CN104064940A - 一种光纤输出装置及光纤激光系统 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供一种光纤输出装置及光纤激光系统，该装置包括：用于从激光产生装置引出激光的光子带隙光纤以及光纤端帽结构；所述光子带隙光纤的光输出端与所述光纤端帽结构相结合，以使从所述光子带隙光纤的光输出端输出的激光无界面扩束。本发明能够实现高峰值功率输出、控制非线性在光纤中传播时的过分累积的同时避免光输出端的破坏，这一发明将使得真正的全光纤超高峰值功率激光器成为可能。
Description
技术领域
本发明属于光纤激光器技术领域，尤其涉及一种光纤输出装置及光纤激光系统。
背景技术
现有的超高峰值功率光纤激光器的光纤输出方案存在两大难题：第一，非线性效应在光纤中的累积会导致激光脉冲形状发生畸变，并对整个光纤激光器造成破坏；第二，高功率激光在光纤输出的输出口对输出表面会造成破坏。
因此如何能够通过一种光纤输出装置与光纤激光器相连，在实现高峰值功率输出的同时避免光输出端的破坏，是本领域技术人员非常关心的一个课题。本发明者早期在美国提出的基于啁啾脉冲放大系统中展宽放大输出再以空间光栅压缩的方案试图解决这一难题，但是，这并不是真正的全光纤技术方案，而且在某种程度上明显没能充分利用到超短脉冲独有的高表面破坏阈值的优越性。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提一种光纤输出装置，能够实现高峰值功率输出、控制非线性在光纤中传播时的过分累积的同时避免光输出端的破坏,这一发明将使得真正的全光纤超高峰值功率激光器成为可能。
为实现上述目的，本发明实施例提供一种光纤输出装置，包括：用于从激光产生装置引出激光的光子带隙光纤、以及光纤端帽结构；
所述光子带隙光纤的光输出端与所述光纤端帽结构相结合，以使从所述光子带隙光纤的光输出端输出的激光无界面扩束。
在一个优选的实施例中，所述光子带隙光纤的输出端与所述光纤端帽结 构熔接，所述光子带隙光纤的光输出端附近的空气纤芯和包层空气结构与所述光纤端帽结构之间结构塌缩。
在一个优选的实施例中，所述光子带隙光纤的输出端与所述光纤端帽结构熔接，所述光纤端帽结构全部填充在所述光子带隙光纤的光输出端附近的空气纤芯和包层空气结构中。
在一个优选的实施例中，所述光纤端帽结构为无芯石英光纤。
在一个优选的实施例中，所述光子带隙光纤的光输出端与所述光纤端帽结构之间通过光学结合方法相结合。
在一个优选的实施例中，所述光子带隙光纤的光输出端的端面为平面抛光或斜面抛光的端面。
在一个优选的实施例中，所述光子带隙光纤的光输出端附近的空气纤芯和包层中填充有石英。
在一个优选的实施例中，所述光子带隙光纤的外围还套有陶瓷套圈或玻璃毛细管。
在一个优选的实施例中，所述光学结合方法具体为化学活化直接键合方法。
在一个优选的实施例中，激光产生装置为全光纤超短脉冲激光器。
本发明另一方面还提供一种光纤激光系统，包括光纤激光器和上述的光纤输出装置，所述光纤激光器作为激光产生装置，所述光纤输出装置中的光子带隙光纤从所述光纤激光器中引出激光。
由此可见，本发明实施例中实现激光无界面地输出到光纤端帽结构中并实现扩束，进而提高了超高功率超短脉冲能量的激光脉冲在光子带隙光纤的输出端的端面上的损伤阈值，避免高能量短脉冲的激光脉冲对光纤输出端的破坏。另外，光子带隙光纤的空心结构可以有效降低石英材料中的非线性效应，相当于有效面积的增加，进而提高在该光纤中传输激光的峰值功率。而 在超短脉冲的光纤啁啾脉冲放大系统中，由于光子带隙光纤的色散补偿功能还可以逐渐压缩脉冲宽度，使进入时的纳秒脉冲变成输出时的飞秒脉冲，提高输出面的峰值功率破坏阈值达3-4个数量级。
综上所述，本发明的思想在于如下科学突破：通过创造性的区分超高峰值功率激光在光纤内部传播的非线性累积和超高峰值功率激光对光纤输出表面的破坏这两个不同的物理过程，利用超短脉冲对于输出表面的特殊破坏机理，获得全光纤的超高峰值功率激光系统。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为扩束程度与光纤端面能够承受的峰值功率的关系曲线；
图2A为1ns脉宽的脉冲激光在光纤中的非线性效应曲线；
