专利名称：一种提高光纤激光器的输出功率、光谱和光束质量的方法
技术领域：
本发明属于激光及光电子学领域。
背景技术：
从1960年第一台激光器问世以来，激光因其良好的单色性、方向性和高功率在多个领域得到了广泛应用。光纤激光器是以光纤作为增益介质的激光器。光纤激光器具有较低的光学损耗和较长的增益介质长度，使得泵浦光能量更有效地被吸收。高功率光纤激光器的腔内激光被限制在纤芯中，而纤芯的芯径只有几微米至几十微米，数值孔径也较低，因而通过模式控制能够保证腔内激光的单模或低阶模特性，从而在结构上确保了光纤激光器即使在很高的功率输出下也能得到接近于衍射极限的高光束质量。光纤激光器以光纤作为增益介质，光纤的面积体积比很大，纤芯中激光产生的热量很容易传导到光纤的表面，再由光纤表面散发到工作环境中，具有良好的散热性。由于具有以上优点，光纤激光器的效率很高，输出光束质量很好，从而可以获得很高的功率。目前，国际上光纤激光器的功率已经突破了1000W，在国内光纤激光器的功率也达到了百瓦量级。
当激光功率超过一定阈值时，激光与光学介质会发生强相互作用，泵浦能量迅速转移到生成的斯托克斯光上，斯托克斯光的能量迅速增长，这一现象即为受激拉曼散射(SRS)。SRS的斯托克斯频移谱很宽，例如，二氧化硅光纤中波长为1μm的泵浦光的拉曼增益谱宽度约为13THz。在当前研制的高功率光纤激光器中，激光功率远远超过了SRS的阈值，人们已经观察到了SRS现象，作为泵浦的激光器中心频率的功率迅速向斯托克斯光转移，从而造成激光器功率的下降，并且影响了激光器的频谱以及光束质量。
由于相位共轭(OPC)的过程可以实现频谱反转，这种方法可以用于抑制各种非线性效应。对于SRS来说，如果在信号传输的中途进行相位共轭，使得前半段生成的频谱高频部分和低频部分相互交换，则交换后的斯托克斯光频率高于泵浦光，在后半段传输中发生SRS时能量则继续由高频部分向低频部分转移，使得斯托克斯光能量重新转移到泵浦光上，起到抑制SRS效应的作用。
相位共轭的另一特点是可以消除热畸变引起的波前畸变。高功率光纤激光器的热畸变效应很严重，导致波前变形，破坏理想模式输出。相位共轭的过程同时可以消除光纤激光器的热畸变效应，提高输出的光束质量。
发明内容
SRS效应使得高功率光纤激光器中心频率的功率向低频的斯托克斯光转移，非线性光学和热畸变等效应使得光纤激光的光谱质量和光束质量变差，为了解决上述问题，本发明利用前向相位共轭和后向相位共轭抑制光纤激光器中的SRS效应，补偿有害的非线性光学和热畸变等效应，从而提高光纤激光器的输出功率、光谱和光束质量。
如果采用前向相位共轭的形式，则可以将光纤激光器中作为增益介质的光纤分成两段，在两段之间设置前向相位共轭器件，激光在前一段光纤中逐渐产生受激拉曼散射效应，生成低频的斯托克斯光，经过相位共轭器件以后频谱发生反转，在后一段增益介质中传输时能量重新由斯托克斯光转移到原来的泵浦激光，从而抑制高功率激光的受激拉曼散射效应，提高光纤激光器的输出功率、光谱和光束质量。
如果采用后向相位共轭的形式，则可以利用后向相位共轭器件作为光纤激光器的一个腔镜，一方面提供激光反馈，另一方面进行激光频谱反转，从而抑制高功率激光的受激拉曼散射效应，提高光纤激光器的输出功率、光谱和光束质量。
相位共轭器件可以由高非线性光纤、光子晶体光纤和其它具有高非线性系数的非线性材料实现。
利用本发明所述方法，经过相位共轭器件补偿以后，光纤激光器的中心频率的功率得到了明显恢复，同时SRS谱的峰值功率得到了有效抑制。
图1为利用前向相位共轭抑制光纤激光器中的SRS效应示意图。
