CN114384627A - 一种混周期多相移位长周期光纤光栅及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明针对自相位调制、四波混频、受激布里渊散射引起的光谱展宽，提出了一种混周期多相移位长周期光纤光栅及其制备方法。所述混周期多相移位长周期光纤光栅通过控制不同周期数的光纤光栅，施加相移及刻蚀域来实现特定的滤波功能。其透射谱具有一个窄通带以及两个宽阻带，窄通带的中心波长对应信号激光的中心波长，宽阻带位于窄通带两侧，宽阻带的波段范围对应自相位调制、四波混频、受激布里渊散射产生的寄生激光波段。它能够将特定波段的光从纤芯模耦合至包层模，同时避免回光损坏后续器件，使在纤芯中只包含信号激光。相比于现有方法，本发明提出的方法具有效果好、成本低、应用范围广等优点。
Description
技术领域
本发明属于高功率光纤激光器领域，具体涉及一种混周期多相移位长周期光纤光栅及其制备方法。
背景技术
目前，高功率激光器激发的非线性效应严重恶化了输出激光的线宽水平，成为了制作具有超窄线宽、高功率特性的单模光纤激光器的难题。其中非线性效应包括受激散射引起的受激拉曼散射、受激布里渊散射，以及非线性折射率调制引起的四波混频、自相位调制和交叉相位调制。受激布里渊散射会在信号光附近产生数GHz的斯托克斯信号光和反斯托克斯信号光，而四波混频与自相位调制是直接导致光纤激光器信号激光光谱展宽的非线性效应。当输出功率过高超过以上所述非线性效应产生阈值时会引起光谱展宽，进而影响激光器的正常运行。由于光纤光栅具有特殊的结构，能够对激光进行纵模调制，因此能够对非线性效应产生的纵模恶化现象进行抑制，并且其具有的全兼容于光纤的特点使基于光纤光栅技术的高功率激光非线性效应抑制方法成为目前最有效的解决途径。
目前已有利用倾斜布拉格光纤光栅抑制受激布里渊散射现象，证明了对后向传输的斯托克斯光有很强的滤除作用，但倾斜布拉格光纤光栅不仅会将纤芯模耦合至后向包层模，在极高功率下这一部分的回光入射到光纤激光器中会造成系统稳定性下降，甚至造成光纤激光器后续器件烧毁；利用啁啾倾斜布拉格光纤光栅和长周期光纤光栅级联抑制自相位调制效应与四波混频效应，但这些不仅会将寄生激光抑制，同时也会将大部分信号激光滤除，进而造成光纤激光器输出激光功率大幅下降。利用相移长周期光纤光栅来滤除自相位调制效应与四波混频效应，在较低功率时效果显著，在较高功率时自相位调制效应与四波混频效应加剧，进而导致激光器光谱展宽加剧，相移长周期光纤光栅的阻带无法完全覆盖非线性折射效应引起的展宽激光，因此输出光谱主瓣附近将出现残余的非线性折射效应光谱成分，不能达到压窄输出激光光谱线宽的目标。
发明内容
本发明的目的在于提供一种混周期多相移位长周期光纤光栅及其制备方法，抑制了由于激光功率过高超过非线性效应产生阈值时引起的光谱展宽，实现了高功率光纤激光器的窄线宽输出，同时具有全兼容性、结构紧凑、体积小、高效率、高稳定性等优点。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种混周期多相移位长周期光纤光栅，在光纤上取中段剥除涂覆层作为加工段，在加工段的纤芯上刻蚀若干个不同周期数的长周期光纤光栅，两个相邻的长周期光纤光栅之间的相移均相等，该加工段的包层设有刻蚀域，所述刻蚀域位于两个周期数不同的相邻长周期光纤光栅之间，以及加工段的两端。
