通过抑制受激拉曼散射提高激光效率的具有腔内光纤布拉格光栅的光纤激光谐振器的制作方法

通过抑制受激拉曼散射提高激光效率的具有腔内光纤布拉格光栅的光纤激光谐振器
1.相关申请交叉引用
2.本专利文件要求2020年2月14日提交的美国临时专利申请号62/977,042的权益和优先权。上述专利申请的全部内容通过引用并入本文作为本技术公开内容的一部分。
技术领域
3.本专利文件涉及光纤激光器及其实现。


背景技术：

4.可通过使用形成在光纤中的激光谐振器或包含激光增益介质的光纤段(通常为掺杂光纤增益段)来构造光纤激光器。与许多其他光学介质一样，光纤表现出非线性光学效应，这些非线性光学效应可有益地用于例如光纤拉曼放大器之类的一些装置，也可导致例如限制光纤激光器输出功率水平之类的不想要的后果。光纤激光器中的泵浦光和激光可以具有相对较高的光强度，因此可以导致光纤中的非线性受激拉曼散射(srs)，其继而将一种光波长的光能转换成不同光波长的srs信号。由于srs引起的光能的这种转换会限制在多种光纤激光器中将泵浦光转变为激光的光学效率。因此，期望在这种光纤激光器中抑制这种不想要的srs光的生成。
5.概述
6.在一个方面，本专利文件中所公开的光纤激光器技术可以被实现为提供一种光纤激光器，其包括激光谐振器，该激光谐振器包括第一光纤增益部分和第二光纤增益部分，该第一光纤增益部分和第二光纤增益部分产生激光波长的光增益以放大所述激光波长的光，无源光纤段耦合在所述第一和第二光纤增益段之间；和倾斜光纤布拉格光栅，该倾斜光纤布拉格光栅被形成在所述无源光纤段中以具有不垂直于所述无源光纤段的纵向方向的斜光纤光栅，从而反射激光谐振器内的拉曼散射的一个或多个拉曼波长的光以将所述一个或多个拉曼波长的光在所述激光谐振器内的两个相反方向上引导，引导出所述无源光纤段的所述光纤芯和引导出所述激光谐振器。
7.在一些实施方式中，在上述光纤激光器中，所述倾斜光纤布拉格光栅可以被实现为包括空间啁啾光栅周期，以反射所述激光谐振器内的拉曼散射的拉曼波长范围，以覆盖在不同操作温度范围内生成的拉曼的拉曼波长。
8.在一些实施方式中，所述激光谐振器可以包括位于所述激光谐振器的第一端处的第一高反射率光纤光栅和位于所述激光谐振器的第二端处的第二光纤光栅，以传输所述激光波长的激光的一部分作为所述激光器谐振器的激光输出，并且所述光纤激光器还可以包括：外部光纤增益部分，其位于所述激光谐振器外部的位置处以光学接收和放大所述激光谐振器的激光输出；和外部倾斜光纤布拉格光栅，其位于所述激光谐振器的所述第二端处的所述第二光纤光栅和所述外部光纤增益部分之间，并且被配置为具有斜光纤光栅，该斜光纤光栅反射拉曼散射的一个或多个拉曼波长的光并引导所述一个或多个拉曼波长的光
离开所述激光输出。
9.在说明书，附图和权利要求中更详细地描述了上述和其他方面及其实现。
附图说明
10.图1示出了具有基于所公开技术的腔内倾斜的抑制srs的光纤布拉格光栅(fbg)的光纤激光器的示例。
11.图2示出了基于所公开技术的双向腔内倾斜的抑制srs的光纤布拉格光栅(fbg)的示例。
具体实施方式
12.在光纤激光器中，由于光纤材料中的光和分子振动，声子或光纤材料中其他激发之间的三阶非线性光学相互作用而发生受激拉曼散射(srs)，产生自原始光频率上下偏移的srs频率的光。设计用于产生激光波长的激光的光纤激光器可以由于激光波长的光能转移到频移srs波长的srs光而损失激光功率，该srs波长可以频率上移作为反-斯托克斯(anti-stokes)信号或频率下移作为斯托克斯(stokes)信号。