图2为利用后向相位共轭抑制光纤激光器中的SRS效应示意图。
图3为光纤激光器的初始光谱示意图。
图4为未经过相位共轭过程的输出光谱示意图。
图5为相位共轭器件前端的光谱示意图。
图6为理想相位共轭器件后端的光谱示意图。
图7为经过理想相位共轭抑制SRS效应后的输出光谱示意图。
图8为色散平移光纤、高非线性光纤、光子晶体光纤用于相位共轭的工作带宽示意图。
图9为相位共轭抑制SRS效应的实施例1的示意图。
图10为图9所示实施例1的输出光谱示意图。
图11为相位共轭抑制SRS效应的实施例2的示意图。
图12为图11所示实施例2的输出光谱示意图。
具体实施例方式
本发明提供了一种提高光纤激光器的输出功率、光谱和光束质量的方法，利用前向相位共轭和后向相位共轭抑制光纤激光器中的SRS效应，补偿有害的非线性光学和热畸变等效应。
利用前向相位共轭抑制SRS效应的原理如图1所示，将光纤激光器中作为增益介质的光纤分成两段，在两段之间设置前向相位共轭器件，激光在前一段光纤中逐渐产生受激拉曼散射效应，生成低频的斯托克斯光，经过相位共轭器件以后频谱发生反转，在后一段增益介质中传输时能量重新由斯托克斯光转移到原来的泵浦激光，从而抑制高功率激光的受激拉曼散射效应，提高光纤激光器的输出功率、光谱和光束质量。
利用后向相位共轭抑制SRS效应的原理如图2所示，利用后向相位共轭器件作为光纤激光器的一个腔镜，一方面提供激光反馈，另一方面进行激光频谱反转，从而抑制高功率激光的受激拉曼散射效应，提高光纤激光器的输出功率、光谱和光束质量。
下面通过理论推导和数值模拟分析相位共轭抑制SRS的效果。假设光纤激光器的中心频率为Ω0，初始功率为P，在光纤增益介质中，设位于拉曼增益谱内的某个频率Ωi的光波功率为Si，则经过长度Δl后Si的功率变化等于它从中心泵浦光P以及其它高频率光处获得的功率增益减去它作为泵浦而激发其它低频率光的功率损耗，表示如下dSi(l)=g(Ωi-Ω0)PSiΔl+Σ1→(i-1)jg(Ωi-Ωj)SjSiΔl-Σ(i+1)→Nkg(Ωk-Ωi)SkSiΔl,---(1)]]>等号右边第一项为泵浦对Si的增益，第二项为其它高频对Si的增益，第三项为Si对其它低频的损耗，其中g(Ωi-Ωj)＝G(Ωi-Ωj)/Aeff，而G(Ωi-Ωj)为频率Ωj对频率Ωi(Ωj＞Ωi)的拉曼增益系数，Aeff为光纤的有效模式场面积。进一步，泵浦光和斯托克斯光都满足下面的式子Si(l+Δl)=Si(l)+dSi(l)=Si(l)+Σ0→Njg(Ωi-Ωj)SjSiΔl,---(2)]]>其中g(Ωi-Ωj)自变量的定义域扩展到所有的实数，它是一个反对称函数且g(0)＝0。将(2)式写成矩阵形式如下S0(l+Δl)S1(l+Δl)···SN(l+Δl)=S0(l)S1(l)···SN(l)+]]>ΔlS0(l)S1(l)···SN(l)g(Ω0-Ω0)g(Ω0-Ω1)···g(Ω0-ΩN)g(Ω1-Ω0)g(Ω1-Ω1)···g(Ω1-ΩN)···g(ΩN-Ω0)g(ΩN-Ω1)···g(ΩN-ΩN)S0(l)S1(l)···SN(l).---(3)]]>利用(3)式对相位共轭抑制拉曼效应进行数值模拟。对于传统的未经相位共轭处理的光纤激光器，假设激光器的初始中心波长为1100nm、功率为150W(即51.8dBm)，光纤激光器的光纤峰值拉曼增益为0.91×10-13m/W，光谱如图3所示的激光在光纤增益介质中传输60m后受激拉曼谱如图4所示，作为泵浦光的激光器中心功率急剧下降，仅为43.0dBm，下降了8.8dBm；同时，相对泵浦光频率下移13THz左右处有明显的斯托克斯光产生，峰值达到了40.7dBm，仅比中心频率的功率小2.3dBm，而且它们随传播距离近似指数增长，迅速消耗泵浦光功率。可见，SRS效应的发生严重影响了光纤激光器的输出功率、光谱和光束质量。
