没有合适的资源?快使用搜索试试~ 我知道了~
应用于下一代引力波探测器的超低噪声2 μm高功率单频光纤激光器.docx
1.该资源内容由用户上传,如若侵权请联系客服进行举报
2.虚拟产品一经售出概不退款(资源遇到问题,请及时私信上传者)
2.虚拟产品一经售出概不退款(资源遇到问题,请及时私信上传者)
版权申诉
0 下载量 169 浏览量
2023-02-23
16:46:44
上传
评论
收藏 381KB DOCX 举报
温馨提示
试读
13页
应用于下一代引力波探测器的超低噪声2 μm高功率单频光纤激光器.docx
资源推荐
资源详情
资源评论
0. 引 言
2 μm 波段单频光纤激光器(SFFL)凭借光谱线宽窄、相干长度长、噪声低、波长可调
谐、结构紧凑等优点,在非线性光学
[1]
、大气传感
[2]
、高分辨率光谱学
[3]
、相干多普勒激光
雷达
[4]
、引力波探测
[5]
等领域都得到了广泛应用。
在下一代引力波探测领域,以 LIGO Voyager 为例,计划将熔融石英腔镜替换为低温
单晶硅腔镜
[6]
。选择低温单晶硅是因为单晶硅的热膨胀系数曲线穿过零点,这将消除热噪
声中的热弹性分量,可以有效降低热噪声,并使得温度梯度引起的曲率变化半径最小
[7]
。
此外,低温单晶硅可以允许更高的激光功率(3 MW),高激光功率可以降低高频量子噪声
(shot noise)。由于单晶硅对波长在 1100 nm 以下的波长不透明,因此选择 1.5~2 µm 波长区
域的激光光源更合适。此外,相比于 1.5 µm 波段,单晶硅的吸收损耗和散射损耗在 2 µm
波段更低,从而可以获得高腔内循环光功率,进而探测器可实现高灵敏度
[8]
。而激光器的
噪声水平则是关乎整个探测装置灵敏度的另一个关键指标,其决定了系统的整体噪声水
平。为此,需要开发具有超低噪声的 2 μm 高功率单频激光器。
目前,实现 2 μm 光纤激光器单纵模运转(单频)的主要方式有分布式布拉格反射腔
(DBR)、分布反馈腔(DFB)和嵌入滤波器的环形腔
[9-11]
。从激光模式纯度、激光强度噪声和
频率噪声、结构简单等性能特点来看,短腔 DBR 单频光纤激光器具有更大的潜力。2007
年,J. Geng
[12]
等人通过与 NASA 的合作,首次在 2 μm 波段 DBR 结构的单频光纤激光器
研究方面取得突破,获得 50 mW 单频激光输出。其频率噪声水平由
3×10
4
Hz/Hz−−−√Hz@10 Hz 下降到 2×10
2
Hz/Hz−−−√Hz@10 kHz。2015 年,Q. Yang
[13]
等
人在 1 950 nm 波段获得了低噪声、窄线宽的单频激光输出。相对强度噪声(RIN)在 0~50
MHz 频率范围内,由−70 dB/Hz 下降到−135 dB/Hz。并且,其频率噪声水平在 50 Hz~4 kHz
范围内约为 3×10
5
Hz/Hz−−−√Hz。2017 年,S. Fu
[14]
等人首次利用商用掺铥光纤在 1950 nm
波段实现了线偏振单频光纤激光器,输出功率大于 50 mW,线宽约为 36 kHz。在 0~5 MHz
范围内,RIN 水平约为−112~−145 dB/Hz。2018 年,S. Xu
[15]
等人采用同带泵浦技术与 DBR
短腔结构相结合的方式,在 1 950 nm 波段获得了单频激光输出。当频率在 8.4 MHz 以上
时,输出激光的 RIN 水平低于−150 dB/Hz。同时,测量得到输出激光的线宽小于 12.55
kHz。上述 2 μm 单频光纤激光器的报道中关于强度噪声的研究很多,而关于频率噪声的研
究鲜少提及。然而,频率噪声是决定引力波探测器干涉仪灵敏度最重要的因素之一,因此
需要尽可能地降低激光频率噪声。
文中报道了一种应用于下一代引力波探测器的超低噪声 2 μm 高功率单频光纤激光
器。利用声光调制器(AOM)激光反馈回路对泵浦激光的强度噪声进行抑制,2 μm SFFL 的
RIN 获得了 3~15 dB 的噪声抑制,同时其频率噪声也获得最大 8.4 dB 的噪声抑制。利用超
低噪声激光器作为种子源,结合低噪声全保偏光纤放大技术,在激光频率噪声水平保持不
变的情况下,实现输出功率大于 5.2 W,频率响应为 45 MHz/V,频率漂移为 41.4 MHz@1
h,功率波动<0.4%@1 h,线宽<5 kHz 稳定的单频激光输出。
