座可拆卸连接，所述施力机构的施力大小通过与施力机构连接的调节组件调节。
[0013]
可选的，所述底座上开设有安装槽，所述安装槽内设置有可在竖直面转动的旋转块，所述旋转块上开设有用于放置部分fp谐振腔的放置槽，当旋转块处于初始状态时所述旋转块上的放置槽和底座上的凹槽相连通且处于同一水平面，所述旋转块上可拆卸连接有第三施力件。
[0014]
可选的，所述施力机构包括第一施力件和第二施力件，所述第一施力件、第二施力件与底座通过第二螺栓连接，所述第三施力件与旋转块通过第二螺栓连接，所述调节组件包括固定连接于旋转块两端的把手和用于松懈或拧紧第一施力件、第二施力件和第三施力件的第二螺栓，所述旋转块转动时，旋转块的纵向轴线与底座所在平面所形成的夹角范围为0
°
～90
°
。
[0015]
可选的，所述底座的顶部可拆卸连接有多根立柱，所述立柱的顶部可拆卸连接有顶板，所述施力机构包括平行于底座设置的压板，所述压板位于顶板和底座之间，所述压板与所述立柱套接，所述压板底部固定连接有用于向fp谐振腔施加应力的应力块，所述调节组件包括与顶板螺纹连接的第一螺栓，所述第一螺栓的底部固定连接有弹簧，所述弹簧的底部固定连接有压块，所述压块的底部转动连接有滚珠，所述压板顶部开设有用于限位滚珠的限位槽，所述滚珠位于限位槽内。
[0016]
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：该激光线宽压缩装置，通过由双折射效应的非线性光纤两端镀膜形成的fp谐振腔，可以在一个腔内形成两套偏振方向相互垂直的纵模，通过利用应力施加装置对fp谐振腔施加应力以改变第一折射光的纵模谐振频率，
使得所述fp谐振腔内泵浦光子的频率和斯托克斯光子的频率分别满足：
[0017][0018]
以通过用两套偏振正交的纵模来得到sbl，与一般的采用一套纵模的fp谐振腔相比，本发明利用两套纵模来分别满足泵浦光子与斯托克斯光子的谐振条件。当原始泵浦激光与新产生的sbl偏振方向相互垂直时可以利用偏振分束器将泵浦激光与sbl有效分离。此外，本发明可以利用调节施加于fp谐振腔上的压力来改变非常光在光纤内的传播速度，进而改变一套纵模的谐振频率，这大大降低了对fp谐振腔加工的精度要求。除此之外，利用两套纵模来实现sbl后，sbl会继续产生新频率的斯托克斯光子，但是新产生的斯托克斯光子频率均不满足本发明两套腔模的谐振条件。即v
1-v2不为自由光谱范围(fsr1、fsr2的整数倍，所以本发明的另外一个优势在于可以在高功率泵浦时有效抑制sbl的级联，只产生一种新频率的窄线宽激光。
[0019]
本技术另一方面提供了一种激光线宽压缩装置调试系统，包括本发明所述的激光线宽压缩装置，还包括光谱仪、光纤激光器、输入端偏振控制器、输出端偏振控制器和偏振分束器，所述光纤激光器、输入端偏振控制器、激光线宽压缩装置、输出端偏振控制器和偏振分束器依次连接，所述光谱仪与激光线宽压缩装置连接，用于检测激光线宽压缩装置是否成功产生sbl激光，光纤激光器发射的激光输入所述输入端偏振控制器后，经所述输入端偏振控制器调整偏振方向并输入激光线宽压缩装置进行线宽压缩得到泵浦激光与sbl激光，最终通过所述输出端偏振控制器和所述偏振分束器将所述激光线宽压缩装置输出的泵浦激光与sbl激光分离输出。
[0020]
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：该激光线宽压缩装置调试系统，通过采用了本发明所述的激光线宽压缩装置，高功率泵浦时有效抑制sbl的级联，只产生一种新频率的窄线宽激光，并且当原始泵浦激光与新产生的sbl偏振方向相互垂直时可以利用偏振分束器将泵浦激光与sbl有效分离，可以利用调节施加于fp谐振腔上的压力来改变非常光在光纤内的传播速度。
[0021]
本技术还提供了一种激光线宽压缩装置调试系统的调试方法，所述方法包括以下步骤：
[0022]
利用光纤激光器输出激光，输入端偏振控制器调整所述光纤激光器输出的激光偏振方向，以使光纤激光器输出的激光偏振方向与fp谐振腔纵模偏振方向一致；
[0023]
利用应力施加装置调节施加于所述fp谐振腔的应力，以使所述fp谐振腔内形成的两套纵模分别满足泵浦激光和sbl激光的振荡条件；