图2B为100fs脉宽的脉冲激光在光纤中的非线性效应曲线；
图3为本发明提供的光纤输出装置的一个实施例的示意图；
图4为本发明提供的光纤输出装置的另一个实施例的示意图；
图5为本发明提供的光纤输出装置的另一个实施例的示意图；
图6为本发明提供的光纤输出装置的另一个实施例的示意图；
图7为本发明提供的光纤输出装置的另一个实施例的示意图；
图8为本发明提供的光纤输出装置的另一个实施例的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获 得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
光纤端帽结构是用于扩展光束模场直径(MFD)的，目的是为了避免对纤维的损伤。经过发明人的试验，得到图1中扩束程度与光纤端面能够承受的峰值功率的关系曲线。其中，对于纳秒脉冲，即使光束模场直径扩束到100微米，光纤端面能承受的峰值功率也不到10MW；而对于飞秒或皮秒脉冲，当光束模场直径扩束到100微米时，光纤端面能承受的峰值功率超过1GW(即十亿瓦)，经过分析发现，纳秒脉冲主要会因为热效应导致光纤端面损坏，而超短脉冲(脉宽<10ps)则对光纤端面几乎没有热效应的问题。由此可以得出，通过光纤直接输出极高峰值功率的需求下，使用超短脉冲更加有利，这一结论与本领域技术人员的通常直觉相反。
发明人又通过模拟计算进一步模拟了光纤中累计的非线性效应与峰值功率、纤芯大小和光纤长度之间的关系，参见图2A和图2B。图2A和图2B的计算均是以纤芯直径为30微米的大模场(LMA)光纤作为对象，且同时考虑了有源光纤和无源光纤在高峰值功率光纤激光器中的使用。图2A示出了1ns脉宽的脉冲激光在光纤中的自聚焦(Self Focusing)效应曲线201、表面损坏(Surface Damage)曲线202、受激拉曼散射(SRS)效应曲线203、自相位调制(SPM)效应曲线204和受激布里渊散射(SBS)效应曲线205，图2A示出了100fs脉宽的脉冲激光在光纤中的自聚焦(Self Focusing)效应曲线21、表面损坏(Surface Damage)曲线22、受激拉曼散射(SRS)效应曲线23、自相位调制(SPM)效应曲线24和受激布里渊散射(SBS)效应曲线25。
由此可以看出，1ns脉宽的激光脉冲和100fs脉宽的脉冲激光在光纤中传播时非线性效应的发展趋势是大致相同的。图2A和图2B中Y轴均是激光脉冲能量，对于100fs脉宽的激光脉冲，由于脉冲甚短，所以只能支持μJ级的能量，但是就峰值功率而言，1ns脉宽的脉冲激光与100fs脉宽的激光脉冲实际上相同的。而真正显著不同之处在于：100fs激光脉冲的表面破坏阈值极高。
由此本发明中可以将超短超高峰值功率的激光脉冲直接从光纤输出。
实施例一
图3示出了本发明提供的光纤输出装置的一个实施例的示意图，如图3所示，包括从激光产生装置33引出激光的光子带隙光纤(PBF)31，以及光纤端帽结构32。这里的激光产生装置33可以是光纤激光器。
在本实施例中，光子带隙光纤31具有空气纤芯312和包层311。其中包层311中也具有空气结构。光纤端帽结构32为无芯石英光纤，光子带隙光纤31的输出端31a与光纤端帽结构32熔接，进而诱导光子带隙光纤31的光输出端31a附近的空气纤芯312和包层311中的空气结构与光纤端帽机构32中的二氧化硅的结构塌陷，产生模场匹配的光纤端帽，以使光子带隙光纤31的光输出端输出的激光被无界面扩束，最大程度降低激光从光子带隙光纤31输出到光纤端帽机构32中时的光损失。
光子带隙光纤31的空心结构可以有效降低石英材料中的非线性效应，相当于有效面积的增加，进而提高在该光纤中传输激光的峰值功率。
本发明中将光子带隙光纤31与光纤端帽结构32熔接的具体方法可以是熔融熔接(fusion splice)、细丝熔接(filament splice)、或环火电弧熔接(Ring of Fire splice)。
本实施例中的光纤输出装置中的光子带隙光纤的光输出端与光纤端帽结构之间进行熔接，实现激光无界面地输出到光纤端帽结构中并实现扩束，进而提高了超高功率超短脉冲能量的激光脉冲在光子带隙光纤的输出端的端面上的损伤阈值，避免高能量短脉冲的激光脉冲对光纤输出端的破坏。而在超短脉冲的光纤啁啾脉冲放大系统中，由于光子带隙光纤的色散补偿功能还可以逐渐压缩脉冲宽度，使进入时的纳秒脉冲变成输出时的飞秒脉冲，提高输出面的峰值功率破坏阈值达3-4个数量级。
