CN111856645A - 融锥型长周期光纤光栅、制备装置、制备方法以及激光系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种融锥型长周期光纤光栅、制备装置、制备方法以及激光系统。融锥型长周期光纤光栅，包括光纤，所述光纤上设有一个以上的锥区，各锥区之间的间距相等，该间距即为融锥型长周期光纤光栅的周期，所述锥区通过熔融拉锥而成。本发明利用周期性熔融拉锥的方法制备长周期光纤光栅，能够突破光纤直径的限制，能在任何尺寸的光纤上实现长周期光纤光栅的制备，并且插入损耗小、周期设置灵活可控、带宽较大。将融锥型长周期光纤光栅设置到光纤激光器系统中，能大幅度提高光纤激光器中的受激拉曼散射，使长周期光纤光栅在光纤激光器中的应用更加广泛。

Description

融锥型长周期光纤光栅、制备装置、制备方法以及激光系统

技术领域

本发明涉及光纤光栅的刻写以及应用技术领域，具体涉及一种融锥型长周期光纤光栅、制备装置、制备方法以及激光系统。

背景技术

长周期光纤光栅可以实现纤芯模式和同向传输纤芯模式和包层模式之间的耦合，属于一种性能优良的透射型带阻滤波器。因其具有体积小、插入损耗小、无后向反射、制备成本低廉、耐腐蚀、能埋入材料等优点，因此这种器件在光纤通信，传感等等领域具有重要的价值和广泛的应用前景。近几年长周期光纤光栅已经被证实能作为滤波器在光纤激光器中发挥重要的作用。

光纤激光器中一个很重要的限制因素就受激拉曼散射，由于受激拉曼散射的存在会限制输出功率的提升甚至会导致种子光损坏，因此学者们提出了多种抑制光纤受激拉曼的方法。例如：拉曼兼容法、“W”型增益光纤抑制法、优化低反光栅法、增大模场面积法、啁啾倾斜光栅滤除法等。长周期光纤光栅是最近兴起的一种方法，其优势在于制备成本低、制备周期短、重复性高、抑制效果显著、温升系数低等优势。制备长周期光纤光栅的常用方法有：二氧化碳激光逐点曝光法、紫外振幅掩模版法、飞秒激光逐点刻写法等等。但是对于大功率光纤激光器来说，常用的光纤尺寸较大，例如20/400，30/600双包层光纤等等，而常见的制备方法例如二氧化碳激光逐点刻写和紫外振幅模板曝光都难以在这种直径的光纤上直接制备长周期光纤光栅。飞秒激光能直接将光作用在纤芯形成烧蚀，但是这种方法制备的长周期光纤光栅在光纤激光器中温升系数较高，且带宽较小，对拉曼散射光的滤除较为不彻底。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明提出了一种融锥型长周期光纤光栅、制备装置、制备方法以及激光系统。本发明利用周期性熔融拉锥的方法制备长周期光纤光栅，能够突破光纤直径的限制，能在任何尺寸的光纤上实现长周期光纤光栅的制备，并且插入损耗小、周期设置灵活可控、带宽较大，对于高功率光纤激光器的发展具有重要的意义。

为实现上述技术目的，本发明采用的具体技术方案如下：

本发明提供一种融锥型长周期光纤光栅，包括光纤，所述光纤上设有一个以上的锥区，各锥区之间的间距相等，该间距即为融锥型长周期光纤光栅的周期，所述锥区通过熔融拉锥而成。进一步地，所述光纤为大模场双包层光纤。

本发明提供一种上述融锥型长周期光纤光栅的制备装置，包括光纤夹具、光纤加热元件、三维调节架和电动位移平台，所述光纤夹具设有两个，分别为左光纤夹具和右光纤夹具；所述三维调节架有两个，分别为左三维调节架和右三维调节架；所述电动位移平台能够在驱动电机的驱动下水平位移，电动位移平台有三个，分别为左电动位移平台、中间电动位移平台和右电动位移平台；所述左电动位移平台和右电动位移平台上分别设置有左三维调节架和右三维调节架，左三维调节架和右三维调节架上分别设置有左光纤夹具和右光纤夹具，光纤的两端分别通过左光纤夹具和右光纤夹具夹持且保持两光纤夹具间的光纤水平，所述中间电动位移平台上设置有光纤加热元件，光纤加热元件用于对两光纤夹具间的光纤进行加热。

进一步地，本发明所述左电动位移平台、中间电动位移平台或/和右电动位移平台安装在同一水平导轨上。或者，所述左电动位移平台、中间电动位移平台或/和右电动位移平台安装在不同的相互平行到的水平导轨上。

进一步地，还包括计算机，所述左电动位移平台、中间电动位移平台和右电动位移平台的驱动电机均由计算机控制，通过计算机控制各电动位移平台的启停、水平移动速度和移动距离；所述光纤加热元件由计算机控制，通过计算机控制光纤加热元件的开关、热区温度大小。

