CN101237110A - 主动锁相多芯相干包层泵浦大功率光纤激光器及制备方法 - Google Patents

Abstract

一种主动锁相多芯相干包层泵浦大功率光纤激光器及植被方法，利用有源介质制作纤芯，纤芯之间可以按照一定规律排列，也可以任意方式排列；纤芯之间距离在满足协同耦合的情况下，可大可小；纤芯的数量可以根据需要可多可少。在多芯光纤的一端镀膜；另外一端切割平整，只有其中的一个纤芯写入光栅，与镀膜面一起构成主谐振腔，起主动谐振锁相的功能，不需要添加额外的锁相反馈控制系统。本发明可以大大降低被动锁相多芯光纤激光器对多芯光纤一致性要求，简化了多芯光纤制作工艺要求，也简化了以往主动锁相光纤激光器的复杂反馈控制系统。本发明还具有受环境影响小、结构紧凑、易于实施等特点。

Description

主动锁相多芯相干包层泵浦大功率光纤激光器及制备方法

技术领域

本发明涉及一种主动锁相多芯相干包层泵浦大功率光纤激光器及制备方法，有源多芯包层泵浦光纤以及光纤光栅的定点写入技术，尤其是主动锁相多芯相干包层泵浦大功率光纤激光器，属于大功率激光器、特种光纤、光纤激光组束以及光电子器件领域。

背景技术

稀土掺杂光纤领域是当前光学中一个崭新的分支，稀土离子的增益特性结合光纤的优点，发展出了很多结构紧凑、效率高的器件，特别是稀土掺杂光纤激光器得到了前所未有的高速发展。掺镱包层泵浦光纤激光器可以实现高功率高光束质量的激光输出，是当前国际上研究的一大热点。

高功率光纤激光器将半导体激光器泵浦技术和双包层光纤掺杂制造技术有机结合起来，吸收两者优势，将高功率、低亮度、廉价的多模LD光通过泵浦双包层光纤结构，实现高亮度、衍射受限的单模激光输出，大大提高了耦合及转换效率，增加了输出激光功率。光纤激光器只消耗相当于1％的灯泵激光器所需电能，同时其效率是半导体泵固体激光器(Nd激光系统)的两倍以上。更高的效率、更长的使用寿命、更少的维护结合起来使得光纤激光器拥有者的成本富有极强的吸引力。

光纤激光器以其卓越的性能和低廉的价格，在光纤通信、工业加工、医疗、军事等领域取得了日益广泛的应用。尽管在实验室已经实现单个光纤输出超过1kW的单模激光，但是随着激光技术应用的发展，以及材料加工、空间通信、激光雷达、光电对抗、激光武器等的发展，需要高功率、高质量、高强度的激光，要求单模输出功率达到MW甚至GW量级；由于受到非线性、结构因素和衍射极限的限制，且随着功率的增加，光束质量变差。因此需要组束技术，实现大功率、高质量的激光输出。

激光组束分为相干组束和非相干组束。非相干组束是通过多个相近激光波长在近场或远场获得光场的叠加，可以提高激光亮度，但是光束质量严重变差，且效率低下。

多路激光束通过相干叠加，输出很亮的激光，同时光束的M²因子保持不变，因此利用光纤激光器结构简单、体积小、使用灵巧采用相干组束实现大功率高质量的激光，在光电对抗和导弹防御等军事、大型设备精密加工工业以及核聚变点火中发挥重要作用，使得光纤激光相干组束受到广泛的重视，具有广阔的市场前景。

多芯光纤自组装：一根共用的内包层中类光子晶体样排列多个掺杂单模光纤，这些纤芯直径和掺杂参数相同，芯芯之间距离为微米量级，同时芯芯排列成环形、矩形等规则几何形状，泵浦光对所有的纤芯同时泵浦，在光纤的输出端就可以获得多路激光。多路激光束之间距离很近并且规则排列，在传输过程中各个芯内的激光束通过瞬逝波产生耦合，实现被动锁相。这种自组织多芯光纤激光器，其各个纤芯的一致性要求及其苛刻，其同相位输出是靠各个纤芯的参数的高度一致性来保证的，工艺实现及其困难，目前还没有大功率光纤激光器用此类光纤的报道；而且被动锁相，某个芯的作用占主导是随机的，容易造成波长漂移及其功率波动，不利于应用。

