CN101237111A - 无外部调相器件的主动锁相多光纤激光器及相干组束方法 - Google Patents

Abstract

无外部调相器件的主动锁相多光纤激光器及相干组束方法。把一根有源光纤两端写入光栅，增益最大，作为主谐振腔，制作光纤激光器；再取多根长度相仿的有源光纤，制作光纤激光器。把这些光纤激光器光纤两端的部分涂敷和外包层除掉，把除掉外包层的地方外加一个共同的外包层。利用协同耦合，其余有源光纤激光器被锁相在主谐振腔的激光器上，不需要再加任何外部调相器件，简化了以往主动锁相光纤激光器的复杂反馈控制系统。可以根据需要，任意增减光纤激光器组成个数，增减组束功率；非耦合区，光纤摆放可以任意安排。可以任意组合需要的光纤激光器，分立或联合泵浦均可，散热简单，对有源光纤要求低。有受环境影响小、结构紧凑、易于实施等特点。

Description

无外部调相器件的主动锁相多光纤激光器及相干组束方法

技术领域：

本发明涉及无外部调相器件的主动锁相多光纤激光器及相干组束方法，为大功率双包层光纤激光器，尤其是主动锁相多光纤激光器激光相干组束方法，属于大功率激光器、光纤激光器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。因此需要相干组束技术，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、使用灵巧的特点，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。

光纤致密列阵耦合法：将多根相同光纤互相靠近，排成致密的列阵，在其输出端共用一个用作激光输出镜的腔片，由于各个光纤激光衍射的耦合作用，获得高能相干激光输出。这种方法属于主动调相技术，也需要参考光束，涉及到复杂的干涉探测和子激光器的相位探测，需要复杂的相位探测和调节系统，实现系统复杂、难度大。且只有一个信号臂的激光得到优化，不能同时优化所有激光臂。

耦合器光纤组束法：利用光纤耦合器，将不同光纤激光器通过耦合器耦合一根光纤输出。一端写入高反射的光纤光栅，和平面输出端4％菲涅耳反射构成激光腔，泵浦光对每个光纤进行泵浦输出激光，激光之间的相位锁定是在耦合器中光场相互叠加自动实现。光纤束越多，需要的耦合器越多，引入的插损越大，使效率下降，并且耦合器都有一定的激光损伤阈值，难以达到高功率的目的，且结构复杂，因此这种组束法不是超高功率光纤激光相干组束的选择。

发明内容

为了克服已有的光纤致密列阵耦合法和耦合器光纤组束法光纤激光器的不足，本发明提供一种无外部调相器件的主动锁相多光纤激光器及其相干组束方法。

本发明的目的是通过以下技术方案；

一种无外部调相器件的主动锁相多光纤激光器的激光相干组束方法，

有利用有源双包层光纤制作光纤激光器，把其中的一个光纤激光器两端同时写入光栅或者一端写入光栅，另外一端镀膜，作为谐振腔的步骤；

有把多根有源光纤截取相同的长度，把有源光纤两端的涂敷和外包层除掉一定长度的步骤；

有两端除掉涂敷和包层的部分，外加一个共同的外包层，采用冷压法或者熔融法，使之紧密耦合在一起的步骤；冷压法就是把同端除掉涂敷和包层的光纤紧密排列在一起，用对激射波长具有高透过率的光学胶固定各个光纤，外加一个高纯度的二氧化硅包皮管，把结合在一起的端面用同样光学胶固定在包皮管内。熔融法就是把同端除掉涂敷和包层的光纤紧密排列在一起，外加一个高纯度的二氧化硅包皮管，利用氢氧焰或者电弧放电，把它们在高温下熔接在一起。

为了增加耦合效果，有在构成激光腔的有源光纤中间增加耦合部分。除掉涂敷、外包层，外加共同的外包层，采用适当的方法使之耦合在一起的步骤；

有采用端泵或者侧面泵浦，由于只有一根光纤写有光栅，构成的谐振腔增益最强，通过协同耦合，其它有源光纤就会谐振在写有光栅的有源光纤激光腔产生的波长上，无需外加任何锁相器件，实现主动锁相的步骤。

一种无外部调相器件的主动锁相多光纤激光器；

把一根有源光纤两端写入光栅，增益最大，作为主谐振腔，制作光纤激光器；再取多根长度相仿的有源光纤，制作光纤激光器。把这些光纤激光器光纤两端的部分涂敷和外包层除掉，把除掉外包层的地方外加一个共同的外包层。

本发明的有益效果具体如下：所述光纤激光器相干组束技术不需要外部调相装置，通过两端或者/和内部协同耦合，实现主动锁相。目前已有的主动锁相多光纤激光器激光相干组束技术中，需要复杂的相干检测，探测出参考光束的相位，通过复杂的外部调整装置，改变非参考光纤激光器的输出光束的相位，使之与参考光束的相位一致，达到主动锁相的目的。