进一步地，所述光纤加热元件为电加热元件或者火焰加热元件，采用电加热或者火焰的方式对光纤中部待制备融锥型长周期光纤光栅的区域加热。

利用上述融锥型长周期光纤光栅的制备装置，本发明提供融锥型长周期光纤光栅的制备方法，包括以下步骤：

(1)截取合适长度的光纤，将光纤中部待制备融锥型长周期光纤光栅的区域用化学剥除剂涂覆，再用酒精擦拭后将光纤的两端分别通过左光纤夹具和右光纤夹具夹持，调节两三维调节架以及左、右电动位移平台确保两光纤夹具间的光纤水平。

(2)通过中间电动位移平台调节光纤加热元件的位置，光纤加热元件采用火焰的方式对光纤中部待制备融锥型长周期光纤光栅的区域加热，光纤加热元件的火焰喷嘴位于光纤的正下方。

(3)设置左、右电动位移平台的参数，包括移动方向、移动速度和移动距离；设置光纤加热元件的参数，包括热区温度。

(4)同时启动左、右电动位移平台和光纤加热元件，左和右电动位移平台分别向左和向右反向移动，当光纤加热元件所加热的光纤加热区域被拉成设定尺寸时，停止左和右电动位移平台和光纤加热元件，光纤加热区域的光纤通过熔融拉锥形成的熔融锥区。

(5)控制中间电动位移平台沿光纤轴向移动设定距离，该移动距离即为融锥型长周期光纤光栅的周期。

(6)重复步骤(4)和步骤(5)，直至拉制出所需要的融锥型长周期光纤光栅。

本发明通过对光纤进行周期性熔融拉锥来实现周期性折射率调制，从而形成长周期光纤光栅。长周期光纤光栅其锥区的截面直径由光纤加热元件的热区大小和温度，以及光纤夹具向两侧拉拽的移动速度和移动距离有关。

本发明的原理是：当光纤加热到一定的温度时会变成熔融状态，此时在两端施加一定的拉力则熔融部分会被拉成一个锥区，即纤芯和包层的直径同时减小。相比起未拉锥的区域，这个融锥部分的纤芯和包层的折射率差发生变化，导致纤芯的光能和同向传输的包层光耦合，包层光在传输一定的距离后会被涂覆层吸收损耗，从而在光谱上形成一个损耗峰，这个损耗峰的波长与纤芯和包层的有效折射率差和长周期光纤光栅的周期相关，如下式所示：

其中

是纤芯模的有效折射率，

是包层模的有效折射率，Λ是光栅周期，从上式中可以看出光栅周期决定光栅中心波长。

将上述制备方法制备出的融锥型长周期光纤光栅设置到光纤激光振荡器腔内，利用长周期光纤光栅在拉曼波段的高损耗性，以抑制受激拉曼散射。进一步地，本发明提供一种激光系统，包括激光振荡器，在所述激光振荡器内设置有长周期光纤光栅，所述长周期光纤光栅即上述融锥型长周期光纤光栅。所述激光振荡器类型不限，可以为前向泵浦光纤激光振荡器、后向泵浦光纤激光振荡器或者双向泵浦光纤激光振荡器。激光振荡器包括泵浦光源、泵浦光合束器、高反光栅、掺杂光纤和低反光栅，所述长周期光纤光栅设置在激光振荡器腔内的低反光栅前或者设置在光纤激光振荡器腔内的高反光栅后或者将长周期光纤光栅直接刻写在光纤激光振荡器腔内的掺杂光纤上。利用长周期光纤光栅其在拉曼波段的高损耗性，对光纤激光振荡器内部前后向的拉曼光均有较好的抑制效果，尤其是对后向拉曼光的抑制，使得由于高功率后向拉曼光对系统造成的风险大大减弱，使得在更高的功率水平下在光纤激光振荡器输出中才能观察到受激拉曼散射现象，大大提高了光纤激光振荡器的功率输出上限。

将上述制备方法制备出的融锥型长周期光纤光栅设置到高功率光纤激光放大器系统中，可以实现抑制受激拉曼散射的效果。具体地，本发明提供一种激光系统，包括种子源和一级以上的激光放大器，在种子源和激光放大器之间以及在各级激光放大器之间均设置有长周期光纤光栅，所述长周期光纤光栅即上述融锥型长周期光纤光栅。将长周期光纤光栅直接接入种子源和光纤放大器之间，利用长周期光纤光栅在拉曼波段的高损耗性，对种子源进行滤波，使得种子源在更高功率水平下仍能输出较为纯净的信号光。并且提升光纤放大器的工作效率，提升整体系统的拉曼阈值。将长周期光纤光栅置于各级光纤放大器之间，提升各级光纤放大器的工作效率，提升整体的拉曼阈值，进一步提高抑制效果。

与现有技术相比，本发明能够产生以下技术效果：

(1)本发明首次提出了用熔融拉锥法在大模场光纤制备长周期光纤光栅，为在直径较大的大模场光纤上制备长周期光纤光栅提供了新思路。

(2)本发明所提出的方法能够在大模场光纤上制备出插入损耗小，带宽大，调制深度深的长周期光纤光栅，能大幅度提高光纤激光器中的受激拉曼散射，使长周期光纤光栅在光纤激光器中的应用更加广泛。