所述混周期多相移位长周期光纤光栅的透射谱具有一个窄通带和两个宽阻带，两个宽阻带对称分布在窄通带的两侧，窄通带的中心波长对应信号激光的中心波长，宽阻带的范围对应光纤激光器中受激布里渊散射、四波混频、自相位调制引起的光谱展宽，窄通带的范围小于宽阻带的范围；混周期多相移位长周期光纤光栅能将受激布里渊散射、四波混频、自相位调制引起的主瓣附近的寄生激光从光纤的纤芯模耦合至光纤包层，进而使在纤芯中继续向前传输的激光中只包含信号激光，最终达到优化输出光谱线宽的效果。
一种混周期多相移位长周期光纤光栅的制备方法，利用飞秒激光器与聚焦透镜组的结合进行逐点刻写长周期光纤光栅，利用飞秒激光器与柱透镜组的结合来生成刻蚀域，步骤如下：
步骤1、打开飞秒激光器预热，设置飞秒激光器的平均输出功率。
步骤2、在光纤上取中段剥除涂覆层作为加工段，并进行清洁处理，再将该光纤固定在飞秒激光直写光刻系统的光纤支架上。
步骤3、将柱面镜组移至飞秒激光直写光刻系统光路中。
步骤4、打开光快门，刻写一段刻蚀域，关闭光快门。
步骤5、移除柱面镜组，并将聚焦透镜组移至光路中。
步骤6、打开光快门，刻写一段长周期光纤光栅，关闭光快门。
步骤7、重复步骤3到步骤6至最后一个长周期光纤光栅刻写完毕，刻写完毕后重复步骤3到步骤4。
步骤8、取出刻写完毕的混周期多相移位长周期光纤光栅。
一种混周期多相移位长周期光纤光栅在高功率光纤激光器中的应用，当所述混周期多相移位长周期光纤光栅放置在种子源与第一预放大级之间时，能够滤除受激布里渊散射引起的后向斯托克斯光，避免回光入射到光纤激光器中造成系统稳定性下降，进而避免造成光纤激光器后续器件烧毁。
当所述混周期多相移位长周期光纤光栅放置在最后一级预放大级与主放大级之间，能够滤除预放大级中产生的自相位调制效应、受激布里渊散射效应及四波混频效应激发的寄生激光，使输入主放大级的激光具有近衍射极。的高光束质量与纯净的光谱；
当所述混周期多相移位长周期光纤光栅放置在主放大级与输出端之间，能够滤除主放大级中产生的自相位调制效应、受激布里渊散射效应及四波混频效应激发的寄生激光，使输出激光同时具有高功率和窄线宽。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
(1)现有方法在抑制非线性效应时只能滤除一种非线性效应或两种非线性效应导致的展宽光谱。目前不存在任何一种光栅能同时抑制多种非线性效应导致的展宽光谱。而混周期多相移位长周期光纤光栅能够滤除自相位调制效应、受激布里渊散射效应及四波混频效应激发的寄生激光。
(2)现有方法(例如基于相移长周期光纤光栅的抑制方法)在光谱展宽范围较小时是有效的，但当功率提升后非线性折射效应加剧，光谱展宽加剧，相移长周期光纤光栅不能满足要求。同时相移长周期光纤光栅对受激布里渊散射产生的光谱展宽没有抑制作用。而混周期多相移位长周期光纤光栅的方法同时具备宽阻带与窄通带，宽阻带的范围对应于展宽光谱，窄通带的范围对应信号光源，因此能够滤除包括受激布里渊散射在内的多种非线性效应导致的光谱展宽，达到优化输出光谱线宽的功能。
(3)所述混周期多相移位长周期光纤光栅能够全兼容于光纤，可以应用于不同结构的高功率光纤激光器中，同时也能应用于通信及传感领域，适用范围广。
附图说明
图1为本发明所述的能够优化高功率光纤激光器输出光谱展宽的混周期多相移位长周期光纤光栅结构图。
图2为能够优化高功率光纤激光器输出光谱展宽的混周期多相移位长周期光纤光栅的透射谱。
图3为刻写能够优化高功率光纤激光器输出光谱展宽的混周期多相移位长周期光纤光栅的方法流程图。
图4为能够优化高功率光纤激光器输出光谱展宽的混周期多相移位长周期光纤光栅的刻写实现系统结构示意图。
图5为实施例中应用多根混周期多相移位长周期光纤光栅在高功率窄线宽光纤激光器系统中的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施案例方法仅用于说明和解释本发明案例，并不用于限制本发明实施例。