发明内容

为了克服已有的自组装多芯被动锁相光纤激光器的不足，本发明提供一种主动锁相多芯相干包层泵浦光纤激光器及制备方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种主动锁相多芯相干包层泵浦光纤激光器制备方法，包括以下步骤；

截取适当的多芯光纤长度，多芯光纤的一端镀高反射率的膜，这种膜对于要激射的激光波长是高反射的，但是对于泵浦光的波长是全透过的；多芯光纤的另外一端，切割平整，在这一端中的一个纤芯中写入光栅，光栅反射的波长与镀膜所高反射的波长对应，一起构成主谐振腔。

当泵浦光耦合进入多芯光纤时，主谐振的光纤增益系数高，在光栅波长上实现振荡激射激光，其它的纤芯通过协同耦合，谐振在主谐振的波长上，整个多芯光纤产生的激光被主谐振腔锁定，完成主动锁相。

一种主动锁相多芯相干包层泵浦光纤激光器，利用有源介质制作纤芯，纤芯之间可以按照一定规律排列，也可以任意方式排列；纤芯之间距离在满足协同耦合的情况下，可大可小；纤芯的数量可以根据需要可多可少。在多芯光纤的一端镀膜；另外一端切割平整，只有其中的一个纤芯写入光栅，与镀膜面一起构成主谐振腔，起主动谐振锁相的功能，不需要添加额外的锁相反馈控制系统。

本发明的有益效果具体如下：

所述多芯光纤激光器不需要额外的相位控制器件。已有的主动锁相的多个光纤激光器组束，需要复杂的相干检测，复杂的反馈控制系统来保证各个光纤激光器之间相位的一致。造成系统复杂，元件众多，可靠性低，成本高。

所述多芯光纤激光器由于采用主动锁相，主谐振纤芯产生强烈的振荡，通过协同耦合，其它纤芯被主动谐振在主谐振腔的波长上。其它纤芯的参数选择可以放得很宽，不像被动锁相的多芯光纤激光器，大大降低了对多芯光纤的要求，简化了制作工艺，使所述多芯光纤激光器更容易实现，提高了性价比。

本发明可以大大降低被动锁相多芯光纤激光器对多芯光纤一致性要求，简化了多芯光纤制作工艺要求，也简化了以往主动锁相光纤激光器的复杂反馈控制系统。本发明还具有受环境影响小、结构紧凑、易于实施等特点。

附图说明

图1为多芯相干光纤激光器腔示意图。

图1中11为多芯光纤的一个端面；

图1中12为多芯光纤的另外一个端面；

图1中21为多芯光纤中的一个纤芯；

图1中22为多芯光纤中的最中心的纤芯；

图1中23为多芯光纤中的外包层。

图2为19芯的多芯相干光纤激光器示意图。

图2中11为多芯光纤的一个端面；

图2中12为多芯光纤的另外一个端面；

图2中21为多芯光纤中的一个纤芯；

图2中22为多芯光纤中的最中心的纤芯；

图2中23为多芯光纤中的外包层；

图2中31为半导体泵浦激光器；

图2中32为多芯光纤激光器输出的激光。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述。

实施例1：

利用多芯光纤制作多芯主动锁相光纤激光器。方案一，如图1所示，在多芯光纤的11端端面镀高反射的膜，高反射膜对哪个波长起高反射，由需要来决定，可以镀不同反射波长的高反射膜；在多芯光纤的12端端面切割平整，把多芯光纤中位于中心的纤芯写入光栅，光栅的波长根据需要激发的波长来选择，在12端端面的其余纤芯上不写入光栅。最中心的光纤纤芯构成主谐振腔。

方案二，如图1所示，在多芯光纤的11端端面内的所有纤芯中写入高反射率的光栅，高反射光栅对哪个波长起高反射，由需要来决定，可以写入不同波长的高反射率光栅，这个光栅可以是宽带的，也可以是窄带的；在多芯光纤的12端端面切割平整，把多芯光纤中位于多芯光纤中心的纤芯写入光栅，光栅的波长根据需要激发的波长来选择，在12端端面的其余纤芯上不写入光栅，这个光栅的波长也与11端的波长匹配。最中心的光纤纤芯构成主谐振腔。

