單頻光纖激光器:具有長相干、窄線寬優勢 在諸多特殊領域發揮重要作用

時間:2020-01-06 09:40來源:OFweek激光網作者:weixiang 點擊:
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摘要:自1960年首臺紅寶石激光器問世以來,激光技術經歷了多次變革,目前已成為覆蓋工業加工、通信、醫療、軍事等多個領域的重要技術。而近年來最為人熟知的便是光纖激光器。

關鍵字:激光,激光技術,光纖激光器

  自1960年首臺紅寶石激光器問世以來,激光技術經歷了多次變革,目前已成為覆蓋工業加工、通信、醫療、軍事等多個領域的重要技術。而近年來最為人熟知的便是光纖激光器。
 

  光纖激光器市場概況
 

  眾所周知,按工作介質不同,可將激光器分為固體激光器、氣體激光器、染料激光器、半導體激光器、光纖激光器和自由電子激光器6種。與其他激光器相比,光纖激光器擁有結構簡單、轉換效率高、光束質量好、維護成本低、散熱性能好等優點,因此,目前光纖激光器已經成為金屬切割、焊接等傳統工業制造領域的主流光源。
 

  據OFweek產業研究中心數據顯示,2018年全球激光器市場規模達137.54億美元,同比增長5.3%;其中光纖激光器占比51.4%,同比增長6.1%。由于今年受經濟環境波動的影響,行業發展有所放緩,預計2019年光纖激光器市場規模增速將與去年基本持平,在6.5%以內。
 

  盡管光纖激光器是當前激光器市場里的最大玩家,但近年來中國光纖激光器市場同質化競爭嚴重,尋找差異化優勢成了各企業重視的課題。我們今天要討論的主角,便是除了具有激光本身良好的單色性和方向性外,還有著普通激光器難以達到的長相干長度、窄譜線寬度優點的單頻光纖激光器。
 

  何為單頻光纖激光器?
 

  所謂單頻激光器,即單縱模激光器,是一種基于半導體激光器泵浦,稀土摻雜光纖作為增益介質,結合相對復雜的控制技術的高精密單縱模超窄線寬激光光源。這種激光器能提供低的相位噪聲和相對強度噪聲,極窄的頻譜線寬和長相干長度。

單頻光纖激光器:具有長相干、窄線寬優勢 在諸多特殊領域發揮重要作用

  單頻光纖激光器

  圖片來源:上海瀚宇
 

  單頻光纖激光器最早出現于20世紀90年代,經過近30年的發展已取得了長足進步。與材料加工領域用的高功率光纖激光器不同,這種位于光纖激光市場另一賽道上的單頻激光器,因其獨特的性質和特點,有著截然不同的應用場景。
 

  由于單頻激光器線寬窄、噪聲低,這意味著它對高精密的震動較為敏感,且較長的相干長度確保了長距離傳感的精度,因此單頻激光器在高精度/高靈敏度/遠距離傳感系統、下一代通信技術、相干技術、遙感技術、相干激光雷達等多個領域有著突出優勢。
 

  單頻激光器四大關鍵性能指標
 

  單頻光纖激光器的主要性能指標包括相位噪聲、相對強度噪聲(RIN)、線寬、波長穩定性和頻率漂移。
 

  所謂相位噪聲,即單頻激光器所發激光的頻譜譜線不再是單一的線條,而是有一定的寬度,這個寬度的大小即反映單頻激光器相位噪聲的高低。相位噪聲的具體表現為:以觀測點為基準,光波隨著時間變化在相位上隨機起伏或延遲。相位噪聲是衡量單頻激光器最重要的參數之一,對單頻激光的線寬有著重要影響。
 

  相對強度噪聲是指激光器的輸出平均功率和某個頻率下的噪聲的比值。在實際應用中,單頻激光器的相對強度噪聲往往會作為重要的噪聲源,影響相干探測系統(如連續工作的相干多普勒測風激光雷達、相位敏感型OTDR系統解調系統)的本底噪聲水平。
 

  單頻激光器的線寬是一種頻域的概念,可以理解為頻譜的譜線寬度。從單頻激光器的相位噪聲描述中可以得出,相位噪聲能夠直觀反映單頻激光器的線寬。對單頻激光器的線寬測試通常通過延時自外差非平衡M-Z干涉儀的方式進行,其線寬測試和積分時間(或者說延時光纖長度)相關。
 