结合图1，一种混周期多相移位长周期光纤光栅，在光纤上取中段剥除涂覆层3作为加工段，在加工段的纤芯1上刻蚀若干个不同周期数的长周期光纤光栅4，两个相邻的长周期光纤光栅4之间的相移5均相等，该加工段的包层2设有刻蚀域6，所述刻蚀域6位于两个周期数不同的相邻长周期光纤光栅4之间，以及加工段的两端。
所述混周期多相移位长周期光纤光栅的透射谱具有一个窄通带和两个宽阻带，两个宽阻带对称分布在窄通带的两侧，窄通带的中心波长对应信号激光的中心波长，宽阻带的范围对应光纤激光器中受激布里渊散射、四波混频、自相位调制引起的光谱展宽，窄通带的范围小于宽阻带的范围；混周期多相移位长周期光纤光栅能将受激布里渊散射、四波混频、自相位调制引起的主瓣附近的寄生激光从光纤的纤芯模耦合至光纤包层，进而使在纤芯中继续向前传输的激光中只包含信号激光，最终达到优化输出光谱线宽的效果。
所述刻蚀域6的长度等于相移5，深度小于包层2厚度，刻蚀域6能够将在光纤上刻写的相邻两段长周期光纤光栅4的包层与空气界面的全反射特性破坏，将耦合至包层2的展宽激光从包层中剥离，切断了激光在包层中传输一段距离后重新耦合进入纤芯的路径，进而消除了混周期多相移位长周期光纤光栅产生的频谱干涉现象。
自光纤的一端向另一端，连续的两个长周期光纤光栅4为一组，同一组的两个长周期光纤光栅4周期数相等，相邻两组周期数递增。设第一组长周期光纤光栅4周期数最小，为N1，与其相邻的第二组长周期光纤光栅4周期数为N2，0.55N2≤N1≤0.65N2。第一组长周期光纤光栅4的周期数决定了混周期多相移位长周期光纤光栅的宽谱范围，最后一组长周期光纤光栅5的周期数决定了混周期多相移位长周期光纤光栅的窄谱范围。
结合图3～图5，一种基于混周期多相移位长周期光纤光栅的制备方法，利用飞秒激光器与聚焦透镜组8的结合进行逐点刻写长周期光纤光栅4，利用飞秒激光器与柱透镜组的结合来生成刻蚀域6，步骤如下：
步骤1、打开飞秒激光器预热，设置飞秒激光器的平均输出功率；
步骤2、在光纤上取中段剥除涂覆层3作为加工段，并进行清洁处理，再将该光纤固定在飞秒激光直写光刻系统的光纤支架上；
步骤3、将柱面镜组7移至飞秒激光直写光刻系统光路中；
步骤4、打开光快门，刻写一段刻蚀域6，关闭光快门；
步骤5、移除柱面镜组7，并将聚焦透镜组8移至光路中；
步骤6、打开光快门，刻写一段长周期光纤光栅4，关闭光快门；
步骤7、重复步骤3到步骤6至最后一个长周期光纤光栅刻写完毕，刻写完毕后重复步骤3到步骤4；
步骤8、取出刻写完毕的混周期多相移位长周期光纤光栅。
一种混周期多相移位长周期光纤光栅在高功率光纤激光器中的应用，当所述混周期多相移位长周期光纤光栅放置在种子源与第一预放大级之间时，能够滤除受激布里渊散射引起的后向斯托克斯光，避免回光入射到光纤激光器中造成系统稳定性下降，进而避免造成光纤激光器后续器件烧毁；当所述混周期多相移位长周期光纤光栅放置在最后一级预放大级与主放大级之间，能够滤除预放大级中产生的自相位调制效应、受激布里渊散射效应及四波混频效应激发的寄生激光，使输入主放大级的激光具有近衍射极限的高光束质量与纯净的光谱；当所述混周期多相移位长周期光纤光栅放置在主放大级与输出端之间，能够滤除主放大级中产生的自相位调制效应、受激布里渊散射效应及四波混频效应激发的寄生激光，使输出激光同时具有高功率和窄线宽。
混周期多相移位长周期光纤光栅设计实施案例1