主谐振腔的制作是关键，激光器工作时，主谐振腔起振，由于多芯光纤之间距离很近，芯芯之间能够协同耦合起振，迫使其它的纤芯同主谐振腔芯同步，锁定在主谐振波长上，完成主动锁相。

实施例2：

本发明不涉及泵浦方式，可以采用端面泵浦、侧面泵浦以及耦合器泵浦等，这些均为专利持有人或者文献报道者所拥有。

实施例2中采用的掺杂光纤为掺镱光纤，在多芯光纤中构造谐振腔。

如图2所示，为采用端面泵浦耦合的一种主动锁相多芯相干光纤激光器。具体实施方案如下：

步骤1、准备多芯包层泵浦光纤。多芯光纤长度根据掺杂浓度、泵浦功率以及光纤本底损耗决定。

步骤2、如图2所示，把多芯包层泵浦光纤的端面11、端面12处理平整。

步骤3、在端面11镀对激光器谐振波长高反射的膜，对975nm等泵浦光高透过率的膜。

步骤4、在靠近端面12的纤芯的最中间的纤芯22写入光栅，但是同端的其它芯不写入光栅。

步骤5、写入光栅的芯起主导作用，通过协同耦合，使其它的芯谐振在主芯构成的腔的谐振波长上。

步骤6、泵浦激光器31通过多芯光纤端面11输入，产生的激光通过端面12输出激光32。

步骤7、输出的多芯相干激光可以直接输出应用，也可以进一步处理后再使用。

实施例3：

本发明不涉及泵浦方式，可以采用端面泵浦、侧面泵浦以及耦合器泵浦等，这些均为专利持有人或者文献报道者所拥有。

实施例3中采用的掺杂光纤为掺镱光纤，在多芯光纤中构造谐振腔。

如图2所示，为采用端面泵浦耦合的一种主动锁相多芯相干光纤激光器。具体实施方案如下：

步骤1、准备多芯包层泵浦光纤。多芯光纤长度根据掺杂浓度、泵浦功率以及光纤本底损耗决定。

步骤2、如图2所示，把多芯包层泵浦光纤的端面11、端面12处理平整。

步骤3、在端面11中所有的纤芯中写入光栅，写入的光栅反射波长相同。

步骤4、在靠近端面12的纤芯的最中间的纤芯22写入光栅，但是同端的其它芯不写入光栅。

步骤5、在端面11写入的光栅与端面12写入光栅的纤芯构成主谐振腔，通过协同耦合，使其它的芯谐振在主芯构成的腔的谐振波长上。

步骤6、泵浦激光器31通过多芯光纤端面11输入，产生的激光通过端面12输出激光32。

输出的多芯相干激光可以直接输出应用，也可以进一步处理后使用。

实施例4：

采用多芯包层泵浦光纤，多芯光纤构成的光纤激光器腔一端的具有高的反射，另一端采用选择性的高反射，只有起主谐振的腔的纤芯具有高反折射，起主谐振的作用；其它的纤芯采用低反射，透过协同耦合，被主动锁相在主动谐振的激光波长上。

多芯包层光纤为增益介质掺杂纤芯的多芯包层光纤，所述多芯包层光纤的任意单个芯内包层为一种非圆形：矩形、或D型、或圆角矩形、或六边形、或八边形以及或梅花形，或为圆形。