(3)将融锥型长周期光纤光栅设置到光纤激光器系统中，如将其设置到激光振荡器腔内，利用长周期光纤光栅在拉曼波段的高损耗性，以抑制受激拉曼散射。在光纤激光振荡器腔中引入长周期光纤光栅，相比于腔外具有更强的抑制效果，能够更大程度上提升光纤激光振荡器的拉曼阈值。同时，通过控制加入的长周期光纤光栅的数目，灵活调整抑制比。

如将其设置到高功率光纤激光放大器系统中，可以实现抑制受激拉曼散射的效果。在高功率光纤激光放大器系统中引入长周期光纤光栅，能够提升系统整体的拉曼阈值，同时兼具一定的滤波效果，对后向拉曼光有抑制作用，对光纤器件能提供很好的保护。同时，通过控制加入的长周期光纤光栅的数目，灵活调整抑制比。由于长周期光纤光栅的工作机理是纤芯模式和包层模式之间的耦合，因此其应用在光纤激光器中时温升系数较小，有更大的应用潜力。

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，下面描述中的附图仅仅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示出的结构获得其他的附图。

图1为实施例1融锥型长周期光纤光栅的结构示意图；

图2为实施例2融锥型长周期光纤光栅的制备装置的结构示意图；

图3为光纤加热元件示意图；

图4为锥区的示意图；

图5为融锥型长周期光纤光栅透射谱示意图；

图6为实施例4的结构示意图；

图7为实施例5的结构示意图；

图8为实施例6的结构示意图；

图9为实施例7的结构示意图；

图10为实施例8的结构示意图；

图11为实施例9的结构示意图；

图12为实施例10的结构示意图；

图13为实施例11的结构示意图；

图14为实施例12的结构示意图；

图15为实施例13的结构示意图；

图16为实施例14的结构示意图；

图17为实施例15的结构示意图。

图中标号说明：

1、激光光源；2、光纤夹具；3、三维调节架；4、光纤加热元件；5、光谱仪；6、电动位移平台；7、计算机；8、光纤；9、锥区；

101、泵浦LD光源；102、泵浦合束器；103、高反光栅；104、掺杂光纤；105、低反光栅；106、长周期光纤光栅；107、熔点；108、种子源；109、第1级光纤放大器；110、第2级光纤放大器；111、第n级光纤放大器。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1:

图1为实施例1融锥型长周期光纤光栅的结构示意图；融锥型长周期光纤光栅，包括光纤，所述光纤上设有一个以上的锥区9，各锥区9之间的间距相等，该间距即为融锥型长周期光纤光栅的周期，所述锥区9通过熔融拉锥而成。所述光纤为大模场双包层光纤。

实施例2：

图2为实施例2融锥型长周期光纤光栅的制备装置的结构示意图。融锥型长周期光纤光栅的制备装置，包括光纤夹具2、光纤加热元件4、三维调节架3、电动位移平台6和计算机7。所述光纤夹具2设有两个，分别为左光纤夹具和右光纤夹具；所述三维调节架3有两个，分别为左三维调节架和右三维调节架，本实施例中三维调节底座3为手动调节的。所述电动位移平台6有三个，分别为左电动位移平台、中间电动位移平台和右电动位移平台。所述左电动位移平台和右电动位移平台上分别设置有左三维调节架和右三维调节架，左三维调节架和右三维调节架上分别设置有左光纤夹具和右光纤夹具。光纤8的两端分别放入左光纤夹具和右光纤夹具的V型槽中且保持两光纤夹具间的光纤水平。所述中间电动位移平台上设置有光纤加热元件，光纤加热元件用于对两光纤夹具间的光纤进行加热。参照图3，图3(a)和图3(b)分别给出了一种形式的光纤加热元件。其中图3(a)是通过电加热元件产生高温区域(非火焰)的形式对光纤进行加热。图3(b)为火焰加热元件，采用火焰的方式对光纤加热。

本实施例中：所述左电动位移平台、中间电动位移平台或/和右电动位移平台安装在同一水平导轨上。所述左电动位移平台、中间电动位移平台和右电动位移平台的驱动电机均由计算机7控制，通过计算机7控制各电动位移平台的启停、水平移动速度和移动距离；所述光纤加热元件由计算机7控制，通过计算机7控制光纤加热元件的开关、热区温度大小。

实施例3：

利用实施例2提供的融锥型长周期光纤光栅的制备装置，本实施例提供一种融锥型长周期光纤光栅的制备方法，包括以下步骤：

(1)截取合适长度的光纤8，将光纤8中部待制备融锥型长周期光纤光栅的区域用化学剥除剂涂覆，再用酒精擦拭后将光纤的两端分别通过左光纤夹具和右光纤夹具夹持，调节两三维调节架以及左、右电动位移平台确保两光纤夹具间的光纤8水平；

(2)通过中间电动位移平台调节光纤加热元件4的位置，光纤加热元件4采用火焰的方式对光纤中部待制备融锥型长周期光纤光栅的区域加热，光纤加热元件4的火焰喷嘴位于光纤8的正下方。光纤8一端连接激光光源1、一端连接光谱仪5。

(3)设置左、右电动位移平台的参数，包括移动方向、移动速度和移动距离；设置光纤加热元件4的参数，包括热区温度.

