CN114079220B - 一种具有泵浦光反射功能的光纤及其制作和测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有泵浦光反射功能的光纤及其制作和测试方法，包括光纤本体、第一光栅和第二光栅；光纤本体位于光纤激光器输出激光的输出光路上，第一光栅位于光纤本体的纤芯内，用于输出特定波长的激光；第二光栅位于光纤本体的包层和纤芯内，用于将包层和纤芯中的泵浦光反射至光纤本体中。通过设置有第二光栅，利用第二光栅将光纤本体中的泵浦光反射回谐振腔中继续振荡，从而形成激光，并通过第一光栅进行输出，进而减少能量的浪费，进一步提高光纤激光器输出激光的输出功率。并且采用在光纤本体内制作第一光栅的和第二光栅的方法，以减少熔接点的数量，从而降低能量的损耗。

Description

一种具有泵浦光反射功能的光纤及其制作和测试方法

技术领域

本发明属于光学器件技术领域，具体涉及一种具有泵浦光反射功能的光纤及其制作和测试方法。

背景技术

光纤激光器诞生于激光器发明的第二年，有着与激光器几乎同样长的历史。随着光纤激光器的成本与售价的下降，光纤激光器的应用场景越来越广泛，市场对光纤激光器的要求也越来越高，尤其是对于光线激光的转换效率极为重视。并且在节能减排的大环境下，提高光纤激光器的转换效率尤为重要。

目前的光纤激光器中，泵浦激光器产生的泵浦光通过两个腔镜光栅和增益光纤形成的谐振腔进行振荡从而形成激光，并对激光进行输出。其中，泵浦光在增益光纤中进行受激辐射时，不能够完全激发成为激光，这部分泵浦光需要通过剥离器这一器件进行剥除，避免随着激光输出。而剥离器的固定使得熔接点增多，从而导致能量的损耗增加，同时剥离器将这部分泵浦光以热能的形式消散，使这部分泵浦光没有得到利用，降低激光的转换效率，导致能源的浪费。

发明内容

针对上述问题，本发明公开了一种具有泵浦光反射功能的光纤及其制作和测试方法，以克服上述问题或者至少部分地解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种具有泵浦光反射功能的光纤，包括光纤本体、第一光栅和第二光栅；所述光纤本体位于光纤激光器输出激光的输出光路上，所述第一光栅位于所述光纤本体的纤芯内，用于输出特定波长的激光；所述第二光栅位于所述光纤本体的包层和纤芯内，用于将所述包层和所述纤芯中的泵浦光反射至所述光纤本体中；其中，沿激光的输出方向，相较于所述第二光栅，所述第一光栅位于更靠近所述光纤激光器中增益光纤的位置处。

可选的，所述第一光栅为周期性变化光栅，并且所述第二光栅位于所述第一光栅的长波长一侧。

可选的，所述光纤本体采用双包层光纤，其中，所述第二光栅位于包层和纤芯内。

可选的，所述第一光栅靠近所述第二光栅的一端与所述第二光栅靠近所述第一光栅的一端沿着所述光纤本体长度方向的距离大于等于零。

可选的，所述第一光栅的截面与所述纤芯的截面重合。

可选的，所述第二光栅的截面与所述内包层和所述纤芯共同的截面重合。

一种具有泵浦光反射功能的光纤的制作方法，包括上述任一项所述具有泵浦光反射功能的光纤，具体包括如下步骤：

步骤S1、在所述光纤本体的纤芯内制作所述第一光栅；

步骤S2、所述增益光纤位于所述第一光栅的一侧，所述第一光栅的另一侧的所述包层内制作所述第二光栅。

可选的，采用无载氢处理的光纤光栅制作方法制备所述第二光栅。

一种具有泵浦光反射功能的光纤的测试方法，包括上述任一项所述具有泵浦光反射功能的光纤的反射率，具体包括如下步骤：

步骤T1、在泵浦激光器和所述光纤本体之间设置合束器，通过所述合束器将所述泵浦激光器产生的泵浦光引入至所述第二光栅，同时在所述光纤本体中靠近所述第二光栅的位置处设置功率检测仪器；

步骤T2、调节所述泵浦激光器的输出功率，并根据所述泵浦激光器的输出功率确定所述泵浦激光器的输入电流，在此情况下，监测并记录所述第二光栅的输出功率，根据所述泵浦激光器的输出功率以及所述第二光栅的输出功率对该具有泵浦光反射功能的光纤对泵浦光的反射率进行计算；