  波長穩定性和頻率漂移是單頻激光器性能的直觀體現。由于單頻光纖激光器具有較長的諧振腔長度,采用了對溫度和應變及振動敏感的關鍵器件-光纖光柵,其波長穩定性或者頻率漂移是一種挑戰。
 

  四種主流單頻光纖激光器優缺點對比
 

  據OFweek激光網了解,目前主流的單頻光纖激光器主要分為短直腔型和環形腔型兩大類。其中,短直腔結構的單頻光纖激光器包括分布反饋(DFB)型和分布布拉格反射(DBR)型;而環形腔結構的單頻光纖激光器構型較多,目前比較成熟能夠商用的技術包括“虛擬環形腔”技術(以美國Obits Lightwave公司為代表)以及 “優化行波腔”技術(以上海瀚宇為代表)兩種。
 

  分布反饋(DFB)型單頻光纖激光器,優點是結構簡單,易實現單縱模輸出;抗干擾能力強;成本低廉,適合于批量應用。其核心技術是在稀土摻雜的有源光纖纖芯內部刻寫相移型光纖光柵,兩段均勻周期的光纖布拉格光柵之間有一定的距離,用來實現特定的相移,例如1/4波長或者1/2波長。通過泵浦光的激勵,獲取單頻激光的輸出。相移型有源光纖光柵即作為諧振腔的增益介質,又同時作為超窄帶的濾波器選取單縱模輸出。
 

單頻光纖激光器:具有長相干、窄線寬優勢 在諸多特殊領域發揮重要作用

  DFB型單頻光纖激光器原理圖

  圖片來源:上海瀚宇
 

  而這種方案缺點也很明顯,包括1/4波長相移型光纖光柵要求技術難度高、需要選擇合適的稀土摻雜光纖、且相移光柵封裝要求較高等。主要廠家包括丹麥NKT Photonics、法國IxBlue、中科院半導體所、上海光機所、山東省科學院激光研究所、上海瀚宇(上??頗頌丶す?。
 

  分布布拉格反射(DBR)型單頻光纖激光器,通過高摻雜濃度的磷酸鹽玻璃光纖實現較高增益,短直腔設計可以實現較高功率輸出。但較難實現高強度的熔接,諧振腔可靠性差,且對選頻的光柵要求較高。此外,短直腔制作困難,難以適應苛刻的工作環境。主要廠家包括NP Photonics、Advalue Photonics、華南理工大學等。
 

  虛擬環形腔技術又稱為“復合腔技術”,具備線形腔的基本結構,由光纖光柵構成直腔的腔鏡,本質上仍然是短直腔結構,腔長決定的FSR依然是獲取單縱模的關鍵,要求腔長較短。虛擬環形腔技術結合了短直腔和環形腔的思想,在駐波腔內實現了行波運轉,從技術角度看屬于目前來說比較優秀的一項技術,但是技術工藝實現難度大,缺少可復制性且成本昂貴。代表企業為美國Obits Lightwave。
 

  優化行波腔技術特點在于,在消除駐波空間燒孔效應的同時,通過長腔長的設計使較長的增益光纖充分吸收泵浦光,實現高功率輸出。同時,行波運轉時能大幅度降低光纖激光器的相對強度噪聲和相位噪聲,實現<1kHz的超窄線寬,并通過全光纖型窄帶濾波器注入選取單縱模輸出,長飽和吸收體穩定單縱模運轉。此外,單偏振控制消除偏振燒孔效應,實現穩定的單偏振輸出,偏振消光比高達25dB以上。典型代表為上海瀚宇的CoSF-R型系列產品。
 

  各類單頻激光器關鍵性能指標對比
 

  前文提到了單頻光纖激光器的四個關鍵性能指標,那么各類單頻激光器在四個關鍵指標上又有怎樣的表現呢?
 

  影響單頻激光器相位噪聲的因素很多,通俗的角度來說,單頻激光器內的增益介質的長度和形狀,光波導的精細程度,諧振腔的長短能夠客觀反映單頻光纖激光器相位噪聲的高低。單頻光纖激光器和半導體激光器相比,諧振腔長度要長的多,以短直腔結構的分布反饋(DFB)型單頻光纖激光器為例,諧振腔長度大約為2-10cm,而單頻半導體激光器的諧振腔大約為百um到mm量級,而上海瀚宇的CoSF-R“優化行波腔型”的單頻光纖激光器腔長高達10米以上,具有極低的相位噪聲。
 