结合图1～图5，该混周期多相移位长周期光纤光栅在纤芯1上间隔设有16个光纤光栅4，16个长周期光纤光栅之间的相移5共计15段，以第一个、第二个长周期光纤光栅4为一组，第二组以此类推，共计8组，包层上的刻蚀域共计9个，分布在混周期多相移位长周期光纤光栅头尾和每一组的相移对应的包层处。所设计的混周期多相移位长周期光纤光栅的信号光源波长为1080nm，因此相应的长周期光纤光栅结构、刻蚀域及相移的具体参数如下：在混周期多相移位长周期光纤光栅起始端的包层有一段刻蚀域，刻蚀域后端光纤纤芯上刻有第1个长周期光纤光栅结构。混周期多相移位长周期光纤光栅的刻蚀域均长为24μm。第1组长周期光纤光栅的周期为48μm，周期数为70，折射率调制深度为0.001048，第2组长周期光纤光栅的周期为48μm，周期数为116，折射率调制深度为0.000633。第3组长周期光纤光栅的周期为48μm，周期数为192，折射率调制深度为0.000382，第4组长周期光纤光栅的周期为48μm，周期数为316，折射率调制深度为0.000232。第5组长周期光纤光栅的周期为48μm，周期数为520，折射率调制深度为0.000141，第6组长周期光纤光栅的周期为48μm，周期数为850，折射率调制深度为0.0000863。第7组长周期光纤光栅的周期为48μm，周期数为1400，折射率调制深度为0.0000524，第8组长周期光纤光栅的周期为48μm，周期数为2300，折射率调制深度为0.0000319。在最后一组长周期光纤光栅的末尾端有一段刻蚀域。
刻写方法实施案例1
使用Nufern公司的LMA-GDF-20/400-M光纤(以下简称光纤)，具体实施步骤如下：
第一步：将飞秒激光器的平均输出功率设置为4W，打开激光器，预热30分钟以上，关闭光快门。
第二步：取3m长的光纤，在中间位置用涂覆层去除机去除涂覆层40cm，用无尘纸蘸取丙醇将光纤擦拭干净，光纤两端分别与宽带光源和光谱仪连接，将处理完毕的光纤架在吸固支架上，光纤拉直后两端利用支架盖的磁铁固定。
第三步：将柱面镜组7移至光路中，此时被衰减后的飞秒激光的平均输出功率为1.6mW。
第四步：光快门打开，光纤支架以4.8μm/s的速度移动24μm，光快门关闭。
第五步：将聚焦透镜组8移至光路中，将显微物镜的聚焦点对准光纤纤芯，此时被衰减后的飞秒激光的平均输出功率为4mW。
第六步：光快门打开，设置光快门与移动平台的参数来控制照射时间、光栅周期、光栅周期数、占空比、平台移动速度等数据。在本案例中，每次移动速度、照射时间、遮挡时间及周期数在如下表格中。
| 长周期光纤光栅结构编号 | 移动速度/μm/s | 照射时间/s | 遮挡时间/s | 周期数 |
| 第一组 | 1.2 | 40 | 40 | 70 |
| 第二组 | 1.99 | 24.12 | 24,12 | 116 |
| 第三组 | 3.95 | 12.15 | 12,15 | 192 |
| 第四组 | 5.42 | 8.86 | 8.86 | 316 |
| 第五组 | 8.91 | 5.38 | 5.38 | 520 |
| 第六组 | 14.57 | 3.29 | 3.29 | 850 |
| 第七组 | 24 | 2 | 2 | 1400 |
| 第八组 | 39.43 | 1.22 | 1.22 | 2300 |
第七步：重复第三步至第六步。
第八步：重复第三步至第四步。
第九步：取出刻写完毕的混周期多相移位长周期光纤光栅。
采用在高功率窄线宽光纤激光器中进行应用来验证混周期多相移位长周期光纤光栅的效果。此处采用了基于单频激光器相位调制展宽的方案并结合主振荡功率放大的结构搭建了高功率窄线宽光纤激光器系统。单频激光器经相位调制器展宽后输出的激光经过三级预放大获得百瓦量级激光，然后通过反向泵浦的放大器最终获得平均功率千瓦级的窄线宽激光。
