基于泵浦光调控的TMI效应抑制方法、光纤放大器及振荡器

本发明主要涉及到光纤激光，尤其是一种基于泵浦光调控的tmi效应抑制方法、光纤放大器及振荡器。

背景技术：

1、相比于其它类型的激光器，光纤激光器具有光束质量好、可靠性高、结构紧凑、易于维护等优势，已经广泛应用于国防军事、工业加工、生物医疗等领域。近些年，随着泵浦光源亮度、光纤拉制技术以及光纤器件制备技术的进步，光纤激光的输出功率已经得到了极大的提升，显示出了广阔的功率提升空间和发展前景。但受限于横向模式不稳定(tmi)以及其他非线性效应，单纤输出功率进一步提升已经遇到困难。

2、tmi是由于光纤纤芯本身支持多个本征模式，不同横模之间发生干涉从而在纤芯中形成非均匀的光场分布，干涉的驻波会消耗增益光纤中的反转粒子使得反转粒子分布与干涉强度分布一致，又由于吸收泵浦光过程中的量子亏损等效应产生的热量导致增益光纤产生与干涉花样相同的温度分布，在热光效应的影响下产生折射率扰动并最终形成与干涉花样相同的热致光栅，在干涉光场、温度场和折射率扰动场之间互相耦合产生tmi效应。

3、目前主流的高功率光纤激光器的tmi抑制方法，一是使用外部独立器件控制放大器种子光的位置或是控制泵浦光的功率，以反馈的方式抑制tmi，但这种方法较为复杂、结构臃肿、集成度低；二是通过特殊设计的光纤、对光纤进行辐照处理以及改变泵浦或信号波长等抑制tmi效应，这种方法对光纤拉制技术要求高、光纤辐照处理时间长，甚至会降低其他非线性效应阈值，导致输出激光性能下降。

4、由于光纤激光器中tmi的形成是光纤纤芯中不同的横模干涉形成的驻波导致吸收泵浦光产生的热量分布形成热致光栅，因此对光纤采取热管理的方法可以提高tmi效应的阈值、抑制tmi效应。可以通过调整增益光纤中泵浦光功率的分布，进而调整增益光纤上各处的增益，控制增益光纤各处的热量产生，抑制热光效应产生的热致光栅从而实现提高tmi阈值、抑制tmi效应。

5、光纤布拉格光栅是一种在光纤上具有周期性折射率调制的光纤器件，刻写在纤芯的光纤布拉格光栅可以将前向传输的纤芯模与后向传输的纤芯模耦合，起到反射纤芯光的作用。由于双包层光纤具有内包层也可传播光的独有特性，将光纤布拉格光栅刻写在双包层光纤内包层上即可将前向传输的包层模与后向传输的包层模耦合，起到反射内包层光的作用。在光纤激光器的包层泵浦方案中，泵浦光在增益光纤的内包层中传输，所以刻写在增益光纤内包层的光纤布拉格光栅可以对内包层传输的泵浦光起到反射的作用，从而改变泵浦光功率在增益光纤上的分布，进而可以控制增益光纤上各处的增益、抑制热致光栅的形成，最终实现提高tmi阈值、抑制tmi效应。

6、传统的光纤布拉格光栅制备手段如紫外曝光法等只能在载氢光纤上进行刻写，该方法产生的折射率调制区较小，且高温下光栅会被擦除。而大功率光纤激光器的增益光纤内包层直径基本都在400μm及以上，因此基于紫外曝光法制备的光栅无法覆盖大面积的内包层。飞秒激光可以聚焦在光纤内部，通过与光纤材料相互作用，引起材料改性，形成折射率调制区，周期性的折射率调制区可以构成光纤光栅。该技术方案不需要对光纤载氢。此外，使用空间光场调制器件之后可以控制光栅的横截面的形状和大小，因此可以在任意尺寸与形状的光纤上制备光纤布拉格光栅，因此非常适合在增益光纤内包层上制备泵浦光反射光栅。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的技术问题，本发明提出一种基于泵浦光调控的tmi效应抑制方法、光纤放大器及振荡器。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、本发明提供一种基于泵浦光调控的tmi效应抑制方法，泵浦光在增益光纤的内包层传输，通过沿着增益光纤的长度方向在增益光纤的内包层上刻写分布式泵浦光反射光栅，调整泵浦光功率在增益光纤中的分布，进而控制增益光纤各处增益的分布、控制增益光纤各处的热量产生、抑制热致光栅的形成，实现抑制tmi效应、提高tmi阈值的目的。

4、进一步地，所述分布式泵浦光反射光栅包括多个分布在增益光纤轴向不同位置处的内包层上的泵浦光反射光栅，泵浦光在增益光纤的内包层中传播时，当传播到泵浦光反射光栅时，一部分泵浦光被泵浦光反射光栅反射、另一部分泵浦光穿过泵浦光反射光栅继续传播，通过在不同长度位置处设置不同反射率的泵浦光反射光栅，降低高泵浦光功率密度处的泵浦光功率，提高低泵浦光功率密度处的泵浦光功率，将整个增益光纤上的泵浦光功率调控得相对均匀，避免局部长度位置处的泵浦光功率过高导致发热严重引起热致光栅而产生tmi效应。

5、进一步地，所述增益光纤为双包层增益光纤，内包层的形状不限，如为正八边形、正六边形等。所述增益光纤为内包层为正八边形的双包层增益光纤。

6、进一步地，提供一种沿着增益光纤的长度方向在增益光纤的内包层上刻写分布式泵浦光反射光栅的方法，包括：

7、(1)设分布式泵浦光反射光栅包括m个分布在增益光纤轴向不同位置处的内包层上的泵浦光反射光栅，确定各泵浦光反射光栅的光栅周期、啁啾率、各泵浦光反射光栅的刻写位置、各泵浦光反射光栅的长度；

