CN115189212A - 一种相干阵光纤激光器结构 - Google Patents

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张彤
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    • H01S3/06—Construction or shape of active medium
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Abstract

本发明公开了一种相干阵光纤激光器结构，包括沿光路方向依次设置的多个泵浦光源、光纤合束器、高反光栅、有源光纤、低反光栅、无源介质层、增透膜、模式选择层和反射层；高反光栅、有源光纤和低反光栅构成第一谐振腔，第一谐振腔、无源介质层、增透膜、模式选择层和反射层构成第二谐振腔。本发明的有源光纤吸收泵浦光并产生激光入射到无源介质层，通过无源介质层和模式选择层对输出激光进行模式选择和外腔反馈，得到高效注入锁定和同相模式输出，从而提高注入反馈和模式锁定能力，实现同相模式相干阵列光纤激光输出。

Description

一种相干阵光纤激光器结构
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，具体涉及一种相干阵光纤激光器结构。
背景技术
近年来，光纤激光器因具有光束质量好、电光效率高、散热特性好、结构紧凑、可靠性好等优势而备受关注，并在很多领域得到广泛应用，如光纤通讯、激光加工、军事国防以及激光医疗等领域。
随着工业应用对效率越来越高的要求，获得高光束质量、高功率的光纤激光器成为迫切需求。然而，受限于光纤本身的热效应、非线性效应、泵浦技术、模式不稳定等因素，单路光纤激光器输出功率存在极限。
现有技术中，通过多光路主动锁相相干合成技术，在克服单路光纤激光器输出功率极限的基础上，能够实现更高功率的激光输出，主动锁相相干合成技术多采用外差法随机并行梯度下降法、频域多抖动法等技术，整个系统设备数量以及连接复杂度急剧增加，难以调节。
发明内容
为解决现有光纤激光相干合成过程中由于阵列单元数量增多而导致调制器和放大器过多，进而导致合成效果不佳的问题，本发明提供一种相干阵光纤激光器结构，可获得孔径完全装填光纤阵列输出、提供模式选择、实现同相模式相干激光输出。
本发明公开了一种相干阵光纤激光器结构，包括沿光路方向依次设置的多个泵浦光源、光纤合束器、高反光栅、有源光纤、低反光栅、无源介质层、增透膜、模式选择层和反射层；
所述高反光栅、有源光纤和低反光栅构成第一谐振腔，所述有源光纤用于吸收泵浦光实现粒子数反转，并产生激光，有源光纤产生的激光由第一谐振腔输出端入射到无源介质层；
所述第一谐振腔、无源介质层、增透膜、模式选择层和反射层构成第二谐振腔，所述无源介质层用于实现所述第一谐振腔输出激光的衍射耦合，所述模式选择层用于将经过所述无源介质层的输出光束进行相干合成；通过无源介质层和模式选择层对输出激光进行模式选择和外腔反馈，得到高效注入锁定和同相模式输出，从而提高注入反馈和模式锁定能力，实现相干阵列光纤激光输出。
作为本发明的进一步改进，相干阵光纤激光器结构的具体连接关系为：泵浦光源通过所述光纤合束器与高反光栅的输入端相连，有源光纤的两端分别与所述高反光栅和低反光栅连接，低反光栅的输出端为所述第一谐振腔的输出端；所述第一谐振腔的输出端与所述无源介质层输入端连接，所述无源介质层输出端口镀有增透膜，所述增透膜与所述模式选择层连接，所述模式选择层输出端镀有反射层。
作为本发明的进一步改进，所述泵浦光源的泵浦方式为单端泵浦、双端泵浦或分布式侧向泵浦，所述泵浦光源产生的泵浦光通过所述光纤合束器耦合进所述第一谐振腔。
作为本发明的进一步改进，所述高反光栅和低反光栅分别刻在所述有源光纤的两个端面，所述高反光栅和低反光栅提供的反射率不满足激光激射条件的要求。
作为本发明的进一步改进，所述有源光纤为单包层光纤或双包层光纤，所述有源光纤的增益离子为稀土离子、锗离子中的一种或多种。
作为本发明的进一步改进，所述有源光纤为N个渐变折射率的扩芯光纤制成紧密排布的光纤阵列，N为自然数，大于等于2。
作为本发明的进一步改进，所述光纤阵列的排布方式为正方形阵列或六边形阵列排布。
作为本发明的进一步改进，在所述第二谐振腔中，所述无源介质层、增透膜、模式选择层和反射层构成外腔；所述无源介质层、增透膜、模式选择层和反射层与有源光纤端面平行设置，所述外腔为光纤阵列提供整数或分数倍Talbot距离的光程。