13.在光纤激光器中抑制这种不想要的srs光的一种方法是提供一个或多个光纤布拉格光栅(fbg)，其被构造为以相对于光纤光轴的一定角度选择性地反射srs光，从而将srs光引导出光纤，从而防止srs光留在光纤激光谐振器中并被放大。这种fbg可以通过对光纤芯的折射率的空间调制而被形成在光纤芯中，从而形成不垂直于光纤芯的纵向方向但相对于光纤芯的垂线方向倾斜一定角度的倾斜光栅条纹。使用这种倾斜fbg的光纤激光器的一些示例可以在以下文件中找到，例如，标题为“实现高重复率和高脉冲能量的混合高功率激光器(hybrid high power laser to achieve high repetition rate and high pulse energy)”的美国专利号7,590,155b2，标题为“防止强光纤激光系统通过反向反射信号失真的方法和设备(method and apparatus for preventing distortion of powerful fiber-laser systems by backreflected signals)”的美国专利号7,912,099b2，标题为“用于srs抑制的倾斜fbg(slanted fbg for srs suppression)”的美国专利号9,634,462b2，以及标题为“宽带有害光的光纤滤波器及其用途(optical fiber filter of wideband deleterious light and uses thereof)”的美国专利号10,393,955b2。这些专利通过引用并入本文作为本专利文件公开内容的一部分。
14.本专利文件公开了新型光纤激光器设计，在光纤激光谐振器内使用腔内倾斜fbg，具有改进的srs抑制和其他技术益处。
15.本专利文件中公开的光纤激光器设计可用激光谐振器或放大腔实现，通过在作为激光谐振器的两个端部反射器的两个非倾斜fbg之间放置掺杂光纤长度以沿光纤芯反射想要的激光波长。可包括一个或多个泵浦二极管的激光泵浦光源可用于供应耦合在掺杂光纤中的光学泵浦光，该掺杂光纤将吸收泵浦光并发射想要的激光波长的激光。在激光泵浦光源(例如，泵浦二极管)和掺杂光纤之间，设有强fbg(例如，激光波长的大于99.5％的反射)以将激光反射回掺杂光纤中，以及第二fbg反射器，例如，在掺杂光纤段的另一侧上的较弱的fbg反射器(例如，在一些装置中，激光波长的5％至20％的反射)也用作激光输出耦合器(oc)以输出激光。
16.图1示出了光纤激光器的示例，该光纤激光器具有由作为高反射器(hr)的第一fbg 106和作为反射器的第二fbg 120和输出耦合器(oc)114和腔内抑制srs的倾斜fbg 110形成的激光谐振器。
17.在这个示例中，光纤激光谐振器由光纤芯中形成的fbg hr 106和oc fbg 120以及激光谐振器内部的两个或多个光纤增益部分108和112形成。激光泵浦光源102包括两个或多个泵浦激光二极管以产生不同的泵浦光束，这些泵浦光束耦合到光纤组合器形式的泵浦光耦合器104中，以将组合的泵浦光耦合到激光谐振器hr fbg 106的左侧位置处的光纤中。例如，在一些实施方式中，光纤激光器可以通过具有大的多模包层泵浦光导的双包层光纤来实现，以接收高功率泵浦光，并且光纤组合器可以是耦合器，以将组合的泵浦光耦合到光纤包层中。除了所示的之外，可以使用多种光学泵浦配置，包括例如反向泵浦配置，其中两个泵浦光束从增益部分的两侧以相反的方向被引导到增益部分。
18.值得注意的是，该光纤激光器包括在两个光纤增益部分108和112之间形成的腔内倾斜的抑制srs的fbg 110，以同时将来自两个光纤增益部分108和112的srs光沿相反方向引导出光纤芯和基于光纤的激光谐振器。如图所示，带箭头的线代表来自腔内倾斜的抑制srs的fbg 110的反射srs光。该示例进一步示出了在具有一个或多个激光放大器140的激光输出光纤160中的激光谐振器外部使用一个或多个附加的倾斜的抑制srs的fbg 130和150来抑制不想要的srs光。具体地，在oc fbg 120右侧的输出光纤线160处，在oc fbg 120和外部光纤放大器140之间的位置处设有第一倾斜的抑制srs的fbg 130以及在外部光纤放大器140的下游设有第二倾斜的抑制srs的fbg 150。
