CN101826697B - 一种分布式布拉格反射光纤激光器的制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种分布式布拉格反射光纤激光器的制作方法，属于光纤激光器的制作方法，解决现有制作方法不能有效确定光纤光栅最佳反射率的问题。本发明包括光路组建步骤、对准步骤和加工步骤，在加工步骤中利用飞秒激光对有源光纤尾部刻写后端布拉格光纤光栅，当光功率计显示的输出光功率最大时，遮挡飞秒激光光束，形成后端布拉格光纤光栅，构成有源光纤激光器。本发明为DBR光纤激光器的最优化设计带来了极大的灵活性，能够找到针对特定有源光纤参数的最佳的FBG反射率，最大程度的挖掘了光纤激光器的潜力，使能效比达到最大值，大大的提高了泵浦光到信号光的转化效率。
Description
技术领域
本发明属于光纤激光器的制作方法，特别涉及一种分布式布拉格反射(DBR)光纤激光器的制作方法，利用飞秒激光在有源光纤中在线制作高能效比的DBR光纤激光器。
背景技术
光纤激光器具有波导式结构，其转换效率高、阈值低、输出光束质量好、线宽窄，并且结构紧凑，克服了谐振腔激光器组件繁多的缺陷，已经在在光通信、工业加工、军事和医疗等领域获得重要应用。为了实现光纤激光器的全光纤化，目前大多采用光纤光栅来代替外腔反射镜，即产生了所谓的分布式布拉格反射(DBR)光纤激光器。DBR激光器是常见的基于F-P谐振腔的光纤激光器，由一对布拉格(Bragg)波长相同的光纤光栅构成，整个激光器谐振腔结构简单，且由于光纤光栅是窄带反馈元件，激光器输出波长由光纤光栅的Bragg波长精确的确定，能够实现稳定的窄线宽运作和宽带调谐。
因DBR光纤激光器具有高效率、高光束质量、良好的光谱特性、结构紧凑和散热特性好等优点，成为国内外研究的热点。其中光纤光栅的反射率对激光器的斜率效率以及最大输出功率有直接影响，但现有制作方法，采用事先统一生产的具有固定反射律的光纤布拉格光栅，使用光纤熔接机将其熔接到有源光纤的两端，然而不同的有源光纤的具体参数不同对光纤光栅的反射率有不同的要求。现有方法不能有效确定光纤光栅的最佳反射率。
发明内容
本发明提供一种分布式布拉格反射光纤激光器的制作方法，使用飞秒脉冲激光在有源光纤中直接制作DBR激光器，解决现有制作方法不能有效确定光纤光栅最佳反射率的问题。
本发明的一种分布式布拉格反射光纤激光器的制作方法，包括下述步骤：
一.光路组建步骤：将激光泵浦源尾纤与有源光纤输入端熔接，将光功率计正对有源光纤输出端；将飞秒激光写入系统放在有源光纤尾部，所述有源光纤尾部为距离有源光纤输出端5～10cm的一段有源光纤，所述飞秒激光写入系统由飞秒激光光源、平凸柱透镜、相位掩模板和一对光纤调整架构成；所述有源光纤头部事先已刻写前端布拉格光纤光栅，其反射率大于等于98％；
二.对准步骤：打开激光泵浦源，将激光泵浦光功率锁定在50～450mW；打开光功率计并调零；打开飞秒激光光源，将其功率调为300～500mW，飞秒激光光束经过平凸柱透镜和相位掩模板，在相位掩模板后方呈现一个线状光斑，调整有源光纤尾部相对于线状光斑的位置，使有源光纤的纤芯和线状光斑重合；
三.加工步骤：将飞秒激光的输出功率调大，直至超过刻写布拉格光纤栅所需激光强度阈值，将飞秒激光的输出功率固定为大于所述阈值100～300mW，对有源光纤尾部刻写后端布拉格光纤光栅；刻写的同时，观察光功率计的读数，当光功率计显示的输出光功率最大时，遮挡飞秒激光光束，形成后端布拉格光纤光栅，构成有源光纤激光器。
所述的制作方法，其特征在于：
所述加工步骤中，确定光功率计显示的输出光功率最大采用如下方法：当光功率计指针变化速率缓慢趋向静止时，表明该DBR光纤激光器的输出功率已经达到最大值。由于在光纤布拉格光栅刻写的起始阶段输出光功率增长速度较快，但输出光功率在最大值附近的变化速率极其缓慢——这为光功率最大值的确定提供了依据。