(4)同时启动左、右电动位移平台和光纤加热元件4，左和右电动位移平台分别向左和向右反向移动。左和右电动位移平台移动速度相同，方向相反。当光纤加热元件4所加热的光纤加热区域被拉成设定尺寸时，停止左和右电动位移平台和光纤加热元件4，光纤加热区域的4光纤通过熔融拉锥形成的熔融锥区，如图4所示。

(5)控制中间电动位移平台沿光纤轴向移动设定距离，该移动距离即为融锥型长周期光纤光栅的周期。

(6)重复步骤(4)和步骤(5)，直至拉制出所需要的融锥型长周期光纤光栅，完成融锥型长周期光纤光栅的制备。如图5所示，拉制出一定数量的锥区后光谱仪5上出现明显的谐振峰。

将上述融锥型长周期光纤光栅设置到光纤激光振荡器腔内，利用该长周期光纤光栅在拉曼波段的高损耗性，以抑制受激拉曼散射。下面的实施例4至实施例12分别提供了一种激光系统，均包括激光振荡器，在所述激光振荡器内设置有长周期光纤光栅，所述长周期光纤光栅采用上述融锥型长周期光纤光栅。

实施例4：

图6为实施例4的结构示意图；本实施例中是前向泵浦光纤激光振荡器。一种激光系统，包括泵浦LD光源101、泵浦合束器102、高反光栅103、掺杂光纤104、低反光栅105。长周期光纤光栅106设置在光纤激光振荡器腔内的低反光栅105之前。

泵浦LD光源101有多个，各泵浦LD光源101的输出尾纤连接到泵浦合束器2的各泵浦臂上。对于常见的光纤激光振荡器而言，泵浦源波长可选为976nm或915nm，输出功率在百瓦量级。在实际使用过程中，泵浦LD光源101的参数、选取波长、输出功率、使用个数等因需求而异，没有特殊要求。前向泵浦光纤激光振荡器中的泵浦合束器102通常为7*1泵浦合束器。后向泵浦光纤激光振荡器其通常为6+1*1泵浦合束器。泵浦合束器102的输出尾纤为大模场光纤。泵浦合束器102的输出尾纤之后依次连接高反光栅103、掺杂光栅104、长周期光纤光栅106以及低反光栅105。本实施例中长周期光纤光栅106以及低反光栅105制备在同一根光纤上，其中长周期光纤光栅106位于低反光栅105的前方且两者保持一定间距以优化振荡器性能。泵浦合束器102的输出尾纤与高反光栅103之间、高反光栅103与掺杂光栅104之间以及掺杂光纤104与长周期光纤光栅106之间均通过熔接的方式进行连接，熔接位置处形成熔点107。泵浦LD光源101、泵浦合束器102、高反光栅103、掺杂光纤104、长周期光纤光栅106、低反光栅105以及熔点107构成的光纤激光振荡器。

高反光栅103在光纤激光振荡器工作波长处，反射率通常大于99％，3dB带宽通常为2-4nm，制备于同泵浦合束器输出光纤相同的光纤上。掺杂光纤104应选取与高反光栅103相匹配的掺杂光纤。用于输出的低反光栅105其反射率通常不大于10％，3dB带宽通常不大于1nm，其中心波长与高反光栅103的中心波长相差应不大于±0.4nm。

泵浦LD光源101提供产生激光所必需的泵浦光，泵浦光经由泵浦合束器102耦合至高反光栅103处。高反光栅103与低反光栅105仅仅在信号光波长处，如1080nm处存在反射，在泵浦光波长处没有反射，只有损耗。泵浦光经由高反光栅103，注入到掺杂光纤104中。掺杂光纤104通常掺杂镱等稀土元素，其能够吸收泵浦光并激发出信号光，并经由低反光栅输出。

由于振荡器腔内能量密度较高，损耗对其效率有着较大的影响。长周期光纤光栅106与低反光栅105由于制备在同一根光纤上，故之间没有熔点，以进一步减小振荡腔的损耗，提高输出效率。长周期光纤光栅106所用光纤需匹配光纤激光振荡器。当光纤激光振荡器中信号光强度超过一定阈值时，会产生SBS效应，此时继续注入的泵浦光后产生的信号光由SRS效应会迅速向Stokes光转化，形成较强的Stokes光。