19.采用这种光纤激光器设计，可被生成的功率受到拉曼散射现象(一种非线性效应)的限制，将导致腔效率和输出激光束质量下降。倾斜的(斜的)fbg 110将srs波长的光耦合出光纤纤芯并进入光纤包层，而允许非srs波长的光通过。因此，布拉格波长即拉曼波长的不想要的srs光被引导出光纤芯，而不是将其反射回光纤芯中。因此，当拉曼散射开始时，拉曼光被倾斜的fbg 110从光纤激光路径中移除，并且激光的功率可以被增加。
20.基于本专利文件中所公开的技术的光纤激光器设计部分地基于这样一种认识：一种有害机制是前向拉曼散射离开腔并通过下游反射(例如递送光纤末端)反射回腔中，因此在信号功率最高的无源光纤中被放大。因此，用于从芯剥离拉曼的有效倾斜fbg应策略性地被放置在激光谐振器的出口处，但应位于激光谐振器内，激光谐振器外，并且应该是双向的，以在两个方向上提供srs抑制。除了腔外的光栅之外，在激光谐振器中放置用于从芯剥离拉曼的次级倾斜fbg可以增加功率限制。倾斜fbg 110在激光谐振器中的位置应基于特定的激光设计仔细设计。例如，在一些实施方式中，倾斜fbg 110在激光谐振器中的位置可以基于后向和前向拉曼散射信号的相对功率水平来确定。例如，如果后向和前向拉曼散射在其功率水平上相似或近似相等，则将倾斜的fbg 110插入激光谐振器中增益光纤的中间(例如，如两个光纤增益部分108和112之间所示)将是有益的，但是，如果后向和前向拉曼散射信号的功率不同，则该位置可能偏离中间。
21.在一些实施方式中，基于本专利文件中所公开的技术的光纤激光器可以被设计为包括级联放大谐振器或腔，其中用于剥离拉曼的倾斜fbg可以被放置在每个放大级之间以及最后一个放大级和递送光纤之间；可选地，还包括用于在一些或所有放大腔中剥离拉曼的倾斜fbg。
22.在一些实施方式中，用于剥离拉曼的倾斜fbg可以在光纤激光谐振器内的非掺杂或无源光纤段中制造，这与将倾斜fbg放置在光纤增益部分的其他设计不同。在一些实施方式中，倾斜fbg可以是啁啾fbg，其沿fbg具有空间变化的光栅周期，并且光从长周期端进入，从短周期端离开。倾斜角度可以是多种角度，例如小于6
°
或大于6
°
的更大倾斜角度。在一些设计中，用于剥离拉曼的一个或多个啁啾倾斜fbg可被设计为具有相对宽的布拉格波长范围，以覆盖不同操作温度下的拉曼波长，从而在不同操作温度实现拉曼剥离。
23.所公开的具有腔内倾斜的抑制srs的fbg的光纤激光器可以以多种方式配置。例如，可以在激光谐振器(放大腔)和传输光纤之间设有倾斜fbg拉曼剥离器；可以将附加的倾斜fbg拉曼剥离器放置在激光谐振器或放大腔内，最有可能放置在沿掺杂光纤长度在优选位置处被插入的一段无源光纤上；并且，在一些应用中，可以在每个放大级之间使用倾斜的fbg拉曼剥离器级联这种架构，并且可选地，在每个放大级内部使用另一个。
24.图2示出了作为双向倾斜抑制srs的fbg的腔内倾斜抑制srs的fbg的示例，以将进入的srs光沿两个方向引导出光纤芯。
25.图1和2中的示例是针对包括激光谐振器的光纤激光器，该激光谐振器包括第一光纤增益部分和第二光纤增益部分，该第一光纤增益部分和第二光纤增益部分产生激光波长的光学增益以放大激光波长的光，无源光纤段耦合在第一和第二光纤增益段之间；和在无源光纤段中形成的倾斜光纤布拉格光栅，其具有不垂直于无源光纤段的纵向方向的斜光纤光栅，以反射激光谐振器内拉曼散射的一个或多个拉曼波长的光以将一个或多个拉曼波长的光在激光谐振腔内的两个相反方向上引导，引导出无源光纤段的光纤芯和引导出激光谐振器。在一些实施方式中，在上述光纤激光器中，倾斜光纤布拉格光栅可以被实现为包括空间啁啾光栅周期，以反射激光谐振器内的拉曼散射的拉曼波长范围，从而覆盖在不同操作温度范围内生成的拉曼的拉曼波长。
