高功率光纤激光放大器系统受激拉曼散射抑制方法与流程

本发明属于光纤激光器技术领域，尤其涉及一种抑制受激拉曼散射的方法。

背景技术：

光纤激光器具有效率高、光束质量好、体积小、免维护、低运行成本、高光束质量、运转寿命长、易于调制，结构紧凑等优点，在军事、工业等领域应用广泛。伴随着ld亮度的提升和双包层光纤的面世，光纤激光器的输出功率得以大幅度攀升。但是，受激拉曼散射(srs)是限制光纤激光器功率进一步提升的一个关键性因素。srs效应在光纤激光器中产生的拉曼散射光是双向传输的，一方面，前向传输的拉曼散射光会与信号光竞争，从而导致信号光功率的下降，影响放大器的正常工作；另一方面，后向传输的拉曼散射光经过放大器放大后进入振荡器，会严重影响振荡器的正常工作，导致振荡器输出下降。另外，激光器的泵浦合束器与ld能够承受的功率都是有限的，后向拉曼散射光经放大后很容易对这些重要的光纤器件造成损坏。

目前，人们已经提出许多方法以抑制受激拉曼散射，各有特点，仍有不足。有人通过利用大模场光纤或特殊波段高损耗光纤来抑制受激拉曼散射，取得了较好的效果，但受限于光纤的制作工艺，应用仍十分有限。有人提出了拉曼兼容的方法，即注入一个前向的拉曼种子光，允许前向拉曼激光与信号激光一起输出，可以有效地将后向拉曼信号抑制在一定范围内，但是输出光谱特性变差，同时光束质量也会受到一定的影响。另有报道利用二氧化碳激光制作的长周期光纤光栅作为滤波器，通过将部分拉曼散射光耦合至包层中进而滤除达到抑制的目的，但是长周期光栅的交叉敏感问题是影响其稳定性的重要因素。

技术实现要素：

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种高功率光纤激光放大器系统受激拉曼散射抑制方法。

为实现上述技术目的，本发明的技术方案是：

高功率光纤激光放大器系统受激拉曼散射抑制方法，其通过在高功率光纤激光放大器系统中加入啁啾倾斜光纤光栅以抑制受激拉曼散射。

本发明中，高功率光纤激光放大器系统包括种子源以及光纤放大器，啁啾倾斜光纤光栅连接在种子源和光纤放大器之间。将啁啾倾斜光纤光栅直接接入种子源和光纤放大器之间，利用啁啾倾斜光纤光栅在拉曼波段的高损耗性，对种子源进行滤波，使得种子源在更高功率水平下仍能输出较为纯净的信号光。并且提升光纤放大器的工作效率，提升整体系统的拉曼阈值。

本发明中：种子源包括泵浦ld光源、泵浦合束器、高反光栅、掺杂光纤、低反光栅，泵浦ld光源有多个，各泵浦ld光源的输出尾纤连接到泵浦合束器的各泵浦臂上，泵浦合束器的输出尾纤之后依次连接高反光栅、掺杂光栅以及低反光栅，泵浦合束器的输出尾纤与高反光栅之间、高反光栅与掺杂光栅之间以及掺杂光纤与低反光栅之间均通过熔接的方式进行连接。高反光栅的反射率通常大于99％，3db带宽通常为2-4nm。低反光栅的反射率通常不大于10％，3db带宽通常不大于1nm。低反光栅其中心波长与高反光栅的中心波长相同或者不大于高反光栅的中心波长±0.4nm。种子源的输出激光中包含信号光与stokes光两种成分。

进一步地，所述光纤放大器为n级光纤放大器，n≥1。在各级光纤放大器之间均通过啁啾倾斜光纤光栅连接，即在第1级光纤放大器与第2级光纤放大器之间、第2级光纤放大器与第3级光纤放大器之间……第n-1级光纤放大器与第n级光纤放大器之间均通过啁啾倾斜光纤光栅连接。将啁啾倾斜光纤光栅置于各级光纤放大器之间，提升各级光纤放大器的工作效率，提升整体的拉曼阈值，进一步提高抑制效果。

泵浦ld光源提供产生激光所必需的泵浦光，泵浦光经由泵浦合束器耦合至高反光栅处。高反光栅与低反光栅仅仅在信号光波长如1080nm处存在反射，在泵浦光波长处没有反射，只有损耗。泵浦光经由高反光栅注入到掺杂光纤中。掺杂光纤通常掺杂镱等稀土元素，其能够吸收泵浦光并激发出信号光。当信号光功率水平较高时，一部分信号光经由srs效应转化为stokes光。包含有信号光和stokes光两种光的激光经低反光栅输出注入到啁啾倾斜光纤光栅，由于啁啾倾斜光纤光栅在stokes波长处存在一带宽较宽的损耗谱，包含有信号光和stokes光两种光的激光经由啁啾倾斜光纤光栅，其中的stokes光耦合至光纤包层并散失掉，stokes光强度会产生衰减，使得输入到一级放大器的激光中的stokes光的成分极少，使得在更高的一级放大功率条件下才能产生受激拉曼过程，从而抑制受激拉曼过程的产生，达到提高拉曼阈值的作用。