光纤激光振荡器正常工作过程中，光纤激光振荡器腔内经由掺杂光纤后产生的激光，如图中空心箭头所示，包含有信号光和Stokes光两种成分。当其经过长周期光纤光栅106时，由于其独特的模式耦合特性，光纤纤芯内传输的Stokes光会与包层中的模式相互耦合，导致其耦合至光纤包层并散失掉，使得长周期光纤光栅106在Stokes光波长处存在一带宽较宽的损耗谱，激光中的Stokes光信号强度会产生衰减，如图中实心箭头所示。因此，光纤激光振荡器的实际输出激光中，如图中实心燕尾箭头所示，Stokes光的成分极少，使得只有在更高的泵浦功率条件下才能产生受激拉曼过程，从而抑制受激拉曼过程的产生，达到提高拉曼阈值的作用。同时，由于光纤激光振荡器腔内激光路径是一个往复振荡的过程，反向回光经由长周期光纤光栅106时，其中的Stokes光信号强度仍然会产生衰减；同时，若泵浦功率较高时，腔内极有可能有较强的拉曼信号。而受激拉曼过程是一个双向的过程，后向传输的Stokes光放大后会对系统产生较大风险，其经由长周期光纤光栅106时仍被损耗滤除，如图中反向实心箭头所示，这样能够进一步抑制受激拉曼过程的产生，提升振荡器效率，同时起到一定的隔离作用，对后向拉曼信号具有较强的衰减作用，对光纤器件起到保护作用。实际过程中，通过对长周期光纤光栅106的光栅周期、倾斜角度、啁啾率、调制深度等参数的调整，使其抑制效果达到最好。

为了进一步提升光纤激光振荡器SRS抑制效果，多个参数相同的长周期光纤光栅可以通过熔接的方式串联起来后接入光纤激光振荡器中，其抑制比相当于多个长周期光纤光栅抑制比的叠加。通过对长周期光纤光栅数目的控制，可以做到对抑制比的灵活调整。

实施例5：

图7为实施例5的结构示意图；本实施例中是后向泵浦光纤激光振荡器。一种激光系统，包括泵浦LD光源101、泵浦合束器102、高反光栅103、掺杂光纤104、低反光栅105。长周期光纤光栅106设置在光纤激光振荡器腔内的低反光栅105之前。实施例5除泵浦方式与实施例4不同外，其长周期光纤光栅的设置以及其他光学元器件的要求和设置等均与实施例4一致，在此不再赘述。

实施例6：

图8为实施例6的结构示意图；本实施例中是双向泵浦光纤激光振荡器。一种激光系统，包括泵浦LD光源101、泵浦合束器102、高反光栅103、掺杂光纤104、低反光栅105。长周期光纤光栅106设置在光纤激光振荡器腔内的低反光栅105之前。实施例6除泵浦方式与实施例4不同外，其长周期光纤光栅的设置以及其他光学元器件的要求和设置等均与实施例4一致，在此不再赘述。

实施例7至实施例9：

图9为实施例7的结构示意图；图10为实施例8的结构示意图；图11为实施例9的结构示意图；实施例7中是前向泵浦光纤激光振荡器。实施例8中是后向泵浦光纤激光振荡器。除泵浦方式与实施例7不同外，其长周期光纤光栅的设置与实施例7一致。实施例9中是双向泵浦光纤激光振荡器。除泵浦方式与实施例7不同外，其长周期光纤光栅的设置与实施例7一致。其中泵浦LD光源101、泵浦合束器102、高反光栅103、长周期光纤光栅106、掺杂光纤104、低反光栅105以及熔点107构成的光纤激光振荡器。实施例7、8和9均是将长周期光纤光栅106设置在光纤激光振荡器腔内的高反光栅103之后。由于振荡器腔内能量密度较高，损耗对其效率有着较大的影响。实施例7、8和9均将高反光栅103与长周期光纤光栅106制备在同一根光纤上，故之间没有熔点，以进一步减小振荡腔的损耗，提高输出效率。高反光栅103处相较于低反光栅105处，有着更高的能量密度，将长周期光纤光栅106放置于高反光栅103后，对初始拉曼信号进行抑制，对整体受激拉曼过程有着更良好的抑制效果。

光纤激光振荡器正常工作过程中，光纤激光振荡器腔内经由掺杂光纤后产生的激光，如图中空心箭头所示，包含有信号光和Stokes光两种成分。当其经过长周期光纤光栅106时，由于其独特的模式耦合特性，光纤纤芯内传输的Stokes光会与包层中的模式相互耦合，导致其耦合至光纤包层并散失掉，使得长周期光纤光栅106在Stokes光波长处存在一带宽较宽的损耗谱，激光中的Stokes光信号强度会产生衰减，如图中实心箭头所示。因此，光纤激光振荡器的实际输出激光中，如图中实心燕尾箭头所示，Stokes光的成分极少，使得只有在更高的泵浦功率条件下才能产生受激拉曼过程，从而抑制受激拉曼过程的产生，达到提高拉曼阈值的作用，并起到一定的隔离作用，对光纤器件起到保护作用。同时，由于光纤激光振荡器腔内激光路径是一个往复振荡的过程，反向回光经由长周期光纤光栅106时，其中的Stokes光信号强度仍然会产生衰减，如图中反向实心箭头所示，这样能够进一步抑制受激拉曼过程的产生，提升振荡器效率。实际过程中，通过对长周期光纤光栅106的光栅周期、调制深度等参数的调整，使其抑制效果达到最好。

