抑制受激拉曼散射效应的光纤激光器及其制造方法与流程

本申请涉及激光装置，尤其涉及一种抑制受激拉曼散射效应的光纤激光器及其制造方法。

背景技术：

光纤激光器相较于传统固体激光器具有光光转换效率高、光束质量好、结构紧凑、散热性能好等优点。随着光纤激光技术的发展以及配套光纤器件的成熟，光纤激光器的输出功率越来越高。高功率光纤激光器已被广泛地应用于金属切割、焊接、熔覆、国防、科研等领域。受激拉曼散射效应是目前限制光纤激光器功率进一步提升的主要因素之一。因此，在高功率光纤激光器领域，提升激光器的效率，抑制受激拉曼散射效应是目前研究的热点课题之一。

在光纤激光器中，连续波受激拉曼散射的阈值可以通过以下公式进行计算：

其中，aeff为光纤的有效模场面积，gr(ω)为光纤的拉曼增益系数，leff为光纤的有效长度。从上述公式可以看出，提高光纤的有效模场面积aeff或者减少光纤的有效长度leff均可以有效的提高受激拉曼散射效应的阈值，从而达到抑制受激拉曼散射效应的目的。提高光纤的有效模场面积aeff有两种常用的方法：一、直接增大光纤纤芯直径。但是，随着纤芯直径的增大，激光器难以保持单模输出，光束质量会逐渐变差。二、采用特殊结构的光纤。如，光子晶体光纤(photoniccrystalfiber，pcf)。减少光纤的有效长度leff常用的方法：适当提高有源光纤的掺杂浓度，在保证有源光纤充分吸收泵浦光的同时缩短有源光纤的长度。

除了上述直接提高受激拉曼散射阈值的方法，还可以利用光谱控制技术滤除受激拉曼散射光谱。如，采用倾斜光纤光栅(tiltedfiberbragggrating，tfbg)进行光谱滤波。目前常见的方案为：在有源光纤的两端熔接光栅对从而形成谐振腔，并在谐振腔内或者谐振腔外熔接倾斜光栅tfbg滤除受激拉曼散射光谱。每个器件之间均通过熔接的方式连接起来。但是，光纤激光器中的光纤熔接点越多，不仅会引入更高的光纤熔接损耗，还会影响激光器整体的输出效率。另外，引入的光纤器件数量越多，器件的尾纤的越长，也会降低激光器的受激拉曼散射阈值。

基于目前所存在的问题和局限，提供一种可以有效提高受激拉曼散射效应的阈值，抑制受激拉曼散射效应的光纤激光器实为必要。

技术实现要素：

本申请的目的在于提供一种可以有效提高受激拉曼散射效应的阈值，抑制受激拉曼散射效应的光纤激光器及其制造方法。

为实现上述目的，本申请提供一种抑制受激拉曼散射效应的光纤激光器，其包括：半导体泵浦源ld、有源光纤，所述半导体泵浦源与所述有源光纤相连接，所述的光纤激光器还包括至少一对分别设置在所述有源光纤输入侧和输出侧的第一光栅，以及设置在所述有源光纤输出侧的至少一个倾斜光栅，所述第一光栅和所述倾斜光栅中的至少一个通过刻写方式设置在所述有源光纤上。

本申请所提供的光纤激光器，其中的有源光纤上刻写有光栅，可以刻写一个或一个以上光栅在所述有源光纤上，减少了熔接点，同时所述的光纤激光器设有倾斜光栅tfbg，在减少激光器熔接点损耗的同时抑制高功率激光器中常见的受激拉曼散射效应。所述有源光纤上所刻写的光栅可以是普通光栅，也可以将所述倾斜光栅刻写在所述有源光纤上。

其中，所述半导体泵浦源与所述有源光纤相连接，可以是直接连接，也可以是半导体泵浦源输出端通过无源光纤与所述有源光纤相连接。具体的，一些实施例中设有多个泵浦源，所述多个泵浦源经过合束器后，合束器输出端由无源光纤与所述有源光纤相熔接。

一些实施方式中，所述至少一对第一光栅包括高反光栅hr-fbg和低反光栅lr-fbg，所述高反光栅和所述低反光栅组成光栅对作为谐振腔的输入和输出腔镜，所述高反光栅和/或所述低反光栅刻写在所述有源光纤上，也就是所述高反光栅和所述低反光栅任意一个刻写在所述有源光纤上，或者所述高反光栅和所述低反光栅刻写在所述有源光纤上。在这些实施方式中，所述倾斜光栅可以同时刻写在所述有源光纤上，也可以通过熔接方式连接所述倾斜光栅。具体的实施方式中，所述高反光栅刻写在所述有源光纤输入侧，和/或所述低反光栅刻写在所述有源光纤输出侧。

