CN101854025A - 一种全光纤型的q开关 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及到一种全光纤型的Q开关，该Q开关的结构包括有光纤、V型槽、长周期光栅压制模板、压电陶瓷、半导体制冷片、热敏电阻以及金属外壳；光纤穿过金属外壳，其中一段为裸光纤，金属外壳内长周期光栅压制模板、裸光纤、V型槽自上而下类似三明治结构，且在裸光纤的外表面涂覆有光胶；在金属外壳的内顶面和长周期光栅压制模板之间设有压电陶瓷，金属外壳的外底面紧密贴合有半导体制冷片，V型槽的侧表面紧密设置有感应V型槽温度的热敏电阻。本发明涉及的Q开关具有零插入损耗的特点。在调Q光纤激光器中应用本发明的Q开关，在同样条件下，能够提高激光器的输出功率及效率。
Description
技术领域
本发明涉及Q开关，特别是涉及一种基于长周期光纤光栅的全光纤型的Q开关。
背景技术
在工业激光打标、激光切割等一些应用中，需要高峰值功率的激光脉冲，通常可以使用Q调制技术来实现。Q调制技术的基本原理就是通过某种方法，使得激光器谐振腔内的损耗(或Q值)按照预先设定的程序变化。在泵浦激励刚开始的时候，先使谐振腔具有高的损耗(低Q值)，激光器由于阈值高而不能产生激光振荡，于是亚稳态上的粒子数就可以累积到较高的水平。然后在设定的时刻，使谐振腔的损耗突然降到很低(高Q值)，激光阈值就立即降低，此时反转粒子数大大超过阈值，受激辐射极为迅速的增强。于是，在极短的时间内，亚稳态上存储的大部分粒子的能量转变为激光能量，输出一个强的激光脉冲。
光纤耦合的Q开关是调Q光纤激光器中的核心器件。目前商用的Q开关主要基于一些介质的声光效应或电光效应。如附图1所示，超声波换能器103将射频(RF)电信号转化为超声波。声光介质104通常可以是石英晶体、钼酸铅晶体或硫化物玻璃等。当超声波作用在声光介质上时，因为声波是疏密波，且介质具有弹光效应，所以介质的折射率发生周期性的变化，周期与超声波周期相同。对一定角度范围内入射的光波来说，相当于形成了一个相位光栅105。吸声材料110能够吸收超声波，避免其反射，以保证超声波工作在行波状态，这样就不会干扰到所形成的相位光栅105。信号光从入射尾纤108入射，经入射准直镜107射入声光介质。没有超声波作用时，光会直射透过声光介质，进入出射准直镜102并由出射尾纤101射出，这样信号光就经历了较小的损耗；有超声波作用时，由于形成的相位光栅105的布拉格衍射效应，信号光发生偏折，从衍射光方向109出射，而不能耦合到出射尾纤101，这样信号光就经历了较大的损耗；通过控制射频驱动信号的有无，就能实现对信号光损耗的调节，这就是光纤耦合的Q开关的基本原理。
但是，这种基于声光效应的Q开关，由于声光介质的吸收损耗以及光路的耦合损耗，导致器件的插入损耗较大，通常大于2dB。应用在调Q光纤激光器中，将导致超过37％的能量浪费。Q开关的散热问题将制约激光器的输出功率。因此，为了提高调Q光纤激光器的输出功率及其效率，必须寻求一种低插入损耗的Q开关。
美国专利(公开号：US2008/0192780)公开了一种基于相移长周期光纤光栅的Q开关。如附图2a(截自该专利公开文档)所示，210是入射光，211是出射光。20是光纤包层，21、22是纤芯(折射率未变化的部分)，251、252是纤芯(折射率变化了的部分)，通常可以通过紫外激光刻写使得纤芯折射率发生改变，纤芯折射率以ΛL为周期改变，这样就形成了长周期光纤光栅。253是纤芯(施加压力的部分)，其相位受到压力激励装置202产生的压力203调谐。驱动电压205用来驱动压力激励装置202，并受控制器206控制。在长周期光纤光栅中，纤芯中的特定波长的传导光由于模式耦合效应，会泄露到包层中损耗掉，其光谱表现为一阻带。纤芯253的相位没有受到压力调谐时，该长周期光纤光栅的透射谱如附图2b(截自该专利公开文档)所示，横轴表示波长，纵轴表示光谱强度，221是带外光谱，不发生损耗；222是阻带光谱，具有较大的损耗；调Q光纤激光器的工作波长122，处于损耗最大值。纤芯253的相位受到压力调谐时，会形成相移的长周期光纤光栅，将在原光谱阻带中心打开一个通带，如附图2c(截自该专利公开文档)所示，在原阻带光谱222中心形成了一个透射峰222a。
