CN105322421B - 提高大功率单频光纤激光器中受激布里渊散射阈值的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了提高大功率单频光纤激光器中受激布里渊散射阈值的装置，包括金属圆柱体、阻隔层、侧面竖槽、螺纹槽、上半导体致冷器TEC和下半导体致冷器TEC；所述的金属圆柱体由若干块不同材质的金属扇形体共同组合在一起构成；不同金属扇形体交替排列，金属圆柱体中空部分用阻隔层将金属扇形体隔离开来；侧面竖槽开设在金属圆柱体外侧面；所述螺纹槽由金属圆柱体的侧面自上而下刻出，螺纹槽为单道内螺纹，将有源双包层光纤紧密盘绕于螺纹槽中，并且填充导热硅脂进行散热。本发明可以有效地提高大功率单频光纤激光器中的受激布里渊散射阈值，实现单频光纤激光的大功率、高光束质量、稳定输出，其装置结构非常简单、紧凑。
Description
技术领域
本发明涉及到大功率光纤激光器、单频光纤激光器等激光应用领域，具体涉及用于提高大功率单频光纤激光器中受激布里渊散射阈值的装置。
背景技术
大功率单频光纤激光器在功率水平和线宽特性等方面具有独特优势，其广泛应用于激光指示与测距、激光雷达、光谱学、非线性频率转换、相干合束等领域。一般基于小功率窄线宽单频激光器作为种子源，采用种子源主振荡功率放大（MOPA）结构，来实现其大功率和窄线宽的输出性能。但由于该结构中种子源激光器的线宽很窄，以及有源双包层光纤相对有限的纤芯尺寸和较长的作用长度，导致单频光纤激光器的输出功率提升主要受到了受激布里渊散射的极大制约，其典型值被限制在500 W左右（Opt. Express, 2007, 15(25):17044-17050）。
受激布里渊散射是一种发生在光纤内的非线性过程，是入射泵浦光经过光纤被分子振动调制导致的，其具有明显的增益和阈值特征。当一旦达到布里渊散射阈值，受激布里渊散射将绝大部分信号光功率转换为反向斯托克斯光，即导致激光输出功率或光-光转换效率的降低。因此，受激布里渊散射极大地限制了单频光纤激光输出功率的提升。
目前，抑制光纤激光器中受激布里渊散射的常见方法有以下几种：
（1）使用短长度高掺杂大芯径有源双包层光纤，即增大光纤的模场面积和提高其掺杂稀土离子浓度（Laser Phys. Lett., 2012, 9(8): 591-595）。但是该方法不仅涉及到双包层光纤制作工艺的优化设计，而且降低了双包层光纤的柔韧性与散热能力（比表面积下降）。
（2）使用特殊结构的光纤（美国专利：US005851259A、US006542683B1），但是该方法也涉及到对光纤结构的重新设计，其工艺复杂，且仅适合于非掺杂稀土离子的单模光纤，很难解决现有大功率光纤激光器中的热效应、受激布里渊散射、模式控制等问题。
（3）在沿双包层光纤轴向施加温度或应力梯度分布等方式（Opt. Express, 2007,15(25): 17044-17050、Opt. Express, 2013, 21(5): 5456-5462），以降低受激布里渊散射的有效增益系数，进而抑制受激布里渊散射。但是仅通过沿双包层光纤轴向热量分布的不均匀性（被动方式）来实现，没有给出具体应力分布的实现手段。此外，中国专利：201010104948.3对长度为50 m的单模光纤同时施加温度梯度和纵向压力或张力，以实现抑制受激布里渊散射的目的。但是该方法没有给出具体的技术手段，且仅仅适用于非掺杂稀土离子的单模光纤，不适合有源双包层光纤的情况。
（4）使用多波长单频种子源激光器，信号激光功率将分布在多个频率成分上，致使每个频率成分的谱功率密度降低（Laser Phys. Lett., 2012, 9(7): 532-536）。但是该方法涉及到多个种子源激光器，结构复杂，控制较困难。