多芯包层光纤每根纤芯为增益介质掺杂纤芯的双包层纤芯，增益介质或对光泵浦或者电泵浦的元素掺杂。不局限于实施例中提到的掺镱作为增益介质。

多芯包层光纤每根纤芯为增益介质掺杂纤芯的双包层纤芯，增益介质为相同的掺杂，或为不同的掺杂。

多芯包层光纤每根纤芯为增益介质掺杂纤芯的双包层纤芯，其内包含的纤芯数量为任意的，可以根据需要决定多芯光纤由多少个纤芯构成。不局限于前文提到的作为范例的19芯。

多芯包层光纤每根纤芯为增益介质掺杂纤芯的双包层纤芯，每根纤芯之间的形状安排可以是任意的，不局限于特定的形状，或为异型或非异型。

多芯包层光纤每根纤芯为增益介质掺杂纤芯的双包层纤芯，每根纤芯之间的距离间隔可以为任意的，不局限于特定的间隔。

动锁相多芯光纤激光器激光腔，其中的一个纤芯构成主谐振腔，那一个纤芯选择为主谐振腔，可以是任意的，不局限于最中间的纤芯，或其位置包含在全体纤芯中。

动锁相多芯光纤激光器激光腔，一端镀高反射的膜；另外一端切割平整，其中的一个纤芯写入光栅与镀膜面对应的纤芯一起构成主谐振。

动锁相多芯光纤激光器激光腔，镀高反膜的端也可以采用在这端面的所有纤芯中同时写入一样的光栅；另外一端切割平整，其中的一个纤芯写入匹配的光栅与全部有光栅的端面对应的纤芯一起构成主谐振。

主动锁相多芯光纤激光器，可以采用任意泵浦方式。

Claims (10)

1. 一种主动锁相多芯相干包层泵浦光纤激光器制备方法，其特征在于：有以下步骤；

截取适当的多芯光纤长度，多芯光纤的一端镀高反射率的膜，多芯光纤的另外一端，切割平整，在这一端中的一个纤芯中写入光栅，光栅反射的波长与镀膜所高反射的波长对应，一起构成主谐振腔；

当泵浦光耦合进入多芯光纤时，主谐振的光纤增益系数高，在光栅波长上实现振荡激射激光，其它的纤芯通过协同耦合，谐振在主谐振的波长上，整个多芯光纤产生的激光被主谐振腔锁定，完成主动锁相。

2. 一种主动锁相多芯相干包层泵浦大功率光纤激光器，其特征在于；采用多芯包层泵浦光纤，多芯光纤构成的光纤激光器腔一端的具有高的反射，另一端采用选择性的高反射，只有起主谐振的腔的纤芯具有高反折射，起主谐振的作用；其它的纤芯采用低反射，透过协同耦合，被主动锁相在主动谐振的激光波长上。

3. 根据权利要求2所述的一种主动锁相多芯相干包层泵浦大功率光纤激光器，其特征在于；多芯包层光纤为增益介质掺杂纤芯的多芯包层光纤，所述多芯包层光纤的任意单个芯内包层为一种非圆形：矩形、或D型、或圆角矩形、或六边形、或八边形以及或梅花形，或为圆形。

4. 根据权利要求3所述一种主动锁相多芯相干包层泵浦大功率光纤激光器，其特征在于；所述多芯包层光纤每根纤芯为增益介质掺杂纤芯的双包层纤芯，增益介质或对光泵浦或者电泵浦的元素掺杂。

5. 根据权利要求3所述一种主动锁相多芯相干包层泵浦大功率光纤激光器，其特征在于；所述多芯包层光纤每根纤芯为增益介质掺杂纤芯的双包层纤芯，增益介质为相同的掺杂，或为不同的掺杂。

6. 根据权利要求3所述一种主动锁相多芯相干包层泵浦大功率光纤激光器，其特征在于；所述多芯包层光纤每根纤芯为增益介质掺杂纤芯的双包层纤芯，其内包含的纤芯数量为1个以上。

7. 根据权利要求3所述一种主动锁相多芯相干包层泵浦大功率光纤激光器，其特征在于；所述多芯包层光纤每根纤芯为增益介质掺杂纤芯的双包层纤芯，每根纤芯之间的形状为异型或非异型。

8. 根据权利要求2所述一种主动锁相多芯相干包层泵浦大功率光纤激光器，其特征在于；所述动锁相多芯光纤激光器激光腔，其中的一个纤芯构成主谐振腔，位置包含在全体纤芯中。

9. 根据权利要求2所述一种主动锁相多芯相干包层泵浦大功率光纤激光器，其特征在于；所述动锁相多芯光纤激光器激光腔，一端镀高反射的膜；另外一端切割平整，其中的一个纤芯写入光栅与镀膜面对应的纤芯一起构成主谐振。

10. 根据权利要求8所述一种主动锁相多芯相干包层泵浦大功率光纤激光器，其特征在于；所述动锁相多芯光纤激光器激光腔，镀高反膜的端也可以采用在这端面的所有纤芯中同时写入一样的光栅；另外一端切割平整，其中的一个纤芯写入匹配的光栅与全部有光栅的端面对应的纤芯一起构成主谐振。

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