一种混合型高功率单频激光器
阅读说明：本技术 一种混合型高功率单频激光器 (Mixed high-power single-frequency laser ) 是由 高俊 陈新文 毛海岑 王斌 程俊 于 2020-12-16 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种混合型高功率单频激光器,包括光纤种子源单元、半导体光放大单元、780nm单模保偏光纤；所述光纤种子源单元和半导体光放大单元通过780nm单模保偏光纤连接；所述的混合型单频激光器通过780nm单模保偏光纤输出高功率线偏振单频激光。本发明兼具高功率单频光纤激光器和单频半导体激光器的优势,在不影响激光器单频性能的前提下,简化光路结构,降低有源光器件数量,同时降低系统功耗和系统复杂度,可以更好地满足工程化应用的需求。(The invention relates to a mixed high-power single-frequency laser, which comprises an optical fiber seed source unit, a semiconductor optical amplification unit and a 780nm single-mode polarization-maintaining optical fiber; the optical fiber seed source unit and the semiconductor optical amplification unit are connected through a 780nm single-mode polarization-maintaining optical fiber; the hybrid single-frequency laser outputs high-power linear polarization single-frequency laser through 780nm single-mode polarization-maintaining optical fiber. The invention has the advantages of both a high-power single-frequency fiber laser and a single-frequency semiconductor laser, simplifies the light path structure, reduces the number of active optical devices, reduces the system power consumption and the system complexity and can better meet the requirements of engineering application on the premise of not influencing the single-frequency performance of the laser.)
技术领域
本发明涉及激光技术领域，具体涉及一种采用单频光纤种子源和半导体光放大器的混合型高功率单频激光器，特别针对冷原子干涉仪的应用。
背景技术
基于物质波干涉的冷原子干涉仪(冷原子陀螺、原子重力仪、重力梯度仪)的测量精度均已达到或超过传统体制同类仪器，验证了其高精度敏感测量能力，在高精度自主导航能力和国家重力场建设等方面具有极高的应用价值。冷原子干涉仪正朝着进一步提升精度和商品化的方向迈进。
单频激光参与冷原子干涉仪中原子操控的所有物理过程，是对原子进行精密操控的必备工作。目前商用87Rb原子干涉仪采用的780nm高功率单频激光器为MOPA体制，具体分为光纤和半导体两种。
780nm高功率单频光纤激光器采用1560nm低功率低相噪种子源，通过光纤放大器产生高功率1560nm基频光，再通过倍频过程获得780nm瓦级单频激光输出，如图1所示。该方式很好地利用了1560nm单频光纤激光种子源的超低噪声的优点，但存在以下问题：受限于倍频效率和对基频光强的要求，功率放大级需要采用多级放大以达到十瓦级1560nm输出，整个系统复杂且功耗较大；倍频过程中热载大，780nm激光功率稳定性易受环境温度影响(倍频晶体直接影响倍频效率)；倍频后仍有较多的基频光(1560nm)剩余。