（5）使用光纤布拉格光栅，即将光栅设计成对前向传输泵浦光透过，而基于受激布里渊散射产生的斯托克斯频谱则落在其阻带内，斯托克斯光被光栅反射并和泵浦光一起往前传输（Opt. Express, 2003, 11(25): 3467-3472）。
发明内容
本发明的目的是：提供了提高大功率单频光纤激光器中受激布里渊散射阈值的装置，其所要解决的技术问题是：克服现有装置结构复杂、控制较困难、集成度较低等缺点。通过将所述大功率单频光纤激光器中的有源双包层光纤，紧紧盘绕于由若干块金属扇形体和阻隔层一起构成的金属圆柱体上面。由于量子亏损导致所述有源双包层光纤本身产生热量，而金属圆柱体具有不同的导热能力，最终使得有源双包层光纤产生温度分布的不均匀性。接着，所述的有源双包层光纤嵌入与固定于金属圆柱体侧面的不均匀螺纹槽里面，以便形成其应力分布的不均匀性。再者，金属圆柱体的侧面还刻有竖槽，进一步增加有源双包层光纤盘绕时应力分布的不均匀性。利用沿有源双包层光纤轴向或径向温度和应力分布的不均匀性，可以扩展光纤的布里渊增益带宽，显著地提高激光系统的受激布里渊散射阈值。另外，使用缠绕弯曲的方式，可以滤除双包层光纤中的高阶模式（在相同情况下，高阶模式较基横模对于缠绕弯曲更为敏感）。最终可以实现大功率、近衍射输出光束质量、稳定的单频光纤激光输出。
本发明的具体技术解决方案如下：
提高大功率单频光纤激光器中受激布里渊散射阈值的装置，包括金属圆柱体、阻隔层、侧面竖槽、螺纹槽、上半导体致冷器TEC和下半导体致冷器TEC；所述的金属圆柱体由若干块不同材质的金属扇形体共同组合在一起构成；不同金属扇形体交替排列，金属圆柱体中空部分用阻隔层将金属扇形体隔离开来，使得所述的金属圆柱体侧面具有不同的导热能力；侧面竖槽开设在金属圆柱体外侧面；所述螺纹槽由金属圆柱体的侧面自上而下刻出，螺纹槽为单道内螺纹，将有源双包层光纤紧密盘绕于螺纹槽中，并且填充导热硅脂进行散热；上半导体致冷器TEC、下半导体致冷器TEC分别置于并紧贴金属圆柱体的上、下底面。
进一步地，所述的金属圆柱体由导热性能良好的铜、铝、铁金属制作，不同材质的金属扇形体交替排列，所述的阻隔层将金属扇形体隔离开来，产生阻热作用。
进一步地，所述的阻隔层由玻璃纤维、石棉、特氟龙隔热材料填充构成，其形状为矩形片状。
进一步地，所述的金属圆柱体上、下底面圆的直径为1~50 cm，其高度为1~50 cm，其具体尺寸根据有源双包层光纤的缠绕程度来选择。
进一步地，所述的侧面竖槽垂直于金属圆柱体上、下底面或者与金属圆柱体上、下底面成非90度夹角，侧面竖槽形状为矩形、半圆形或梯形。
进一步地，所述的侧面竖槽的深度为0.1~5 cm，宽度一般为0.1~10 cm，均匀分布或者随机分布于金属圆柱体的侧面。
进一步地，所述的螺纹槽形状为矩形、倒三角形或梯形。
进一步地，所述的螺纹槽宽度和深度均匀或者大小不一，其螺纹宽度和深度分别为50~5000 µm、50~5000 µm。
进一步地，所述的螺纹槽里面紧密盘绕大功率单频光纤激光器中的有源双包层光纤，并且填充导热硅脂，便于散热和滤除高阶模式。
进一步地，所述的上半导体致冷器TEC、下半导体致冷器TEC分别设置同步或者不同温度值，形成上、下底面的温度差分布，即能控制金属圆柱体的温度范围为0~90 ℃。所述的金属圆柱体上、下底面圆的直径一般为1~50 cm，其高度一般为1~50 cm，其具体尺寸根据有源双包层光纤的缠绕程度来进行选择。
所述的上、下半导体致冷器TEC分别紧紧固定在金属圆柱体的上、下底面，可以分别设置同步或者不同温度值，形成上、下底面的温度差分布，控制金属圆柱体的温度在0~90℃范围内变化。