具体一些实施方式中，所述高反光栅刻写在所述有源光纤距输入端5～30cm处，和/或所述低反光栅刻写在所述有源光纤距输出端5～30m处。所述刻写具体位置还可根据实际需要调整，并不局限于所述数值范围处。

在一些实施方式中，所述高反光栅和所述低反光栅刻写在所述有源光纤上，同时所述有源光纤上还刻写有至少一个倾斜光栅。具体的，根据需要可以将多个所述倾斜光栅刻写在所述有源光纤上。具体一些实施方式中，所述高反光栅刻写在所述有源光纤距输入端5～30cm处，所述低反光栅刻写在所述有源光纤距输出端10～30cm处，所述倾斜光栅刻写在所述有源光纤距输出端5～20cm处。所述刻写具体位置还可根据实际需要调整，并不局限于所述数值范围。

具体实施方式中，所述半导体泵浦源ld的数量有多个，所述的光纤激光器还包括合束器，多个所述半导体泵浦源的输出激光通过所述合束器合束在一起。

具体实施方式中，所述有源光纤输出端还连接有传输光纤或光纤端帽。所述半导体泵浦源ld、刻写有光栅的有源光纤、传输光纤或光纤端帽通过光纤熔接的方法连接一起。

一些实施方式中，所述有缘光纤为掺镱光纤、掺镨光纤、掺铒光纤、掺铥光纤、掺钬光纤中任一种。

本申请还提供一种制造本申请所述抑制受激拉曼散射效应的光纤激光器的制造方法，其包括：

提供相连接的半导体泵浦源和有源光纤，

在所述有源光纤输入侧和输出侧设置一对第一光栅，在所述有源光纤输出侧设置至少一个倾斜光栅，

将准直后的激光经过平凸柱面透镜和相位掩模板后，聚焦至所述有源光纤待刻写光栅处；

根据预设激光功率和照射时间调节激光源，在所述有源光纤待刻写光栅处刻写所述一对第一光栅、至少一个倾斜光栅中至少一个光栅。

所述激光源可以采用飞秒激光或准分子激光等用于刻写光纤光栅的光源。

一些实施方式中，所述刻写方式还包括：将测试光源与有源光纤输入端相接，光谱仪与所述有源光纤输出端相接；在刻写光栅过程中，通过测试光源进行在线监测及配合光谱仪调节所述激光。

一些实施方式中，通过调节多维光纤调整架使衍射光斑与有源光纤重合。

一些实施方式中，在所述有源光纤上刻写高反光栅，和/或低反光栅，和/或倾斜光栅。具体的一些实施方式中，在所述有源光纤输入侧刻写高反光栅，和/或在所述有源光纤输出侧刻写低反光栅，和/或在所述有源光栅输出侧刻写倾斜光栅。具体的，除了所述通过刻写设置的光栅，具体实施例中的其他光栅也可以通过刻写或熔接方式设置在所述有源光纤上。

有益效果：区别于现有技术的情况，本申请基于有源光纤刻写光纤光栅，不仅可以进一步减少激光器的熔接点，减少熔接损耗，使激光器更加紧凑，提高激光器效率，同时还可以抑制受激拉曼散射效应。

可以刻写一个或一个以上光栅在所述有源光纤上，减少了熔接点，同时所述的光纤激光器设有倾斜光栅tfbg，在减少激光器熔接点损耗的同时抑制高功率激光器中常见的受激拉曼散射效应。所述有源光纤上所刻写的光栅可以是普通光栅，也可以将所述倾斜光栅刻写在所述有源光纤上。

附图说明

图1是本申请抑制受激拉曼散射效应的光纤激光器实施例一示意图；

图2是本申请抑制受激拉曼散射效应的光纤激光器实施例二示意图；

图3是本申请抑制受激拉曼散射效应的光纤激光器实施例三示意图；

图4是本申请中光栅刻写示意图。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本申请的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本申请做进一步详细描述。