单频激光器采用分布布拉格反射结构实现工作波长为1080nm、光谱线宽为1kHz、输出功率为50mW的单频激光输出。之后经过两级相位调制实现功率为10mW、输出光谱线宽为0.1287nm的窄线宽激光输出。种子源的相位调制模块采用两个LiNbO3电光晶体作为相位调制器，电光调制器1(EOM1)带宽为10GHz，电光调制器2带宽为100MHz。尾纤采用PM980-XP单模保偏光纤。白噪声信号通过射频放大器(RF)放大后直接对电光调制器进行控制达到展宽单频激光的目的(展宽后光谱10dB线宽0.1287nm)。
虽然种子源的输出功率为10mW左右，但存在的受激布里渊散射效应产生的回光极易损坏种子源，因此在种子源与第一预放大级之间设置第一根混周期多相移位长周期光纤光栅-1。同时为了降低主放大级的放大压力，对种子激光进行了多级预放大，第一预放大级采用前向泵浦的方式，并采用高掺增益光纤作为第一预放大级的增益介质，并采用波长为974nm、输出功率为360mW的单模半导体激光器作为泵浦源。同时为实时监测系统回光功率并防止受激布里渊散射效应的激发导致种子源被击毁，在第一预放大级中引入了一个环形器。在第一预放大级与第二预放大级之间引入另一个环形器，在环形器上接入一个带宽为2nm，中心波长为1080nm的高反光纤光栅作为滤波器滤除小功率信号注入带来的放大自发辐射效应。种子激光经过第一预放大级放大后，输出功率达到200mW左右。第二预放大级采用前向泵浦的方式，采用锁波长的976nm的半导体激光器作为泵浦源，采用掺镱光纤作为增益介质。第二预放大级最高功率可以达到18W。
由于第三预放大级功率较高，故采用反向泵浦结构。采用两个150W的976nm半导体激光器作为泵浦源，采用掺镱光纤作为增益介质。在第二预放大级中增加一个环形器作为光隔离器，既可以阻断后向系统产生的回光保护前向器件的安全，同时也能监测注入预放中的信号光以及预放中的回光。在第三预放大级后设置第二根混周期多相移位长周期光纤光栅，能够滤除预放大级中产生的自相位调制效应、受激布里渊散射效应及模间四波混频效应激发的寄生激光，使输入主放大级的激光具有近衍射极限的高光束质量与纯净的光谱。主放大级采用反向泵浦的方案，以级联泵浦的方式，掺镱光纤作为增益介质，在输出端前接入第三根混周期多相移位长周期光纤光栅，滤除主放大级产生自相位调制效应、受激布里渊散射效应及模间四波混频效应激发的寄生激光，使输出激光同时具有高功率和窄线宽。
该实施例中所述的接入第一根混周期多相移位长周期光纤光栅用于滤除受激布里渊散射引起的展宽激光，接入第二根混周期多相移位长周期光纤光栅用于滤除预放大级中产生的自相位调制效应、受激布里渊散射效应及模间四波混频效应激发的寄生激光，接入第三根混周期多相移位长周期光纤光栅用于滤除主放大级中产生的自相位调制效应、受激布里渊散射效应及模间四波混频效应激发的寄生激光，最终得到同时具有高功率和窄线宽的输出激光。
Claims (6)
1.一种混周期多相移位长周期光纤光栅，其特征在于：在光纤上取中段剥除涂覆层（3）作为加工段，在加工段的纤芯（1）上刻蚀若干个不同周期数的长周期光纤光栅（4），两个相邻的长周期光纤光栅（4）之间的相移（5）均相等，该加工段的包层（2）设有刻蚀域（6），所述刻蚀域（6）位于两个周期数不同的相邻长周期光纤光栅（4）之间，以及加工段的两端；
所述混周期多相移位长周期光纤光栅的透射谱具有一个窄通带和两个宽阻带，两个宽阻带对称分布在窄通带的两侧，窄通带的中心波长对应信号激光的中心波长，宽阻带的范围对应光纤激光器中受激布里渊散射、四波混频、自相位调制引起的光谱展宽，窄通带的范围小于宽阻带的范围；混周期多相移位长周期光纤光栅能将受激布里渊散射、四波混频、自相位调制引起的主瓣附近的寄生激光从光纤的纤芯模耦合至光纤包层，进而使在纤芯中继续向前传输的激光中只包含信号激光，最终达到优化输出光谱线宽的效果。
