CN112421360A - 一种一体化光纤谐振腔及其制作方法和应用 - Google Patents

一种一体化光纤谐振腔及其制作方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种一体化光纤谐振腔及其制作方法和应用，包括有源光纤，所述有源光纤的中间部分作为增益介质，所述有源光纤的两端通过飞秒激光直接写入高反射率光栅和低反射率光栅。本发明直接在有源光纤的两端通过飞秒激光直接写入高反射率光栅和低反射率光栅，减少了光栅和有源光纤的两个熔接点，同时由于是使用飞秒激光刻写布拉格光纤光栅，故省去了常规光纤光栅制作过程中的载氢、开窗和二次涂覆的步骤，这些步骤不仅耗费时间，且可能给光纤的结构带来不可见的损伤，这样会给光纤光栅的实际应用带来隐患，尤其是在高功率光纤激光器应用中，当光纤中传输的功率过高时，会使得结构损伤部位出现热点，严重的情况下直接损坏激光器谐振腔。

Description

一种一体化光纤谐振腔及其制作方法和应用
技术领域
本发明涉及激光器加工技术领域，尤其涉及一种一体化光纤谐振腔及其制作方法和应用。
背景技术
谐振腔内模式的分布决定了激光器输出光束的质量。目前，研究谐振腔内模式分布的方法较多，其中麦克斯韦方程组是最基本的方法，但分析过程繁琐、复杂；ABCD矩阵虽然原理简单，但只适用于近轴系统；Collins公式分析的前提是要知道入射光的光场分布；迭代法在菲涅尔数很大时，对低阶模式能很好的分析，但对高阶模式分析时误差较大。
目前，激光器的种类很多，但它们的基本原理均相同，都是基于爱因斯坦的受激辐射理论。但为了使激光器输出具有方向性好、单色性好、高亮度的光束，大多数激光器必须包括三大部分：泵浦源、光学谐振腔、工作物质，这样才能实现粒子数的反转以及使增益大于损耗，同时在某一方向上让光束得以限制。光学谐振腔也是一种谐振器，其作用主要是提供光学正反馈和模式选择。对大多数激光工作物质，谐振腔的结构直接影响激光器输出光束的质量，对谐振腔进行优化设计是十分必要的。
光纤光栅是近年来发展最为迅速和应用最为广泛的光纤无源器件之一，尤其在光纤传感和光通信中具有重要的作用。高功率光纤激光器作为新一代激光器，以其散热性能好、转换效率高、抽运阈值低、光束质量好、维护成本低等显著优势，受到广泛的关注。由光纤光栅组成的光学谐振腔在光纤激光器中具有谐振放大和滤波选频的作用，对光纤激光器的全光纤化具有极其重要的意义。
现有的光纤谐振腔是使用无源光纤，通过载氢、开窗、刻栅、二次涂覆、封装等一系列工序制成的一对高低反光栅，用于光纤激光器还需要在中间熔接一段有源光纤作为增益介质，这其中另外涉及到的工序还包括有源光纤与无源光纤、无源光纤与无源光纤的熔接操作，至少要形成4个溶解点，这些熔接点对于光纤激光器的功率会产生损耗，且在激光器运行时有烧断的风险。为此，我们提出一种一体化光纤谐振腔及其制作方法和应用。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种一体化光纤谐振腔及其制作方法和应用，具有减少了光栅和有源光纤的两个熔接点，简化了制作步骤的优势，解决了现有光纤谐振腔形成的熔接点多，熔接点对于光纤激光器的功率会产生损耗，且在激光器运行时有烧断的风险的问题。
本发明提供如下技术方案：一种一体化光纤谐振腔，包括有源光纤，所述有源光纤的中间部分作为增益介质，所述有源光纤的两端通过飞秒激光直接写入高反射率光栅和低反射率光栅。
一种利用飞秒激光制作一体化光纤谐振腔的方法，包括如下步骤：直接在有源光纤的两端通过飞秒激光直接写入高反射率光栅和低反射率光栅，有源光纤两端的高反射率光栅和低反射率光栅与作为增益介质的有源光纤的中间部分形成一体化光纤谐振腔。
优选的，所述飞秒激光加工光路采用光纤飞秒激光器作为激光源，光纤飞秒激光器出射的激光受到半波片和格兰棱镜组成的衰减器进行功率衰减，经过衰减之后的激光将通过光快门，光快门上设有快门控制器，快门控制器对激光加工时间精确到ms级的控制，激光通过光路中放置在分束镜之后的CCD对加工过程进行实时成像，激光最后经过一个显微物镜聚焦，聚焦之后的光束束腰半径为5微米，其中快门控制器和CCD与计算机电连接。
优选的，所述衰减器的最大衰减比为10000:1，通过放置在格兰棱镜偏振逃逸窗口的光功率计，可以得到逃逸光的功率，通过测量加工光路中的功率，得到两者之间的关系，实时监测加工光路的功率，通过旋转半波片，可以将输出功率由5W连续衰减调节至400mW，其中光功率计与计算机电连接。