计算公式为：η=[P-P1]/P

其中，P为所述泵浦激光器的输出功率，P1为所述泵浦激光器经过所述第二光栅后的输出功率。

本发明的优点及有益效果是：

在本发明中的一种具有泵浦光反射功能的光纤及其制作和测试方法，通过设置有第二光栅，利用第二光栅将光纤本体中的泵浦光反射回谐振腔中继续振荡，从而形成激光，并通过第一光栅进行输出，进而减少能量的浪费，进一步提高光纤激光器输出激光的输出功率。并且采用在光纤本体内制作第一光栅的和第二光栅的方法，以减少熔接点的数量，从而降低能量的损耗。将第一光栅和第二光栅集成为一个整体，以减小光纤激光器的体积，从而达到节约空间的效果。而且还通过在靠近第二光栅的位置处放置功率检测仪器，根据泵浦激光器的输出功率以及泵浦光通过第二光栅输出的功率，从而对该具有泵浦光反射功能的光纤对泵浦光的反射率进行计算，以根据对光纤的不同使用情况，对不同反射率的光纤进行选择。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明的具有泵浦光反射功能的光纤中一实施例的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例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。

以下结合附图，详细说明本发明各实施例提供的技术方案。

本实施例公开了一种具有泵浦光反射功能的光纤。该具有泵浦光反射功能的光纤中的光纤本体用于集成第一光栅和第二光栅，而第一光栅与光纤激光器中的增益光纤以及腔镜光栅共同组成光纤激光器的谐振腔。其中，泵浦激光器产生的泵浦光通过谐振腔进行受激辐射并完成能量转换，使泵浦光吸收能量后成为激光，之后通过该具有泵浦光反射功能的光纤输出。

结合图1所示，在本实施例中，具有泵浦光反射功能的光纤包括光纤本体1、第一光栅2和第二光栅3。第一光栅2与第二光栅3位于光纤本体1中，其中第一光栅2位于光纤本体1的纤芯13处，用于输出特定波长的激光。第二光栅3位于光纤本体1中内包层12处和纤芯13处，用于将内包层12和纤芯13中的泵浦光反射至谐振腔中。

此时，通过将第一光栅2和第二光栅3设置于光纤本体1的内部，从而使光纤本体1、第一光栅2、第二光栅3集成为一体式结构。这样，不仅可以减少整个光纤激光器的体积，而且还减少了熔接点的数量，从而可以降低熔接点所产生的能量损耗，进而增加泵浦光与激光之间的转换效率。

其中，在本实施例中，第一光栅2采用周期变化的光栅，并且将第一光栅2的长波长方向沿着激光输出的方向设置，使激光通过第一光栅2后能够以特定波长的激光进行输出，从而通过第一光栅2进行激光的波长选择和输出。与此同时，将第二光栅3设置在第一光栅2的长波长方向上，从而由第二光栅3形成对内包层12中的泵浦光以及纤芯13中的泵浦光进行反射，使反射的泵浦光重新进入回谐振腔中继续振荡而再次形成可以通过第一光栅2输出的激光。

结合图1所示，在本实施例中，光纤本体1采用双包层光纤，包括外包层11、内包层12、纤芯13和保护层14，而第二光栅3则位于光纤本体1的内包层12和纤芯13处。另外，在其他实施例中，根据泵浦光的数量还可以选用单包层光纤以及三包层光纤作为光纤本体，其中，将第一光栅位于单包层光纤的纤芯位置处，而第二光栅位于单包层光纤的包层位置处和纤芯位置处。同样的，第一光栅位于三包层光纤的纤芯位置处，将第二光栅位于三包层的内包层位置处和纤芯的位置处，通过在采用三包层光纤能够增强光纤激光器的稳定性。

此时，泵浦激光器产生的泵浦光通过腔镜光栅和增益光纤进入到光纤本体1的内包层12中，使泵浦光形成激光并通过第一光栅2进行输出。其中，在泵浦光受激辐射形成激光的过程中，部分泵浦光未完成能量的吸收，并且也会进入到内包层12中，使内包层12中的部分泵浦光以及通过内包层12进入到纤芯13中的泵浦光也会通过该光纤输出，从而使部分泵浦光在没有转换为激光的情况进行输出，此时借助位于内包层12和纤芯13的第二光栅3将可以该部分泵浦光反射至谐振腔中继续振荡，使该部分泵浦光最终以激光的形式输出，从而提高泵浦光与激光的转换效率。

