CN102244342B - 输出光斑为环形的全光纤激光器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种输出光斑为环形的全光纤激光器，包括光纤光栅、增益光纤、波分复用器和泵浦源，增益光纤一端连接有光子晶体光纤，光子晶体光纤的纤芯包括圆形芯区、圆形芯向环形芯渐变的过渡区和环形芯区，光子晶体光纤的环形芯区一端为激光器的输出端；本发明还相应公开了该全光纤激光器的制备方法，包括塌缩处理光子晶体光纤，搭建光纤激光器和连接经塌缩处理的光子晶体光纤等工艺步骤；本发明的全光纤激光器可有效实现激光器的环形光斑的输出，该全光纤激光器的制备方法本低、效率高、质量高且制备工艺简单方便。

Description

输出光斑为环形的全光纤激光器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种光纤激光器，尤其是一种输出光斑形状为环形的全光纤激光器及其制备方法。

背景技术

光纤激光器由于其高功率密度、高光束质量、高转化效率、工作物质的热负荷小、制冷要求低、体积小、重量轻、结构简单、使用方便等优点而得以迅速发展。应用也从光通信扩展到激光加工、切割、焊接激光达标、图像显示、生物工程和医疗卫生等领域。光纤激光器采用掺杂光纤作为增益介质，通过在光纤基质材料中掺杂不同的稀土离子获得所对应波段的激光输出。由于光纤纤芯的形状为圆形，所以光纤激光器的输出光斑一般为圆形。然而在一些特殊的场合，需要环形光束，例如在激光光学、光信息处理、微粒波导、同位素分离、微电子学和材料科学、生物技术、医学以及原子学、分子学等领域中都有广泛的需求。目前也有许多从圆形光斑转变到环形光斑的方法，如几何光学法、横模选择法、模式变换法、光学全息法等[黄慧琴，赵承良，陆璇辉，空心光束的研究进展，激光与红外，2007，37（4）：301-303]。

光子晶体光纤是一种新型的硅玻璃材料光纤，由于其独特的光学特性和设计自由度在近几年备受关注，这类光纤在通信传输以及新型光电子器件、测量和传感等领域有着巨大的应用前景。由于光子晶体光纤的特殊结构，利用光子晶体光纤的后处理技术可以任意的改变光子晶体光纤的结构参数，如空气孔的相对大小、纤芯的形状等。

通过结合光子晶体光纤结构的灵活性以及光纤激光器的优势，有望得到一种全新的输出光斑为环形的全光纤激光器。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种全新的高性能的输出光斑为环形的全光纤激光器，还相应提供一种步骤简单、成本低、效率高的该全光纤激光器的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种输出光斑为环形的全光纤激光器，包括光纤光栅、增益光纤、波分复用器和泵浦源，所述泵浦源与所述波分复用器的泵浦光输入端相连接，所述光纤光栅与所述波分复用器的信号光输入端连接，所述增益光纤的一端与所述波分复用器的信号光输出端连接，所述增益光纤的另一端连接有光子晶体光纤，所述光子晶体光纤的纤芯包括圆形芯区、圆形芯向环形芯渐变的过渡区和环形芯区，所述光子晶体光纤的圆形芯区一端与所述增益光纤相连，所述光子晶体光纤的环形芯区一端为输出端，所述过渡区形成于所述圆形芯区与所述环形芯区之间。

作为对上述技术方案的一种改进，上述输出光斑为环形的全光纤激光器中，所述过渡区的长度与所述环形芯区的长度相等。

作为一个总的发明构思，本发明还提供一种上述输出光斑为环形的全光纤激光器的制作方法，包括以下步骤：

（1）处理光子晶体光纤：通过加热塌缩的工艺方式对光子晶体光纤进行处理，使得所述光子晶体光纤的纤芯形成圆形芯区、圆形芯向环形芯渐变的过渡区和环形芯区； 

（2）搭建光纤激光器：将光纤光栅与波分复用器的信号光输入端通过熔接进行连接，波分复用器的信号光输出端与增益光纤一端连接，泵浦源与波分复用器的泵浦光输入端相连接；

（3）连接经塌缩处理的光子晶体光纤：将上述步骤（1）得到的光子晶体光纤的圆形芯区一端与步骤（2）中的增益光纤进行低损耗连接，环形芯区一端作为输出端，制得输出光斑为环形的全光纤激光器。

上述技术方案中，所述步骤（1）中的加热塌缩处理工艺过程优选为：将所述光子晶体光纤一端纤芯周围可形成环形的五个空气孔用胶水密封，并在密封端充气；再将所述光子晶体光纤另一端的所有空气孔塌缩密封，当空气孔内的气压达到平衡后（长度为2m的光子晶体光纤一般充气两个小时左右就可达到平衡），在所述光子晶体光纤中选一加热区段，利用熔融拉锥机加热，通过控制加热次数，逐渐减少所述加热区段两端的加热时间（即火焰的移动轨迹为单程逐渐变小的“之”字形），使得所述加热区段中间部分用胶水密封的五个空气孔完全塌缩形成环形芯区，所述加热区段两端部分用胶水密封的五个空气孔部分塌缩形成圆形芯向环形芯渐变的过渡区，最后将所述光子晶体光纤从中间截断，得到纤芯含有圆形芯区、过渡区和环形芯区的光子晶体光纤。

