CN103259170B - 超声诱导长周期光纤光栅调q脉冲和连续两用光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种超声诱导长周期光纤光栅调Q脉冲和连续两用光纤激光器，包括全反射光纤光栅、双包层掺杂光纤、波分复用器、泵浦源、输出光纤光栅和输出尾纤；还包括超声诱导长周期光纤光栅：包括固定支架、锯齿形金属板、压电陶瓷、射频电源和调节螺丝；压电陶瓷置于调节螺丝顶部，双包层掺杂光纤置于锯齿形金属板的锯齿面上，且双包层掺杂光纤的长度方向与锯齿面上锯齿周期长度一致；通过旋转调节螺丝调整锯齿形金属板的高度，使锯齿面将双包层掺杂光纤顶在固定支架的顶板下表面，压电陶瓷连接射频电源。本发明为全光纤结构，无插入损耗，同时可实现连续与脉冲双运转，具有光束质量好、输出功率高、结构紧凑、性能稳定可靠的优点。

Description

超声诱导长周期光纤光栅调Q脉冲和连续两用光纤激光器

技术领域

本发明属于激光技术领域，具体涉及一种光纤激光器，特别是一种超声诱导长周期光纤光栅调Q脉冲和连续两用光纤激光器。

背景技术

在目前的激光技术领域中，光纤激光器以其体积小、效率高、稳定性好、光束质量好等优点，发展十分迅速。现有的调Q光纤激光器和普通的调Q激光器一样，都是在激光谐振腔内插入调Q器件，通过周期性的改变腔损耗，实现调Q激光脉冲输出。

目前常用的调Q技术有声光调Q、电光调Q、可饱和吸收体调Q、光纤迈克尔逊干涉仪调Q、光纤马赫—曾特尔干涉仪调Q、光纤受激布里渊散射（SBS）调Q、主被动混合调Q等。但是，无论插入何种调Q器件，都会引入一定的插入损耗，从而影响峰值功率，特别是使用最广泛的声光调Q、电光调Q由于插入了分立元件会使得其有较大的插入损耗，即便是常用的带有尾纤的光纤化的调Q器件依然有较大的插入损耗。

发明内容

针对目前调Q技术中由于插入调Q器件均会不同程度的引入一定的损耗，本发明的目的在于，提供一种超声诱导长周期光纤光栅调Q脉冲和连续两用光纤激光器，该光纤激光器是在连续运转的全光纤结构的光纤激光器的有源光纤上施加一受超声控制的外加具有空间周期性变化的机械力，使得光纤在周期性机械力的作用下产生周期性微弯，其作用相当于在光纤上形成一个长周期光纤光栅LPFG，其会导致某些波长的光发生模式耦合效应，如果这一波长恰巧与光纤激光器的激光波长相同，就会对激光产生较大损耗，使激光器的阈值升高，品质因数Q值降低，光纤内储能增大，反转粒子数大量积累，当瞬间撤去磁力，长周期光栅消失，激光器恢复到高Q值，储能就以非常短的光脉冲释放出来，形成激光巨脉冲。由于该光纤激光器中不插入调Q器件，因此完全无插入损耗。

为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案予以解决：

一种超声诱导长周期光纤光栅调Q脉冲和连续两用光纤激光器，所述激光器由两部分构成，第一部分是光纤激光器主体，包括全反射光纤光栅、双包层掺杂光纤、波分复用器、泵浦源、输出光纤光栅和输出尾纤；其中，所述全反射光纤光栅、双包层掺杂光纤、波分复用器的信号端、输出光纤光栅和输出尾纤首尾相连依次熔接，所述泵浦源的输出端与波分复用器的泵浦端熔接；第二部分是超声诱导长周期光纤光栅，包括固定支架、锯齿形金属板、压电陶瓷、射频电源和调节螺丝，其中，所述固定支架由相互平行的顶板和底板组成，顶板和底板通过侧板固定，底板上设置多个由下向上穿过底板的调节螺丝；压电陶瓷置于调节螺丝顶部，锯齿形金属板一面为平面、另一面锯齿面，锯齿形金属板固定于压电陶瓷上且其锯齿面向上，双包层掺杂光纤置于锯齿形金属板的锯齿面上，且双包层掺杂光纤的长度方向与锯齿面上锯齿周期长度一致；通过旋转调节螺丝调整锯齿形金属板的高度，使锯齿面将双包层掺杂光纤顶在固定支架的顶板下表面，压电陶瓷连接射频电源。