进一步，在本实施例中，将第一光栅2的截面与纤芯13的截面进行重合设置，从而使所有的激光都能够通过第一光栅2进行波长的筛选。同时，将第二光栅3的截面与内包层12和纤芯13共同组成的截面进行重合设置，从而能够将位于内包层12中的泵浦光和位于纤芯13中穿过第一光栅2的泵浦光通过第二光栅3反射至谐振腔中继续振荡。

结合图1所示，在本实施例中，将组成第一光栅2的透镜间隙采用等差数列排列方式进行逐渐增大设置，使第一光栅2为周期性变化光栅，并且使第一光栅2沿着泵浦激光器输出激光的方向周期逐渐增加，从而保证通过第一光栅2输出所需波长的激光。其中，第一光栅2周期逐渐增加的方向即为第一光栅2的长波长方向。

此外，在其他实施例中，根据光栅的使用场景不同，例如在制作掺饵光纤放大器时，也可以将第二光栅设计为均匀周期的光栅。

另外，在本实施例中，根据实际使用情况，第二光栅3设置在距离第一光栅2的位置1mm位置处，具体为第一光栅2靠近第二光栅3的一端与第二光栅3靠近第一光栅2的一端，并沿着光纤本体1长度方向的距离为1mm的位置处，而在其他实施例中，还可以将第二光栅设置在第一光栅靠近第二光栅的一端与第二光栅靠近第一光栅的一端且沿着光纤长度方向距离为零的位置处。

优选的，在本实施例中，将第一光栅2的透射率设计为100%，将第二光栅3的反射率设计为100%。这样，就可以使得达到所需功率的激光能够通过第一光栅2完全输出，以及将所有未形成激光的泵浦光能够通过第二光栅3全部反射回光纤本体1中继续耦合，进一步提高光纤激光器输出激光的输出功率。

当然，在其他实施例中，根据该具有泵浦光反射功能的光纤的使用场景不同，还可以选用不同透射率的第一光栅和不同反射率的第二光栅。例如，选用透射率为80%、90%的第一光栅，使第一光栅作为低反射率光栅，实现对部分激光的输出。再例如，选用反射率为99%、99.1%的第二光栅，从而达到对部分泵浦光反射效果。

此外，针对本实施例所提出具有泵浦光反射功能的光纤的制作方法，具体步骤如下：

步骤S1、在光纤的纤芯13内制作第一光栅2。

其中，通过采用飞秒激光光刻法中的相位掩膜板法对第一光栅2进行制作。具体过程为，首先，将光纤本体1沿长度方向设置在相位掩膜板的后面，并使其处于与相位掩膜板保持平行的位置处，同时将光纤本体1与相位掩膜板之间的距离调整为100μm；接着，由飞秒激光发出光束并通过聚焦镜片压缩后透过相位掩膜板形成光斑，使光斑通过聚焦镜片聚焦在纤芯13中，从而完成第一光栅2在纤芯13内的制作，并对第一光栅2的长波长方向进行标记。

当然，在其他实施例中，根据制作设备和环境的不同，也可以采用紫外激光光刻法、电弧放电法、离子束刻蚀法、机械微弯法等光纤光栅制作方法对第一光栅2进行制备。

步骤S2、制作第二光栅3。

首先，沿第一光栅2的长波长方向并距离第一光栅2为1mm的位置处对第二光栅3进行制备，其中第二光栅3位于光纤本体1的内包层12和纤芯13中，将光纤本体1沿长度方向放置在制作第二光栅3对应的相位掩膜板的后面，并且使光纤本体1处于与相位掩膜板保持平行的位置处，以保证第二光栅3制作的精准性。同时将光纤本体1放置在距离制作第二光栅3的相位掩膜板100μm位置处。接着，再通过飞秒激光发出光束并通过聚焦镜片压缩后透过制作第二光栅3的相位掩膜板形成周期性线状光斑，并且线性光斑通过聚焦镜片聚焦在内包层12和纤芯13中，中，从而形成周期性光栅，即完成第二光栅3的制作。

另外，在其他实施例中，根据制作设备和环境的不同，还可以采用电弧放电法、离子束刻蚀法、机械微弯法等无载氢处理光纤光栅制作方法对第二光栅3进行制备，以达成在内包层12中对第二光纤进行制备的目的。