上述技术方案中，所述加热区段的长度优选为大于等于6cm。

与现有技术相比，本发明优点在于：将光子晶体光纤和光纤激光器结合，通过在光纤激光器的输出端连接经塌缩处理形成有混合芯区（圆形芯区、圆形芯向环形芯渐变的过渡区和环形芯区）的光子晶体光纤，得到一种全新的输出光斑为环形的全光纤激光器，可有效实现激光器的环形光斑的输出，从而使本发明的全光纤激光器在通信传输、新型光电子器件、测量和传感等领域具有广阔的应用前景；本发明的全光纤激光器的制备方法，成本低、效率高、质量高且制备工艺简单方便。 

附图说明：

图1为本发明实施例中输出光斑为环形的全光纤激光器结构示意图；

图2为图1中的波分复用器放大结构示意图；

图3为图1中的光子晶体光纤的纵向放大结构示意图；

图4为本发明实施例中的制备输出光斑为环形的全光纤激光器的工艺流程图；

图5为本发明实施例中的光子晶体光纤的横截面示意图；

图6为本发明实施例中的光子晶体光纤在胶水密封五个空气孔（形成环形）后的横截面示意图；

图7为本发明实施例中的光子晶体光纤在五个空气孔（形成环形）塌缩后的横截面示意图；

图8为本发明实施例中的光子晶体光纤经塌缩处理后的纵向结构示意图；其中，A区和E区为塌缩前的原始光纤段（圆形芯区），B区和D区为过渡区，C区为完全塌缩区（环形芯区）；

图9为本发明实施例中的光子晶体光纤中五个空气孔塌缩前后的横截面显微镜照片；其中，图9（a）为塌缩前的光子晶体光纤横截面显微镜照片；图9（b）为五个空气孔被胶水密封的光子晶体光纤横截面显微镜照片；图9（c）为五个空气孔塌缩后的光子晶体光纤横截面显微镜照片；

图10为本发明实施例中的全光纤激光器的近场光斑测量结果。

图例说明：

1、光纤光栅；2、增益光纤；3、波分复用器；31、信号光输入端；32、信号光输出端；33、泵浦光输入端；4、泵浦源；5、光子晶体光纤；51、圆形芯区；52、过渡区；53、环形芯区；6、外保护层；7、包层；8、光子晶体光纤纤芯；9、空气孔；10、五个空气孔；11、环形纤芯。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

一种如图1、图2和图3所示的本发明的输出光斑为环形的全光纤激光器（输出波长为1550nm），该激光器包括光纤光栅1（1550nm高反）、增益光纤2（3m掺铒光纤）、波分复用器3（980/1550）和泵浦源4（980nm），泵浦源4与波分复用器3的泵浦光输入端33相连接，光纤光栅1与波分复用器3的信号光输入端31连接，增益光纤2的一端与波分复用器3的信号光输出端32连接，增益光纤2的另一端连接有经塌缩处理的光子晶体光纤5，光子晶体光纤5的纤芯包括圆形芯区51、圆形芯向环形芯渐变的过渡区52和环形芯区53，光子晶体光纤5的圆形芯区51一端与增益光纤2相连，光子晶体光纤5的环形芯区53一端为输出端，过渡区52形成于圆形芯区51与环形芯区53之间，过渡区52和环形芯区53的长度相等。

一种上述全光纤激光器的制备方法，流程工艺图如图4所示，具体包括以下工艺步骤：

（1）处理光子晶体光纤：选取如图5所示的光子晶体光纤（长飞公司生产的PCF，由外向内依次是由外保护层6、包层7和光子晶体光纤纤芯8构成，其中，包层7是由多圈微米量级的空气孔9组成，每圈空气孔9以光子晶体光纤纤芯8为中心呈正六边形排列），将光子晶体光纤一端纤芯周围的可形成环形的五个空气孔10用胶水密封（如图6所示，五个黑色的空气孔即为胶水密封的五个空气孔10），并在此端进行充气，再将光子晶体光纤另一端的所有空气孔利用熔融拉锥机（或者普通熔接机）塌缩密封，当空气孔内的气压达到平衡后，用熔融拉锥机加热一段长为L=6cm的光子晶体光纤，加热过程中，通过控制加热次数以逐渐减少该加热区段两端的加热时间（即火焰的移动轨迹为单程逐渐变小的“之”字形），使得该加热区段中间部分用胶水密封的可形成环形的五个空气孔10完全塌缩形成环形芯区（如图7所示，为光子晶体光纤新的环形纤芯11），加热区段两端部分用胶水密封的可形成环形的五个空气孔10部分塌缩形成圆形芯向环形芯渐变的过渡区，加上未塌缩的圆形芯段，该光子晶体光纤的纤芯形成圆形芯区、圆形芯向环形芯渐变的过渡区和环形芯区，如图8所示，光子晶体光纤两端的A区和E区为塌缩前的原始光纤段（圆形芯区），最中间的C区（长度为L2）为五个空气孔10的完全塌缩区（环形芯区），原始光纤段与完全塌缩区之间形成有两个部分塌缩的过渡区，左过渡区B区（长度为L1）和右过渡区D区（长度为L3，一般L1=L3），本实施例中，L2＝3cm，L1＝L3＝1.5cm，L＝L1＋L2＋L3＝6cm；将最中间的C区切断，得到两段纤芯均含有圆形芯区、环形芯区和圆形芯向环形芯渐变的过渡区的光子晶体光纤；