  決定單頻激光器在中低頻段的相對強度噪聲水平的指標是馳豫振蕩峰值。單頻半導體激光器得益于有源增益介質和諧振腔的構成,電極和增益介質的“重疊”程度高,展現出極其優秀的相對強度噪聲(RIN)性能,馳豫振蕩峰通常高達GHz量級。而光纖激光器本質上屬于端面泵浦,有源介質在長度上受到的泵浦激勵不均勻,同時,因為諧振腔較長而具有馳豫振蕩峰值頻率較低的特性,分布反饋(DFB)型單頻光纖激光器的馳豫振蕩峰值頻率通常在幾百kHz到1MHz附近。
 

  單頻光纖激光器因為馳豫振蕩峰值頻率較低,需要對單頻光纖激光器的相對強度噪聲(RIN)進行抑制,經典的手段包括:電流負反饋型,飽和放大,外腔注入鎖定等。上海瀚宇研制的CoSF-D型分布反饋(DFB)型單頻光纖激光器經過相對強度噪聲(RIN)抑制,得到了較好的結果,如下圖所示。
 

單頻光纖激光器:具有長相干、窄線寬優勢 在諸多特殊領域發揮重要作用

  圖片來源:上海瀚宇
 

  從圖中可見,經過抑制的CoSF-D型分布反饋(DFB)型單頻光纖激光器在低頻段的相對強度噪聲低于-145dBc/Hz,馳豫振蕩峰值低于-140dBc/Hz,高頻段的相對強度噪聲低于-150dBc/Hz,接近于散粒噪聲水平??梢運?,經過抑制的CoSF-D型分布反饋(DFB)型單頻光纖激光器相對強度噪聲水平已經優于單頻半導體激光器,同時兼具了低相位噪聲和低相對強度噪聲的特點,可進行穩定的單縱模運轉,單頻、單偏振、單縱模輸出。
 

  前文提到,線寬可以理解為頻譜的譜線寬度,而相位噪聲能夠直觀反映單頻激光器的線寬。與單頻半導體激光器相比,單頻光纖激光器具有更低的相位噪聲,因此單頻光纖激光器的本征線寬遠比單頻半導體激光器窄,這是由單頻激光器的諧振腔構型,波導結構以及諧振腔長度決定的。目前單頻半導體激光器還沒有出現線寬低于1kHz的產品,而NKT Photonics公司的Koheras E15型DFB單頻光纖激光器標稱線寬<0.1kHz,本征線寬只有數十Hz;上海瀚宇的CoSF-D-ER型分布反饋(DFB)單頻光纖激光器的本征線寬只有幾十Hz,和NKT公司的E15非常接近,均遠遠低于單頻半導體激光器。
 

  由于單頻光纖激光器具有較長的諧振腔長度,而關鍵器件-光纖光柵又對溫度和振動非常敏感,這對波長穩定性和頻率漂移的控制是一種挑戰。據悉,上海瀚宇的CoSF-D系列分布反饋(DFB)單頻光纖激光器通過合理設計激光器中有源相移光纖光柵的封裝,精細控制TEC電路,使得波長穩定性得到較好的控制,波長穩定性在10pm左右。
 

  此外,為了能夠滿足主動波長鎖定和對頻率漂移有苛刻要求的應用,CoSF-D型分布反饋(DFB)單頻光纖激光器的有源相移光纖光柵可以安裝在壓電陶瓷換能器(PZT)上,用于調節單頻光纖激光器的腔長,實現對單頻光纖激光器的波長鎖定或者快速調制。CoSF-D型分布反饋(DFB)單頻光纖激光器選取的PZT能夠在200V的電壓驅動情況下,實現接近20GHz的波長調諧范圍,快速波長調制的線性響應頻率可達20kHz,能夠很好滿足諸如固定差頻鎖定,外注入鎖定穩頻的需求。
 

  單頻激光器市場現狀及應用前景
 

  經歷了幾十年的發展后,單頻光纖激光器技術已經發展相對成熟且完善,作為一種重要的高精密光源,單頻光纖激光器的應用領域非常廣泛。盡管與主流材料加工市場的大功率光纖激光器相比,單頻激光器市場體量較小,但憑借獨特的性能以及特殊領域的廣泛應用,將成為激光技術隊伍里的重要補充。
 

  目前,單頻激光器主要用于分布式光纖聲波傳感系統、周界安全、水聽、用于相干激光雷達系統實現高精度的成像、速度和距離的遙感探測。此外,石油和天然氣勘探系統、管道監控、氣體泄露檢測、冷原子物理、空間激光通信以及微波光子學等領域,單頻激光器也將發揮重要作用。

【光粒網綜合報道】( 責任編輯:weixiang )
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