本发明还包括如下其他技术特征：

当所述压电陶瓷通入直流电时，电致伸缩效应使得锯齿形金属板产生向上位移挤压双包层掺杂光纤，在双包层掺杂光纤中形成周期性的微弯成为长周期光纤光栅；当压电陶瓷不通电时，电致伸缩效应消失，形成巨脉冲输出；当压电陶瓷通入射频电源时，射频电源致使压电陶瓷快速振动，在双包层掺杂光纤中形成脉冲激光输出。

所述全反射光纤光栅选择中心反射率大于99%的全反射光纤光栅，输出光纤光栅选择中心反射率为5%-80%的光纤光栅。

所述锯齿形金属板的周期长度Λ根据式1计算得到：

$\mathrm{\λ}=(n_{\mathrm{eff}}^{\mathrm{co}}-n_{\mathrm{eff}}^{\mathrm{cl}})\mathrm{\Λ}$ （式1）

其中，为双包层掺杂光纤的纤芯基模LP₀₁模的有效折射率，为双包层掺杂光纤的内包层模LP₀₂模的有效折射率。

所述锯齿形金属板的锯齿周期数不小于80。

所述全反射光纤光栅采用1080nm全反射布拉格光纤光栅，在1080nm处反射率＞99%；压电陶瓷采用尺寸为45*8*5mm长方片状压电陶瓷；双包层掺杂光纤选择10/128μm的双包层掺镱光纤，在975nm处包层吸收率为6dB，长度取6米；波分复用器采用输出端与信号端均为10/128μm，泵浦端为100μm的(1+1*1)的波分复用器；泵浦源采用带100μm尾纤输出的输出波长为975nm输出功率为30W的半导体激光器；输出光纤光栅采用1080nm波长处反射率=10%的布拉格光纤光栅。

根据模式耦合理论，长周期光栅LPFG的模式耦合主要是同向传输的纤芯基模和内包层模之间的耦合，能量在模式之间发生相互转移。单模光纤纤芯中传播的模式只有纤芯基模，而内包层中存在许多模式。在理想的均匀光纤中，不同模式相互正交，互不干扰，在传输过程中模式能量保持恒定。LPFG的模式耦合属于纤芯基模LP₀₁与同向传输的内包层模LP_0m之间的耦合（m=2，3，4，…），其中与LP₀₂之间的耦合最大。由耦合模理论可知，LPFG的相位匹配条件可表示为：

$\mathrm{\λ}=(n_{\mathrm{eff}}^{\mathrm{co}}-n_{\mathrm{eff}}^{\mathrm{cl}})\mathrm{\Λ}$ 式（1）

式中，和分别为纤芯基模LP₀₁模和内包层模LP₀₂模的有效折射率，针对某一光纤是固定的，可以通过实验获得，进而就可求出对应激光波长所需的周期长度Λ。

当压电陶瓷PZT通电时，电致伸缩效应将会伸长使锯齿形金属板产生一个向上的位移而挤压光纤，在光纤中形成周期性的微弯，形成长周期光纤光栅，当使纤芯中模式与包层模式耦合，使光纤内损耗增大，提高激光器振荡阈值，增加纤芯内储能，当压电陶瓷PZT不通电时，电致伸缩效应消失，光纤回归到低损耗状态，激光器振荡阈值降低，形成巨脉冲输出，当压电陶瓷PZT接射频电源时，射频电源致使压电陶瓷PZT快速振动，在光纤中形成高重复频率的脉冲激光输出；当压电陶瓷PZT不通电时，其又相当于一台连续激光器。

