CN103259171A - 磁力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

本发明公开了一种磁力诱导长周期光纤光栅调Q脉冲和连续两用光纤激光器，包括首尾相连的泵浦源、全反射光纤光栅、双包层掺杂光纤、输出光纤光栅和输出尾纤；还包括磁力诱导长周期光纤光栅：包括周期性铁质部件、线圈和铁芯，线圈绕在铁芯外，周期性铁质部件置于铁芯上，双包层掺杂光纤的尾端夹在周期性铁质部件和支架间。本发明在线圈通电时，双包层掺杂光纤被挤压形成长周期光纤光栅，使双包层掺杂光纤内损耗增大，提高激光器振荡阈值，增加纤芯内储能。当通上周期性方波周期性方波电流时形成周期性出现的长周期光纤光栅，从而形成具有重复性的激光调Q输出。当线圈不通电时，激光器又可作为连续激光器使用。

Description

磁力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，特别是一种磁力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。

目前常用调Q技术的有声光调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。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

针对目前现有调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，提供一种磁力诱导长周期光栅调Q脉冲和连续两用光纤激光器，该激光器在线圈通电时，双包层掺杂光纤被挤压形成长周期光纤光栅，使双包层掺杂光纤内损耗增大，提高激光器振荡阈值，增加纤芯内储能。当通上周期性方波电流时形成周期性出现的长周期光纤光栅，从而形成具有重复性的激光调Q输出。当线圈不通电时，激光器又可作为连续激光器使用。

为了达到上述目的，本发明采用如下的技术解决方案予以解决：

磁力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：其中，第一部分是光纤激光器主体，包括泵浦源、全反射光纤光栅、双包层掺杂光纤、输出光纤光栅和输出尾纤，上述各部件首尾相连依次熔接；第二部分是磁力诱导长周期光纤光栅，包括周期性铁质部件、线圈和铁芯，其中，线圈绕在铁芯外部，周期性铁质部件通过支架置于铁芯上表面，双包层掺杂光纤的尾端夹在周期性铁质部件和支架之间，且周期性铁质部件的周期长度方向与双包层掺杂光纤的长度方向一致，周期性铁质部件长度方向的两端与铁芯的外边沿对齐。

本发明还包括如下其他技术特征：

当线圈通入直流电时，产生的磁场吸引周期性铁质部件挤压双包层掺杂光纤，在双包层掺杂光纤上形成具有周期性的弯曲成为长周期光纤光栅，当切断线圈电流时有巨脉冲激光输出；当线圈通入周期性方波电流时，产生周期性磁场吸引周期性铁质部件周期性挤压双包层掺杂光纤，形成具有周期性的长周期光纤光栅，最终形成具有重复性的激光调Q输出；当线圈不通电时，所述激光器相当于一个由部件泵浦源、全反射光纤光栅、双包层掺杂光纤、输出光纤光栅、输出尾纤组成的连续运转全光纤结构的光纤激光器。

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在5%-80%的光纤光栅。

所述周期性铁质部件的周期长度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。

当双包层掺杂光纤内包层直径为125μm且外包层直径为D_外=250μm时，线圈和铁芯组成的电磁铁的吸引力大于50N；其他尺寸的双包层掺杂光纤所需的电磁力F的大小通过式2计算：

$F\≥50D_{\mathrm{ocl}}^2/62500\left(N\right)=D_{\mathrm{ocl}}^2/12500\left(N\right)$   （式2）

式中，D_ocl为双包层掺杂光纤的外包层直径，单位为μm。

所述周期性铁质部件选用弹簧、空心螺杆或者锯齿状铁板，且周期性铁质部件的周期数大于等于80。

所述周期性铁质部件选用弹簧或空心螺杆时，所述支架选择U型支架，该U型支架置于套有线圈的铁芯上表面，双包层掺杂光纤的尾端置于U型支架底部，弹簧或空心螺杆置于U型支架中，且在重力的作用下压在双包层掺杂光纤上，弹簧或空心螺杆的长度方向与双包层掺杂光纤一致。