以前向相位共轭为例，如果在光纤的中点处引入相位共轭器件(见图1)，激光在前30m光纤中传输后发生SRS效应(见图5)，然后利用相位共轭器件将泵浦光和斯托克斯光进行频谱反转，假设相位共轭的过程是理想的，频谱反转的中心频率取为激光器中心频率，反转后的频谱如图6所示，此时斯托克斯光的频率均高于中心频率，而且泵浦光处于斯托克斯光的增益谱内。反转后的泵浦光和斯托克斯光再经过30m光纤的传输后，输出的光谱如图7所示，可见泵浦光的功率显著增加，在前段光纤中产生的斯托克斯光功率重新转换回中心频率。这一点可以很容易地从(1)式中得到解释，因为如果被激发频率的功率比较高，由于它的增益项g(Ωi-Ω0)PSiΔl与其自身的功率成正比，所以它增益得非常快，能量迅速由此时成为泵浦的“斯托克斯光”转移到此时为受激频率的“泵浦光”。从图中可以看出尽管频谱右端还是会再产生一些斯托克斯光，但它们的功率都很小，泵浦的功率逐渐得到恢复。在图7中，经过理想的相位共轭器件补偿以后，光纤激光器的SRS效应得到了明显抑制，中心频率的功率恢复到51.8dBm，和输入功率基本一致，同时SRS谱的峰值功率仅为0.5dBm。对比图4和图7可知，相位共轭对SRS具有非常明显的抑制作用。
相位共轭器件的实现方法有多种，如利用色散平移光纤、高非线性光纤、光子晶体光纤、半导体光放大器以及非线性晶体等材料中的光波混频效应等。为了得到高效、宽带的相位共轭器，需要采用有效的非线性光学介质。图8列举了在相同最大转换效率的情况下，普通色散平移光纤(三角形)、高非线性色散平移光纤(圆形)与光子晶体光纤(正方形)的工作带宽，其中纵坐标为归一化效率，横坐标为信号光与泵浦光的频率差(单位GHz)。泵浦光波长为1.55μm，在此波长，普通色散平移光纤、高非线性色散平移光纤和光子晶体光纤的色散参量都取1ps/nm/km，它们的非线性系数分别为2.3、13.8和70W-1km-1，损耗分别取0.22、0.61和190dB/km，为获得相同的最大转换效率，它们的长度分别取200.1m、33.2m和10m。从图中可以看出，利用普通色散平移光纤、高非线性色散平移光纤和光子晶体光纤实现相位共轭，在最大转换效率相同时，其转换带宽(3dB)分别为1.06、2.6和4.8THz。可见，在多种材料中均可实现相位共轭，具体参数不同相应的带宽等性能也有所不同。
现通过实施例说明利用相位共轭器件抑制光纤激光器中SRS效应。
实施例1
如图9所示，光纤激光器的光纤增益介质长度为60m，将其分为相等的两段，在两段之间设置一段具有高非线性系数的光纤作为前向相位共轭器件。光纤的非线性系数为10W-1km-1，二阶色散为-1×10-29s2/m，四阶色散为-2×10-57s4/m，光纤长度为1m。经过该相位共轭器件处理后的输出光谱如图10所示。由于相位共轭的过程中残留了部分斯托克斯光没有发生频谱反转，这部分光波在高非线性光纤中传输时将会发生参量放大，从而导致激光器中心频率的能量迅速向斯托克斯光转移，严重影响了光源的输出功率和频谱质量。在图10中，中心频率的峰值功率为40.5dBm，SRS产生的斯托克斯光谱峰值功率达到了40.8dBm，甚至超过了中心峰值功率。这一结果说明残留的斯托克斯光严重影响了相位共轭对SRS效应的抑制效果。