实施例10至实施例12：

图12为实施例10的结构示意图；图13为实施例11的结构示意图；图14为实施例12的结构示意图。实施例10中是前向泵浦光纤激光振荡器。实施例11中是后向泵浦光纤激光振荡器，除泵浦方式与实施例10不同外，其长周期光纤光栅106的设置与实施例10一致。实施例12中是双向泵浦光纤激光振荡器。除泵浦方式与实施例10不同外，其长周期光纤光栅106的设置与实施例10一致。泵浦LD光源101、泵浦合束器102、高反光栅103、掺杂光纤104、长周期光纤光栅106、低反光栅105及熔点107构成的光纤激光振荡器。实施例10、11和12均是将长周期光纤光栅106直接刻写在光纤激光振荡器腔内的掺杂光纤104上。由于振荡器腔内能量密度较高，损耗对其效率有着较大的影响。实际搭建振荡器过程中，光纤光栅均已封装，不便进行光纤光栅刻写，可将长周期光纤光栅106直接刻写在光纤激光振荡器腔内的掺杂光纤104上，以进一步减小振荡腔的损耗，提高输出效率并对振荡器内部受激拉曼现象进行抑制。实施例10、11、12的工作原理与前面实施例类似，在此不再赘述。

经实验证明，当纤激光振荡器接入长周期光纤光栅时，随着泵浦功率的提升，输出中拉曼光占比有着明显下降，并且随着长周期光纤光栅熔接串联数目的增加，拉曼光占比可进一步下降。

将上述融锥型长周期光纤光栅设置到高功率光纤激光放大器系统中，可以实现抑制受激拉曼散射的效果。利用长周期光纤光栅在拉曼波段的高损耗性，以抑制受激拉曼散射。下面的实施例13至实施例15分别提供了一种激光系统，均包括种子源和一级以上的激光放大器，在种子源和激光放大器之间以及在各级激光放大器之间均设置有长周期光纤光栅，所述长周期光纤光栅为上述融锥型长周期光纤光栅。将长周期光纤光栅直接接入种子源和光纤放大器之间，利用长周期光纤光栅在拉曼波段的高损耗性，对种子源进行滤波，使得种子源在更高功率水平下仍能输出较为纯净的信号光。并且提升光纤放大器的工作效率，提升整体系统的拉曼阈值。将长周期光纤光栅置于各级光纤放大器之间，提升各级光纤放大器的工作效率，提升整体的拉曼阈值，进一步提高抑制效果。

图15为实施例13的结构示意图；包括种子源以及光纤放大器，长周期光纤光栅106连接在种子源和光纤放大器之间。种子源包括泵浦LD光源101、泵浦合束器102、高反光栅103、掺杂光纤104、低反光栅105，泵浦LD光源有多个，各泵浦LD光源的输出尾纤连接到泵浦合束器102的各泵浦臂上。泵浦LD光源的参数、选取波长、输出功率等因实际而异，没有特殊要求。泵浦合束器102的输出尾纤之后依次连接高反光栅103、掺杂光栅104以及低反光栅105，泵浦合束器102的输出尾纤与高反光栅103之间、高反光栅103与掺杂光栅104之间以及掺杂光纤104与低反光栅105之间均通过熔接的方式进行连接，熔接位置处形成熔点107。泵浦LD光源101、泵浦合束器102、高反光栅103、掺杂光纤104、低反光栅105以及熔点107构成的光纤振荡器，作为高功率光纤激光放大器系统的种子源108。实施例13中引入1级光纤放大器，即n＝1。长周期光纤光栅106通过熔接的方式连接在种子源108和第1级光纤放大器109之间。

其中：目前，最常用的泵浦源波长有976nm、915nm。泵浦LD光源101可选用这两种波长的LD泵浦源，其输出功率在百瓦量级。泵浦合束器102为7*1光纤泵浦合束器，泵浦LD光源101中的976nm、915nmLD泵浦源的输出尾纤通过熔接的方式连接与泵浦合束器102的泵浦臂相连，泵浦合束器102的输出光纤为大模场光纤。高反光栅103在激光器工作波长处如常用波长1080nm，其反射率通常大于99％，3dB带宽通常为2-4nm，高反光栅103制备于同泵浦合束器102的输出光纤相同的光纤上。掺杂光纤104应选取与高反光栅103光纤尺寸、数值孔径相匹配的掺杂光纤。低反光栅105作为种子源的输出光纤，低反光栅105的反射率通常不大于10％，3dB带宽通常不大于1nm，低反光栅105其中心波长与高反光栅103的中心波长的差值不大于±0.4nm。