受激拉曼散射具有明显的阈值性，只有当高功率光纤激光放大器系统中信号的功率密度超过一定阈值之后才能激发。因此，通过引入拉曼波长附近的损耗，即使高功率光纤激光放大器系统中信号的功率密度达到其功率阈值，产生的拉曼光被损耗掉，不会产生明显的受激拉曼现象，在更高的功率水平下才能看到明显的受激拉曼散射，从而获得较高的拉曼阈值。因此，通过对啁啾倾斜光纤光栅的光栅周期、倾斜角度、调制深度、啁啾率等参数的调整，可以在拉曼波长附近引入高损耗，在高功率光纤激光放大器系统中能够显著抑制拉曼信号光的强度，提高拉曼阈值，改善各级光纤放大器的工作效率，进一步提升输出功率。通常，srs效应发生时，其光谱上stokes光的带宽在12nm量级，可根据此对啁啾倾斜光纤光栅的参数进行计算。通常，对于啁啾倾斜光纤光栅，考虑到倾斜后其有效折射率可取1.443，根据波长与光栅周期的对应关系λ＝2neffλ，可计算出其光栅周期。对于啁啾倾斜光纤光栅的倾斜角度，考虑到带宽等各种因素，一般取4-6°之间；对于啁啾倾斜光纤光栅的啁啾率，通常应不大于2nm/cm，具体取值应根据实际刻写制作出的啁啾倾斜光纤光栅光谱进行取舍。

对于啁啾倾斜光纤光栅来言，由于其光栅周期存在非均匀性，即光栅周期λg沿着光纤轴向改变，包层模式谐振波长会发生相应展宽。对于第i阶包层模，其展宽可表达为：

式中，neff^core是纤芯模的有效折射率，n^cleff,i是第i阶包层模的有效折射率，λgmas、λgmin分别代表光栅周期沿着光纤轴向方向上的最大、最小值。θ为啁啾倾斜光纤光栅倾斜角度。

因此可通过对啁啾倾斜光纤光栅的光栅周期的调整以实现啁啾倾斜光纤光栅工作波长的覆盖。随着啁啾倾斜光纤光栅倾斜角度的增大，bragg谐振波长会向长波方向移动，并且谐振深度会变浅，同时在短波方向会有更多的高阶包层模谐振，光谱上表现为谐振包络整体向短波方向移动，而且带宽随之加宽，但是透射谱的深度变浅。

啁啾倾斜光纤光栅的调制深度直接决定了透射峰的深度，透射峰的深度是滤除拉曼散射光的重要指标。啁啾倾斜光纤光栅的调制深度越强，透射峰深度越深，意味着对拉曼信号的滤除效果越好。啁啾倾斜光纤光栅可以达到的最大调制深度主要取决于刻写啁啾倾斜光纤光栅所采用的光纤的光敏量，光纤的光敏量越大，其刻写光栅所能达到的最大调制深度越大。虽然光纤本身具有光敏性，仍然需要通过载氢的方式可以进一步增强其光敏性，其载氢时间因光纤具体类型而异。对于大芯径大模场光纤，常为8周。因此可以根据实际需要达到的滤除效果，对待刻写光纤选择合适的载氢时间。

啁啾倾斜光纤光栅的啁啾率越大光谱展宽的范围也越大，同时包层模式整体包络也更加光滑。但是由于在啁啾倾斜光纤光栅中不同位置作用于不同的波长，所以在相同光栅长度的情况下，越大的啁啾率就需要越大的调制深度以达到相同的透射谐振深度。想要获得宽带滤波光谱，可以通过增大啁啾倾斜光纤光栅的倾斜角度或增加啁啾倾斜光纤光栅的啁啾率来实现。但是，过大的倾斜角度或啁啾率都会使啁啾倾斜光纤光栅刻写的难度增加，因此要根据特定波段的拉曼光谱来合理选择倾斜角度和啁啾率，使得在所需的波长处有着带宽较宽、深度较深的滤波光谱，以达到最佳的拉曼信号滤除效果。

同时，多个参数相同的啁啾倾斜光纤光栅可以通过熔接的方式串联起来，即啁啾倾斜光纤光栅可由多段啁啾倾斜光纤光栅通过熔接的方式彼此串联而成，其抑制比相当于多段啁啾倾斜光纤光栅抑制比的叠加。通过对啁啾倾斜光纤光栅数目的控制，可以做到对抑制比的灵活调整。