[0024]
根据任一纵模偏振模式的共振频率，调整所述光纤激光器波长与任一纵模偏振模式共振频率相近，通过光谱仪观察是否成功产生sbl激光；
[0025]
未产生sbl激光则进一步细调光纤激光器波长与输出功率来满足fp谐振腔内谐振条件，直至产生sbl激光；
[0026]
调整所述输出端偏振控制器和所述偏振分束器，将所述fp谐振腔产生的泵浦激光和sbl激光分离输出。
[0027]
可选的，所述光纤激光器输出激光时，光纤激光器处于波长扫描模式。
[0028]
可选的，所述光纤激光器、所述输入端偏振控制器和激光线宽压缩装置通过法兰
和陶瓷套管直接插接。
[0029]
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：该激光线宽压缩装置调试系统的调试方法，通过对拥有两套纵模的fp谐振腔施加应力，使所述fp谐振腔内形成的两套纵模分别满足泵浦激光和sbl的振荡条件，并根据任一偏振模式的共振频率，调整所述光纤激光器波长，以使所述fp谐振腔产生sbl，当原始泵浦激光与新产生的sbl偏振方向相互垂直时可以利用偏振分束器将泵浦激光与sbl有效分离，有效提升了产生sbl的效率。
附图说明
[0030]
为了更清楚地说明本技术的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0031]
图1为现有技术中利用谐振腔技术产生sbl激光的原理图；
[0032]
图2为本技术提供的激光线宽压缩装置中fp谐振腔的制作工艺流程图；
[0033]
图3为本技术提供的激光线宽压缩装置调试系统的原理图；
[0034]
图4为本技术提供的一种应力施加装置的结构图；
[0035]
图5为本技术提供的另一种应力施加装置的侧视图；
[0036]
图6为图5中应力施加装置未组装状态时的俯视图；
[0037]
图7为本技术提供的激光线宽压缩装置产生sbl激光的原理图。
具体实施方式
[0038]
为便于对申请的技术方案进行，以下首先在对本技术所涉及到的一些概念进行说明。
[0039]
以下对现有技术中利用谐振腔技术产生sbl的原理进行简述，以更加清楚地阐述本技术实施例的原理。
[0040]
实施例一
[0041]
参见图2，为本技术实施例提供的激光线宽压缩装置中fp谐振腔的制作工艺流程图，首先选取一定长度的非线性光纤，将光纤两端的包层剥离，示例性地，为提高本技术实施例地适用性，本技术实施例提供的fp谐振腔以商用光纤作为原材进行加工而成，在光纤两端套入商用陶瓷插芯并用胶固定，使两端接口与各种商用光纤器件适配，因为两端装有标准尺寸的商用陶瓷插芯，同时所采用的光纤也具有较高的同心度，所以，本技术实施例提供的fp谐振腔可以利用陶瓷套管与其它光纤器件可直接进行插拔使用，之后连同光纤端面和陶瓷插芯一起进行机械研磨抛光，保证光纤端面的平整度，最后将光纤两端都放入镀膜机中根据光纤激光器的输出波长范围确定fp谐振腔的镀膜参数，得到fp谐振腔。例如，激光器的输出波长在1550nm到1560nm，则本技术实施例的镀膜参数可选择在1545nm到1565nm波长范围内，以实现高于99％的反射率，以此来保证输出激光可以在fp谐振腔内不断反射。其中，镀膜材料主要是二氧化钛和二氧化硅。
[0042]
实施例二
[0043]
一种激光线宽压缩装置，包括：如图2所示的fp谐振腔2，由两端镀有多层平行且具有反射力的纳米薄膜光纤主体组成，具体的，所述光纤主体为具有双折射效应的非线性光
纤，光纤纤芯采用二氧化硅、氟化钙单轴或双轴晶体。本实施例中的非线性光纤纤芯采用二氧化硅正单轴晶体制成，所述fp谐振腔2在接收泵浦激光后在腔内产生第一折射光和第二折射光，其中，所述第一折射光和所述第二折射光在所述fp谐振腔2内形成两套偏振方向垂直的纵模。
[0044]
具体的，参见图3，为本技术实施例提供的激光线宽压缩装置的产生sbl的原理图，一束光射入晶体(除特殊方向外)，光波可分解为两束振动方向相互垂直、传播速度和折射率均不等的第一折射光和第二折射光，即非常光和寻常光，所以可以在一个腔内形成两套偏振方向相互垂直的纵模，两种纵模的自由光谱范围分别为：
[0045][0046]
