一种基于倾斜光纤光栅的大功率随机光纤激光器的制作方法

本发明属于光纤激光技术领域，具体涉及一种基于倾斜光纤光栅的大功率随机光纤激光器。

背景技术：

随机光纤激光器利用长距离被动光纤中微弱的瑞利散射提供随机分布式反馈，同时利用被动光纤中受激拉曼散射(SRS)的非线性效应提供增益，实现在“无谐振腔”、“无增益光纤”条件下的激光输出。由于利用无序介质中的瑞利散射提供随机反馈，不需要严格的谐振腔结构，随机光纤激光器具有结构简单、无纵模、转换效率高、光谱平滑等特点，是激光技术领域的研究热点。早期的随机光纤激光研究主要面对通信、传感、成像等领域，激光功率需求不高，一般在瓦级以内；近年来，随着泵浦能力的提升和激光器参数的不断优化，随机光纤激光器已经实现百瓦级功率输出，有望成为一种新型高功率光纤光源。

在早期的研究过程中，随机光纤激光器中被动光纤的长度一般在数公里以上，以保证充足的分布式反馈。理论研究表明，随机光纤激光器结构中长距离被动光纤使得高阶拉曼光的阈值较低，因而输出功率达到一定水平后，二阶拉曼光会很快产生并导致一阶拉曼光功率无法提升，这是目前随机光纤激光输出功率提升最主要的限制因素。二阶拉曼光的产生还会降低激光器的光光转换效率。为实现更高功率输出，可以采用缩短光纤长度的办法提高二阶拉曼光的产生阈值，当前百瓦级以上高功率随机光纤激光器一般都采用数百米长度的被动光纤。但缩短光纤长度会使得随机分布式反馈减弱，同时也会提高激光器的出光阈值，增加了大功率输出的难度。

早期的随机光纤激光器不需要光栅等任何反馈器件，因此被称为“全开腔”结构随机光纤激光器。近年来，研究人员提出通过在激光器的一端引入高反光栅，即“半开腔”结构，理论和实验研究表明，“半开腔”结构可以降低出光阈值、提升激光器效率，并使得原本“全开腔”结构中双向传输的随机激光从单端光纤输出，更加有利于实际应用。

然而，缩短被动光纤的长度和引入“半开腔”结构，都只能在一定程度上提高激光器的输出功率，当功率提升到一定阈值后，依旧会产生二阶拉曼光，进而限制激光器的输出功率和效率。

技术实现要素：

本发明的目的是提出基于倾斜光纤光栅的大功率随机光纤激光器，突破传统随机光纤激光器中二阶拉曼光的产生对激光器输出功率的限制，进一步提升随机光纤激光器的输出功率。其基本思想是：基于倾斜光纤光栅特殊的折射率分布，将纤芯中传输的二阶拉曼光耦合为反向传输的包层模或辐射模，从而抑制二阶拉曼光“起振”，突破二阶拉曼光产生对激光器输出功率的限制。大功率随机光纤激光器基本组成包括：泵浦源、倾斜光纤光栅和被动光纤，泵浦源的输出端与倾斜光纤光栅的一端采用熔接的方式加以连接，倾斜光纤光栅的另一端与被动光纤采用熔接的方式加以连接；被动光纤的另一端切斜角以抑制本端面反馈，并作为随机激光的输出端，泵浦源输出端的光纤、刻写倾斜光纤光栅所用的光纤与被动光纤一致。

现对各组成部分的特点描述如下：

泵浦源：可以是常规的光纤激光器，也可以是光纤耦合的半导体激光器或固体激光器。激光由光纤耦合输出，光纤纤芯的直径与被动光纤纤芯的直径一致，光纤纤芯的数值孔径与被动光纤纤芯的数值孔径一致，激光的中心波长、线宽、偏振特性没有特殊要求；输出功率大于10瓦，以实现随机光纤激光高功率输出。

倾斜光纤光栅：刻写在光纤中，该光纤与后文所述被动光纤的参数一致，光栅的工作线宽大于泵浦激光的线宽，光栅的工作波长λ₂对应泵浦激光的中心波长的二阶拉曼光，可根据泵浦激光的中心波长λ₁以及下面的公式确定：λ＝λ₁+λ₁×λ₁×Δυ÷c,λ₂＝λ+λ×λ×Δυ÷c,其中Δυ＝13.2THz为石英基光纤中的拉曼频移，c为光速。

被动光纤：常规的石英基光纤，由纤芯、包层和涂覆层组成。泵浦光和产生的激光在纤芯中传输，传输损耗小于1dB/公里。

所述大功率随机光纤激光器的组成还可以包含波分复用器，波分复用器设置在泵浦源与倾斜光纤光栅之间。具体为：泵浦源的输出端与波分复用器的泵浦端采用熔接的方式加以连接，波分复用器的公共端与倾斜光纤光栅的一端采用熔接的方式加以连接，倾斜光纤光栅的另一端与被动光纤采用熔接的方式加以连接；被动光纤的另一端切斜角以抑制端面反馈，并作为随机激光的输出端，波分复用器的信号端也是随机激光的输出端。泵浦源输出端的光纤、刻写倾斜光纤光栅所用的光纤、波分复用器泵浦端、信号端和公共端所用的光纤均与被动光纤一致。