接下来，对通过上述方法制备获得的具有泵浦光反射功能的光纤进行反射率测试，具体步骤如下：

步骤T1、在泵浦激光器与光纤之间设置合束器，使泵浦激光器产生的泵浦光通过合束器进入到光纤本体1中的内包层12中，对泵浦光进行耦合，同时在光纤中靠近第二光栅3的位置处设置功率检测仪器，使功率检测仪器位于激光输出光路；

步骤T2、调节并记录泵浦激光器的输出功率P，同时记录在泵浦激光器的输出功率不同的情况下，泵浦激光器产生的泵浦光通过第二光栅3输出激光的输出功率P1。之后，根据泵浦激光器的输出功率P以及第二光栅3的输出功率P1对该具有泵浦光反射功能的光纤对泵浦光的反射率进行计算；

该具有泵浦光反射功能的光纤的反射率计算公式为：η=[P-P1]/P。

通过上述测试方法可以快速准确的获得具有泵浦光反射功能的光纤的反射率，从而可以根据光纤使用情况的不同，快速准确选取不同反射率的光纤以及对实际使用关系的反射率进行快速核对。其中，根据测试结果光纤的反射率越高，证明该泵浦光转换为激光的效率越高，相应的，损耗的能量越低。

其中，在步骤T1中，可以根据泵浦激光器的输出功率不用对泵浦激光器的数量进行调整，从而达到对反射率的准确测试效果。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，在本发明的上述教导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行其他的改进或变形。本领域技术人员应该明白，上述的具体描述只是更好的解释本发明的目的，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种具有泵浦光反射功能的光纤的测试方法，其特征在于，所述具有泵浦光反射功能的光纤包括光纤本体、第一光栅和第二光栅；通过将所述第一光栅和所述第二光栅设置于所述光纤本体的内部，以使所述光纤本体、所述第一光栅和所述第二光栅集成为一体式结构；所述光纤本体位于光纤激光器输出激光的输出光路上；

所述第一光栅位于所述光纤本体的纤芯内，所述第一光栅的截面与所述纤芯的截面重合，用于输出特定波长的激光；

其中，所述第一光栅采用周期变化的光栅，所述第一光栅的长波长方向沿着激光输出的方向设置；

所述第二光栅位于所述光纤本体的包层和纤芯内，所述第二光栅的截面与所述包层和所述纤芯共同的截面重合，用于将所述包层和所述纤芯中的泵浦光反射至所述光纤本体中；

其中，所述第二光栅设置在所述第一光栅的长波长方向上，以对所述包层中的泵浦光以及所述纤芯中的泵浦光进行反射，能够重新进入回谐振腔中继续振荡而再次形成可以通过所述第一光栅输出的激光；

沿激光的输出方向，相较于所述第二光栅，所述第一光栅位于更靠近所述光纤激光器中增益光纤的位置处；

所述光纤本体采用双包层光纤，其中，所述第二光栅位于内包层和纤芯内；

所述第一光栅靠近所述第二光栅的一端与所述第二光栅靠近所述第一光栅的一端沿着所述光纤本体长度方向的距离大于等于零；

所述测试方法包括如下步骤：

步骤T1、在泵浦激光器和所述光纤本体之间设置合束器，通过所述合束器将所述泵浦激光器产生的泵浦光引入至所述第二光栅，同时在所述光纤本体中靠近所述第二光栅的位置处设置功率检测仪器；

步骤T2、调节所述泵浦激光器的输出功率，并根据所述泵浦激光器的输出功率确定所述泵浦激光器的输入电流，在此情况下，监测并记录所述第二光栅的输出功率，根据所述泵浦激光器的输出功率以及所述第二光栅的输出功率对该具有泵浦光反射功能的光纤对泵浦光的反射率进行计算；

计算公式为：η=[P-P1]/P

其中，P为所述泵浦激光器的输出功率，P1为所述泵浦激光器经过所述第二光栅后的输出功率；

所述具有泵浦光反射功能的光纤的制作方法，包括如下步骤：

步骤S1、在所述光纤本体的纤芯内制作所述第一光栅；

步骤S2、所述增益光纤位于所述第一光栅的一侧，所述第一光栅的另一侧的所述包层内制作所述第二光栅， 其中，采用无载氢处理的光纤光栅制作方法制备所述第二光栅。

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