所述周期性铁质部件采用一面为平面、另一面为均匀的锯齿面的锯齿状铁板时，所述支架选择锯齿状铁板支架，该锯齿状铁板支架置于套有线圈的铁芯上表面，双包层掺杂光纤的尾端置于锯齿状铁板支架底部，锯齿状铁板支架包括底板及安装在底板上的四个立柱，四个立柱侧壁上设有导轨，锯齿状铁板四角上对应设有导轨；将锯齿状铁板通过导轨套在四个立柱之间，锯齿状铁板可沿导轨上下滑动，锯齿状铁板的锯齿面在重力的作用下压在双包层掺杂光纤之上，锯齿状铁板的锯齿周期长度方向与双包层掺杂光纤一致。

所述锯齿状铁板齿高大于0.5mm，质量小于100克。

本发明的实现原理如下：

本发明的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磁力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，如果这一波长与光纤激光器需要输出的激光波长相同，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。

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

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，可通过实验获得，进而求出对应激光波长所需的周期长度Λ，也可以通过实验方法通过比例法测得——也即通过测量已知周期长度Λ₀对应的吸收波长λ₀，按照公式λ/Λ=λ₀/Λ₀获得对应激光波长所需的周期长度Λ。

本发明采用磁力诱导方式形成的长周期光纤光栅调Q光纤激光器，磁力从侧面作用于光纤，光纤激光器中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为弹簧作为周期性铁质部件时的长周期光纤光栅的装配图。

图3为锯齿状铁板作为周期性铁质部件时的长周期光纤光栅的装配图。

图4为吸收光谱测试示意图。

图5为电磁铁上所加电流信号和形成的激光脉冲序列。其中，（a）为电流信号，（b）为激光脉冲序列。

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-图3所示，本发明的磁力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，包括泵浦源1、全反射光纤光栅2、双包层掺杂光纤3、输出光纤光栅7和输出尾纤8，上述各部件首尾相连依次熔接；第二部分是磁力诱导长周期光纤光栅，包括周期性铁质部件4、线圈5和铁芯6，其中，线圈5绕在铁芯6外部，周期性铁质部件4通过支架置于铁芯6上表面，双包层掺杂光纤3的尾端夹在周期性铁质部件4和支架之间，且周期性铁质部件4的周期长度方向与双包层掺杂光纤3的长度方向一致，周期性铁质部件4长度方向的两端与铁芯6的外边沿对齐。

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3，先根据需求的输出波长要求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3的规格以及长度；

第二步、确定泵浦源1：当双包层掺杂光纤3确定后，所需的泵浦源的输出波长及与其匹配的尾纤的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；

第三步、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确定，光纤光栅所带尾纤的规格是根据所选双包层光纤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2选择中心反射率大于99%的全反射光纤光栅，输出光纤光栅7选择中心反射率在5%-80%的光纤光栅。

第四步、根据所需要的输出波长确定磁力诱导长周期光纤光栅长周期光栅的周期长度及制作周期性铁质部件4：根据波长与长周期光纤光栅周期长度的关系

（式1）确定磁力诱导长周期光纤光栅的周期长度Λ；由于上述公式括号中的两个参数通常不易得到精确值，因此还可以通过常规实验方法（参见第六步）得到周期长度Λ，然后根据得到的周期长度Λ制作周期性铁质部件4，周期性铁质部件4可选用弹簧、空心螺杆或者锯齿状铁板，所选周期性铁质部件4自重应尽量小，以不超过1N（也即质量<100克）为宜，这样在撤去电磁力后，其自重对双包层掺杂光纤3的压力可忽略，周期性铁质部件4的周期数大于等于80。

第五步、线圈5和铁芯6的制作：针对不同规格的双包层掺杂光纤3所需的最佳电磁铁（电磁铁由线圈5和铁芯6组成）吸引力会有所不同，光纤越粗所需的压力越大，针对最常用的内包层直径为125μm外包层直径为D_外=250μm作为双包层掺杂光纤3时，选电磁铁吸引力大于50N即可；其他尺寸的双包层掺杂光纤3所需的电磁力F的大小通过下式计算：