式中，ηo、ηe分别为寻常光与非常光的折射率，c为光速(3
×
10^8m/s)，fsr1、fsr2分别为寻常光与非常光纵模的自由光谱范围(单位hz)，其中寻常光的传播速度与方向无关，而非常光的传播速度与传播方向有关。当泵浦激光满足某一套纵模谐振频率时，在距离泵浦特定频率处产生斯托克斯光子。
[0047]
应力施加装置，参见图4-6，均包括底座1，所述底座1上开设有用于卡接fp谐振腔2的凹槽101以及用于对fp谐振腔2表面施加应力的施力机构4，所述施力机构4与底座1可拆卸连接，所述施力机构4的施力面与凹槽101相平行，所述施力机构4的施力大小通过与施力机构4连接的调节组件3调节。
[0048]
通过调节调节组件3来调节对fp谐振腔2施加的压力，以通过调节施加于fp谐振腔2上的压力来改变非常光的折射率，改变光在光纤内非常光的传播速度，进而改变非常光纵模的谐振频率，使得泵浦激光和产生的斯托克斯光子的频率分别满足如下条件：
[0049][0050]
式中，v1为泵浦光子频率(单位hz)，v2为斯托克斯光子频率(单位hz)，fsr1为第二折射光的纵模自由光谱范围(单位hz)，fsr2为第一折射光的纵模自由光谱范围(单位hz)，n、m为任意整数。
[0051]
利用调节施加于fp谐振腔2上的压力来改变非常光在光纤内的传播速度，进而改变一套纵模的谐振频率，从而利用两套纵模来分别满足泵浦光子与斯托克斯光子的谐振条件，这大大降低了对fp谐振腔2加工的精度要求。此外，利用两套纵模来实现sbl后，sbl会继续产生新频率的斯托克斯光子，但是新产生的斯托克斯光子频率均不满足本发明两套腔模的谐振条件，即v
1-v2不为自由光谱范围(fsr1、fsr2)的整数倍，所以可以在高功率泵浦时有效抑制sbl的级联问题，只产生一种新频率的窄线宽激光。
[0052]
实施例三
[0053]
如图4所示，所述应力施加装置还包括如下结构：
[0054]
所述底座1的顶部可拆卸连接有多根立柱6，所述立柱6的顶部可拆卸连接有顶板5，具体的，所述立柱6与底座1通过螺纹连接，所述顶板5通过在立柱6上螺纹连接螺母进行限位固定。所述施力机构4包括平行于底座1设置的压板401，所述压板401位于顶板5和底座
1之间，所述压板401与所述立柱6套接，所述压板401底部固定连接有用于向fp谐振腔2施加应力的应力块402。
[0055]
所述调节组件3包括与顶板螺纹连接的第一螺栓301，所述第一螺栓301的底部固定连接有弹簧302，所述弹簧302的底部固定连接有压块303，所述压块303的底部转动连接有滚珠304，所述压板401顶部开设有用于限位滚珠304的限位槽，所述滚珠304位于限位槽内。通过设置的滚珠304，使压块303在向压板401施加压力时，压力能够通过滚珠304进行均衡，进而使应力的变化尽可能稳定。本实施例中，所述底座1两端设置有可伸缩支撑板，所述可伸缩支撑板可沿凹槽101的延伸方向向两端拉伸，以放置不同长度的fp谐振腔2。
[0056]
在使用时，使用者先将fp谐振腔放入凹槽101内，然后转动第一螺栓301带动压块303向压板401施加压力，使应力块402向fp谐振腔2靠近并最终与fp谐振腔2相接触，使用者通过旋转第一螺栓301改变压块303对升降板2施加压力的大小，来实现利用应力块402改变对放置在凹槽101内的光纤fp谐振腔2施加应力的大小。
[0057]
实施例四
[0058]
如图5、图6所示，所述应力施加装置还包括如下结构：
[0059]
所述底座1上开设有安装槽，所述安装槽内设置有可在竖直面转动的旋转块7，具体的，所述底座1上固定连接有固定架8，所述转向块7与固定架8转动连接，所述旋转块7上开设有用于放置部分fp谐振腔2的放置槽701，当旋转块7处于初始状态时所述旋转块7上的放置槽701和底座1上的凹槽101相连通且处于同一水平面，所述旋转块7上可拆卸连接有第三施力件413。
[0060]
所述施力机构包括第一施力件411和第二施力件412，所述第一施力件411、第二施力件412与底座1通过第二螺栓9连接，所述第三施力件413与旋转块7通过第二螺栓9连接。
[0061]