8、(2)刻写分布式泵浦光反射光栅中的第i个泵浦光反射光栅，i＝1,2，...，m：

9、(2.1)增益光纤置于三维移动平台上的电动旋转夹具上；

10、(2.2)通过三维移动平台以及电动旋转夹具调整增益光纤的位置和旋转角度，使飞秒激光通过聚焦物镜避开纤芯聚焦于需要刻写第i个泵浦光反射光栅的增益光纤长度位置处的内包层中，使用空间光场调制器件将飞秒激光的聚焦光斑调制为线形并在增益光纤中形成竖直的具有一定长度的线形折射率调制区，线形折射率调制区完全聚焦于增益光纤内包层中且避开纤芯；

11、(2.3)控制电动旋转夹具使增益光纤以一定速度旋转一周，在增益光纤内包层中形成折射率调制平面，停止飞秒激光器出光，保持飞秒激光光路不变；

12、(2.4)通过三维移动平台将增益光纤沿轴向移动一个光栅周期的距离，返回步骤(2.2)，形成下一个完全相同的折射率调制平面，重复此过程直到完成第i个泵浦光反射光栅；

13、(3)采用步骤(2)的方法，完成m个分布在增益光纤轴向不同位置处的内包层上的泵浦光反射光栅的刻写。

14、进一步地，通过优化飞秒激光加工参数调整折射率调制深度。具体地，加深折射率调制深度可以通过增加飞秒激光的功率密度实现，具体表现为刻写泵浦光反射光栅时增加飞秒激光单脉冲能量、增加飞秒激光重复频率、减小加工速度。如需要降低折射率调制深度，则可以通过降低飞秒激光的功率密度实现，具体表现为刻写泵浦光反射光栅时降低飞秒激光单脉冲能量、降低飞秒激光重复频率、加大加工速度。

15、进一步地，对于相同长度的泵浦光反射光栅，在一定的折射率调制范围内，泵浦光反射光栅的折射率调制深度越大，则泵浦光反射光栅的反射率越大，从而控制光栅反射率。如此可以通过调整泵浦光反射光栅的折射率调制深度调控泵浦光反射光栅的反射率。例如在相同泵浦光反射光栅长度的情况下，对于折射率调制深度为1.5×10-3的泵浦光反射光栅，比折射率调制深度为7×10-4的泵浦光反射光栅反射率更高。该控制泵浦光反射光栅反射率的方法可以保证不减少泵浦光反射光栅反射谱的线宽的同时保证对泵浦源所有波长、所有模式具有相同的反射率。

16、优选地，在分布式泵浦光反射光栅中，靠近增益光纤两端的泵浦光反射光栅应具有较低的反射率，在泵浦光功率密度较高处两侧的泵浦光反射光栅应具有较高的反射率。该分布式泵浦光反射光栅可以使增益光纤上的泵浦光分布更加平坦，优化增益光纤上的热分布，避免局部过热引起热致光栅的形成，从而提高tmi阈值、抑制tmi效应。

17、另一方面，本发明提供一种光纤放大器，包括种子源、泵浦源、合束器和增益光纤，所述泵浦源输出的泵浦光在增益光纤的内包层传输，通过沿着增益光纤的长度方向在增益光纤的内包层上刻写分布式泵浦光反射光栅，分布式泵浦光反射光栅用于调整泵浦光功率在增益光纤中的分布，进而控制增益光纤各处增益的分布、控制增益光纤各处的热量产生、抑制热致光栅的形成，实现抑制tmi效应、提高tmi阈值。

18、另一方面，本发明提供一种光纤振荡器，包括泵浦源、合束器、高反射布拉格光栅、增益光纤和低反射布拉格光栅，所述泵浦源输出的泵浦光在增益光纤的内包层传输，通过沿着增益光纤的长度方向在增益光纤的内包层上刻写分布式泵浦光反射光栅，分布式泵浦光反射光栅用于调整泵浦光功率在增益光纤中的分布，进而控制增益光纤各处增益的分布、控制增益光纤各处的热量产生、抑制热致光栅的形成，实现抑制tmi效应、提高tmi阈值。

19、相比现有技术，本发明的技术效果：

20、本发明通过在增益光纤内包层上刻写分布式泵浦光反射光栅，调整增益光纤内包层中泵浦光的分布，进而控制增益光纤各处增益的分布、控制增益光纤各处的热量产生、抑制热致光栅的形成，最终实现抑制tmi效应、提高tmi阈值的功能。本发明无需引入额外的外部器件，也不需要特殊设计纤芯和包层的光纤或预先进行长时间辐照处理。而且由于泵浦光反射光栅是在双包层增益光纤内包层上的光纤光栅器件，对纤芯模式几乎没有影响，不会降低其他非线性效应的阈值。

21、将本发明应用于光纤激光系统中，保证了光纤激光系统的紧凑性和可靠性，同时又不需要复杂的光纤设计或者长时间的辐照处理，通过使用飞秒激光直写系统在增益光纤中刻写分布式泵浦光反射光栅实现增益控制，既调控了增益光纤中的热效应以抑制tmi。进一步地，在振荡器或放大器两端还刻写有高反射泵浦光反射光栅，能够保证了泵浦光的充分吸收。同时所有的泵浦光反射光栅的位置处于增益光纤包层中，对其他非线性效应影响很小，且使用倾泻滤波一体化的块状石英端帽可降低激光的非线性效应。