种子源108的输出激光，如图15中的空心箭头所示，包含有信号光和Stokes光两种成分。当其经过长周期光纤光栅106时，由于长周期光纤光栅106在Stokes波长处存在一带宽较宽的损耗谱，激光中的Stokes光经由长周期光纤光栅106，根据长周期光纤光栅的模式耦合特性，在光纤纤芯内传输的Stokes光会与包层中的模式相互耦合，导致Stokes光耦合至光纤包层并散失掉，Stokes光强度会产生衰减，如图15中实心箭头所示。因此，一级放大器109的实际输入激光中，如图中实心燕尾箭头所示，Stokes光的成分极少，使得在更高的一级放大功率条件下才能产生受激拉曼过程，从而抑制受激拉曼过程的产生，达到提高拉曼阈值的作用。实际过程中，通过对长周期光纤光栅106的光栅周期、调制深度等参数的调整，使其抑制效果达到最好。

为了进一步提升高功率光纤激光放大器系统受激拉曼散射抑制效果，多个参数相同的长周期光纤光栅可以通过熔接的方式串联起来，即长周期光纤光栅6可由多个长周期光纤光栅熔接串联而成，其抑制比相当于多个长周期光纤光栅抑制比的叠加。通过对长周期光纤光栅数目的控制，可以做到对抑制比的灵活调整。

图16为实施例14的结构示意图；本实施例，在图15所示实施方式的基础上，引入第2级光纤放大器，即n＝2。在种子源108和第1级光纤放大器109之间、第1级光纤放大器109与第2级光纤放大器110之间均通过熔接的方式连接有长周期光纤光栅106。

经过第1级光纤放大器109放大后，第1级光纤放大器109的输出激光功率已经较高，甚至可能已经达到拉曼阈值，其Stokes光强度较高，如图中空心箭头所示，包含有信号光和Stokes光两种成分。当其经过第1级光纤放大器109与第2级光纤放大器110之间的长周期光纤光栅106时，由于长周期光纤光栅106在Stokes波长处存在一带宽较宽的损耗谱，激光中的Stokes光强度会产生衰减，如图中实心箭头所示。因此，第2级光纤放大器110的实际输入激光中，如图中实心燕尾箭头所示，Stokes光的成分极少，使得在更高的二级放大功率条件下才能产生受激拉曼过程，从而抑制受激拉曼过程的产生，达到提高拉曼阈值的作用。同时，经过第2级光纤放大器110二级放大后，激光功率较高，第2级光纤放大器110中，极有可能有较强的拉曼信号。而受激拉曼过程是一个双向的过程。在第1级光纤放大器109与第2级光纤放大器110之间加入长周期光纤光栅106后，对于后向传输的Stokes光，仍然能够起到滤除作用，如图中实心箭头所示，这样既能提升二级放大器效率，同时能够起到一定的级间隔离作用，对后向拉曼信号具有较强的衰减作用，对种子源108和第1级光纤放大器109均起到保护作用。

实际过程中，通过对长周期光纤光栅106的光栅周期、倾斜角度、啁啾率、调制深度等参数的调整，使其抑制效果达到最好。

为了进一步提升高功率光纤激光放大器系统受激拉曼散射抑制效果，多个参数相同的长周期光纤光栅可以通过熔接的方式串联起来，即长周期光纤光栅106可由多个长周期光纤光栅熔接串联而成，其抑制比相当于多个长周期光纤光栅抑制比的叠加。通过对长周期光纤光栅数目的控制，可以做到对抑制比的灵活调整。

图17为实施例15的结构示意图。本实施例中高功率光纤激光放大器系统中引入n级光纤放大器111。在各级光纤放大器之间均通过长周期光纤光栅连接，即在第1级光纤放大器与第2级光纤放大器之间、第2级光纤放大器与第3级光纤放大器之间……第n-1级光纤放大器与第n级光纤放大器111之间均通过长周期光纤光栅106连接。将长周期光纤光栅106通过熔接的方式连接在各级光纤放大器之间，用作对Stokes光的衰减，同时对后向回光起到隔离作用。这样能够提升各级光纤放大器的工作效率，提升整体的拉曼阈值，进一步提高抑制效果。

实际过程中，通过对长周期光纤光栅106的光栅周期、倾斜角度、啁啾率、调制深度等参数的调整，使其抑制效果达到最好。

为了进一步提升高功率光纤激光放大器系统受激拉曼散射抑制效果，多个参数相同的长周期光纤光栅可以通过熔接的方式串联起来，即长周期光纤光栅106可由多个长周期光纤光栅熔接串联而成，其抑制比相当于多个长周期光纤光栅抑制比的叠加。通过对长周期光纤光栅数目的控制，可以做到对抑制比的灵活调整。

本实施例中高功率光纤激光放大器系统中引入n级光纤放大器。在各级光纤放大器之间均通过长周期光纤光栅连接，即在第1级光纤放大器与第2级光纤放大器之间、第2级光纤放大器与第3级光纤放大器之间……第n-1级光纤放大器与第n级光纤放大器之间均通过长周期光纤光栅106连接。将长周期光纤光栅106通过熔接的方式连接在各级光纤放大器之间，用作对Stokes光的衰减，同时对后向回光起到隔离作用。这样能够提升各级光纤放大器的工作效率，提升整体的拉曼阈值，进一步提高抑制效果。