与以往技术相比，本发明突破了二阶拉曼效应引入的功率提升技术瓶颈，可实现更高功率输出，具有先进性和实用性。

附图说明

图1是本发明基于倾斜光纤光栅的大功率随机光纤激光器的结构示意图1，

图2是本发明基于倾斜光纤光栅的大功率随机光纤激光器的结构示意图2。

具体实施方式

下面结合图示对本发明进行进一步说明。图1所示的大功率随机光纤激光器包括泵浦源(2)、倾斜光纤光栅(3)和被动光纤(4)3个部分。其中泵浦源(2)的输出端与倾斜光纤光栅(3)的一端采用熔接的方式加以连接，倾斜光纤光栅(3)的另一端与被动光纤(4)采用熔接的方式加以连接；被动光纤(4)的另一端切斜角以抑制端面反馈，并作为随机激光的输出端。泵浦源(2)输出端的光纤、刻写倾斜光纤光栅(3)所用的光纤与被动光纤(4)一致。图中“x”表示熔接点，“\”表示切斜角。

图2是大功率随机光纤激光器的另一种实现方案，它包括泵浦源(2)、倾斜光纤光栅(3)和被动光纤(4)、波分复用器(5)4个部分。其中泵浦源(2)的输出端与波分复用器(5)的泵浦端采用熔接的方式加以连接，波分复用器(5)的公共端与倾斜光纤光栅(3)的一端采用熔接的方式加以连接，倾斜光纤光栅(3)的另一端与被动光纤(4)采用熔接的方式加以连接；被动光纤(4)的另一端切斜角以抑制端面反馈，并作为随机激光的输出端，波分复用器(5)的信号端也是随机激光的输出端。泵浦源(2)输出端的光纤、刻写倾斜光纤光栅(3)所用的光纤、波分复用器(5)泵浦端、信号端和公共端所用的光纤均与被动光纤(4)一致。图中“x”表示熔接点，“\”表示切斜角。

下面给出本发明两种结构示意图对应的具体实施例：

对于图1所示的大功率随机光纤激光器，泵浦源(2)为掺镱光纤激光器，其输出激光中心波长为1070nm，输出功率为1000瓦，10dB线宽为5nm。泵浦源(2)的输出端光纤为双包层光纤，纤芯直径为20μm，数值孔径为0.06；经过倾斜光纤光栅(3)后，1070nm激光约为980瓦(一般考虑2％左右的损耗)，倾斜光纤光栅(3)的工作波长为1178nm，10dB线宽为6nm；被动光纤(4)的长度为500米，传输损耗为0.3dB/公里，纤芯直径为20μm，数值孔径为0.06，输出端切8度斜角。经过被动光纤中微弱的瑞利散射提供的随机分布式反馈和受激拉曼散射提供的增益，可实现1120nm一阶拉曼光输出；由于倾斜光纤光栅(3)的存在，1120nm一阶拉曼光对应的1178nm二阶拉曼光将会被转换为包层模或辐射模，无法在纤芯中传输，因此不会引发二阶拉曼光“起振”。考虑到1070nm激光到1120nm激光的量子亏损，理想情形下，激光的转换效率可达95％；扣除倾斜光纤光栅的损耗以及光纤的传输损耗，可以获得大于900瓦的随机光纤激光输出。高于目前公开报道的200瓦功率输出这一随机光纤激光的最高输出功率值。

对于图2所示的大功率随机光纤激光器，泵浦源(2)为掺镱光纤激光器，其输出激光中心波长为1070nm，输出功率为1000瓦，10dB线宽为5nm。泵浦源(2)的输出端光纤为双包层光纤，纤芯直径为10μm，数值孔径为0.12；经过波分复用器(5)和倾斜光纤光栅(3)后，1070nm激光约为950瓦(一般考虑5％左右的损耗)，倾斜光纤光栅(3)的工作波长为1178nm，10dB线宽为6nm；波分复用器(5)的泵浦端工作波长为1070nm，工作线宽大于5nm，信号端工作波长为1120nm，工作线宽大于5nm，公共端能同时传输1070nm和1120nm的激光；被动光纤(4)的长度为300米，传输损耗为0.3dB/公里，纤芯直径为10μm，数值孔径为0.12，输出端切8度斜角。经过被动光纤中微弱的瑞利散射提供的随机分布式反馈和受激拉曼散射提供的增益，可实现1120nm一阶拉曼光输出；由于倾斜光纤光栅(3)的存在，1120nm一阶拉曼光对应的1178nm二阶拉曼光将会被转换为包层模或辐射模，无法在纤芯中传输，因此不会引发二阶拉曼光“起振”。考虑到1070nm激光到1120nm激光的量子亏损，理想情形下，激光的转换效率可达95％；扣除倾斜光纤光栅的损耗以及光纤的传输损耗，可以获得大于900瓦的随机光纤激光输出。高于目前公开报道的200瓦功率输出这一随机光纤激光的最高输出功率值。