作为本发明的进一步改进，所述反射层和所述高反光栅提供满足所述光纤激光器激光振荡的反射率条件。
作为本发明的进一步改进，所述无源介质层为通光介质薄片、空气外腔或在第一谐振腔输出端熔接其他对所述光纤激光波长透明的材料。
作为本发明的进一步改进，所述模式选择层为在对应于所述有源光纤的纤芯位置具有周期分布的微纳结构的通光介质层，所述微纳结构为微纳沟槽图形，所述微纳结构的沟槽内材料折射率不同于沟槽外材料折射率。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明由泵浦光源对有源光纤进行泵浦产生阵列激光输出，通过调控无源介质层结构的长度和模式选择层结构中微纳结构的尺寸和周期，改变阵列激光的模式分布，进而实现同相模式锁定；通过第二谐振腔产生复合振荡，从而实现高效自注入反馈；同时，利用单模光纤熔接变折射率多模光纤制成扩芯有源光纤，提高阵列单元占空比；本发明不仅可以实现同相模式相干激光输出，而且结构简单，不需要搭建复杂的模式选择系统；由第二谐振腔引起的自注入锁定可以得到近衍射极限的光束质量；并且通过扩芯有源光纤阵列提高占空比，可以实现高功率高能量密度激光输出。
附图说明
图1为本发明一种实施例公开的相干阵光纤激光器结构的示意图；
图2a为本发明一种实施例公开的六边形排布有源光纤的结构示意图；
图2b为本发明一种实施例公开的正方形排布有源光纤的结构示意图；
图3a是本发明实施例1中有源光纤扩芯结构示意图；
图3b是本发明实施例2中有源光纤扩芯结构示意图。
图中：
1、泵浦光源；2、光纤合束器；3、高反光栅；4、有源光纤；5、低反光栅；6、无源介质层；7、增透膜；8、模式选择层；9、反射层。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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的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。
下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：
实施例1
如图1所示，本发明提供一种相干阵光纤激光器结构，包括沿光路方向依次设置的泵浦光源1、光纤合束器2、高反光栅3、有源光纤4、低反光栅5、无源介质层6、增透膜7、模式选择层8和反射层9；其中：
本实施例的有源光纤4为如图2a所示的六边形有源光纤或如图2b所示的正方形有源光纤，有源光纤数量大于等于7个，每一行或者每一列光源个数n大于等于2，用于产生空间周期分布的光场；有源光纤4采用多根单模光纤经过如图3a所示的扩芯方案，扩芯光纤包层直径可以为：125μm、225μm、400μm或其他直径宽度，本实施例优选为400μm。如图3a所示，将芯层直径20μm、包层直径400μm的单模光纤经过第一次热扩芯得到芯层直径50μm、包层直径400μm光纤，经过第二次扩芯得到芯层直径100μm、包层直径400μm光纤，再经过第三次扩芯最终得到芯层直径300μm、包层直径400μm的光纤，将多根扩芯光纤拉锥制成紧密排布的光纤阵列。在低反光栅5后粘接无源介质层6，无源介质层6可以采用薄玻璃板、无源光纤或者采用空气腔；在无源介质层6后镀增透膜7，降低光束从无源介质层6入射到模式选择层8的反射损耗；模式选择层8可以采用在SiO2薄膜上刻蚀微纳结构，在微纳结构的沟槽内填充折射率不同于SiO2薄膜的材料如Si3N4等材料；对模式选择层8表面进行抛光处理，在其表面镀高反射层9，使得光纤激光器在第二谐振腔形成激光振荡。
本实施例中，由泵浦光源1输出的泵浦光经过光纤合束器2耦合进第一谐振腔，激发有源光纤4中增益物质粒子数反转，由于第一谐振腔采用高反光栅3和低反光栅5作为谐振腔镜，低反光栅5的反射率满足：第一谐振腔不能达到激光激射条件的要求。由第一谐振腔输出的光束经过无源介质层6、增透膜7形成Talbot子像或Talbot自再现像，通过模式选择层8后，对阵列光束的多阶超模进行模式选择层，筛选出同相模式，再经由反射层9反馈，返回到第一谐振腔的光束呈现Talbot自再现像，注入到有源光纤4中，形成光注入锁定，在第二谐振腔中产生激光激射。
实施例2
如图1所示，本发明提供一种相干阵光纤激光器结构，包括沿光路方向依次设置的泵浦光源1、光纤合束器2、高反光栅3、有源光纤4、低反光栅5、无源介质层6、增透膜7、模式选择层8和反射层9；其中：