请参照图1～3，本申请抑制受激拉曼散射效应的光纤激光器包括：半导体泵浦源ld、有源光纤、传输光纤或光纤端帽，所述半导体泵浦源ld、有源光纤、传输光纤或光纤端帽依次连接起来形成所述的光纤激光器，所述的光纤激光器包括至少一对分别设置在所述有源光纤输入侧和输出侧的第一光栅，以及至少一个倾斜光栅tfbg，所述第一光栅和所述倾斜光栅中的至少一个通过刻写方式设置在所述有源光纤上。所述至少一对第一光栅包括高反光栅hr-fbg和低反光栅lr-fbg，也就是，所述高反光栅hr-fbg、低反光栅lr-fbg、倾斜光栅中的至少一个刻写在所述有源光纤上。

本申请抑制受激拉曼散射效应的光纤激光器有多种实施例，其中有源光纤上可以刻写一个或一个以上光栅在所述有源光纤上，减少了熔接点，同时所述的光纤激光器设有倾斜光栅，在减少激光器熔接点损耗的同时抑制高功率激光器中常见的受激拉曼散射效应。所述有源光纤上所刻写的光栅可以是普通光栅，也可以将所述倾斜光栅刻写在所述有源光纤上。

所述的光纤激光器可以包括有多个所述半导体泵浦源ld，并且进一步包括合束器，多个所述半导体泵浦源ld的输出激光通过所述合束器合束在一起。

本申请实施例中，所述高反光栅和所述低反光栅组成光栅对作为谐振腔的输入和输出腔镜，所述高反光栅对信号光高反，所述低反光栅对信号光低反。所述倾斜光栅tfbg可滤除受激拉曼散射光谱。

如图1所示实施例一，半导体泵浦源101通过合束器201合束在一起，所述合束器输出端连接有源光纤401输入端，所述有源光纤401接近输入端处刻写有高反光栅301，所述有源光纤401输出端依次连接低反光栅501以及倾斜光栅601,低反光栅501和倾斜光栅601刻写在无源光纤上。

具体的，所述半导体泵浦源101通过合束器201合束后通过无源光纤与所述有源光纤连接。具体的，所述有源光纤输入端、输出端分别为所述有源光纤输入侧、输出侧与无源光纤熔接点位置。所述输入、输出是指泵浦光的输入、输出。

具体实施例中，所述高反光栅301刻写在所述有源光纤401距输入端10cm处。所述刻写位置与输入端的距离根据具体情况而定，可选范围大概在距输入端5～30cm处。

本实施例中所述有源光纤采用掺镱双包层光纤。

作为可替换实施例，也可以在有源光纤401靠近输出端处刻写低反光栅601。

结合参阅图4，制造本申请所述抑制受激拉曼散射效应的光纤激光器的方法，包括：

提供半导体泵浦源101、有源光纤401，所述半导体泵浦源经过合束器201合束后经过无源光纤与所述有源光纤401熔接；

在所述有源光纤输入侧刻写高反光栅301，在所述有源光纤输出侧依次连接低反光栅501、倾斜光栅601，可通过熔接方式连接；

所述刻写高反光栅方式包括：

将准直后的激光经过平凸柱面透镜和相位掩模板后，聚焦至所述有源光纤待刻写光栅处；

根据预设激光功率和照射时间调节激光源，在所述有源光纤待刻写光栅处刻写所述高反光栅301。

具体的，所述用于刻写的激光可采用飞秒激光。具体的，可以在刻写光纤之前首先搭建光纤光栅刻写平台：将测试光源的输出尾纤与掺镱双包层光纤的输入端相熔接，光谱仪与掺镱双包层光纤的输出端相熔接。将准直后的飞秒激光经过平凸柱面透镜聚焦至掺镱双包层光纤输入端约10cm处的纤芯，通过调节多维光纤调整架，使相位掩模板与有源光纤保持平行并紧贴有源光纤。

然后在线刻写光栅：打开测试光源，设定功率。配合光谱仪调节飞秒光源的功率和照射时间。在掺镱双包层光纤输入端约10cm处的纤芯写入对信号光反射率≥99％的高返的光栅hr-fbg。或者，在掺镱双包层光纤输出端约10cm处的纤芯写入对信号光反射率≤10％的低返的光栅lr-fbg。所述距离范围根据具体情况而定，可选范围大概5～30cm。

刻写好有源光纤后，进行激光器的搭建：如图1所示，采用熔接的方法依次将泵浦光源ld、合束器combiner、刻写有对信号光高返的hr-fbg的掺镱双包层光纤、对信号光低返的lr-fbg以及滤除受激拉曼散射光谱的倾斜光栅tfbg连接起来。本方案在掺镱双包层光纤上刻写一个光栅，较传统的方案可以减少1个熔接点。