本发明采用超声诱导方式形成长周期光纤光栅调Q光纤激光器，电致伸缩效应从侧面挤压光纤形成长周期光纤光栅，光纤激光器为没有插入分立元件的全光纤结构，无插入损耗，同时该激光器可实现连续与脉冲双运转，具有光束质量好、输出功率高、结构紧凑、性能稳定可靠的优点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为长周期光纤光栅的装配图。

图3为吸收光谱测试示意图。

以下结合附图和具体实施方式对本发明进一步解释说明。

具体实施方式

如图1所示，本发明的超声诱导长周期光纤光栅调Q脉冲和连续两用光纤激光器由两部分构成，第一部分是光纤激光器主体，包括全反射光纤光栅1、双包层掺杂光纤7、波分复用器8、泵浦源9、输出光纤光栅10和输出尾纤11；其中，所述全反射光纤光栅1、双包层掺杂光纤7、波分复用器8的信号端、输出光纤光栅10和输出尾纤11首尾相连依次熔接，所述泵浦源9的输出端与波分复用器8的泵浦端熔接；第二部分是超声诱导长周期光纤光栅，包括固定支架2、锯齿形金属板3、压电陶瓷4、射频电源5和调节螺丝6，其中，如图2所示，所述固定支架2由相互平行的顶板2-2和底板2-3组成，顶板2-2和底板2-3通过侧板2-1固定，底板2-3上设置多个由下向上穿过底板2-3的调节螺丝6；压电陶瓷4置于调节螺丝6顶部，锯齿形金属板3一面为平面，另一面为均匀的锯齿面，锯齿形金属板3固定于压电陶瓷4上且其锯齿面向上，双包层掺杂光纤7置于锯齿形金属板3的锯齿面上，且双包层掺杂光纤7的长度方向与锯齿面上锯齿周期长度一致；通过旋转调节螺丝6调整锯齿形金属板3的高度，使锯齿面将双包层掺杂光纤7顶在固定支架2的顶板2-2下表面，压电陶瓷4连接射频电源5。

实际应用时，可以根据以下步骤选择相关部件：

第一步、确定双包层掺杂光纤7：先根据需求的输出波长选择掺杂哪种稀土元素的双包层光纤，然后根据输出功率需求确定双包层掺杂光纤7的规格以及长度；

第二步、选择波分复用器：波分复用器8的输出端、信号端与双包层掺杂光纤7匹配，二者要求尺寸和数值孔径要匹配，然后选择与之匹配的泵浦输入端；

第三步、确定泵浦源9：当双包层掺杂光纤7与波分复用器8确定后，所需的泵浦源9的输出波长及与其匹配的尾纤规格也就相应的确定了，二者要求尺寸和数值孔径要匹配，然后根据输出功率需求选择相应的泵浦功率；第四步、选择光纤光栅：光纤光栅均采用布拉格关系光栅，中心反射波长是根据输出波长所确定的，光纤光栅所带尾纤的规格是根据所选双包层掺杂光纤7的规格尺寸所决定的，二者要求尺寸和数值孔径要匹配。全反射光纤光栅1选择中心反射率大于99%的全反射光纤光栅，输出光纤光栅10选择中心反射率为5%-80%的光纤光栅。

第五步、加工固定支架2：按图2所示结构加工固定支架2，选择相应尺寸的压电陶瓷4，并将其通过调节螺丝6固定在固定支架2的底板2-3上，调节螺丝6可对其上下位置进行调节。

第六步、制作锯齿形金属板3：根据输出波长与长周期光纤光栅周期长度的关系确定超声诱导长周期光纤光栅的周期长度Λ，然后根据Λ作为锯齿面的锯齿间距制作锯齿形金属板3，锯齿形金属板3的锯齿周期数不小于80。

上面公式括号中的两个参数通常不宜得到精确值，因此还可以通过实验手段得到超声诱导长周期光纤光栅的周期长度Λ，实验时通过测量一块预先加工好的已知齿间距的锯齿形金属板，通过测量其加电后的吸收谱，计算出所需波长对应的齿间距，如图3所示，双包层掺杂光纤7一端经由透镜13注入由宽谱光源12的宽谱光信号，该光源的光谱范围应该包含双包层掺杂光纤7中掺杂元素的荧光谱，在双包层掺杂光纤7的另一端放置光谱仪或频谱分析仪14，测量并记录加载直流电源5时挤压双包层掺杂光纤7所产生的吸收谱，如果此时锯齿面的齿间距为Λ₀，测得在该周期长度Λ₀下的中心吸收波长为λ₀，如果本发明的激光器需要的输出波长为λ，则所需齿间距Λ＝λΛ₀/λ₀，并以Λ为齿间距制作锯齿形金属板3。