优选的，所述光纤飞秒激光器的中心波长为1030nm，脉冲宽度为270fs至40ps，重复频率为0-2MHz，平均功率为5W，M2因子为1.09，输出光束为TE00模，束腰半径为1mm。
优选的，所述飞秒激光加工光路将入射前激光光斑进行扩束，将激光光斑尺寸扩大到与显微物镜入射孔尺寸相同。
一种采用一体化光纤谐振腔的激光器，包括有源光纤，所述有源光纤的中间部分作为增益介质，所述有源光纤的两端通过飞秒激光直接写入高反射率光栅和低反射率光栅，所述有源光纤高反射率光栅的OUT端与激光器合束器尾端熔接，所述有源光纤低反射率光栅的OUT端与激光器QBH尾纤熔接。
本发明提供了一种一体化光纤谐振腔及其制作方法和应用，直接在有源光纤的两端通过飞秒激光直接写入高反射率光栅和低反射率光栅，减少了光栅和有源光纤的两个熔接点，同时由于是使用飞秒激光刻写布拉格光纤光栅，故省去了常规光纤光栅制作过程中的载氢、开窗和二次涂覆的步骤，这些步骤不仅耗费时间，且可能给光纤的结构带来不可见的损伤，这样会给光纤光栅的实际应用带来隐患，尤其是在高功率光纤激光器应用中，当光纤中传输的功率过高时，会使得结构损伤部位出现热点，严重的情况下直接损坏激光器谐振腔。
附图说明
图1为本发明飞秒激光加工光路图；
图2为激光聚焦示意图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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。
本发明提供一种技术方案：一种一体化光纤谐振腔，包括有源光纤，有源光纤的中间部分作为增益介质，有源光纤的两端通过飞秒激光直接写入高反射率光栅和低反射率光栅。
一种利用飞秒激光制作一体化光纤谐振腔的方法，包括如下步骤：直接在有源光纤的两端通过飞秒激光直接写入高反射率光栅和低反射率光栅，有源光纤两端的高反射率光栅和低反射率光栅与作为增益介质的有源光纤的中间部分形成一体化光纤谐振腔。
一种采用一体化光纤谐振腔的激光器，包括有源光纤，有源光纤的中间部分作为增益介质，有源光纤的两端通过飞秒激光直接写入高反射率光栅和低反射率光栅，有源光纤高反射率光栅的OUT端与激光器合束器尾端熔接，有源光纤低反射率光栅的OUT端与激光器QBH尾纤熔接。
飞秒激光的加工光路如图1所示，光路所采用的激光源为光纤飞秒激光器，中心波长为1030nm，脉冲宽度为270fs至40ps可调，重复频率为0～2MHz可调，平均功率为5W，M2因子为1.09，输出光束为TE00模，束腰半径为1mm。从上面的参数我们可以看出，激光器参数的可调空间非常大，可以比较灵活的应对各种材料加工需求。出射的激光接下来会受到由半波片和格兰棱镜组成的衰减器进行功率衰减，最大衰减比能到10000:1，通过放置在格兰棱镜偏振逃逸窗口的光功率计，可以得到逃逸光的功率，通过测量加工光路中的功率，得到两者之间的关系，这样就可以实时监测加工光路的功率，实验中通过旋转半波片，可以将输出功率由5W连续衰减调节至400mW。经过衰减之后的激光将通过光快门，通过对光快门进行编程，我们可以实现对激光加工时间精确到ms级的控制。光路中放置在分束镜之后的CCD可以对加工过程进行实时成像，便于观察。然后经过一个NA值为0.45的20×的显微物镜聚焦，聚焦之后的光束束腰半径约为5微米。图1中沿光路依次为光纤飞秒激光器、半波片、格兰棱镜(格兰棱镜上方为光功率计)；经过两次反射后经过光快门；光快门上设置有快门控制器；之后经过CCD，CCD是电荷耦合器件(charge coupled device)的简称；最后经过物镜；虚线表示电连接，实线表示光连接。图中光功率计、光快门和CCD均通过虚线与计算机电连接。
光路系统优化
在飞秒激光刻写光纤光栅的实验中，激光的加工参数与焦点和纤芯的相对位置是非常重要的，这些参数对光纤光栅的性能有直接的影响。目前主流的飞秒激光器刻写方式为逐点刻写法，即预先将激光聚焦至纤芯位置，然后使得光纤以一定的速度沿着焦点垂直方向移动，这样每个激光脉冲都会与纤芯发生作用，形成光栅结构。光纤光栅周期台移动速度V，所刻写的光栅周期，激光脉冲的重复频率f存在如下关系：
V＝Λ·f
逐点写入装置关键就是聚焦物镜和平台移动装置，聚焦物镜必须得能承受住飞秒激光的功率密度，平台的移动精度必须满足刻写周期的要求。