实施例二
图4示出了本发明提供的光纤输出装置的另一个实施例的示意图，如图4所示，包括从激光产生装置43引出激光的光子带隙光纤41，以及光纤端帽结构42。这里的激光产生装置43可以是光纤激光器。
在本实施例中，光子带隙光纤41具有空气纤芯412和包层411。其中包层4111也具有空气结构。光纤端帽结构42为无芯石英光纤。光纤端帽结构42与光子带隙光纤41的输出端熔接，形成光纤端帽结构41的二氧化硅全部填充在光子带隙光纤41的光输出端41a附近的空气纤芯411和包层412的空气结构中，从而增加模场面积。
本实施例中的熔接具体方法也可以是熔融熔接(fusion splice)、细丝熔接(filament splice)、或环火电弧熔接(Ring of Fire splice)。。
本实施例中的光纤输出装置中的光子带隙光纤的光输出端与光纤端帽结构之间进行了熔接，实现光纤端帽结构的二氧化硅全部填充在光子带隙光纤的光输出端附近的空气纤芯和包层的空气结构中，实现激光无界面地输出到光纤端帽结构中并实现扩束，进而提高了超高功率超短脉冲能量的激光脉冲在光子带隙光纤的输出端的端面上的损伤阈值，避免高能量短脉冲的激光脉冲对光纤输出端的破坏。
实施例三
图5为本发明提供的光纤输出装置的另一个实施例的示意图，如图5所示该光纤输出装置包括：光子带隙光纤51和玻璃基板52。在本发明中玻璃基板52作为光纤端帽结构。光子带隙光纤51的光输出端的端面为平面抛光。
光子带隙光纤51的光输出端51a与玻璃基板52之间通过光学结合方法相结合。这里的光学结合方法可以是化学活化直接键合方法(Chemically Activated Direct Bonding，CAD Bonding),还可以是分子束外延生长， (Molecular Beam Epitaxy，MBE)；和离子束喷溅(Ion Beam Sputtering，IBS)等等，以实现这种无界面、无损失扩束。这样的结合方法可以使得接口处的散射和损失几乎可以忽略，达到接近100％的光学透过率，提高了超高功率超短脉冲能量的激光脉冲在光子带隙光纤的输出端的端面上的损伤阈值，避免高能量短脉冲的激光脉冲对光纤输出端的破坏。
另外，为了增加整个装置的稳定性，可以在光子带隙光纤51的外围套有陶瓷套圈或玻璃毛细管材质的外套53。
实施例四
图6为本发明提供的光纤输出装置的另一个实施例的示意图，与实施例三中的光纤输出装置的不同在于，本实施例中的光子带隙光纤的光输出端的端面为斜面抛光。
具体地，如图6所示，该光纤输出装置包括：光子带隙光纤61和玻璃基板62。玻璃基板62作为光纤端帽结构。光子带隙光纤61的光输出端的端面为斜面抛光，即呈一定角度倾斜抛光，这样可以进一步避免后向反射对连接该光纤输出装置的激光器等设备造成影响。
光子带隙光纤61的光输出端61a与玻璃基板62之间仍然通过光学结合方法相结合。这里的光学结合方法可以是化学活化直接键合方法(Chemically Activated Direct Bonding，CAD Bonding),还可以是分子束外延生长，(Molecular Beam Epitaxy，MBE)；和离子束喷溅(Ion Beam Sputtering，IBS)等等，以实现这种无界面、无损失扩束。
另外，为了增加整个装置的稳定性，可以在光子带隙光纤61的外围套有陶瓷套圈或玻璃毛细管材质的外套63。
实施例五
图7为本发明提供的光纤输出装置的另一个实施例的示意图，如图7所 示，该光纤输出装置与实施例三中的光纤输出装置的不同主要在于：在光子带隙光纤的光输出端附近在空气纤芯和包层中填充有石英。
具体地，本实施例中的光纤输出装置包括光子带隙光纤71和玻璃基板72。玻璃基板72作为光纤端帽结构。光子带隙光纤71的光输出端的端面为平面抛光。光子带隙光纤71从激光产生装置(图中未示)中引出激光。