$F\&GreaterEqual;50D_{\mathrm{ocl}}^2/62500\left(N\right)=D_{\mathrm{ocl}}^2/12500\left(N\right)$   （式2）

式中，D_ocl为双包层掺杂光纤的外包层直径，单位为μm。

线圈5和铁芯6既可以采用自行绕制，亦可购买市售的电磁铁，绕制时首先根据所需的周期数和周期长度确定铁芯6的的规格及材质，所用铁芯6采用软铁或矽钢片材料，其形状为圆柱或者棱柱，如果是圆柱，其直径大于等于NΛ（NΛ也即周期性铁质部件的长度），如果是棱柱，其横截面边长大于等于NΛ，然后根据电磁力大小计算所需缠绕的匝数，或者通过实测的方法使电磁铁在额定电流下，其满足所需电磁力的大小；亦可参照式2计算得到的电磁力F的大小选用市售的直流吸盘电磁铁，同时要求铁芯6直径大于等于NΛ。

第六步、周期性铁质部件4支架的制作及安装：根据周期性铁质部件4形状的不同采用不同形状的非铁磁性金属或硬质塑料支架，如图2所示，如果周期性铁质部件4选用弹簧或空心螺杆，则选择U型支架9以支撑，该U型支架9置于套有线圈5的铁芯6上表面，双包层掺杂光纤3的尾端置于U型支架9底部，弹簧或空心螺杆置于U型支架9中，且在重力的作用下压在双包层掺杂光纤3上，弹簧或空心螺杆的长度方向与双包层掺杂光纤3一致。如图3所示，如果选用锯齿状铁板作为周期性铁质部件4，则选择锯齿状铁板支架11以支撑，锯齿状铁板支架11置于套有线圈5的铁芯6上表面，双包层掺杂光纤3的尾端置于锯齿状铁板支架11底部，锯齿状铁板支架11包括底板及安装在底板上的四个立柱，四个立柱侧壁上设有导轨，锯齿状铁板10四角上对应设有导轨，且锯齿状铁板一面为平面，另一面为均匀的锯齿面；将锯齿状铁板10通过导轨套在四个立柱之间，锯齿状铁板10可沿导轨上下滑动，锯齿状铁板10的锯齿面在重力的作用下压在双包层掺杂光纤3之上，锯齿状铁板10的锯齿周期长度方向与双包层掺杂光纤3一致。

周期长度Λ可采用如下实验方法获得，如果周期性铁质部件4和支架采用图2所示结构，则将双包层掺杂光纤3放入弹簧或空心螺杆与U型支架9之间，将U型支架9置于套有线圈5的铁芯6上表面，双包层掺杂光纤3一端经由透镜13注入由宽谱光源12的宽谱光信号，该光源光谱范围应该包含双包层掺杂光纤3中掺杂元素的荧光谱，另一端放置光谱仪或频谱分析仪14，如图4所示，当线圈5加直流电后测量透射谱，如果此时弹簧的节距为Λ₀，测得在该周期长度Λ₀下的中心吸收波长λ₀，当本发明的激光器需要的输出波长为λ时，则所需弹簧节距Λ＝λΛ₀/λ₀，以Λ为弹簧节距或螺纹间距选择弹簧、空心螺杆。如果周期性铁质部件4和支架采用图3所示结构，则实验方法相同，即采用一个齿间距为Λ₀的锯齿状铁板10，测量在周期长度为Λ₀下的中心吸收波长λ₀，如果本发明的激光器需要的输出波长为λ，则所需锯齿状铁板10周期长度Λ＝λΛ₀/λ₀，以Λ为齿节距制作锯齿状铁板10，锯齿状铁板10齿高大于0.5mm，质量小于100克。

完成上述部件的选择与加工之后，装配光纤激光器主体：将泵浦源1、全反射光纤光栅2、双包层掺杂光纤3、输出光纤光栅7和输出尾纤8首尾相连依次熔接；然后进行磁力诱导长周期光纤光栅部分的装配：将线圈5绕于铁芯6之外，铁芯6置于双包层掺杂光纤3尾端的下方，周期性铁质部件4置于双包层掺杂光纤3之上并与铁芯6对齐。