调Q光纤激光器的工作波长122将具有较小的损耗。这样，通过控制有无压力调谐，就能实现损耗(Q值)调节。在上述公开专利中，同时揭示了另外两种实施方案。一种是先在光纤纤芯刻写相移的长周期光栅，然后用压力调谐相移区的相位，从而改变光纤光栅的透射谱，实现了损耗(Q值)调节；另一种是在光纤纤芯刻写一对长周期光栅，然后用压力调谐光栅局部或者两段光栅之间的间隔部分的相位，从而改变光纤光栅对的透射谱，实现了损耗(Q值)调节。这种基于相移长周期光纤光栅的Q开关，是全光纤型的，不需要声光介质及光纤空间耦合，因此几乎是零插入损耗的。
但是，这种技术存在明显不足之处，限制了其应用范围。首先，必需在光纤上事先刻写长周期光纤光栅，则需要昂贵的专用刻写设备，而且要求光纤必须具有光敏性，即能够刻写光栅。其次，因为相移长周期光纤光栅的相移量不同，其透射谱会有很大的差异，所以需要对长周期光纤光栅的局部相位进行精确调谐，否则器件的性能将不能得到保证。最后，长周期光纤光栅的中心波长对温度很敏感，如果不加任何温控技术，环境温度变化了，光栅的中心波长发生漂移，会导致调Q光纤激光器不能正常工作。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种基于长周期光纤光栅的，零插入损耗的，容易实现的，可靠的，低成本的，全光纤型的Q开关。利用本发明的Q开关，能够提高调Q光纤激光器的输出功率及其效率。
为了实现本发明的发明目的，本发明提供的技术方案如下：
一种全光纤型的Q开关，其特征在于，该Q开关的结构包括有光纤、V型槽、长周期光栅压制模板、压电陶瓷、半导体制冷片、热敏电阻以及金属外壳；
所述的金属外壳内设有V型槽和长周期光栅压制模板，所述的光纤穿过所述的金属外壳，位于金属外壳内的光纤中一段为去除涂覆层的裸光纤，金属外壳内的两个夹具设置在裸光纤的两端以将所述的光纤固定；所述的裸光纤紧密卡在V型槽中，且裸光纤的长度略长于V型槽的长度；所述的长周期光栅压制模板紧密压盖在金属外壳内光纤的上方，该长周期光栅压制模板的长度略短于V型槽的长度，且在裸光纤的外表面涂覆有光胶，该光胶的折射率高于光纤的包层折射率；
在金属外壳的内顶面和长周期光栅压制模板之间设有所述的压电陶瓷，所述的金属外壳的外底面紧密贴合有所述的半导体制冷片，所述的V型槽的侧表面紧密设置有感应V型槽温度的热敏电阻。
在本发明中，将光纤去除一定长度的涂覆层，得到一段裸光纤，裸光纤的长度略长于V型槽的长度。将光纤固定在金属外壳内的夹具上，并将裸光纤紧密卡在V型槽内。裸光纤外表面涂覆高折射率的光胶。长周期光栅压制模板紧密压盖在光纤上方。长周期光栅压制模板的长度略短于V型槽的长度。长周期光栅压制模板的周期由工作波长确定。长周期光栅压制模板、裸光纤、V型槽自上而下，类似三明治结构。
在本发明中，所述的V型槽包括有基底材料，在基底材料上表面设有V字型的槽，在本发明中，所述的长周期光栅压制模板包括有基底材料，在基底材料的下表面横向上设有均匀的、一定周期的齿状的表面貌，齿状周期通常为几百微米。
在本发明中，将压电陶瓷的下表面与长周期光栅压制模板的上表面紧密接合，压电陶瓷的上表面与金属外壳的内顶面紧密接合。在压电陶瓷上施加适当的驱动电压，压电陶瓷的横向尺寸就会伸长，从而压迫长周期光纤光栅压制模板，进而在裸光纤上产生周期性的横向压力，导致纤芯折射率周期性变化，即形成了长周期光纤光栅，光栅周期与压制模板周期完全相同。设定工作光波长处于长周期光纤光栅中心波长，由于模式耦合效应，光先从纤芯泄露到包层，然后透过裸光纤外表面涂覆的高折射率的光胶，再泄露到器件内部，具有较大的插入损耗。撤除加在压电陶瓷上的驱动电压，压电陶瓷的横向尺寸会恢复原状，光栅压制模板得到释放，裸光纤上不再有周期性的横向压力，从而纤芯折射率恢复原状，长周期光纤光栅消失。工作波长的光具有零损耗。这样，通过施加或撤除压电陶瓷的驱动电压，就可以产生或消除长周期光纤光栅，进而来调节工作波长的光的插入损耗(Q值)，实现了Q开关的功能。