与现有技术相比，本发明能够产生以下技术效果：

1、啁啾倾斜光纤光栅制作简便，可根据实际需要灵活调整参数，以匹配不同的抑制波段。

2、啁啾倾斜光纤光栅插入损耗小，同时方便在不同类型光纤上进行制备，稳定性好，应用范围广泛。

3、在高功率光纤激光放大器系统中引入啁啾倾斜光纤光栅，能够提升系统整体的拉曼阈值，同时兼具一定的滤波效果，对后向拉曼光有抑制作用，对光纤器件能提供很好的保护。同时，通过控制加入的啁啾倾斜光纤光栅的数目，灵活调整抑制比。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图。

图2是本发明实施例2的结构示意图。

图3是本发明实施例3的结构示意图。

图4是本发明中使用的大模场光纤上刻写的啁啾倾斜光纤光栅的典型透射谱。

图5是本发明的典型抑制光谱效果图。

图6是本发明典型拉曼光占比抑制效果图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的实施方式进行进一步的详细说明。

图1是本发明实施例1的结构示意图。高功率光纤激光放大器系统包括种子源以及光纤放大器，啁啾倾斜光纤光栅6连接在种子源和光纤放大器之间。

种子源包括泵浦ld光源1、泵浦合束器2、高反光栅3、掺杂光纤4、低反光栅5，泵浦ld光源有多个，各泵浦ld光源的输出尾纤连接到泵浦合束器2的各泵浦臂上。图1中所示均为示意图，泵浦ld光源的参数、选取波长、输出功率等因实际而异，没有特殊要求。泵浦合束器2的输出尾纤之后依次连接高反光栅3、掺杂光栅4以及低反光栅5，泵浦合束器2的输出尾纤与高反光栅3之间、高反光栅3与掺杂光栅4之间以及掺杂光纤4与低反光栅5之间均通过熔接的方式进行连接，熔接位置处形成熔点7。泵浦ld光源1、泵浦合束器2、高反光栅3、掺杂光纤4、低反光栅5以及熔点7构成的光纤振荡器，作为高功率光纤激光放大器系统的种子源8。图1所示的实施例中引入1级光纤放大器，即n＝1。啁啾倾斜光纤光栅6通过熔接的方式连接在种子源8和第1级光纤放大器9之间。

其中：目前，最常用的泵浦源波长有976nm、915nm。泵浦ld光源1可选用这两种波长的ld泵浦源，其输出功率在百瓦量级。泵浦合束器2为7*1光纤泵浦合束器，泵浦ld光源1中的976nm、915nmld泵浦源的输出尾纤通过熔接的方式连接与泵浦合束器2的泵浦臂相连，泵浦合束器2的输出光纤为大模场光纤。典型的，泵浦合束器2的输出光纤为为nufern公司的lma-gdf-20/400-m光纤。高反光栅3在激光器工作波长处如常用波长1080nm，其反射率通常大于99％，3db带宽通常为2-4nm，高反光栅3制备于同泵浦合束器2的输出光纤相同的光纤上。掺杂光纤4应选取与高反光栅3光纤尺寸、数值孔径相匹配的掺杂光纤，典型为nufern公司的lma-ydf-20/400-m光纤。低反光栅5作为种子源的输出光纤，低反光栅5的反射率通常不大于10％，3db带宽通常不大于1nm，低反光栅5其中心波长与高反光栅3的中心波长的差值不大于±0.4nm。

种子源8的输出激光，如图1中的空心箭头所示，包含有信号光和stokes光两种成分。当其经过啁啾倾斜光纤光栅6时，由于啁啾倾斜光纤光栅6在stokes波长处存在一带宽较宽的损耗谱，激光中的stokes光经由啁啾倾斜光纤光栅6，根据啁啾倾斜光纤光栅的模式耦合特性，在光纤纤芯内传输的stokes光会与包层中的模式相互耦合，导致stokes光耦合至光纤包层并散失掉，stokes光强度会产生衰减，如图1中实心箭头所示。因此，一级放大器9的实际输入激光中，如图中实心燕尾箭头所示，stokes光的成分极少，使得在更高的一级放大功率条件下才能产生受激拉曼过程，从而抑制受激拉曼过程的产生，达到提高拉曼阈值的作用。实际过程中，通过对啁啾倾斜光纤光栅6的光栅周期、倾斜角度、啁啾率、调制深度等参数的调整，使其抑制效果达到最好。

为了进一步提升高功率光纤激光放大器系统受激拉曼散射抑制效果，多个参数相同的啁啾倾斜光纤光栅可以通过熔接的方式串联起来，即啁啾倾斜光纤光栅6可由多个啁啾倾斜光纤光栅熔接串联而成，其抑制比相当于多个啁啾倾斜光纤光栅抑制比的叠加。通过对啁啾倾斜光纤光栅数目的控制，可以做到对抑制比的灵活调整。