与现有技术相比，本发明的技术效果：
将有源双包层光纤沿金属圆柱体侧面，自上而下紧密盘绕与固定于宽度、深度、形状不一的螺纹槽里面。一方面，螺纹槽使得光纤形成应力分布的不均匀性；另一方面，金属圆柱体的侧面还刻有竖槽，进一步增加有源双包层光纤盘绕时应力分布的不均匀性。另外，由若干块不同材质的金属扇形体共同组成的金属圆柱体，经阻隔层的阻热作用，使金属圆柱体具有不同的导热能力，能够使得盘绕的有源双包层光纤形成温度分布的不均匀性；并且，金属圆柱体的上、下底面分别装有上、下半导体致冷器TEC，对金属圆柱体的温度进行可控。这些沿光纤轴向或径向温度和应力分布的不均匀性，可以扩展光纤的布里渊增益带宽，进而有效提高大功率单频光纤激光器中的受激布里渊散射阈值。此外，金属圆柱体有限的缠绕半径可以滤除双包层光纤中存在的高阶模式，而基横模不受影响，即对输出激光光束的模式进行限制以提高光束质量，以获得近衍射极限光束输出。最终实现大功率、高光束质量、高稳定性的单频光纤激光输出。该装置结构紧凑、简单、易于集成。
附图说明
图1为螺纹槽的不同形状示意图。
图2为实例中提高大功率单频光纤激光器中受激布里渊散射阈值的装置结构示意图。
图中：1—金属圆柱体，2—阻隔层，3—侧面竖槽，4—螺纹槽，5—上半导体致冷器TEC，6—下半导体致冷器TEC。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述，需要说明的是本发明要求保护的范围并不局限于实施例所表述的范围，需指出的是，以下若有未特别详细说明之处，均是本领域技术人员可参照现有技术实现的。
如图1所示，本发明实施例中螺纹槽4可以是不同形状，其形状为大小不一的矩形，交替排列而成。
如图2所示，提高大功率单频光纤激光器中受激布里渊散射阈值的装置，包括金属圆柱体1、阻隔层2、侧面竖槽3、螺纹槽4、上半导体致冷器TEC 5、下半导体致冷器TEC 6一起组合而成。所述的金属圆柱体1由导热性能良好的铜和铝扇形体交替排列，共同组合构成，其间用所述的阻隔层2将两者扇形体隔离开来。所述的侧面竖槽3为金属圆柱体1的侧面竖向刻出，且分布于金属圆柱体1的侧面。所述的螺纹槽4为金属圆柱体1的侧面自上而下刻出，其为单道内螺纹，可以将有源双包层光纤紧密盘绕于其中，并且填充导热硅脂进行散热。所述的上半导体致冷器TEC 5、下半导体致冷器TEC 6分别置于并紧贴金属圆柱体1的上、下底面，可以随意对金属圆柱体1进行温度控制。
其中金属圆柱体1上、下底面圆的直径为9 cm，其高度为9 cm。
其中阻隔层2由特氟龙材料构成，其形状为矩形片状，填充于铜和铝扇形体之间。
其中侧面竖槽3垂直于金属圆柱体1上、下底面，其形状为半圆形，其深度为0.2cm，其宽度为0.2 cm，均匀分布于金属圆柱体1的侧面。
其中螺纹槽4为单道内螺纹，其形状为大小不一的矩形，交替排列。其中大矩形螺纹的宽度、深度、长度分别为2000 µm、500 µm、2500 µm，小矩形螺纹的宽度、深度、长度分别为1000 µm、500 µm、3500 µm。
其中螺纹槽4里面紧密盘绕所述大功率单频光纤激光器中的有源双包层光纤，并且填充导热硅脂。
其中上半导体致冷器TEC 5、下半导体致冷器TEC 6，分别紧贴并安装于金属圆柱体1的上、下底面，分别设置其温度为50 ℃和10 ℃。