2.根据权利要求1所述混周期多相移位长周期光纤光栅，其特征在于：所述刻蚀域（6）的长度等于相移（5），深度小于包层（2）厚度，刻蚀域（6）能够将在光纤上刻写的相邻两段长周期光纤光栅（4）的包层与空气界面的全反射特性破坏，将耦合至包层（2）的展宽激光从包层中剥离，切断了激光在包层中传输一段距离后重新耦合进入纤芯的路径，进而消除了混周期多相移位长周期光纤光栅产生的频谱干涉现象。
3.根据权利要求2所述混周期多相移位长周期光纤光栅，其特征在于：自光纤的一端向另一端，连续的两个长周期光纤光栅（4）为一组，同一组的两个长周期光纤光栅（4）周期数相等，相邻两组周期数递增。
4.根据权利要求3所述混周期多相移位长周期光纤光栅，其特征在于：设第一组长周期光纤光栅（4）周期数最小，为N1，与其相邻的第二组长周期光纤光栅（4）周期数为N2，0.55N2≤N1≤0.65N2，第一组长周期光纤光栅（4）的周期数决定了混周期多相移位长周期光纤光栅的宽谱范围，最后一组长周期光纤光栅（5）的周期数决定了混周期多相移位长周期光纤光栅的窄谱范围。
5.一种基于权利要求1~4中任意一项所述混周期多相移位长周期光纤光栅的制备方法，其特征在于，利用飞秒激光器与聚焦透镜组（8）的结合进行逐点刻写长周期光纤光栅（4），利用飞秒激光器与柱透镜组的结合来生成刻蚀域（6），步骤如下：
步骤1、打开飞秒激光器预热，设置飞秒激光器的平均输出功率；
步骤2、在光纤上取中段剥除涂覆层（3）作为加工段，并进行清洁处理，再将该光纤固定在飞秒激光直写光刻系统的光纤支架上；
步骤3、将柱面镜组（7）移至飞秒激光直写光刻系统光路中；
步骤4、打开光快门，刻写一段刻蚀域（6），关闭光快门；
步骤5、移除柱面镜组（7），并将聚焦透镜组（8）移至光路中；
步骤6、打开光快门，刻写一段长周期光纤光栅（4），关闭光快门；
步骤7、重复步骤3到步骤6至最后一个长周期光纤光栅刻写完毕，刻写完毕后重复步骤3到步骤4；
步骤8、取出刻写完毕的混周期多相移位长周期光纤光栅。
6.一种混周期多相移位长周期光纤光栅在高功率光纤激光器中的应用，其特征在于：
当所述混周期多相移位长周期光纤光栅放置在种子源与第一预放大级之间时，能够滤除受激布里渊散射引起的后向斯托克斯光，避免回光入射到光纤激光器中造成系统稳定性下降，进而避免造成光纤激光器后续器件烧毁；
当所述混周期多相移位长周期光纤光栅放置在最后一级预放大级与主放大级之间，能够滤除预放大级中产生的自相位调制效应、受激布里渊散射效应及四波混频效应激发的寄生激光，使输入主放大级的激光具有近衍射极限的高光束质量与纯净的光谱；
当所述混周期多相移位长周期光纤光栅放置在主放大级与输出端之间，能够滤除主放大级中产生的自相位调制效应、受激布里渊散射效应及四波混频效应激发的寄生激光，使输出激光同时具有高功率和窄线宽。
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| CN105356208A (zh) * | 2015-11-27 | 2016-02-24 | 北京航空航天大学 | 一种基于相移型微纳光纤光栅（mpsbg）的微纳光纤激光器 |
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2021
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