780nm高功率单频半导体激光器采用780nm低功率半导体激光种子源，直接通过半导体光放大器获得780nm瓦级单频激光输出，如图2所示。该方式中仅需利用2个有源光器件和少数无源光器件，系统复杂度低，且直接采用电光转化实现功率放大，系统功耗较低。但是，即使采用780nm外腔种子源，780nm半导体激光种子源的相位噪声仍然高于1560nm光纤种子源，不利于冷原子干涉仪系统精度的进一步提升。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种将光纤种子源与半导体光放大相结合的混合型高功率单频激光器，兼顾高功率单频光纤激光器和单频半导体激光器的优势，在不影响激光器单频性能的前提下，简化光路结构，降低有源光器件数量，同时降低系统功耗和系统复杂度，可以更好地满足实际应用的需求。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种混合型单频激光器，包括光纤种子源单元、半导体光放大单元两部分，光纤种子源单元和半导体光放大单元通过780nm单模保偏光纤连接。激光器通过780nm单模保偏光纤输出高功率线偏振单频激光。
通过腔内共振倍频获得低相噪的780nm光纤种子源，通过不同类型的半导体光放大器进行放大，降低系统复杂度和功耗，提升功率稳定性。
利用半导体光放大单元，通过直接电光转化对种子光进行功率放大，降低系统功耗。
进一步的，所述光纤种子源单元包括：1560nm单频激光种子源、1560nm光隔离器、1560nm光纤耦合镜、第一凹面镜、周期性极化铌酸锂(Periodically Poled LithiumNiobate，PPLN)倍频晶体，第二凹面镜、双色镜、吸光板、780nm半波片、780nm光纤耦合镜和用于对倍频组件进行高精度温控的半导体制冷片(Thermo Electric Cooler，TEC)。
其中，1560nm单频激光种子源与1560nm光隔离器之间、1560nm光隔离器和1560nm光纤耦合镜之间通过1560nm单模保偏光纤进行保偏熔接处理；780nm光纤耦合镜通过780nm单模保偏光纤与半导体光放大单元连接。
所述1560nm光纤耦合镜将种子光转化为空间准直光，第一凹面镜和第二凹面镜构成共焦腔，所述PPLN倍频晶体放置于共焦腔中心位置；通过腔内共振增大腔内基频功率和倍频行程以提高倍频转化效率。
双色镜、780nm半波片、780nm光纤耦合镜依次设置在第二凹面镜的出射光路上，且所述双色镜倾斜设置，用于从光轴中滤除1560nm基频光和残余泵浦光，吸光板位于双色镜的侧方，用于吸收双色镜滤除的1560nm基频光和残余泵浦光。通过双色镜、吸光板滤除基频光和种子源中的泵浦光，提升输出激光的光谱纯度。
1560nm光隔离器用于隔离1560nm的背向散射光，1560nm光纤耦合镜用于实现1560nm空间光和光纤波导的变换；第一凹面镜(对1560nm、780nm均高反)、PPLN倍频晶体、第二凹面镜(对1560nm高反、对780nm高透)共同实现腔内共振倍频，提高基频光光强和倍频效率；双色镜(<800nm高透，≥800nm高反)用于从光轴中滤除1560nm基频光和残余泵浦光，吸光板用于吸收未转化的基频光和残余泵浦光；780nm半波片用于实现空间光与保偏光纤的偏振对准，780nm光纤耦合镜用于实现780nm空间光与光纤的高效率耦合。
TEC用于对倍频组件进行高精度温控，保证倍频过程的稳定性。倍频中基频光的功率较低，倍频组件的热载较低，有利于TEC对其进行高精度温控，有利于保证倍频过程的热稳定性和倍频后780nm种子光的功率稳定性。
进一步的，所述第一凹面镜粘接在以环形压电陶瓷(Piezoelectric Transducer，PZT)上，用于共焦腔腔长精细调节。
进一步的，所述半导体光放大单元包括：在同一光路上依次设置的780nm光隔离器、780nm半导体光放大器(Semiconductor Optical Amplifier，SOA)、锥形光放大器注入透镜、注入半波片、半导体锥形光放大器、准直透镜、柱面镜、780nm高功率光隔离器、780nm高损伤阈值半波片、光纤耦合头。
其中，780nm光隔离器通过780nm单模保偏光纤与所述光纤种子源单元连接，780nm光隔离器、780nm半导体光放大器SOA、锥形光放大器注入透镜之间通过780nm单模保偏光纤连接。
采用锥形光放大器实现数瓦级放大，同时具有较高的光束质量。采用光隔离器对输出光进行偏振提纯，不需要额外使用偏振滤偏元件，减少了光学元件的使用数量，降低系统复杂度。
进一步的，所述半导体光放大单元包括两个串联设置的780nm半导体光放大器SOA。采用双半导体光放大器通过饱和注入效应提升激光器的输出激光功率稳定性，降低1560nm种子源频率调谐造成的功率波动对后端功率放大的影响。