本发明涉及的装置包括一个半导体激光泵浦源(LD)和一套飞秒激光写入系统，所述飞秒激光写入系统的核心组件包括飞秒激光光源、平凸柱透镜、相位掩模板和一对光纤调整架，平凸柱透镜的焦距为60mm，特定的相位掩模板对应特定的光纤布拉格光栅(FBG)工作波长。所述半导体激光泵浦源型号为LC96J74P-20FXR，最大输出功率480mW，尾纤输出；有源光纤头部事先已经采用飞秒脉冲激光制作了高反射率的光纤光栅(工作波长为输出激光波长，针对该波长的反射率≥99％)，有源光纤尾部的涂覆层已被剥除(该区域就是飞秒激光在线写入光纤光栅的区域)。
考虑到分布式布拉格反射(DBR)光纤激光器所用有源光纤纤芯掺杂浓度不同或光纤长度不同，对作为后腔镜的光纤布拉格光栅(FBG)反射率也会有不同的要求，在线刻写FBG可以说是一种个性化的设计——为特定的参数的有源光纤度身定做一个最适合它的后腔镜FBG，构成一个F-P谐振腔。本发明将飞秒激光在线刻写光纤光栅的技术引进到DBR光纤激光器制作领域，为DBR光纤激光器的最优化设计带来了极大的灵活性，能够找到针对特定有源光纤参数的最佳的FBG反射率，从而最大程度的挖掘了光纤激光器的潜力，使能效比达到最大值，大大的提高了泵浦光到信号光的转化效率。
附图说明
图1为本发明涉及的装置结构示意图；
图2为飞秒激光写入系统示意图；
图3为本发明实施例所使用的一种有源光纤横截面示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1所示，本发明涉及的装置包括一个半导体激光泵浦源(LD)和一套飞秒激光写入系统，半导体激光泵浦源发射泵浦光1，有源光纤3头部事先已刻写前端布拉格光纤光栅2，飞秒激光写入系统的相位掩模板4放在有源光纤3尾部，利用飞秒激光6对有源光纤3尾部刻写后端布拉格光纤光栅5；用光功率计8观察输出光7功率。
如图2所示，飞秒激光写入系统包括飞秒激光光源、平凸柱透镜9、相位掩模板4和一对光纤调整架，飞秒激光光源发射飞秒激光6，经过平凸柱透镜9和相位掩模板4，在相位掩模板后方呈现一个线状光斑10，一对光纤调整架架设在有源光纤3的两端，以便调整有源光纤相对相位掩模板4的位置。
半导体激光泵浦源采用型号为LC96J74P-20FXR的LD，工作波长为974nm，最大输出功率可达480mW。泵浦光通过尾纤输出，尾纤的模场直径为5.9um，包层直径为125um。飞秒激光光源采用Spectrum Physics公司的产品，工作波长为800nm，脉宽50fs，重复频率1KHz。
选取烽火科技公司提供的掺镱双包层D型光纤和掺铒单模光纤作为有源光纤，如图3所示，掺镱双包层D型有源光纤，其横截面自外向内为：外包层3-1、内包层3-2、D型纤芯3-3。
实施例1，包括下述步骤：
一.光路组建步骤：将激光泵浦源尾纤与掺镱双包层D型有源光纤3输入端熔接，将光功率计8正对有源光纤3输出端；将飞秒激光写入系统放在有源光纤3尾部，所述有源光纤尾部为距离有源光纤输出端5cm的一段有源光纤，有源光纤头部事先已刻写前端布拉格光纤光栅，其反射率大于99％；
二.对准步骤：打开激光泵浦源，将激光泵浦光1功率锁定在50mW；打开光功率计并调零；打开飞秒激光光源，将其功率调为300mW，飞秒激光光束经过平凸柱透镜和相位掩模板，在相位掩模板后方呈现一个线状光斑10，调整有源光纤尾部相对于线状光斑的位置，使有源光纤的纤芯和线状光斑10重合；
三.加工步骤：将飞秒激光的输出功率调大，直至超过刻写布拉格光纤光栅所需激光强度阈值500mW，将飞秒激光的输出功率固定为600mW，对有源光纤尾部刻写后端布拉格光纤光栅；刻写的同时，观察光功率计的读数，当光功率计显示的输出光功率最大时，遮挡飞秒激光光束，形成后端布拉格光纤光栅，构成有源光纤激光器。
如图3所示，有源光纤为掺镱双包层D型有源光纤，其横截面自外向内为：外包层3-1、内包层3-2、D型纤芯3-3。掺镱双包层D型光纤内包层直径为10um，外包层直径为125um，前端布拉格光纤光栅的Bragg波长为1064nm，反射率≥99％，考虑到本实施例采用的D型光纤纤芯直径为10um，明显大于LD尾纤的模场直径(5.9um)，而且D型光纤内包层直径和尾纤包层直径同为125um，所以这里直接将LD尾纤和D型光纤熔接，可以保证很高的耦合效率；和传统的透镜耦合方式相比，直接耦合提供了极高的稳定性，可靠性好，可以提供高功率的激光输出。
