阅读说明：本技术 一种窄带相位调制激光光谱展宽状态检测装置及检测方法 (Narrow-band phase modulation laser spectrum broadening state detection device and detection method ) 是由 韦佳天 吕宏伟 贾炳文 邢宇鹏 赵灏 金奇 唐群植 于 2021-08-13 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种窄带相位调制激光光谱展宽状态检测装置及检测方法,所述装置包括顺序连接的保偏器件第一光纤耦合器1、相位调制器、第二光纤耦合器2、第三光纤耦合器3、高速光电探测器、高通滤波器、功率探测器和比较器,其中单频激光注入进第一光纤耦合器1,射频信号注入相位调制器,高速光电探测器接收第三光纤耦合器3的激光,经光电转换,经过高通滤波器进行滤波,随后到达功率探测器,功率探测器依据注入电信号的功率输出对应电平到比较器,比较器将该电平与参考电平进行判断,输出展宽状态判断电平。这种装置结构简单、成本低、便于集成,这种方法操作方便,实用性好,能满足高功率激光系统对窄带光谱检测的需求。(The invention discloses a narrow-band phase modulation laser spectrum broadening state detection device and a detection method, wherein the device comprises a polarization maintaining device, namely a first optical fiber coupler 1, a phase modulator, a second optical fiber coupler 2, a third optical fiber coupler 3, a high-speed photoelectric detector, a high-pass filter, a power detector and a comparator which are sequentially connected, wherein single-frequency laser is injected into the first optical fiber coupler 1, a radio-frequency signal is injected into the phase modulator, the high-speed photoelectric detector receives laser of the third optical fiber coupler 3, the laser is subjected to photoelectric conversion, filtered by the high-pass filter and then reaches the power detector, the power detector outputs a corresponding level to the comparator according to the power of an injected electric signal, the comparator judges the level and a reference level, and a broadening state judgment level is output. The device has the advantages of simple structure, low cost and convenient integration, and the method has convenient operation and good practicability and can meet the requirement of a high-power laser system on narrow-band spectrum detection.)

一种窄带相位调制激光光谱展宽状态检测装置及检测方法

技术领域

本发明属于激光技术领域，具体涉及一种窄带相位调制激光光谱展宽状态检测装置及检测方法。

背景技术

受激布里渊散射（SBS）是单频激光系统常见的非线性效应，其过程可以描述为泵浦光、Stokes光通过声波进行的非线性相互作用，泵浦光通过电致伸缩效应产生声波，然后引起介质折射率周期性调制，即折射率光栅，移动的折射率光栅后向散射泵浦光，形成Stokes光。受激布里渊散射的存在不仅会制约激光脉冲功率的进一步提升，还会形成后向的高峰值功率尖峰脉冲，对系统光器件造成损伤，因此必须对SBS效应进行有效的抑制。目前，研究人员提出了几种抑制SBS的方法：优化设计具有高SBS阈值的光纤；在掺杂光纤上施加应力分布或温度分布；对单频激光进行相位调制展宽光谱，其中，对单频激光进行相位调制，实现光谱展宽的方法简单易行，在高功率激光系统以及窄线宽激光器中得到了广泛的使用。

光谱展宽的激光可以避免SBS的影响，在激光系统的后级中进一步放大。为避免单频激光没有进行有效的光谱展宽，而注入到后级中，激发SBS，造成系统光器件的损伤，需要对激光的光谱展宽状态进行有效的检测与判定。单频激光的光谱展宽通常使用相位调制器进行光谱展宽，其展宽程度与调制频率和调制深度有关。当前对相位调制激光的光谱进行探测判断的方法有光谱仪测量法、光纤光栅探测法、基于光学外差探测技术的光谱探测方法等，其中光谱仪测量法精度高，但响应慢、装置体积大；光纤光栅探测法采用单个或多个窄带光纤光栅对光谱展宽进行判断，相关专利有公开号为CN207280594U及公开号为CN108037096A的中国专利，该方法需要采用适当的窄带光纤光栅并进行温度控制，无法对小于光纤光栅反射带宽的光谱进行判断；基于光学外差探测技术的光谱探测方法由美国ZBL装置的研究人员提出，该方法涉及的单元模块多，结构复杂，调节参量多，成本高，具体见Patrick K. R,Darrell J. A,Jens S,et al. Injection of a Phase ModulatedSource into the Z-Beamlet Laser for Increased Energy Extraction.Sand，2014-20011。通过相位调制产生的激光光谱可能很窄，如相干合成要求光谱展宽小于10GHz（对应光谱宽度约[email protected]），对于窄带相位调制光谱的检测，当前的缺乏简单便捷的检测方法。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，而提供一种窄带相位调制激光光谱展宽状态检测装置及检测方法。这种装置结构简单、成本低、便于集成，这种方法操作方便，实用性好，能满足高功率激光系统对窄带光谱检测的需求。

实现本发明目的的技术方案是：

一种窄带相位调制激光光谱展宽状态检测装置，包括顺序连接的保偏器件第一光纤耦合器1、相位调制器、第二光纤耦合器2、第三光纤耦合器3、高速光电探测器、高通滤波器、功率探测器和比较器，其中单频激光注入进第一光纤耦合器1，经过第一光纤耦合器1分成两束，两束中的一束经第三光纤耦合器3的第一分束臂到达第三光纤耦合器3，两束中的另一束输出到相位调制器，射频信号注入相位调制器，在射频信号作用下，实现光谱展宽，随后输出到第二光纤耦合器2，再次分为两束，其中一束对外输出，另一束经第三光纤耦合器3的第二分束臂到达第三光纤耦合器3， 与第三光纤耦合器3第一分束臂的激光进行合束后，注入到高速光电探测器，高速光电探测器接收第三光纤耦合器3的激光，经光电转换，形成电信号，经过高通滤波器进行滤波，随后到达功率探测器，功率探测器依据注入电信号的功率输出对应电平到比较器，比较器将该电平与参考电平进行判断，输出展宽状态判断电平。