基于若干块金属扇形体所构成的金属圆柱体1，由于阻隔层2的隔离阻热作用，使得金属圆柱体1具有不同的导热能力，通过将所述大功率单频光纤激光器中的有源双包层光纤紧紧盘绕于金属圆柱体1而产生温度分布的不均匀性。同时，所述的有源双包层光纤嵌入与固定于金属圆柱体侧面的不均匀螺纹槽4里面，以便形成其应力分布的不均匀性；随后，金属圆柱体1的侧面还刻有竖槽3，进一步增加有源双包层光纤盘绕时应力分布的不均匀性。再者，金属圆柱体1的上、下底面分别紧贴并安装有上半导体致冷器TEC 5、下半导体致冷器TEC 6，可以进一步控制金属圆柱体1的温度形成温度差。利用这些沿有源双包层光纤轴向或径向温度和应力分布的不均匀性，可以扩展光纤的布里渊增益带宽，实现提高光纤受激布里渊散射阈值的目的。此外，将有源双包层光纤紧密缠绕于金属圆柱体1的侧面，可以便于散热和进行模式控制，最终可以实现大功率、近衍射输出光束质量、稳定的单频光纤激光输出，即该装置可以有效地提高了大功率单频光纤激光器中受激布里渊散射阈值。
Claims (10)
1.提高大功率单频光纤激光器中受激布里渊散射阈值的装置，其特征在于：包括金属圆柱体（1）、阻隔层（2）、侧面竖槽（3）、螺纹槽（4）、上半导体致冷器TEC（5）和下半导体致冷器TEC（6）；所述的金属圆柱体由若干块不同材质的金属扇形体共同组合在一起构成；不同金属扇形体交替排列，金属圆柱体中空部分用阻隔层将金属扇形体隔离开来，使得所述的金属圆柱体侧面具有不同的导热能力；侧面竖槽（3）开设在金属圆柱体（1）外侧面；所述螺纹槽由金属圆柱体的侧面自上而下刻出，螺纹槽为单道内螺纹，将有源双包层光纤紧密盘绕于螺纹槽中，并且填充导热硅脂进行散热；上半导体致冷器TEC（5）、下半导体致冷器TEC（6）分别置于并紧贴金属圆柱体（1）的上、下底面。
2.如权利要求1所述的提高大功率单频光纤激光器中受激布里渊散射阈值的装置，其特征在于：所述的金属圆柱体（1）由导热性能良好的铜、铝和铁金属制作，不同材质的金属扇形体交替排列，所述的阻隔层（2）将金属扇形体隔离开来，产生阻热作用。
3.如权利要求1所述的提高大功率单频光纤激光器中受激布里渊散射阈值的装置，其特征在于：所述的阻隔层（2）由玻璃纤维、石棉或特氟龙隔热材料填充构成，其形状为矩形片状。
4.如权利要求1所述的提高大功率单频光纤激光器中受激布里渊散射阈值的装置，其特征在于：所述的金属圆柱体（1）上、下底面圆的直径为1~50 cm，其高度为1~50 cm。
5.如权利要求1所述的提高大功率单频光纤激光器中受激布里渊散射阈值的装置，其特征在于：所述的侧面竖槽（3）垂直于金属圆柱体（1）上、下底面或者与金属圆柱体（1）上、下底面成非90度夹角，侧面竖槽（3）形状为矩形、半圆形或梯形。
6.如权利要求1所述的提高大功率单频光纤激光器中受激布里渊散射阈值的装置，其特征在于：所述的侧面竖槽（3）的深度为0.1~5 cm，宽度一般为0.1~10 cm，均匀分布或者随机分布于金属圆柱体（1）的侧面。
7.如权利要求1所述的提高大功率单频光纤激光器中受激布里渊散射阈值的装置，其特征在于：所述的螺纹槽（4）形状为矩形、倒三角形或梯形。
8.如权利要求1所述的提高大功率单频光纤激光器中受激布里渊散射阈值的装置，其特征在于：所述的螺纹槽（4）宽度和深度均匀或者大小不一，其螺纹宽度和深度分别为50~5000 µm、50~5000 µm。
9.如权利要求1所述的提高大功率单频光纤激光器中受激布里渊散射阈值的装置，其特征在于：所述的螺纹槽（4）里面紧密盘绕大功率单频光纤激光器中的有源双包层光纤，并且填充导热硅脂。
10.如权利要求1所述的提高大功率单频光纤激光器中受激布里渊散射阈值的装置，其特征在于：所述的上半导体致冷器TEC（5）、下半导体致冷器TEC（6）分别设置同步或者不同温度值，形成上、下底面的温度差分布，即能控制金属圆柱体（1）的温度范围为0~90 ℃。
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