掺镱双包层D型有源光纤构成的有源光纤激光器可以承受高功率多模激光泵浦，具有很高的增益系数，可用于产生高功率激光输出；输出波长1064nm属于激光加工常用波段。由于它输出功率高、光束质量好，在微机械加工上十分有前途，可用于工件退火，焊接，切割不锈钢箔，在塑料合金和金属元件上打标等。
实施例2，包括下述步骤：
一.光路组建步骤：将激光泵浦源尾纤与普通掺铒单模有源光纤3输入端熔接，将光功率计8正对有源光纤3输出端；将飞秒激光写入系统放在有源光纤3尾部，所述有源光纤尾部为距离有源光纤输出端10cm的一段有源光纤，有源光纤头部事先已刻写前端布拉格光纤光栅，其反射率大于等于98％；
二.对准步骤：打开激光泵浦源，将激光泵浦光1功率锁定在450mW；打开光功率计并调零；打开飞秒激光光源，将其功率调为500mW，飞秒激光光束经过平凸柱透镜和相位掩模板，在相位掩模板后方呈现一个线状光斑10，调整有源光纤尾部相对于线状光斑的位置，使有源光纤的纤芯和线状光斑重合；
三.加工步骤：将飞秒激光的输出功率调大，直至超过刻写布拉格光纤光栅所需激光强度阈值550mW，将飞秒激光的输出功率固定为850mW，对有源光纤尾部刻写后端布拉格光纤光栅；刻写的同时，观察光功率计的读数，当光功率计显示的输出光功率最大时，遮挡飞秒激光光束，形成后端布拉格光纤光栅，构成有源光纤激光器。
普通掺铒单模光纤纤芯直径为9.5um，包层直径为125um，实验测得该掺铒光纤在980nm、1530nm和1550nm处的吸收系数分别为8.5dB/m、16.5dB/m和15.8dB/m，前端布拉格光纤光栅的Bragg波长为1550nm，反射率≥99％，和实施例1相同，这里也采用将尾纤和掺铒单模光纤熔接的直接耦合方式，可以保证很高的耦合效率。
在光通信领域，掺铒光纤的发射谱线位于光输出低损耗窗口C波段(1528～1562nm)，采用普通掺铒单模光纤作为有源光纤构成的有源光纤激光器在光通信领域有着广阔的应用前景，为WDM和DWDM技术的进一步发展奠定了坚实的基础。除此之外，它的吸收谱线位于半导体激光器的工作波段内，因此可以很方便地使用半导体激光器作为泵浦源。
Claims (2)
1.一种分布式布拉格反射光纤激光器的制作方法，包括下述步骤：
一.光路组建步骤：将激光泵浦源尾纤与有源光纤输入端熔接，将光功率计正对有源光纤输出端；将飞秒激光写入系统放在有源光纤尾部，所述有源光纤尾部为距离有源光纤输出端5～10cm的一段有源光纤，所述飞秒激光写入系统由飞秒激光光源、平凸柱透镜、相位掩模板和一对光纤调整架构成；所述有源光纤头部事先已刻写前端布拉格光纤光栅，其反射率大于等于98％；
二.对准步骤：打开激光泵浦源，将激光泵浦光功率锁定在50～450mW；打开光功率计并调零； 打开飞秒激光光源，将其功率调为300～500mW，飞秒激光光束经过平凸柱透镜和相位掩模板，在相位掩模板后方呈现一个线状光斑，调整有源光纤尾部相对于线状光斑(10)的位置，使有源光纤的纤芯和线状光斑重合；
三.加工步骤：将飞秒激光的输出功率调大，直至超过刻写布拉格光纤光栅所需激光强度阈值，将飞秒激光的输出功率固定为大于所述阈值100～300mW，对有源光纤尾部刻写后端布拉格光纤光栅；刻写的同时，观察光功率计的读数，当光功率计显示的输出光功率最大时，遮挡飞秒激光光束，形成后端布拉格光纤光栅，构成有源光纤激光器。
2.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于：
所述加工步骤中，确定光功率计显示的输出光功率最大采用如下方法：当光功率计指针变化速率缓慢趋向静止时，表明该DBR光纤激光器的输出功率已经达到最大值。
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