所述光纤激光器激光相干组束技术，由于每根光纤是分立的，可以独立散热。每个光纤激光器可以不需要输出太高的功率，要增加输出，只要增加光纤激光器的数量就可以了，同时对激光组束输出质量、效率没有影响。并且降低了对有源光纤的要求，简化了有源光纤的制作工艺。目前耦合器光纤组束法，受到耦合损耗、功率耐受能力的限制，输出功率低，随着耦合器增加，组束输出功率增加，但效率降低，并且组束输出功率较低。目前的被动锁相多芯光纤激光器组束输出，芯芯之间距离很小，大功率的情况下，散热难，要求光纤有较高的热损伤阈值，增加了制作难度。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。

所述光纤激光器激光相干组束技术，由于每根光纤是分立的，可以独立散热。可以实现从任意功率的激光组束输出。

所述光纤激光器激光相干组束技术，主谐振纤芯产生强烈的振荡，通过协同耦合，其它光纤激光器被主动谐振在主谐振腔的波长上。其它光纤激光器的参数选择可以放得很宽，使所述光纤激光器激光相干组束技术更容易实现，提高了性价比。

本发明利用协同耦合，其余有源光纤激光器被锁相在主谐振腔的激光器上，不需要再加任何外部调相器件，简化了以往主动锁相光纤激光器的复杂反馈控制系统。可以根据需要，任意增减光纤激光器组成个数，增减组束功率；非耦合区，光纤摆放可以任意安排。可以任意组合需要的光纤激光器，分立或联合泵浦均可，散热简单，对有源光纤要求低。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

1、图1为多光纤激光器两端写入光栅的无外部调相器件的主动锁相多光纤激光器激光相干组束示意图。

2、图2为一端镀膜、一端光纤部分写入光栅的无外部调相器件的主动锁相多光纤激光器激光相干组束示意图。

3、图3为具有三个耦合区域的无外部调相器件的主动锁相多光纤激光器激光相干组束示意图。

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：

实现无外部调相器件的主动锁相多光纤激光器及其激光相干组束方法。

方案一：

包括以下步骤：

步骤1：利用有源双包层光纤制作光纤激光器，把其中的一个光纤激光器两端同时写入光栅，作为谐振腔。

步骤2：谐振腔的有源光纤的长度根据光纤掺杂浓度、本地损耗以及泵浦功率来决定。

步骤3：把多根有源光纤截取相同的长度，并要求保证两端写有光栅的有源光纤构成的谐振腔的增益最大。

步骤4：把有源光纤两端的涂敷和外包层除掉一定长度。

步骤5：把除掉涂敷、外包层的有源光纤组合在一起，外加共同的外包层，采用适当的方法使之耦合在一起，形成图1中(11)、(12)耦合区。

步骤6：采用端面泵浦，通过耦合区(11)的端面(31)把泵浦光输入；或者侧面泵浦，透过耦合装置把泵浦光(41)(42)(43)(44)耦合进有源光纤(21)(22)(23)(24)中。

步骤7：由于只有一根光纤(21)写有光栅，构成的谐振腔增益最强，通过协同耦合，其它有源光纤就会谐振在写有光栅的有源光纤(21)激光腔产生的波长上，无需外加任何锁相器件，实现主动锁相。

步骤8：各个光纤之间在耦合区(12)间隔很小，单个激光输出在输出端相干组束，实现组束激光(45)输出。

方案二：

无外部调相器件的主动锁相多光纤激光器及其激光相干组束方法，包括以下步骤：

步骤1：利用有源双包层光纤制作光纤激光器，把其中的一个光纤激光器一端写入光栅。然后把多根有源光纤截取相同的长度，把有源光纤两端的涂敷和外包层除掉一定长度。

步骤2：两端除掉涂敷和包层的部分，外加一个共同的外包层，采用适当的方法，使之紧密耦合在一起，形成图2的耦合区(11)、(12)。

步骤3：在没有包含光栅的一端(11)端面(31)镀膜，这种膜对所要激射的激光波长是高反射的。

步骤4：(12)端的写有光栅的有源光纤(21)与(11)端的端面镀膜构成主谐振腔。

步骤5：在协同耦合的作用下，其它的有源光纤构成的激光腔被主动锁定在光纤(21)构成的主谐振腔的波长上。

步骤6：通过耦合端(12)的端面(32)输出相干组束激光(45)。

步骤7：采用端面泵浦，通过耦合区(11)的端面(31)把泵浦光输入；或者侧面泵浦，透过耦合装置把泵浦光(41)(42)(43)(44)耦合进有源光纤(21)(22)(23)(24)中。