本实施例的有源光纤4为如图2a所示的六边形有源光纤阵列或如图2b所示的正方形有源光纤阵列，有源光纤数量大于等于7个，每一行或者每一列光源个数n大于等于2，用于产生空间周期分布的光场；有源光纤采用多根单模光纤经过如图3b所示的扩芯方案，扩芯光纤包层直径可以为：125μm、225μm、400μm或其他直径宽度，本实施例优选为125μm。如图3b所示，将芯层直径10μm、包层直径125μm的单模光纤经过第一次热扩芯得到芯层直径20μm、包层直径125μm光纤，经过第二次扩芯得到芯层直径50μm、包层直径125μm光纤，再经过第三次扩芯最终得到芯层直径100μm、包层直径125μm的渐变折射率光纤，将多根扩芯光纤拉锥制成紧密排布的光纤阵列。在低反光栅5后粘接无源介质层6，无源介质层6可以采用薄玻璃板、无源光纤或者采用空气腔；在无源介质层6后镀增透膜7，降低光束从无源介质层6入射到模式选择层8的反射损耗；模式选择层8可以采用在SiO2薄膜上刻蚀微纳结构，在微纳结构的沟槽内填充折射率不同于SiO2薄膜的材料如Si3N4等材料；对模式选择层8表面进行抛光处理，在其表面镀高反射层9，使得光纤激光器在第二谐振腔形成激光振荡。
本实施例中，由泵浦光源1输出的泵浦光经过光纤合束器2耦合进第一谐振腔，激发有源光纤4中增益物质粒子数反转，由于第一谐振腔采用高反光栅3和低反光栅5作为谐振腔镜，低反光栅5的反射率满足：第一谐振腔不能达到激光激射条件的要求。由第一谐振腔输出的光束经过无源介质层6、增透膜7形成Talbot子像或Talbot自再现像，通过模式选择层8后，对阵列光束的多阶超模进行模式选择层，筛选出同相模式，再经由反射层9反馈，返回到第一谐振腔的光束呈现Talbot自再现像，注入到有源光纤4中，形成光注入锁定，在第二谐振腔中产生激光激射。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种相干阵光纤激光器结构，其特征在于，包括沿光路方向依次设置的多个泵浦光源、光纤合束器、高反光栅、有源光纤、低反光栅、无源介质层、增透膜、模式选择层和反射层；
所述高反光栅、有源光纤和低反光栅构成第一谐振腔；
所述第一谐振腔、无源介质层、增透膜、模式选择层和反射层构成第二谐振腔。
2.如权利要求1所述的相干阵光纤激光器结构，其特征在于，所述泵浦光源的泵浦方式为单端泵浦、双端泵浦或分布式侧向泵浦，所述泵浦光源产生的泵浦光通过所述光纤合束器耦合进所述第一谐振腔。
3.如权利要求1所述的相干阵光纤激光器结构，其特征在于，所述高反光栅和低反光栅分别刻在所述有源光纤的两个端面，所述高反光栅和低反光栅提供的反射率不满足激光激射条件的要求。
4.如权利要求1或3所述的相干阵光纤激光器结构，其特征在于，所述有源光纤为单包层光纤或双包层光纤，所述有源光纤的增益离子为稀土离子、锗离子中的一种或多种。
5.如权利要求1或3所述的相干阵光纤激光器结构，其特征在于，所述有源光纤为N个渐变折射率的扩芯光纤制成紧密排布的光纤阵列，N为自然数，大于等于2。
6.如权利要求5所述的相干阵光纤激光器结构，其特征在于，所述光纤阵列的排布方式为正方形阵列或六边形阵列排布。
7.如权利要求1所述的相干阵光纤激光器结构，其特征在于，在所述第二谐振腔中，所述无源介质层、增透膜、模式选择层和反射层构成外腔；所述无源介质层、增透膜、模式选择层和反射层与有源光纤端面平行设置，所述外腔为光纤阵列提供整数或分数倍Talbot距离的光程。
8.如权利要求7所述的相干阵光纤激光器结构，其特征在于，所述反射层和所述高反光栅提供满足所述光纤激光器激光振荡的反射率条件。
9.如权利要求1所述的相干阵光纤激光器结构，其特征在于，所述无源介质层为通光介质薄片或者为空气外腔。
10.如权利要求1所述的相干阵光纤激光器结构，其特征在于，所述模式选择层为在对应于所述有源光纤的纤芯位置具有周期分布的微纳结构的通光介质层，所述微纳结构的沟槽内材料折射率不同于沟槽外材料折射率。
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WO2023226610A1 (zh) * 2022-05-25 2023-11-30 北京工业大学 一种相干阵激光器结构及制备方法

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