[发明专利]一种2μm波段低噪声窄线宽单频光纤激光器

说明书

本发明提供一种2μm波段低噪声窄线宽单频光纤激光器，其包括单频激光谐振短腔、谐振腔温度控制模块、波分复用器、同带泵浦源、泵浦源强度噪声抑制模块和光隔离器。本发明用工作波长与激光信号波长相差较小的激光器作为同带泵浦源，利用强度噪声抑制模块对泵浦源进行噪声抑制，再用低噪声泵浦源用来泵浦2μm单频激光谐振短腔。最终从谐振腔内输出低噪声、窄线宽、工作波段2μm的单频光纤激光。本发明提供的激光器具有全光纤化结构、噪声性能优异、激光线宽极窄、转换效率高、结构简单等优点，可用于大气测量、激光雷达、生物医学、以及作为光学参量振荡器（OPO）的泵浦源实现3~5µm波段激光输出等方面。

技术领域

本发明属于光纤激光器技术领域，具体涉及一种2μm波段、低噪声、窄线宽的单频光纤激光器。

背景技术

2μm波段(主要集中在1.7～2.1μm)单频光纤激光器具有单一纵模输出形式，并且具有光谱线宽窄、相干性好、噪声低、结构紧凑等优点，在高分辨率光谱学、激光雷达、大气测量、生物医学、光学参量振荡器(OPO)泵浦源等领域有着一定的应用价值。然而，一些应用场合也要求单频激光具有低噪声和极窄线宽等性能，例如差分吸收雷达就要求考虑所探测的物质分子吸收带的宽度极窄，而相干多普勒测风雷达基于相干探测方式，则对激光线宽和噪声有着更加严格的要求。

目前2μm波段单频光纤激光器一般采用分布式布拉格反射(DBR)和分布式反馈(DFB)等线形短腔结构，以及环形腔结构。其针对单频激光谐振腔有两种常见泵浦方式：1.5μm光纤激光器(集中在1550～1570nm)泵浦和793nm半导体激光器泵浦。对于采用1.5μm光纤激光器同带泵浦方式而言，虽然具有较高的泵浦功率和泵浦亮度，但是此处的泵浦吸收系数较低、转换效率不高，较难实现高效泵浦和高功率输出。而利用793nm半导体激光器则局限于单模泵浦功率水平(百毫瓦量级)，无法直接从谐振腔内实现高的输出功率。因而，上述两种泵浦方式的激光转换效率都不高，并且存在明显的量子亏损(泵浦波长与激光信号波长相差较大)，因而导致热效应较大，使得激光谐振腔内的温度升高，进而影响2μm波段单频光纤激光器的频率噪声。

另外，所用泵浦源的强度噪声对输出单频光纤激光的噪声也有一定贡献。对于线形短腔结构的单频光纤激光器而言，其强度噪声来源于泵浦源的功率起伏，单频光纤激光器与泵浦源之间的强度噪声关系为：RIN＝RIN_P+20log(P/(P–P_th))。其中RIN为单频光纤激光器的强度噪声，RIN_P为泵浦源的强度噪声，P为泵浦功率，P_th为阈值泵浦功率。通过有效抑制泵浦源的强度噪声，进而可以获得低噪声的单频光纤激光输出。而且，单频光纤激光器的频率噪声正相关于泵浦源的强度噪声，通过抑制泵浦源的强度噪声也可以以一种间接的方式来降低输出单频光纤激光的频率噪声。

相关专利有：(1)2006年，天津欧泰激光科技有限公司申请了一种同带泵浦掺铥石英光纤的2微米单频激光的专利[公开号：CN 104158072A]，通过利用1570nm激光器同带泵浦掺铥石英光纤，从而获得2μm单频激光输出。(2)2017年，中国人民解放军国防科学技术大学申请了一种基于同带泵浦技术的复合腔结构光纤振荡器的专利[公开号：CN106711747A]，通过利用1010～1030nm波段掺镱光纤激光器同带泵浦复合腔结构光纤振荡器，从而获得高功率、高效率的光纤激光输出。但是上述两项专利均未考虑同带泵浦波长的优化选择问题和泵浦源强度噪声对输出单频激光噪声的影响，也未能实现极低噪声和极窄线宽输出特性，这在一定程度上限制了其应用。

发明内容