实际使用时，对线圈5中通入的具体的周期性方波电流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周期性方波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，周期性方波电流的变化频率选择KHZ以内，周期性方波电流的峰值应与上述第六步中测量电磁力时采用的直流电的幅值相等。

当线圈5通直流电时，产生的磁场吸引周期性铁质部件4挤压双包层掺杂光纤3，在双包层掺杂光纤3上形成具有一定周期性的微小的弯曲，形成长周期光纤光栅，通过这种调节使纤芯中的模式与包层模式耦合，使双包层掺杂光纤内损耗增大，提高激光器振荡阈值，增加纤芯内储能。当切断线圈5电流时，磁力消失，双包层掺杂光纤3回归到低损耗状态，激光器振荡阈值降低，形成巨脉冲激光输出，此时本发明的激光器又可作为连续激光器使用。当线圈5通上周期性方波电流时，产生周期性磁场吸引周期性铁质部件4周期性挤压双包层掺杂光纤3，形成周期性出现的长周期光纤光栅，从而形成具有重复性的激光调Q输出。当线圈6不通电时，其相当于没有部件周期性铁质部件4、线圈5、铁芯6的一个由泵浦源1、全反射光纤光栅2、双包层掺杂光纤3、输出光纤光栅7、输出尾纤8组成的连续运转全光纤结构的光纤激光器。

实施例：

如图1所示，本实施例给出了一种磁力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，包括光纤激光器主体和磁力诱导长周期光纤光栅两个部分。在遵循本发明的上述技术方案的基础上，光纤激光器主体部分各部件分别为，泵浦源1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；全反射光纤光栅2采用1080nm全反射布拉格光纤光栅，在1080nm处反射率>99%；双包层掺杂光纤3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；输出光纤光栅7采用1080nm波长处反射率=10%的布拉格光纤光栅；输出尾纤8直接用输出光纤光栅7的尾纤替代，故而省略。

磁力诱导长周期光纤光栅结构见图2所示，周期性铁质部件4采用钢制弹簧，钢制弹簧由钢丝绕成直径3cm的100圈，线圈5和铁芯6采用电磁铁吸引力50N的直流吸盘电磁铁，并将弹簧4、U型支架9、线圈5和铁芯6按图2所示结构装配，将双包层掺杂光纤3尾端放入弹簧4与U型支架9之间，测量其透射谱，测量时双包层掺杂光纤3一端注入连续白光，另一端放置光谱仪或频谱分析仪，当线圈5加电后观测透射谱，根据得到的周期长度Λ作为弹簧节距选择或调整弹簧，使吸收中心波长位于1080nm，该波长即为本实施例需要输出的激光波长。

将光纤激光器主体部分各部件首尾相连依次熔接，然后将U型支架9按图2所示结构置于线圈5和铁芯6之上，再将双包层掺杂光纤3放入U型支架9底部，最后将弹簧4放置在U型支架9中压在双包层掺杂光纤（3）之上。

当开启泵浦源1时，会在本实施例的激光器的输出端获得连续1080nm的激光输出，当在线圈5上加上图5（a）所示周期性变化的方波电流信号（峰值电流即为电磁铁获得相应电磁力所对应的额定电流值）时，在激光器的输出端获得如图5（b）所示的1080nm脉冲激光输出。

Claims (9)

1.磁力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：其中，第一部分是光纤激光器主体，包括泵浦源（1）、全反射光纤光栅（2）、双包层掺杂光纤（3）、输出光纤光栅（7）和输出尾纤（8），上述各部件首尾相连依次熔接；第二部分是磁力诱导长周期光纤光栅，包括周期性铁质部件（4）、线圈（5）和铁芯（6），其中，线圈（5）绕在铁芯（6）外部，周期性铁质部件（4）通过支架置于铁芯（6）上表面，双包层掺杂光纤（3）的尾端夹在周期性铁质部件（4）和支架之间，且周期性铁质部件（4）的周期长度方向与双包层掺杂光纤（3）的长度方向一致，周期性铁质部件（4）长度方向的两端与铁芯（6）的外边沿对齐。