通过本步骤塌缩处理前、后的光子晶体光纤的横截面如图9所示，本步骤光子晶体光纤的塌缩空气孔处理所引入的损耗非常小（小于0.2dB）；

（2）搭建光纤激光器：选用1550nm高反的光纤光栅，3m掺铒光纤作为增益光纤，980/1550的波分复用器， 980nm的泵浦源，搭建光纤激光器，具体步骤为，将光纤光栅与波分复用器的信号光输入端通过熔接进行连接，波分复用器的信号光输出端与增益光纤一端连接，泵浦源与波分复用器的泵浦光输入端相连接；

（3）连接经塌缩处理的光子晶体光纤：将上述步骤（1）得到的一段光子晶体光纤的圆形芯区一端（A区或E区）与步骤（2）中的增益光纤进行低损耗连接，环形芯区一端（C区）作为输出端，制得如图1所示的输出波长为1550nm且输出光斑为环形的全光纤激光器。

对上述激光器的近场光斑进行测量，见图10，近场光斑为一个效果很好的环形光斑，可见本发明的激光器可有效实现环形光斑的输出。 

Claims (5)

1.一种输出光斑为环形的全光纤激光器，包括光纤光栅、增益光纤、波分复用器和泵浦源，所述泵浦源与所述波分复用器的泵浦光输入端相连接，所述光纤光栅与所述波分复用器的信号光输入端连接，所述增益光纤的一端与所述波分复用器的信号光输出端连接，其特征在于：所述增益光纤的另一端连接有光子晶体光纤，所述光子晶体光纤的纤芯包括圆形芯区、圆形芯向环形芯渐变的过渡区和环形芯区，所述光子晶体光纤的圆形芯区一端与所述增益光纤相连，所述光子晶体光纤的环形芯区一端为输出端，所述过渡区形成于所述圆形芯区与所述环形芯区之间；所述圆形芯区为光子晶体光纤塌缩前的原始光纤段，所述环形芯区为光子晶体光纤的完全塌缩区，所述过渡区为原始光纤段与完全塌缩区之间的部分塌缩区。

2.根据权利要求1所述的输出光斑为环形的全光纤激光器，其特征在于：所述过渡区的长度与所述环形芯区的长度相等。

3.一种如权利要求1所述的输出光斑为环形的全光纤激光器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）处理光子晶体光纤：通过加热塌缩的工艺方式对光子晶体光纤进行处理，使得所述光子晶体光纤的纤芯形成圆形芯区、圆形芯向环形芯渐变的过渡区和环形芯区； 

（2）搭建光纤激光器：将光纤光栅与波分复用器的信号光输入端通过熔接进行连接，波分复用器的信号光输出端与增益光纤一端连接，泵浦源与波分复用器的泵浦光输入端相连接；

（3）连接经塌缩处理的光子晶体光纤：将上述步骤（1）得到的光子晶体光纤的圆形芯区一端与步骤（2）中的增益光纤进行低损耗连接，环形芯区一端作为输出端，制得输出光斑为环形的全光纤激光器。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中的加热塌缩处理工艺过程为：将所述光子晶体光纤一端纤芯周围可形成环形的五个空气孔用胶水密封，并在密封端充气；再将所述光子晶体光纤另一端的所有空气孔塌缩密封，当空气孔内的气压达到平衡后，在所述光子晶体光纤中选一加热区段，利用熔融拉锥机加热，通过控制加热次数，逐渐减少所述加热区段两端的加热时间，使得所述加热区段中间部分用胶水密封的五个空气孔完全塌缩形成环形芯区，所述加热区段两端部分用胶水密封的五个空气孔部分塌缩形成圆形芯向环形芯渐变的过渡区，最后将所述光子晶体光纤从中间截断，得到纤芯含有圆形芯区、过渡区和环形芯区的光子晶体光纤。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述加热区段的长度大于等于6cm。

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