光子带隙光纤71的光输出端71a与玻璃基板62之间仍然通过光学结合方法相结合。这里的光学结合方法可以是化学活化直接键合方法(Chemically Activated Direct Bonding，CAD Bonding),还可以是分子束外延生长，(Molecular Beam Epitaxy，MBE)；和离子束喷溅(Ion Beam Sputtering，IBS)等等，以实现这种无界面、无损失扩束。在光输出端71a附近的一段在空气纤芯712和包层711中填充有石英713，这样可以增加光输出端71a与玻璃基板72的贴合面，进一步增加光输出端71a处的模场直径。
实施例六
图8示出了本发明提供的光纤输出装置的另一个实施例的示意图。如图8所示，该光纤输出装置与实施例五中的光纤输出装置的不同主要在于：在光子带隙光纤的光输出端采用斜面抛光。
具体地，本实施例中的光纤输出装置包括光子带隙光纤81和玻璃基板82。玻璃基板82作为光纤端帽结构。光子带隙光纤81从激光发生装置(图中未示)中引出激光。
光子带隙光纤81的光输出端的端面采用斜面抛光，以降低后向反射对于光子带隙光纤81相连的激光发生装置造成影响。
光子带隙光纤81的光输出端81a与玻璃基板82之间仍然通过光学结合方法相结合。这里的光学结合方法可以是化学活化直接键合方法。(Chemically Activated Direct Bonding，CAD Bonding),还可以是分子束外延生长， (Molecular Beam Epitaxy，MBE)；和离子束喷溅(Ion Beam Sputtering，IBS)等等，以实现这种无界面、无损失扩束。
此外，进一步增加光输出端81a处的模场直径，还在光输出端81a附近的一段在空气纤芯812和包层811中填充有石英813，以增加光输出端81a与玻璃基板82的贴合面。
在本发明的一个具体实施例中，上述提到的激光产生装置优选为超短脉冲激光器，以产生超短超高峰值功率的激光脉冲，并直接从光纤中输出。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种光纤输出装置，其特征在于，包括：用于从激光产生装置引出激光的光子带隙光纤以及光纤端帽结构；
所述光子带隙光纤的光输出端与所述光纤端帽结构相结合，以使从所述光子带隙光纤的光输出端输出的激光无界面扩束。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光子带隙光纤的输出端与所述光纤端帽结构熔接，所述光子带隙光纤的光输出端附近的空气纤芯和包层空气结构与所述光纤端帽结构之间结构塌缩；
或；
所述光子带隙光纤的输出端与所述光纤端帽结构熔接，所述光纤端帽结构全部填充在所述光子带隙光纤的光输出端附近的空气纤芯和包层空气结构中。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述光纤端帽结构为无芯石英光纤。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光子带隙光纤的光输出端与所述光纤端帽结构之间通过光学结合方法相结合。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述光子带隙光纤的光输出端的端面为平面抛光或斜面抛光的端面。
6.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述光子带隙光纤的光输出端附近的空气纤芯和包层中均填充有石英。
7.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述光子带隙光纤的外围还套有陶瓷套圈或玻璃毛细管。
8.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述光学结合方法具体为化学活化直接键合方法。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述激光产生装置为超短脉冲激光器。
10.一种光纤激光系统，其特征在于，包括光纤激光器和如权利要求1至9中任意一项所述的光纤输出装置，所述光纤激光器作为激光产生装置，所述光纤输出装置中的光子带隙光纤从所述光纤激光器中引出激光。
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