26.在一些实施方式中，激光谐振器可以包括在激光谐振器的第一端处的第一高反射率光纤光栅和在激光谐振器的第二端处的第二光纤光栅，以传送激光波长的激光的一部分作为激光谐振器的激光输出，并且光纤激光器还可以包括外部光纤增益部分，该外部光纤增益部分位于激光谐振器外部的位置处以光学接收和放大激光谐振器的激光输出；外部倾斜光纤布拉格光栅，其位于激光谐振器第二端的第二光纤光栅和外部光纤增益部分之间，并被配置为具有斜光纤光栅以反射拉曼散射的一个或多个拉曼波长的光并引导一个或多个拉曼波长的光离开激光输出。
27.具有腔内倾斜的抑制srs的fbg的当前光纤激光器的附加特征如下。
28.在一些实施方式中，可将fbg拉曼剥离器写入与掺杂放大光纤兼容(低拼接损耗)的无源光纤。无源光纤具有更稳定的化学成分，通过激光能量曝光(exposition)(干涉光刻)在其芯中形成光纤布拉格光栅，可以更可控地改变化学成分。此外，在无源光纤中，我们可以在光纤的芯中发送光信号，以精确监测正在形成的fbg的光谱强度，并根据它控制曝光；而在掺杂光纤中，一些监测光信号可以被吸收。
29.在一些实施方式中，腔内倾斜的抑制srs的fbg可以是空间啁啾fbg，以覆盖光纤激光器中生成的全部拉曼光谱。在这样的设计中，存在一个临界角，在该临界角以下必须考虑方向性，拉曼信号必须以啁啾布拉格光栅的最高波长到最低波长进入以被耦合到光纤的包层中。这里的设计可以使用高于阈值的倾斜角度，其中拉曼被耦合到包层，而不管啁啾的方
向性相对拉曼信号方向如何，从而能够向前和向后剥离拉曼分量。在常规的光纤激光器配置中，该阈值角约为6
°
，但这取决于特定的光纤所用特性和泵浦方案。
30.在光纤激光器中，生成的拉曼信号有两个分量，一个随放大信号向前，一个沿放大信号的相反方向向后。我们将fbg拉曼剥离器放置在放大腔的中心部分，放大级之间和最后放大级之后的方法能够从芯剥离生成的拉曼信号的所有分量。相对地，美国专利号7,590,155关注于仅剥离后向分量，而美国专利号9,634,462关注于通过将fbg拉曼剥离器就放置在腔端之前而仅剥离前向分量；在美国专利号10,393,955中，拉曼信号的每个分量由于它们的向着拉曼信号方向性的啁啾方向性而必须由单独的fbg拉曼剥离器过滤。
31.随着温度的升高，fbg拉曼剥离器的光谱滤波可能向更长波长漂移。因此，本fbg拉曼剥离器被设计为具有在所有操作温度下覆盖所有拉曼光谱的光谱带宽。这种啁啾fbg用于级联多个fbg。
32.虽然本专利文件包含许多细节，但这些细节不应被解释为对任何发明或权利要求的范围的限制，而是对特定发明的特定实施例所特有的特征的描述。本专利文献中在单独实施例的情境中描述的某些特征也可以在单个实施例中组合实现。相对地，在单个实施例的情境中描述的多种特征也可以在多个实施例中单独地或在任何合适的子组合中实现。此外，尽管特征可以在上文中被描述为在某些组合中起作用，甚至最初要求为这样，但在某些情况下，可以从组合中删除所要求的组合中的一个或多个特征，并且所要求的组合可以针对子组合或子组合的变体。
33.类似地，虽然在附图中以特定顺序描述了操作，但这不应理解为要求以所示的特定顺序或依次执行此类操作，或要求执行所有所示操作，才能实现想要的结果。此外，本专利文献中描述的实施例中的多种系统组件的分离不应理解为在所有实施例中都需要这种分离。
34.仅描述了一些实施方式和示例，并且可以基于本专利文件中描述和说明的内容作出其他实施方式，增强和变体。