所述第一光纤耦合器1、第二光纤耦合器2的分束比为1:99-5:95、第三光纤耦合器3的分束比为50:50。

所述第一光纤耦合器1的分束比小于第二光纤耦合器2的分束比。

所述高速光电探测器的响应速率大于1GHz。

所述高通滤波器为电滤波器，电滤波器的低端截止频率大于500MHz。

所述功率探测器为射频功率探测器，射频功率探测器的响应带宽大于1GHz。

用上述窄带相位调制激光光谱展宽状态检测装置的检测方法， 包括如下步骤：

1）单频激光注入到第一光纤耦合器1，第一光纤耦合器1分出一部分单频激光到第三光纤耦合器3，其余部分激光经相位调制器进行相位调制，实现光谱展宽；

2）展宽后的激光经第二光纤耦合器2分出一部分激光到第三光纤耦合器3，其余部分激光对外输出；

3）第三光纤耦合器3将单频激光和相位调制展宽后的激光进行合束，并注入到高速光电探测器中；

4）采用高速光电探测器将光信号转换为电信号，并通过高通滤波器滤除直流成分，再由功率探测器检测剩余交流成分的功率水平，并获得对应电平输出；

5）功率探测器输出的电平信号与设置的参考电平信号进行比较，从而输出判断电平、实现光谱展宽状态判断。

这种装置结构简单、成本低、便于集成，这种方法操作方便，实用性好，能满足高功率激光系统对窄带光谱检测的需求。

附图说明

图1为实施例的结构示意图；

图2为实施例中射频功率与光谱展宽情况的仿真图；

图3为实施例中射频功率与滤波后检测信号强度的仿真图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的内容作进一步的阐述，但不是对本发明的限定。

实施例：

参照图1，一种窄带相位调制激光光谱展宽状态检测装置，包括顺序连接的保偏器件第一光纤耦合器1、相位调制器、第二光纤耦合器2、第三光纤耦合器3、高速光电探测器、高通滤波器、功率探测器和比较器，射频信号注入相位调制器，其中单频激光注入进第一光纤耦合器1，经过第一光纤耦合器1分成两束，两束中的一束经第三光纤耦合器3的第一分束臂到达第三光纤耦合器3，两束中的另一束输出到相位调制器，在射频信号作用下，实现光谱展宽，随后输出到第二光纤耦合器2，再次分为两束，其中一束对外输出，另一束经第三光纤耦合器3的第二分束臂到达第三光纤耦合器3， 与第三光纤耦合器3第一分束臂的激光进行合束后，注入到高速光电探测器，高速光电探测器接收第三光纤耦合器3的激光，经光电转换，形成电信号，经过高通滤波器进行滤波，随后到达功率探测器，功率探测器依据注入电信号的功率输出对应电平到比较器，比较器将该电平与参考电平进行判断，输出展宽状态判断电平。

所述第一光纤耦合器1为1:99，第二光纤耦合器2的分束比5:95、第三光纤耦合器3的分束比为50:50。

所述第一光纤耦合器1的分束比小于第二光纤耦合器2的分束比。

所述高速光电探测器的响应速率大于1GHz，本例中，高速光电探测器响应速率为10GHz。

所述高通滤波器为电滤波器，电滤波器的低端截止频率大于500MHz，本例中，电滤波器的低端截止频率3GHz。

所述功率探测器为射频功率探测器，射频功率探测器的响应带宽大于1GHz，本例中，射频功率探测器的响应带宽1为10GHz。

本例中，相位调制器为铌酸锂波导相位调制器。

用上述窄带相位调制激光光谱展宽状态检测装置的检测方法， 包括如下步骤：

1）单频激光注入到第一光纤耦合器1，第一光纤耦合器1分出一部分单频激光到第三光纤耦合器3，其余部分激光经相位调制器进行相位调制，实现光谱展宽；

2）展宽后的激光经第二光纤耦合器2分出一部分激光到第三光纤耦合器3，其余部分激光对外输出；

3）第三光纤耦合器3将单频激光和相位调制展宽后的激光进行合束，并注入到高速光电探测器中；

4）采用高速光电探测器将光信号转换为电信号，并通过高通滤波器滤除直流成分，再由功率探测器检测剩余交流成分的功率水平，并获得对应电平输出；

5）功率探测器输出的电平信号与设置的参考电平信号进行比较，从而输出判断电平、实现光谱展宽状态判断。

本例中，接入中心频率1064nm的单频激光，采用带宽约3GHz的射频信号对单频激光进行相位调制，该激光的光谱宽度随调制情况改变，仿真得到光谱宽度与调制射频功率的变化如图2所示，横坐标为射频功率，单位dBm，纵坐标为光谱宽度，单位nm；仿真得到高通滤波后检测信号强度与调制射频功率的变化如图3所示，横坐标为射频功率，单位dBm，纵坐标为滤波后的检测信号强度，单位dBm，随射频功率增加，光谱展宽增加，而检测信号强度亦随之增加，通过功率探测器对滤波后的信号进行功率检测，再与设置的参考电平进行比较，可实现光谱展宽状态的判断，本例中，对单频激光和展宽激光的部分拍频信号的功率水平进行检测，可以实现窄于0.04nm相位调制光谱的展宽状态判断，拓展了对窄带光谱展宽状态判断的边界，满足了高功率激光系统对窄带光谱检测的需求。