实际过程中，通过对长周期光纤光栅106的光栅周期、倾斜角度、啁啾率、调制深度等参数的调整，使其抑制效果达到最好。

为了进一步提升高功率光纤激光放大器系统受激拉曼散射抑制效果，多个参数相同的长周期光纤光栅可以通过熔接的方式串联起来，即长周期光纤光栅6可由多个长周期光纤光栅熔接串联而成，其抑制比相当于多个长周期光纤光栅抑制比的叠加。通过对长周期光纤光栅数目的控制，可以做到对抑制比的灵活调整。

综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书界定的范围为准。

Claims (10)

1.融锥型长周期光纤光栅，包括光纤，其特征在于：所述光纤上设有一个以上的锥区，各锥区之间的间距相等，该间距即为融锥型长周期光纤光栅的周期，所述锥区通过熔融拉锥而成。

2.根据权利要求1所述的融锥型长周期光纤光栅，其特征在于，所述光纤为大模场双包层光纤。

3.融锥型长周期光纤光栅的制备装置，其特征在于，包括光纤夹具、光纤加热元件、三维调节架和电动位移平台，所述光纤夹具设有两个，分别为左光纤夹具和右光纤夹具；所述三维调节架有两个，分别为左三维调节架和右三维调节架；所述电动位移平台能够在驱动电机的驱动下水平位移，电动位移平台有三个，分别为左电动位移平台、中间电动位移平台和右电动位移平台；所述左电动位移平台和右电动位移平台上分别设置有左三维调节架和右三维调节架，左三维调节架和右三维调节架上分别设置有左光纤夹具和右光纤夹具，光纤的两端分别通过左光纤夹具和右光纤夹具夹持且保持两光纤夹具间的光纤水平，所述中间电动位移平台上设置有光纤加热元件，光纤加热元件用于对两光纤夹具间的光纤进行加热。

4.根据权利要求3所述的融锥型长周期光纤光栅的制备装置，其特征在于，所述左电动位移平台、中间电动位移平台或/和右电动位移平台安装在同一水平导轨上；或者左电动位移平台、中间电动位移平台或/和右电动位移平台安装在不同的相互平行到的水平导轨上。

5.根据权利要求3所述的融锥型长周期光纤光栅的制备装置，其特征在于，所述左电动位移平台、中间电动位移平台和右电动位移平台的驱动电机均由计算机控制，通过计算机控制各电动位移平台的启停、水平移动速度和移动距离；所述光纤加热元件由计算机控制，通过计算机控制光纤加热元件的开关、热区温度大小。

6.根据权利要求3所述的融锥型长周期光纤光栅的制备装置，其特征在于，光纤加热元件为电加热元件或者火焰加热元件，采用电加热或者火焰的方式对光纤中部待制备融锥型长周期光纤光栅的区域加热。

7.融锥型长周期光纤光栅的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)截取合适长度的光纤，将光纤中部待制备融锥型长周期光纤光栅的区域用化学剥除剂涂覆，再用酒精擦拭后将光纤的两端分别通过左光纤夹具和右光纤夹具夹持，调节两三维调节架以及左、右电动位移平台确保两光纤夹具间的光纤水平；

(2)通过中间电动位移平台调节光纤加热元件的位置，光纤加热元件采用火焰的方式对光纤中部待制备融锥型长周期光纤光栅的区域加热，光纤加热元件的火焰喷嘴位于光纤的正下方；

(3)设置左、右电动位移平台的参数，包括移动方向、移动速度和移动距离；设置光纤加热元件的参数，包括热区温度；

(4)同时启动左、右电动位移平台和光纤加热元件，左和右电动位移平台分别向左和向右反向移动，当光纤加热元件所加热的光纤加热区域被拉成设定尺寸时，停止左和右电动位移平台和光纤加热元件，光纤加热区域的光纤通过熔融拉锥形成的熔融锥区；

(5)控制中间电动位移平台沿光纤轴向移动设定距离，该移动距离即为融锥型长周期光纤光栅的周期；

(6)重复步骤(4)和步骤(5)，直至拉制出所需要的融锥型长周期光纤光栅。

8.一种激光系统，其特征在于：包括激光振荡器，在所述激光振荡器内设置有长周期光纤光栅，所述长周期光纤光栅采用如权利要求7所述融锥型长周期光纤光栅的制备方法制备而成。

9.根据权利要求8所述的激光系统，其特征在于：所述激光振荡器为前向泵浦光纤激光振荡器、后向泵浦光纤激光振荡器或者双向泵浦光纤激光振荡器；激光振荡器包括泵浦光源、泵浦光合束器、高反光栅、掺杂光纤和低反光栅，所述长周期光纤光栅设置在激光振荡器腔内的低反光栅前或者设置在光纤激光振荡器腔内的高反光栅后或者将长周期光纤光栅直接刻写在光纤激光振荡器腔内的掺杂光纤上。

10.一种激光系统，其特征在于：包括种子源和一级以上的激光放大器，在种子源和激光放大器之间以及在各级激光放大器之间均设置有长周期光纤光栅，所述长周期光纤光栅采用如权利要求7所述融锥型长周期光纤光栅的制备方法制备而成。

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