2.如权利要求1所述的磁力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，当线圈（5）通入直流电时，产生的磁场吸引周期性铁质部件（4）挤压双包层掺杂光纤（3），在双包层掺杂光纤（3）上形成具有周期性的弯曲成为长周期光纤光栅，当切断线圈（5）电流时有巨脉冲激光输出；当线圈（5）通入周期性方波电流时，产生周期性磁场吸引周期性铁质部件（4）周期性挤压双包层掺杂光纤（3），形成具有周期性的长周期光纤光栅，最终形成具有重复性的激光调Q输出；当线圈（6）不通电时，所述激光器相当于一个由部件泵浦源（1）、全反射光纤光栅（2）、双包层掺杂光纤（3）、输出光纤光栅（7）、输出尾纤（8）组成的连续运转全光纤结构的光纤激光器。

3.如权利要求1所述的磁力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，所述全反射光纤光栅（2）选择中心反射率大于99%的全反射光纤光栅，输出光纤光栅（7）选择中心反射率在5%-80%的光纤光栅。

4.如权利要求1所述的磁力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，所述周期性铁质部件（4）的周期长度Λ根据式1计算得到：

$\mathrm{\&lambda;}=(n_{\mathrm{eff}}^{\mathrm{co}}-n_{\mathrm{eff}}^{\mathrm{cl}})\mathrm{\&Lambda;}$   （式1）

其中，

为双包层掺杂光纤（3）的纤芯基模LP₀₁模的有效折射率，

为双包层掺杂光纤（3）的内包层模LP₀₂模的有效折射率。

5.如权利要求1所述的磁力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，当双包层掺杂光纤（3）内包层直径为125μm且外包层直径为D_外=250μm时，线圈（5）和铁芯（6）组成的电磁铁的吸引力大于50N；其他尺寸的双包层掺杂光纤（3）所需的电磁力F的大小通过式2计算：

$F\&GreaterEqual;50D_{\mathrm{ocl}}^2/62500\left(N\right)=D_{\mathrm{ocl}}^2/12500\left(N\right)$   （式2）

式中，D_ocl为双包层掺杂光纤3的外包层直径，单位为μm。

6.如权利要求1所述的磁力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，所述周期性铁质部件（4）选用弹簧、空心螺杆或者锯齿状铁板，且周期性铁质部件（4）的周期数大于等于80。

7.如权利要求6所述的磁力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，所述周期性铁质部件（4）选用弹簧或空心螺杆时，所述支架选择U型支架（9），该U型支架（9）置于套有线圈（5）的铁芯（6）上表面，双包层掺杂光纤（3）的尾端置于U型支架（9）底部，弹簧或空心螺杆置于U型支架（9）中，且在重力的作用下压在双包层掺杂光纤（3）上，弹簧或空心螺杆的长度方向与双包层掺杂光纤（3）一致。

8.如权利要求6所述的磁力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，所述周期性铁质部件（4）采用一面为平面、另一面为均匀的锯齿面的锯齿状铁板（10）时，所述支架选择锯齿状铁板支架（11），该锯齿状铁板支架（11）置于套有线圈（5）的铁芯（6）上表面，双包层掺杂光纤（3）的尾端置于锯齿状铁板支架（11）底部，锯齿状铁板支架（11）包括底板及安装在底板上的四个立柱，四个立柱侧壁上设有导轨，锯齿状铁板（10）四角上对应设有导轨；将锯齿状铁板（10）通过导轨套在四个立柱之间，锯齿状铁板（10）可沿导轨上下滑动，锯齿状铁板（10）的锯齿面在重力的作用下压在双包层掺杂光纤（3）之上，锯齿状铁板（10）的锯齿周期长度方向与双包层掺杂光纤（3）一致。

9.如权利要求6所述的磁力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，所述锯齿状铁板（10）齿高大于0.5mm，质量小于100克。

Images