1. 实验装置
超低噪声 2 μm 单频光纤激光器如图 1(a)所示。 泵浦源是 1550 nm 单频激光器
(SFL),其中由一个分布式布拉格反馈(DFB)单频半导体激光器和一级掺铒光纤放大器组
成。掺铒光纤放大器采用正向泵浦方式,以 1550 nm DFB 为种子源,由一个中心波长 976
nm 的 9 W 半导体激光器作为泵浦源,一段 4 m 长的 6 μm/125 μm(纤芯直径/包层直径)的
双包层铒镱共掺光纤(Nufern, EYDF-6/125)作为增益光纤。1550 nm SFL 经过声光调制器
(AOM: 50 MHz)后进入一个 95/5 光学耦合器(Coupler),其中 5%信号端入射到光电探测器
(PD: Thorlabs, 600~1700 nm),经过光信号到电信号的转换后进入 PID 数字电路中进行信号
处理后,通过 AOM 的驱动器反馈给 AOM,形成光反馈回路。而耦合器 95%信号端则通过
2 μm 波段的保偏波分复用器(PM WDM: 1550 nm/2 000 nm)进入 PM DBR 短腔结构。PM
DBR 结构是由一对光栅和 1.5 cm 长的保偏掺铥商用光纤(Nufern, PM TSF 5/125)组成。宽带
高反光栅(HR-BW-FBG)和保偏低反光栅(LR-PM-FBG)是由实验室自主刻写的,作为谐振腔
的高反镜和输出镜。HR-BW-FBG 的中心波长为 1989.74 nm,带宽为 0.18 nm,反射率为
99%。LR-PM-FBG 的中心波长为 1989.76 nm,带宽为 0.09 nm,反射率为 90%。并且,PM
DBR 谐振腔与压电陶瓷(PZT)固定在一起,通过改变压电陶瓷的伸长量改变 DBR 谐振腔
的腔长,最终实现对激光器输出频率的扫频。最后,2 μm 输出激光通过 PM WDM 的信号
输出端后,再经过 2 μm 保偏光隔离器(PM ISO, 2 000 nm)后输出。
图 1 超低噪声 2 μm 单频保偏光纤激光器的实验装置
Fig. 1 Experimental setup of the ultra-low noise 2 μm single-frequency PM fiber laser
下载: 全尺寸图片 幻灯片
图 1(b)为两级掺铥保偏光纤放大器的结构图。第一级保偏光纤放大器采用 793 nm 半
导体激光器(BWT, LD, 8 W)作为泵浦源,并通过(2+1)×1 保偏光纤合束器(PM combiner)耦
合进入放大器的增益光纤中。增益光纤是 Nufern 公司的双包层掺铥光纤 PM-TDF-10 P/130-
HE,光纤纤芯直径为 10 μm,第一包层直径 130 μm,纤芯数值孔径 0.15,包层吸收系数为
9.60 dB/m@793 nm。采用 20 cm 长剥除涂覆层的 PM1550 单包层光纤并涂覆高折射率胶对
双包层增益光纤中残余的泵浦光进行剥离(CLS)。第二级放大器与第一级的放大器相似,其
增益光纤为 3 m 长的 PM-TDF-10 P/130-HE,泵浦光源为 2 个输出功率 8 W 的 793 nm
LD。最后放大的 2 μm 单频激光通过保偏隔离器(PM ISO)输出。
2. 实验结果与讨论
2.1 1550 nm SFL 的 RIN
泵浦的 RIN 是光纤激光器 RIN 和频率噪声最主要的噪声来源。因此,利用反馈回路
抑制泵浦的 RIN 可以有效抑制单频激光噪声水平
[16]
。实验中采用 Thorlabs 公司的铟镓砷放
大光电探测器(PDA, 10 CF-EC, 800~2600 nm)和 HEWLETE PACKARD 公司的频谱分析仪
(PSA, 89441 A, DC-2650 MHz)进行测量。当输出激光的直流电压被衰减为 5 V 时,测量得
到的 1550 nm 单频激光器抑制后的 RIN 如图 2 所示。
剩余12页未读,继续阅读
资源评论
罗伯特之技术屋
- 粉丝: 3676
- 资源: 1万+
下载权益
C知道特权
VIP文章
课程特权
开通VIP
上传资源 快速赚钱
- 我的内容管理 展开
- 我的资源 快来上传第一个资源
- 我的收益 登录查看自己的收益
- 我的积分 登录查看自己的积分
- 我的C币 登录后查看C币余额
- 我的收藏
- 我的下载
- 下载帮助
安全验证
文档复制为VIP权益,开通VIP直接复制
信息提交成功