图2是激光经过一个物镜聚焦至未剥除涂覆层的光纤的示意图，图中光纤最外层为涂覆层，次外层为包层。根据这幅图，我们可以简要介绍一下飞秒激光能达到不剥除涂覆层来进行光纤光栅刻写的原因。首先光纤整个材料对红外波段激光是不具有太大吸收作用的，我们可以通过改变焦点的位置，来达到将激光聚焦到纤芯，进而写制光栅的目的；其次，聚焦之后的光斑尺寸以及束腰形状是和聚焦物镜的NA值有关的，NA值越大，光斑的束腰就会更加的小，在束腰Z方向相同的距离，能量密度差异就会更大。因此，NA值越高的物镜，聚焦激光束腰在涂覆层和纤芯中的能量差异是非常大的，能达到1000倍，因此就能在不破坏涂覆层的情况下，将激光聚焦至纤芯中，配合运动平台，完成光纤光栅的刻写。
飞秒激光刻写光纤光栅是利用激光脉冲与纤芯作用，产生折射率变化。光纤光栅的周期尺寸都在1微米量级。因此我们需要将光斑的尺寸聚焦到比这个更小的量级，这样相邻光栅周期就不会发生重叠。根据衍射公式，激光入射光斑充满整个物镜的入射孔径时，我们可以得到聚焦之后的光斑束腰尺寸与物镜之间的NA存在相反的关系，即物镜NA值越大，光斑束腰尺寸越小。
此外，为了获得更好的聚焦光斑质量与更小的光斑尺寸，我们需要将入射前激光光斑进行扩束，将尺寸扩大到与聚焦物镜入射孔相比拟的尺寸，越贴近越好。
本发明中，通过直接在有源光纤的两端通过飞秒激光直接写入高反射率光栅和低反射率光栅，减少了光栅和有源光纤的两个熔接点，同时由于是使用飞秒激光刻写布拉格光纤光栅，故省去了常规光纤光栅制作过程中的载氢、开窗和二次涂覆的步骤，这些步骤不仅耗费时间，且可能给光纤的结构带来不可见的损伤，这样会给光纤光栅的实际应用带来隐患，尤其是在高功率光纤激光器应用中，当光纤中传输的功率过高时，会使得结构损伤部位出现热点，严重的情况下直接损坏激光器谐振腔。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种一体化光纤谐振腔，包括有源光纤，其特征在于：所述有源光纤的中间部分作为增益介质，所述有源光纤的两端通过飞秒激光直接写入高反射率光栅和低反射率光栅。
2.一种利用飞秒激光制作一体化光纤谐振腔的方法，其特征在于：包括如下步骤：直接在有源光纤的两端通过飞秒激光直接写入高反射率光栅和低反射率光栅，有源光纤两端的高反射率光栅和低反射率光栅与作为增益介质的有源光纤的中间部分形成一体化光纤谐振腔。
3.根据权利要求2所述的一种利用飞秒激光制作一体化光纤谐振腔的方法，其特征在于：飞秒激光加工光路采用光纤飞秒激光器作为激光源，光纤飞秒激光器出射的激光受到半波片和格兰棱镜组成的衰减器进行功率衰减，经过衰减之后的激光将通过光快门，光快门上设有快门控制器，快门控制器对激光加工时间精确到ms级的控制，激光通过光路中放置在分束镜之后的CCD对加工过程进行实时成像，激光最后经过一个显微物镜聚焦，聚焦之后的光束束腰半径为5微米，其中快门控制器和CCD与计算机电连接。
4.根据权利要求3所述的一种利用飞秒激光制作一体化光纤谐振腔的方法，其特征在于：所述衰减器的最大衰减比为10000:1，通过放置在格兰棱镜偏振逃逸窗口的光功率计，可以得到逃逸光的功率，通过测量加工光路中的功率，得到两者之间的关系，实时监测加工光路的功率，通过旋转半波片，可以将输出功率由5W连续衰减调节至400mW，其中光功率计与计算机电连接。
5.根据权利要求3或4所述的一种利用飞秒激光制作一体化光纤谐振腔的方法，其特征在于：所述光纤飞秒激光器的中心波长为1030nm，脉冲宽度为270fs至40ps，重复频率为0-2MHz，平均功率为5W，M2因子为1.09，输出光束为TE00模，束腰半径为1mm。
6.根据权利要求3所述的一种利用飞秒激光制作一体化光纤谐振腔的方法，其特征在于：飞秒激光加工光路将入射前激光光斑进行扩束，将激光光斑尺寸扩大到与显微物镜入射孔尺寸相同。
7.一种采用一体化光纤谐振腔的激光器，包括有源光纤，其特征在于：所述有源光纤的中间部分作为增益介质，所述有源光纤的两端通过飞秒激光直接写入高反射率光栅和低反射率光栅，所述有源光纤高反射率光栅的OUT端与激光器合束器尾端熔接，所述有源光纤低反射率光栅的OUT端与激光器QBH尾纤熔接。
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