本发明与现有的商用780nm高功率单频激光器相比，能够取得以下有益效果：采用腔内共振增强倍频的方式，获得低相噪的780nm单频光纤种子源；采用低功率下倍频，倍频的热稳定性良好；采用半导体光放大方式对种子光进行放大，简化光路结构，降低有源器件光器件数量和系统复杂度，提高激光器电光效率；利用双SOA实现锥形光放大器的饱和注入和光隔离进行偏振过滤，提升输出光功率稳定性和偏振消光比。
本发明利用半导体光放大单元，通过直接电光转化对种子光进行功率放大，降低系统功耗。
本发明可以将单路半导体光放大拓展至多路放大，再通过光纤合束的方法实现更高功率的单频激光输出。
本发明不仅可以用于产生780nm的单频激光，还可应用于需要利用非线性效应产生新波长并对输出功率有较高要求的其他波长的高功率单频激光器。
附图说明
图1为780nm单频光纤激光组成框图；
图2为780nm单频半导体激光组成框图；
图3为混合型高功率单频激光器结构示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、1560nm单频激光种子源，2、1560nm光隔离器；
3、1560nm光纤耦合镜，4、第一凹面镜；
5、PPLN倍频晶体，6、第二凹面镜；
7、双色镜，8、吸光板；
9、780nm半波片，10、780nm光纤耦合镜，11、TEC温控；
12、780nm光隔离器，13、780nm半导体光放大器SOA；
14、锥形光放大器注入透镜，15、注入半波片；
16、半导体锥形光放大器，17、准直透镜；
18、柱面镜780nm，19、高功率光隔离器；
20、780nm高损伤阈值半波片，21、光纤耦合头。
1和2之间，2与3之间的光纤均为1560nm单模保偏光纤；
10-21之间的光纤为780nm单模保偏光纤，输出光纤也为780nm单模保偏光纤。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
参考图3，1560nm单频激光种子源1可采用常用的DFB/DBR单频光纤激光种子源，包括976nm单模泵浦源，分光器、波分复用器，有源光栅、偏振控制器等，偏振控制器用于保证输出激光的偏振性。
可选的，1560nm单频激光种子源1可以是常用的DFB/DBR单频光纤激光种子源，也可以是RIO公司这种1560nm半导体光栅外腔种子源。
为避免种子源后端共振倍频组件回光对种子源的性能造成不利影响，接入1560nm光纤光隔离器。1和2之间，2和3之间均采用1560nm单模保偏光纤进行保偏熔接处理。
利用1560nm光纤耦合镜3将种子光转化为空间准直光。利用第一凹面镜4([email protected]，[email protected])和第二凹面镜6([email protected]，[email protected])构成共焦腔，将倍频晶体放置于共焦腔中心位置，提高基频光光强和倍频效率，此处第一凹面镜4可粘接于环形PZT上，用于共焦腔腔长精细调节；双色镜7和吸光板8用于将剩余的基频光滤除。半波片9和光纤耦合镜10分别用于偏振对准和光纤耦合。倍频晶体和共焦腔腔长均对温度敏感，这里采用TEC11对3、4、5、6、7、8、9、10构成的倍频单元进行整体精密温控。由于该倍频单位为低功率下的倍频过程，更有利于保证倍频过程的热稳定性。
可选的，半波片9前，双色镜7后，可放置780nm带通滤波片，进一步滤除杂散光，提高种子光的光谱纯度。
倍频产生的780nm单频种子激光通过780nm保偏光纤和光纤光隔离器12注入光纤封装半导体光放大器13。为降低1560种子源频率调谐造成的功率波动对后端功率放大的影响，这里采用双半导体光放大器串联通过饱和注入效应提升激光器的输出功率稳定性。
经过半导体光放大器预放大的780nm单频激光通过注入透镜14和半波片15实现光纤波导和锥形光放大器16光波导区之间的横模和偏振匹配。为实现瓦级激光光纤输出，本发明采用既能实现高功率，并具备良好光束质量的锥形光放大器16。准直透镜17和柱面镜18用于实现锥形光放大器输出光的圆化和消像散，提高与后端光纤耦合的耦合效率。780nm宽带高功率隔离器19用于抑制光纤耦合和激光应用中回光对锥形光放大器产生影响，同时，隔离器也用于对输出激光进行偏振过滤。
可以理解的是，780nm高损伤阈值半波片20和光纤耦合头21用于实现空间激光与光纤的高效耦合。
可以理解的是，在某些实施例中，例如需要输出更高功率的单频激光，单路放大不能满足功率需要，可以利用多路放大，再通过光纤合束的方法实现。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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