第七步、选择射频电源5：射频电源5脉冲的选择根据对激光器输出的重复频率需要来确定。激光器输出的重复频率与射频电流的变化频率相等，该频率受到机械振动的限制，一般来说，射频电流的变化频率选择KHZ以上，射频电流的峰值应当与测量采用直流电源15时采用的直流电的幅值相等。

完成上述各个部件的选择后，装配光纤激光器主体：将全反射光纤光栅1、双包层掺杂光纤7、波分复用器8的信号端、输出光纤光栅10和输出尾纤11首尾相连依次熔接，泵浦源9的输出端与波分复用器8的泵浦端熔接；然后装配超声诱导长周期光纤光栅：将锯齿形金属板3固定于压电陶瓷4之上，并将压电陶瓷4置于固定支架2的调节螺丝6之上，将双包层掺杂光纤7放在锯齿形金属板3的锯齿面之上，调节压电陶瓷4下面的调节螺丝6，使得锯齿形金属板3的带齿面升高并使双包层掺杂光7顶在顶板2-2上，压电陶瓷PZT4连接射频电源5。

当压电陶瓷4通入直流电时，电致伸缩效应将会伸长使锯齿形金属板3产生一个向上的位移而挤压双包层掺杂光纤7，在双包层掺杂光纤7中形成周期性的微弯，形成长周期光纤光栅，使纤芯中模式与包层模式耦合，使光纤内损耗增大，提高激光器振荡阈值，增加纤芯内储能；当压电陶瓷4不通电时，电致伸缩效应消失，双包层掺杂光纤7回归到低损耗状态，激光器振荡阈值降低，形成巨脉冲输出；当压电陶瓷4接射频电源时，射频电源5致使压电陶瓷4快速振动，在双包层掺杂光纤7中形成高重复频率的脉冲激光输出；当关闭射频电源5时，压电陶瓷4无电流通过，其又相当于一台连续激光器。

本发明中，脉冲激光器的重复频率是由射频电源5的输出频率决定的，同时还受到光纤等机械装置的响应速度的影响，所以其在高频（>1MHz）时响应特性会受到一些影响。

实施例：

如图1所示，遵循本发明的上述技术方案，遵循本发明的上述技术方案，本实施例给出了一种超声诱导长周期光纤光栅调Q掺镱脉冲与连续两用光纤激光器，在遵循本发明的上述技术方案的基础上，全反射光纤光栅1采用1080nm全反射布拉格光纤光栅，在1080nm处反射率＞99%；压电陶瓷4采用尺寸为45*8*5mm长方片状；双包层掺杂光纤7选择10/128μm的双包层掺镱光纤，在975nm处包层吸收率为6dB，光纤长度取6米；波分复用器8采用输出端与信号端均为10/128μm，泵浦端为100μm的(1+1*1)的波分复用器。泵浦源9采用带100μm尾纤输出的输出波长为975nm输出功率为30W的半导体激光器；输出光纤光栅10采用1080nm波长处反射率=10%的布拉格光纤光栅；输出尾纤11直接用输出光纤光栅10的尾纤替代，故而省略。将光纤激光器主体部分各部件首尾相连依次熔接，将超声诱导长周期光纤光栅部分按照图2所示结构装配，将压电陶瓷（PZT）4接射频电源5。

当开启泵浦源1时，在本实施例的激光器输出端获得连续1080nm的激光输出，当开启射频电源5时，压电陶瓷PZT上加上周期性变化的交变信号时，在输出端获得1080nm脉冲激光输出。

Claims (2)