实施例2为了改善实施例1的效果，在实施例1所述结构的基础上，在高非线性光纤的两端分别增加滤波器共同构成前向相位共轭器件，如图11所示。经过该相位共轭器件处理后的输出光谱如图12所示。
在实施例2中，相位共轭过程中未发生频谱反转的低频斯托克斯光被高非线性光纤两端的滤波器滤除，有效减缓了中心频率的能量向斯托克斯光的转移，输出光谱有了明显改善。在图12中，中心频率的峰值功率为51.3dBm，SRS产生的斯托克斯光谱峰值功率为31.9dBm，两者差值达到了19.4dBm，SBS效应对光纤激光器的影响基本可以忽略。和实施例1相比，中心峰值功率增加了10.8dBm，斯托克斯光谱峰值功率下降了8.9dBm，可见滤波器的配合使用明显改善了相位共轭对SRS效应的抑制效果。
对于利用光纤、半导体光放大器以及非线性晶体等不同材料、不同原理的相位共轭器件，其特点不尽相同，需要根据具体情况选择相应的辅助措施，以有效提高光纤激光器的输出功率、光谱和光束质量。
实施例3本实施例采用图2所示的结构，后向相位共轭器件利用一段高非线性光纤采用受激布里渊散射的原理来实现，后向相位共轭器件作为光纤激光器的一个腔镜，一方面提供激光反馈，另一方面进行激光频谱反转。由于高非线性光纤的受激布里渊散射的阈值很小，激光入射到高非线性光纤中产生的受激布里渊散射的效率很高，生成的相位共轭光和入射光方向相反。经过相位共轭后，SRS效应的斯托克斯光发生了频谱反转，在其后的传输中能量重新由斯托克斯光转移到原来的作为泵浦光的中心频率，从而抑制高功率激光的受激拉曼散射效应，提高光纤激光器的输出功率、光谱和光束质量。作为后向相位共轭器件的高非线性光纤的长度根据非线性系数、激光器功率以及相位共轭的效率要求等加以选择。
权利要求
1.一种提高光纤激光器的输出功率、光谱和光束质量的方法，其特征在于利用前向相位共轭和后向相位共轭抑制光纤激光器中受激拉曼散射效应，提高光纤激光器的输出功率、光谱和光束质量。
2.根据权利要求1所述的提高光纤激光器的输出功率、光谱和光束质量的方法，其特征在于将光纤激光器中作为增益介质的光纤分成两段，在两段之间设置前向相位共轭器件，激光在前一段光纤中逐渐产生受激拉曼散射效应，生成低频的斯托克斯光，经过相位共轭器件以后频谱发生反转，在后一段增益介质中传输时能量重新由斯托克斯光转移到原来的泵浦激光，从而抑制高功率激光的受激拉曼散射效应，提高光纤激光器的输出功率、光谱和光束质量。
3.根据权利要求1所述的提高光纤激光器的输出功率、光谱和光束质量的方法，其特征在于利用后向相位共轭器件作为光纤激光器的一个腔镜，一方面提供激光反馈，另一方面进行激光频谱反转，从而抑制高功率激光的受激拉曼散射效应，提高光纤激光器的输出功率、光谱和光束质量。
全文摘要
一种提高光纤激光器的输出功率、光谱和光束质量的方法，属于激光及光电子学领域。受激拉曼散射效应使得高功率光纤激光器中心频率的功率向低频的斯托克斯光转移，非线性光学和热畸变等效应使得光纤激光的光谱质量和光束质量变差，为了解决上述问题，本发明一种提高光纤激光器的输出功率、光谱和光束质量的方法，其特征在于利用前向相位共轭和后向相位共轭抑制光纤激光器中的受激拉曼散射效应，补偿有害的非线性光学和热畸变等效应，从而提高光纤激光器的输出功率、光谱和光束质量。
文档编号G02F1/35GK1661452SQ20051001122
公开日2005年8月31日 申请日期2005年1月21日 优先权日2005年1月21日
发明者杨昌喜, 高士明, 肖晓晟, 田雨, 陆思 申请人:清华大学