在本发明中，将半导体制冷片的上表面与金属外壳的外底面紧密接合。通过控制流经半导体制冷片的电流的大小及方向，可以改变或稳定金属外壳、长周期光栅压制模板以及V型槽的温度，进而能够改变或稳定长周期光纤光栅的中心波长。将热敏电阻与V型槽的侧表面紧密接合，用来感应V型槽的温度，可以为温控电路提供反馈。
所述的压电陶瓷材料具有较高的响应频率，能够快速响应驱动电压。应用在调Q光纤激光器中，输出激光能够具有更快的边沿和更高的峰值功率。
所述的金属外壳、长周期光纤光栅压制模板以及V型槽，具有一定的硬度，通常由铜、铁、或不锈钢材料制成。金属外壳的内表面、长周期光纤光栅压制模板以及V型槽的外表面作发黑处理，以减少光反射。
所述的光纤包括但不限于单包层光纤、双包层光纤、有源光纤、无源光纤等。
本发明的技术效果：
本发明从技术上实现了全光纤Q开关，具有零插入损耗的优点。由于不需要事先刻写长周期光纤光栅，因此成本较低、容易实现，而且对光纤也没有特殊要求；也不需要对长周期光纤光栅的相位进行精密调谐，因此可靠性高；此外，器件加了温度控制，不但可以稳定光栅中心波长，提高应用的可靠性，而且可以根据工作波长的变动作适当调节，而不需要重新设计器件，因此具有更好的适应性。将本发明的Q开关应用在调Q光纤激光器中，能够获得稳定可靠的激光输出，并且在相同条件下，能够提高激光输出功率及效率。
附图说明
图1是基于声光效应的光纤耦合的Q开关的工作原理示意图。
其中，
101-出射尾纤 102-出射准直镜 103-超声波换能器
104-声光介质 105-相位光栅 106-准直的入射光
107-入射准直镜 108-入射尾纤 109-衍射光方向
110-吸声材料
图2a是美国专利(公开号：US2008/0192780)公开的基于相移长周期光纤光栅的Q开关原理图。
图2b是美国专利(公开号：US2008/0192780)公开的没有施加压力时的相移长周期光纤光栅透射谱。
图2c是美国专利(公开号：US2008/0192780)公开的施加了压力时的相移长周期光纤光栅透射谱。
其中，
210-入射光 20-光纤包层 21、22-纤芯(折射率未变化的部分)
251、252-纤芯(折射率变化了的部分) 253-纤芯(施加压力的部分)
202-压力激励装置 203-压力 205-驱动电压 206-控制器
211-出射光 221-带外光谱 222-阻带光谱 122-工作波长
222a-透射峰
图3a是本发明的全光纤型的Q开关实施例轴向截面示意图。
图3b是是本发明的全光纤型的Q开关实施例横向截面示意图。
其中，
301-光纤涂覆层 302-光纤包层 303-光纤纤芯
304-金属外壳 305-压电陶瓷 306-长周期光栅压制模板
307-长周期光栅 308-高折射率的光胶
309-光纤固定夹具 310-V型槽 311-热敏电阻
312-半导体制冷片 313-半导体制冷片正接线端子
314-压电陶瓷正接线端子 315-热敏电阻接线端子
316-热敏电阻接线端子 317-压电陶瓷负接线端子
318-半导体制冷片负接线端子
图4是本发明的全光纤型的Q开关实施例中的V型槽横向截面示意图。
其中，
401-V型槽基底材料 402-V型的槽
图5是本发明的全光纤型的Q开关实施例中的长周期光栅压制模板轴向截面示意图。
其中，
501-长周期光栅压制模板基底材料 502-长周期光栅压制模板锯齿状的表面貌
图6a是本发明的全光纤型的Q开关实施例中的入射光的光谱。
图6b是本发明的全光纤型的Q开关实施例中的出射光的光谱。
图6c是本发明的全光纤型的Q开关实施例中的长周期光纤光栅工作原理示意图。