步骤8：采用端面泵浦时，端面(31)镀的膜对谐振的激光是高反射的，但对泵浦光是高透过率的。

步骤9：由于只有一根光纤(21)写有光栅，构成的谐振腔增益最强，通过协同耦合，其它有源光纤就会谐振在写有光栅的有源光纤(21)激光腔产生的波长上，无需外加任何锁相器件，实现主动锁相。

步骤10：各个光纤之间在耦合区(12)间隔很小，单个激光输出在输出端相干组束，实现组束激光(45)输出。

实施例2：

本发明不涉及具体泵浦方式，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有源掺杂光纤，其有源介质可以为掺铒、或掺镱、或掺钬、或掺铥等。

如图1所示，为采用侧面泵浦耦合的一种无外部调相器件的激光相干组束用的主动锁相多光纤激光器。具体实施方案如下：

步骤1：准备有源双包层泵浦光纤4根。有源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：在4根有源双包层光纤的一端全部写入相同波长的光栅。

步骤3：在4根有源双包层光纤中一根(21)的另外一端写入相同波长的光栅。

步骤4：把4根光纤的两端各4mm的涂敷除掉，用氢氟酸把有源双包层光纤除掉涂敷层的光纤外包层腐蚀掉。

步骤5：把4根除掉外包层的有源双包层光纤组织在一起，外加一个共同的外包层，利用熔融法使4根光纤紧密包封在一起，形成强烈耦合区。

步骤6：把两个耦合区的端面处理干净平整。

步骤7：把泵浦光采用耦合器法接入4根有源双包层光纤中。

实施例3：

本发明不涉及具体泵浦方式，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有源掺杂光纤，其有源介质可以为掺铒、或掺镱、或掺钬、或掺铥等。

如图1所示，为采用侧面泵浦耦合的一种无外部调相器件的激光相干组束用的主动锁相多光纤激光器。具体实施方案如下：

步骤1：准备有源双包层泵浦光纤4根。有源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：在4根中的一根有源双包层光纤(21)的一端写入光栅。

步骤3：把4根光纤的两端各4mm的涂敷除掉，用氢氟酸把有源双包层光纤除掉涂敷层的光纤外包层腐蚀掉。

步骤4：把4根除掉外包层的有源双包层光纤组织在一起，外加一个共同的外包层，利用熔融法使4根光纤紧密包封在一起，形成强烈耦合区。

步骤5：把两个耦合区的端面处理干净平整。

步骤6：把没有光栅的一端端面镀膜。

步骤7：把泵浦光采用耦合器法接入4根有源双包层光纤中。

实施例4：

采用实施1或实施2或实施3的步骤，一种无外部调相器件的主动锁相多光纤激光器及其激光相干组束技术，以掺杂有源介质制作的光纤为增益介质，制作无外部调相器件的主动锁相多光纤激光器及其激光相干组束。

把一根有源光纤两端写入光栅，增益最大，作为主谐振腔；再取多根长度相仿的有源光纤。把这些光纤的两端除掉部分涂敷和外包层，把除掉外包层的地方外加一个共同的外包层。

一种激光相干组束技术用无外部调相器件的多光纤激光器，采用双包层有源光纤，其中的一根有源光纤写入光栅构成主谐振腔，把所有有源光纤激光器的两端除去涂敷和外包层，制作共同的耦合区；或在中间增加耦合区，采用协同耦合，实现主动锁相。

一种激光相干组束方法，有对主谐振的光纤激光器增加泵浦功率的步骤；采用耦合器独立泵浦，增加主谐振的光纤激光器泵浦的电流，就可以增加主谐振的泵浦高的功率。主谐振的光纤激光器可以两端写入光栅，其余的光纤激光器也可以利用平整的端面构成激光腔。

所述有源光纤为增益介质掺杂纤芯的双包层光纤，所述有源光纤的内包层可以是以下任何一种非圆形：或矩形、或D型、或圆角矩形、或六边形、或八边形、或梅花形，或为圆形；内包层可以是任意形状。有源光纤尺寸可以按照需要任意设计。

其强烈耦合区可以只有两端的2个，或在中间增加耦合区，耦合区的长度不限于4mm。所述光纤激光器可以有两个耦合区，也可以多于2个耦合区，或为1个以上。

多根光纤激光器中，只有1个为主谐振的，其增益最大，其余被锁相的光纤激光器的增益比主谐振光纤激光器小，其数量为3根或大于3根。所述光纤激光器，谐振腔不限个数，可以是任意个光纤激光器构成，或为1个以上。

利用协同耦合，其余有源光纤激光器被锁相在主谐振腔的激光器上，不需要再加任何外部调相器件。所述光纤激光器，主动锁相是各个光纤之间协同耦合实现的，不需要外加调相器件。