所述调节组件3包括固定连接于旋转块7两端的把手702和用于松懈或拧紧第一施力件411、第二施力件412和第三施力件413的第二螺栓8，所述旋转块7转动时，旋转块7的纵向轴线与底座1所在平面所形成的夹角范围为0
°
～90
°
。
[0062]
在使用时，使用者先将fp谐振腔2放入凹槽101内，然后将第一施力件411、第二施力件412通过第二螺栓9连接在底座1上、第三施力件413通过第二螺栓9连接在转向块7上，使用者可通过拧动所述第一施力件411、第二施力件412和第三施力件413上的第二螺栓9，为fp谐振腔提供了竖直方向的应力；通过转动转向块7，可为fp谐振腔2提供了水平方向的应力。
[0063]
实施例五
[0064]
如图7所示，本实施例提供了一种激光线宽压缩装置调试系统，包括依次连接的光纤激光器、输入端偏振控制器、激光线宽压缩装置、输出端偏振控制器和偏振分束器；所述输入端偏振控制器用于调整所述光纤激光器输出的激光偏振；所述输入端偏振控制器和激光线宽压缩装置之间还设置有依次连接放大器和隔离器；通过设置的放大器，对输入激光的光强进行放大，通过设置的隔离器，能够防止激光打到激光线宽压缩装置前端面后按原路返回放大器，所述输出端偏振控制器和所述偏振分束器用于将所述激光线宽压缩装置输出的泵浦激光与sbl激光分离输出。
[0065]
光纤激光器发射的激光输入所述输入端偏振控制器后，经所述输入端偏振控制器调整偏振方向并输入激光线宽压缩装置进行线宽压缩得到泵浦激光与sbl激光，最终通过
所述输出端偏振控制器和所述偏振分束器将所述激光线宽压缩装置输出的泵浦激光与sbl激光分离输出。
[0066]
该激光线宽压缩装置调试系统，通过采用了本发明所述的激光线宽压缩装置，高功率泵浦时有效抑制sbl的级联，只产生一种新频率的窄线宽激光，并且当原始泵浦激光与新产生的sbl偏振方向相互垂直时可以利用偏振分束器将泵浦激光与sbl有效分离，可以利用调节施加于fp谐振腔上的压力来改变非常光在光纤内的传播速度。
[0067]
实施例六
[0068]
本实施例提供了一种激光线宽压缩装置调试系统的调试方法，所述方法包括以下步骤：
[0069]
利用光纤激光器输出激光，输入端偏振控制器调整所述光纤激光器输出的激光偏振方向，以使光纤激光器输出的激光偏振方向与fp谐振腔纵模偏振方向一致。
[0070]
利用应力施加装置调节施加于所述fp谐振腔的应力，以使所述fp谐振腔内形成的两套纵模分别满足泵浦激光和sbl激光的振荡条件。
[0071]
根据任一纵模偏振模式的共振频率，调整所述光纤激光器波长与任一纵模偏振模式共振频率相近，通过光谱仪观察是否成功产生sbl激光。
[0072]
未产生sbl激光则进一步细调光纤激光器波长与输出功率来满足fp谐振腔内谐振条件，直至产生sbl激光。
[0073]
调整所述输出端偏振控制器和所述偏振分束器，将所述fp谐振腔产生的泵浦激光和sbl激光分离输出。
[0074]
所述光纤激光器输出激光时，光纤激光器处于波长扫描模式。使光纤激光器处于波长扫描模式是为了调整激光的偏振，当两套纵模偏振区域方向不一样时，需要确保激光的偏振方向和其中一种一致，这样才能使激光能量最大化利用。
[0075]
所述光纤激光器、所述输入端偏振控制器和激光线宽压缩装置通过法兰和陶瓷套管直接插接。具体的，本技术实施例以商用光纤作为原材进行加工而成，且两端接口与各种商用光纤器件适配，可直接进行插拔使用，提高了本技术的适用性。
[0076]
该激光线宽压缩装置调试系统的调试方法，通过对拥有两套纵模的fp谐振腔施加应力，使所述fp谐振腔内形成的两套纵模分别满足泵浦激光和sbl的振荡条件，并根据任一偏振模式的共振频率，调整所述光纤激光器波长，以使所述fp谐振腔产生sbl，当原始泵浦激光与新产生的sbl偏振方向相互垂直时可以利用偏振分束器将泵浦激光与sbl有效分离，有效提升了产生sbl的效率。
[0077]
以上的具体实施方式，对本技术的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本技术的具体实施方式而已，并不用于限定本技术的保护范围，凡在本技术的技术方案的基础之上，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本技术的保护范围之内。