其中，
601-入射光的光谱 602-包层中的传导光
603-光胶中的传导光
604-环境中的光
605-出射光的光谱
图7a是本发明的全光纤型的Q开关实施例的工作原理示意图。
图7b是本发明的全光纤型的Q开关实施例的压电陶瓷驱动电压波形。
图7c是本发明的全光纤型的Q开关实施例应用在光纤激光器中腔内的损耗(Q值)波形。
图7d是本发明的全光纤型的Q开关实施例应用在光纤激光器中的激光输出波形。
其中，
701-器件透射光谱(压电陶瓷未加驱动电压)
702-器件透射光谱(压电陶瓷加驱动电压)
703-调Q光纤激光器工作波长
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例来对本发明的基于长周期光纤光栅的全光纤Q开关做进一步的详细描述，但不能因此而限制本发明的保护范围。
本发明全光纤型的Q开关，由长周期光栅压制模板、V型槽、光纤、压电陶瓷、半导体制冷片、热敏电阻、金属外壳等组件构成。
本发明中，将光纤去除一定长度的涂覆层，得到一段裸光纤，裸光纤的长度略长于V型槽的长度。将光纤固定在金属外壳内的夹具上，并将裸光纤紧密卡在V型槽内。裸光纤外表面涂覆高折射率的光胶。长周期光栅压制模板紧密压盖在光纤上方。长周期光栅压制模板的长度略短于V型槽的长度。
本发明中，将压电陶瓷的下表面与长周期光栅压制模板的上表面紧密接合，压电陶瓷的上表面与金属外壳的内顶面紧密接合。通过施加或撤除压电陶瓷的驱动电压，就可以在裸光纤的纤芯中产生或消除长周期光纤光栅，进而来调节工作波长的光的插入损耗(Q值)，实现了Q开关的功能。
本发明中，将半导体制冷片的上表面与金属外壳的底面紧密接合。通过控制流经半导体制冷片的电流的大小及方向，可以改变或稳定金属外壳、长周期光栅压制模板以及V型槽的温度，进而能够改变或稳定长周期光纤光栅的中心波长。将热敏电阻与V型槽侧表面用导热胶紧密粘接，热敏电阻用来感应V型槽的温度，可以为温控电路提供反馈。
实施例
图3a、图3b是本发明的全光纤型的Q开关实施例的轴向及横向截面示意图。本实施例中，全光纤型Q开关由长周期光栅压制模板306、V型槽310、光纤、压电陶瓷305、半导体制冷片312、热敏电阻311、金属外壳304等组件构成。
本实施例中，V型槽的横截面如附图4所示，在V型槽基底材料401上表面正中有一个横截面像字母“V”的V型的槽402。V型槽长度为3厘米，V型槽的深度为100微米。长周期光栅压制模板轴向截面如附图5所示，长周期光栅压制模板基底材料501的下表面横向上具有周期为206微米的齿状的表面貌502。本实施例中长周期光栅压制模板长度为2.5厘米。
本实施例中，取一段HI1060光纤，在光纤中间部分去除长度为3.5厘米的光纤涂覆层301，得到一段裸光纤。将光纤固定在金属外壳内的光纤固定夹具309上，并将裸光纤紧密卡在V型槽310内，裸光纤包层302的外表面涂覆高折射率的光胶308。长周期光栅压制模板306紧密压盖在裸光纤上方。
本实施例中，将压电陶瓷305的下表面与长周期光栅压制模板306的上表面紧密接合，压电陶瓷305的上表面与金属外壳304的内顶面紧密接合。在压电陶瓷的正负接线端子314、317上施加或撤除驱动电压，就可以在裸光纤的纤芯303产生或消除长周期光纤光栅307。
本实施例中，将半导体制冷片312的上表面与金属外壳304的底面紧密接合。在半导体制冷片的正负接线端子313、318上施加驱动电流，通过控制电流的大小及方向，可以改变或稳定金属外壳304以及V型槽308的温度，进而能够改变或稳定长周期光纤光栅的中心波长。将热敏电阻311与V型槽310的侧表面紧密接合，用来感应V型槽310的温度，可以为温控电路提供反馈。热敏电阻的两个接线端子315、316。