所述光纤激光器采用的有源光纤芯径相同，或芯径不相同。

所述光纤激光器采用的有源光纤为相同的内包层，或不相同的内包层。

所述光纤激光器可以采用镀膜构成谐振腔，或光纤光栅构成谐振腔。

所述光纤激光器，泵浦为独立泵浦，或为联合泵浦。单个泵浦功率可以独立调节。

所述光纤激光器，每个光纤激光器非耦合区的光纤形状可以安排成规则形状，或安排成不规则形状。

一种激光相干组束技术用无外部调相器件的多光纤激光器，其谐振腔的光栅定位于耦合区内，或在耦合区的外部。

一种激光相干组束技术用无外部调相器件的多光纤激光器，其各个光纤激光器排列把主谐振的光纤激光器放在比较中心的位置，或其他位置。

本发明的光纤激光器，主要用于主动锁相大功率光纤激光器激光相干组束的实现。

一种无外部调相器件的主动锁相多光纤激光器；把有源光纤(21)两端写入光栅，增益最大，作为主谐振腔，制作光纤激光器；再取多根长度相仿的有源光纤(22)、(23)、(24)，制作光纤激光器。把这些光纤激光器光纤两端的部分涂敷和外包层除掉，把除掉外包层的地方外加一个共同的外包层，制作耦合区(11)、(12)。每个有源光纤构成的激光器只有耦合区为紧密熔融在一起，其它部位可以任意排列。通过耦合区(11)、(12)使有源光纤(21)激光器产生的激光协同耦合到有源光纤(22)、(23)、(24)激光器中，对有源光纤(22)、(23)、(24)激光器实现主动锁相。激光器泵浦光可以通过端面(31)耦合进入，也可以通过耦合器(41)、(42)、(43)、(44)每根光纤激光器单独泵浦，激光通过端面(32)相干输出。

Claims (10)

1. 一种激光相干组束方法，其特征在于：有利用有源双包层光纤制作光纤激光器，把其中的一个光纤激光器两端同时写入光栅或者一端写入光栅，另外一端镀膜，作为谐振腔的步骤；

有把多根有源光纤截取相同的长度，把有源光纤两端的涂敷和外包层除掉一定长度的步骤；

有两端除掉涂敷和包层的部分，外加一个共同的外包层，采用冷压法或者熔融法，使之紧密耦合在一起的步骤；

有在构成激光腔的有源光纤中间增加耦合部分，除掉涂敷、外包层，外加共同的外包层，采用适当的方法使之耦合在一起的步骤；

有采用端泵或者侧面泵浦，通过协同耦合，其它有源光纤就会谐振在写有光栅的有源光纤激光腔产生的波长上，实现主动锁相的步骤。

2. 根据权利要求1所述的一种激光相干组束方法，其特征在于；有对主谐振的光纤激光器增加泵浦功率的步骤，采用耦合器独立泵浦，增加主谐振的光纤激光器泵浦的电流。

3. 一种激光相干组束技术用无外部调相器件的多光纤激光器，其特征是：

采用双包层有源光纤，其中的一根有源光纤写入光栅构成主谐振腔，把所有有源光纤激光器的两端除去涂敷和外包层，制作共同的耦合区；或在中间增加耦合区，采用协同耦合，实现主动锁相。

4. 根据权利要求3所述的一种激光相干组束技术用无外部调相器件的多光纤激光器，其特征在于；所述有源光纤为增益介质掺杂纤芯的双包层光纤，所述有源光纤的内包层为一种非圆形：或矩形、或D型、或圆角矩形、或六边形、或八边形、或梅花形，或为圆形。

5. 根据权利要求3所述的一种激光相干组束技术用无外部调相器件的多光纤激光器，其特征在于；其强烈耦合区可以只有两端的2个，或在中间增加耦合区，耦合区的长度不限于4mm。

6. 根据权利要求3所述的一种激光相干组束技术用无外部调相器件的多光纤激光器，其特征在于；多根光纤激光器中，只有1个为主谐振的，其增益最大，其余被锁相的光纤激光器的增益比主谐振光纤激光器小，其数量为3根或大于3根。

7. 根据权利要求3所述的一种激光相干组束技术用无外部调相器件的多光纤激光器，其特征在于；其谐振腔的光栅定位于耦合区内，或在耦合区的外部。

8. 根据权利要求3所述的一种激光相干组束技术用无外部调相器件的多光纤激光器，其特征在于；其各个光纤激光器排列把主谐振的光纤激光器放在比较中心的位置，或其他位置。

9. 根据权利要求3所述的一种激光相干组束技术用无外部调相器件的多光纤激光器，其特征在于；各个光纤激光器非耦合区的地方，安排成规则形状，或安排成不规则形状。

10. 根据权利要求3所述的一种激光相干组束技术用无外部调相器件的多光纤激光器，其特征在于；主谐振的光纤激光器可以两端写入光栅，其余的光纤激光器也可以利用平整的端面构成激光腔。

Images