1.一种超声诱导长周期光纤光栅调Q脉冲和连续两用光纤激光器，其特征在于，所述激光器由两部分构成，第一部分是光纤激光器主体，包括全反射光纤光栅(1)、双包层掺杂光纤(7)、波分复用器(8)、泵浦源(9)、输出光纤光栅(10)和输出尾纤(11)；其中，所述全反射光纤光栅(1)、双包层掺杂光纤(7)、波分复用器(8)的信号端、输出光纤光栅(10)和输出尾纤(11)首尾相连依次熔接，所述泵浦源(9)的输出端与波分复用器(8)的泵浦端熔接；第二部分是超声诱导长周期光纤光栅，包括固定支架(2)、锯齿形金属板(3)、压电陶瓷(4)、射频电源(5)和调节螺丝(6)，其中，所述固定支架(2)由相互平行的顶板(2-2)和底板(2-3)组成，顶板(2-2)和底板(2-3)通过侧板(2-1)固定，底板(2-3)上设置多个由下向上穿过底板(2-3)的调节螺丝(6)；压电陶瓷(4)置于调节螺丝(6)顶部，锯齿形金属板(3)一面为平面、另一面锯齿面，锯齿形金属板(3)固定于压电陶瓷(4)上且其锯齿面向上，双包层掺杂光纤(7)置于锯齿形金属板(3)的锯齿面上，且双包层掺杂光纤(7)的长度方向与锯齿面上锯齿周期长度一致；通过旋转调节螺丝(6)调整锯齿形金属板(3)的高度，使锯齿面将双包层掺杂光纤(7)顶在固定支架(2)的顶板(2-2)下表面，压电陶瓷(4)连接射频电源(5)；

当所述压电陶瓷(4)通入直流电时，电致伸缩效应使得锯齿形金属板(3)产生向上位移挤压双包层掺杂光纤(7)，在双包层掺杂光纤(7)中形成周期性的微弯成为长周期光纤光栅；当压电陶瓷(4)不通电时，电致伸缩效应消失，形成巨脉冲输出；当压电陶瓷(4)通入射频电源(5)时，射频电源(5)致使压电陶瓷(4)快速振动，在双包层掺杂光纤(7)中形成脉冲激光输出；

所述锯齿形金属板(3)的齿间距Λ通过实验得到，所述实验为：双包层掺杂光纤(7)一端经由透镜(13)注入由宽谱光源(12)的宽谱光信号，该光源的光谱范围包含双包层掺杂光纤(7)中掺杂元素的荧光谱，在双包层掺杂光纤(7)的另一端放置光谱仪或频谱分析仪(14)，测量并记录加载直流电源(15)时挤压双包层掺杂光纤(7)所产生的吸收谱，此时锯齿面的齿间距已知为Λ₀，测得在周期长度Λ₀下的中心吸收波长为λ₀，激光器需要的输出波长为λ，则所需齿间距Λ＝λΛ₀/λ₀；

所述全反射光纤光栅(1)选择中心反射率大于99％的全反射光纤光栅，输出光纤光栅(10)选择中心反射率为5％-80％的光纤光栅；

所述锯齿形金属板(3)的锯齿周期数不小于80；

所述全反射光纤光栅(1)采用1080nm全反射布拉格光纤光栅，在1080nm处反射率＞99％；压电陶瓷(4)采用尺寸为45*8*5mm长方片状压电陶瓷；双包层掺杂光纤(7)选择10/128μm的双包层掺镱光纤，在975nm处包层吸收率为6dB，长度取6米；波分复用器(8)采用输出端与信号端均为10/128μm，泵浦端为100μm的1+1*1的波分复用器；泵浦源(9)采用带100μm尾纤输出的输出波长为975nm输出功率为30W的半导体激光器；输出光纤光栅(10)采用1080nm波长处反射率＝10％的布拉格光纤光栅。

2.如权利要求1所述的超声诱导长周期光纤光栅调Q脉冲和连续两用光纤激光器，其特征在于，所述锯齿形金属板(3)的周期长度Λ根据式1计算得到：

其中，为双包层掺杂光纤(7)的纤芯基模LP₀₁模的有效折射率，为双包层掺杂光纤(7)的内包层模LP₀₂模的有效折射率。