图6a、图6b、图6c几幅图是本发明的全光纤型的Q开关实施例中的长周期光纤光栅工作原理示意图。当在压电陶瓷305上施加驱动电压时，裸光纤的纤芯303会形成长周期光栅307。由于光纤纤芯中的传导光模式的耦合效应，满足相位匹配的波长的光会从纤芯303泄露到包层302，成为包层中的传导光602。包层中的传导光602再从包层302泄露到高折射率的光胶308，成为光胶中的传导光603。光胶中的传导光603最后从高折射率的光胶中泄露到环境中，成为环境中的光604而损耗掉。入射光的光谱601，出射光的光谱605，可见由于长周期光栅的作用，在光谱上会形成一个阻带。阻带中心的光具有最大的插入损耗。
图7a、图7b、图7c几幅图是本发明的全光纤型的Q开关实施例的工作原理。在压电陶瓷305上施加附图7b所示的驱动电压，驱动电压为某一正值时，裸光纤的纤芯303形成长周期光栅307，具有附图7a中的透射光谱702；驱动电压为零时，裸光纤的纤芯303中的长周期光栅消失，具有附图7a中的透射光谱701。调Q光纤激光器工作波长703处于长周期光纤光栅中心波长。因此，跟随压电陶瓷驱动电压的变化，激光器腔内的Q值变化如附图7c所示。低Q值时，激光器由于阈值高而不能产生激光振荡，于是亚稳态上的粒子数就可以累积到较高的水平。高Q值时，激光阈值就立即降低，此时反转粒子数大大超过阈值，受激辐射极为迅速的增强。于是，在极短的时间内，亚稳态上存储的大部分粒子的能量转变为激光能量，输出强的激光脉冲，如附图7d所示。
本发明的全光纤型的Q开关工作时，在压电陶瓷上施加一定的驱动电压，会在光纤纤芯暂时形成特定波长的长周期光栅，从而使纤芯中的传导光泄露，产生大的损耗；切断驱动电压，长周期光栅消失，光纤恢复原状，传导光没有损耗。基于这样的原理，可以对纤芯中的传导光的损耗进行调节，即为Q开关器件。半导体制冷片和热敏电阻用来稳定或者调节这种Q开关的工作波长。区别于常规的Q开关，本发明涉及的是全光纤型的，而没有使用声光晶体、电光晶体等光学元件。本发明涉及的Q开关具有零插入损耗的特点。在调Q光纤激光器中应用本发明的Q开关，在同样条件下，能够提高激光器的输出功率及效率。
Claims (7)
1.一种全光纤型的Q开关，其特征在于，该Q开关的结构包括有光纤、V型槽、长周期光栅压制模板、压电陶瓷、半导体制冷片、热敏电阻以及金属外壳；
所述的金属外壳内设有V型槽和长周期光栅压制模板，所述的光纤穿过所述的金属外壳，位于金属外壳内的光纤中一段为去除涂覆层的裸光纤，金属外壳内的两个夹具设置在裸光纤的两端以将所述的光纤固定；所述的裸光纤紧密卡在V型槽中，且裸光纤的长度略长于V型槽的长度；所述的长周期光栅压制模板紧密压盖在金属外壳内光纤的上方，该长周期光栅压制模板的长度略短于V型槽的长度，且在裸光纤的外表面涂覆有光胶；
在金属外壳的内项面和长周期光栅压制模板之间设有所述的压电陶瓷，所述的金属外壳的外底面紧密贴合有所述的半导体制冷片，所述的V型槽的侧表面紧密设置有感应V型槽温度的热敏电阻。
2.根据权利要求1所述的一种全光纤型的Q开关，其特征在于，所述的V型槽包括有基底材料，在基底材料上表面设有V字型的槽。
3.根据权利要求1所述的一种全光纤型的Q开关，其特征在于，所述光胶为高折射率光胶，其折射率高于光纤包层折射率。
4.根据权利要求1所述的一种全光纤型的Q开关，其特征在于，所述的金属外壳、长周期光纤光栅压制模板和V型槽由铜、铁或不锈钢材料制成。
5.根据权利要求1所述的一种全光纤型的Q开关，其特征在于，所述金属外壳的内表面、长周期光纤光栅压制模板的外表面和V型槽的外表面均作发黑处理。
6.根据权利要求1所述的一种全光纤型的Q开关，其特征在于，所述的长周期光栅压制模板包括有基底材料，在基底材料的下表面横向上设有均匀的、周期性的齿状的表面貌，该齿状周期为100～999微米。
7.根据权利要求1所述的一种全光纤型的Q开关，其特征在于，所述的光纤包括有单包层光纤、双包层光纤、有源光纤和无源光纤。
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