图2是本发明实施例2的结构示意图。图2所示的实施例中，在图1所示实施方式的基础上，引入第2级光纤放大器，即n＝2。在种子源8和第1级光纤放大器9之间、第1级光纤放大器9与第2级光纤放大器10之间均通过熔接的方式连接有啁啾倾斜光纤光栅6。

经过第1级光纤放大器9放大后，第1级光纤放大器9的输出激光功率已经较高，甚至可能已经达到拉曼阈值，其stokes光强度较高，如图中空心箭头所示，包含有信号光和stokes光两种成分。当其经过第1级光纤放大器9与第2级光纤放大器10之间的啁啾倾斜光纤光栅6时，由于啁啾倾斜光纤光栅6在stokes波长处存在一带宽较宽的损耗谱，激光中的stokes光强度会产生衰减，如图中实心箭头所示。因此，第2级光纤放大器10的实际输入激光中，如图中实心燕尾箭头所示，stokes光的成分极少，使得在更高的二级放大功率条件下才能产生受激拉曼过程，从而抑制受激拉曼过程的产生，达到提高拉曼阈值的作用。同时，经过第2级光纤放大器10二级放大后，激光功率较高，第2级光纤放大器10中，极有可能有较强的拉曼信号。而受激拉曼过程是一个双向的过程。在第1级光纤放大器9与第2级光纤放大器10之间加入啁啾倾斜光纤光栅6后，对于后向传输的stokes光，仍然能够起到滤除作用，如图中实心箭头所示，这样既能提升二级放大器效率，同时能够起到一定的级间隔离作用，对后向拉曼信号具有较强的衰减作用，对种子源8和第1级光纤放大器9均起到保护作用。

实际过程中，通过对啁啾倾斜光纤光栅6的光栅周期、倾斜角度、啁啾率、调制深度等参数的调整，使其抑制效果达到最好。

为了进一步提升高功率光纤激光放大器系统受激拉曼散射抑制效果，多个参数相同的啁啾倾斜光纤光栅可以通过熔接的方式串联起来，即啁啾倾斜光纤光栅6可由多个啁啾倾斜光纤光栅熔接串联而成，其抑制比相当于多个啁啾倾斜光纤光栅抑制比的叠加。通过对啁啾倾斜光纤光栅数目的控制，可以做到对抑制比的灵活调整。

图3是本发明实施例3的结构示意图。本实施例中高功率光纤激光放大器系统中引入n级光纤放大器。在各级光纤放大器之间均通过啁啾倾斜光纤光栅连接，即在第1级光纤放大器与第2级光纤放大器之间、第2级光纤放大器与第3级光纤放大器之间……第n-1级光纤放大器与第n级光纤放大器之间均通过啁啾倾斜光纤光栅6连接。将啁啾倾斜光纤光栅6通过熔接的方式连接在各级光纤放大器之间，用作对stokes光的衰减，同时对后向回光起到隔离作用。这样能够提升各级光纤放大器的工作效率，提升整体的拉曼阈值，进一步提高抑制效果。

实际过程中，通过对啁啾倾斜光纤光栅6的光栅周期、倾斜角度、啁啾率、调制深度等参数的调整，使其抑制效果达到最好。

为了进一步提升高功率光纤激光放大器系统受激拉曼散射抑制效果，多个参数相同的啁啾倾斜光纤光栅可以通过熔接的方式串联起来，即啁啾倾斜光纤光栅6可由多个啁啾倾斜光纤光栅熔接串联而成，其抑制比相当于多个啁啾倾斜光纤光栅抑制比的叠加。通过对啁啾倾斜光纤光栅数目的控制，可以做到对抑制比的灵活调整。

图4是本发明中使用的大模场光纤上刻写的啁啾倾斜光纤光栅的典型透射谱。其波段选为抑制1080nm激光的一阶受激拉曼波长1134nm。实际使用中，啁啾倾斜光纤光栅的中心波长需要经过设计以匹配实际需要，其光纤类型应根据实际需求灵活选择。

图5是本发明的典型抑制光谱效果图。在1080nm激光的一阶受激拉曼波长1134nm附近，当接入一个啁啾倾斜光纤光栅时，抑制比接近7db；当两个啁啾倾斜光纤光栅熔接串联接入时，抑制比接近20db，并且随着啁啾倾斜光纤光栅熔接串联数目的增加可进一步提升。

图6是本发明典型拉曼光占比抑制效果图。当接入啁啾倾斜光纤光栅时，随着泵浦功率的提升，拉曼光占比有着明显下降，并且随着啁啾倾斜光纤光栅熔接串联数目的增加，拉曼光占比可进一步下降。

以上所述仅为本发明的优选的实施例而已，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。