对于普通的布拉格光纤光栅fbg，通过光栅前向传输的纤芯模式与后向传输的纤芯模式之间发生耦合，而使前向传输的纤芯模式的能量传递给后向传输的纤芯模式，形成对入射波的反射。其反射波长即为布拉格波长，可通过以下公式计算：

其中，λb为布拉格波长，是光纤纤芯模的有效折射率，λ为光栅周期。

对于倾斜光纤光栅tfbg，普通布拉格光纤光栅fbg相类似，在光栅区域的纤芯沿光纤轴向呈现周期性的折射率调制，不同的是倾斜光纤光栅tfbg的光栅平面和光纤的轴向存在一定的倾角。其布拉格波长可通过以下公式计算：

其中，θ为纤芯中光栅平面与光纤的轴向夹角。在该倾角的作用下，会有部分前向传输的纤芯模式能量耦合到反向传输的包层模式中，对应的波长为：

其中，为第i阶包层模的有效折射率。选用合适的夹角，倾斜光纤光栅tfbg可将后向传输的受激拉曼散射光耦合到包层，并将其消耗掉，实现对受激拉曼散射效应的滤除。因此，倾斜光纤光栅tfbg可作拉曼滤除器，用以滤除输出激光光谱中的拉曼成分。

如图2所示实施例二，半导体泵浦源102通过合束器202合束在一起，所述合束器输出端连接有源光纤402输入端，所述有源光纤402接近输入端处刻写有高反光栅302，所述有源光纤402接近输入端处刻写有低反光栅502，所述有源光纤402输出端连接倾斜光栅602，倾斜光栅602刻写在无源光纤上。

具体实施例中，所述高反光栅刻302写在所述有源光纤402距输入端10cm处，所述高反光栅刻写位置可根据具体情况而定，可选范围可距离所述有源光纤输入端5～30cm处。所述低反光栅502刻写在有源光纤402距输出端10cm处，所述低反光栅刻写位置可根据具体情况而定，可选范围可距离所述有源光纤输出端5～30cm处。

结合参阅图4，制造本申请所述抑制受激拉曼散射效应的光纤激光器的方法，包括：

提供半导体泵浦源102、有源光纤402，所述半导体泵浦源经过合束器202合束后经过无源光纤与所述有源光纤402熔接；

在所述有源光纤输入侧刻写高反光栅302，在所述有源光纤输出侧刻写有低反光栅502，所述有源光纤输出端连接倾斜光栅602，可通过熔接方式连接；

所述高反光栅、低反光栅的刻写方式包括：

将准直后的激光经过平凸柱面透镜和相位掩模板后，聚焦至所述有源光纤待刻写光栅处；

根据预设激光功率和照射时间调节激光源，在所述有源光纤待刻写光栅处刻写光栅。

具体的，所述用于刻写的激光可采用飞秒激光。具体的，可以在刻写光纤之前首先搭建光纤光栅刻写平台：将测试光源的输出尾纤与掺镱双包层光纤的输入端相熔接，光谱仪与掺镱双包层光纤的输出端相熔接。将准直后的飞秒激光经过平凸柱面透镜分别聚焦至掺镱双包层光纤输入和输出端约10cm处的纤芯，通过调节多维光纤调整架，使相位掩模板与有源光纤保持平行并紧贴有源光纤。

然后在线刻写光栅：打开测试光源，设定功率。配合光谱仪调节飞秒光源的功率和照射时间。在掺镱双包层光纤输出端约10cm处的纤芯写入对信号光反射率≤10％的低返的光栅lr-fbg。再根据刻写对信号光高返hr-fbg的刻写参数将光栅刻写至掺镱双包层光纤输入端约10cm处的纤芯。

刻写好有源光纤后，进行激光器的搭建：如图2所示，采用熔接的方法依次将泵浦光源ld、合束器combiner、刻写有光栅对的掺镱双包层光纤以及滤除受激拉曼散射光谱的倾斜光栅tfbg连接起来。本方案在掺镱双包层光纤上刻写两个光栅，较传统的方案可以减少2个熔接点。

如图3所示实施例三，半导体泵浦源103通过合束器203合束在一起，所述合束器输出端连接有源光纤403输入端，所述有源光纤403接近输入端处刻写有高反光栅303，同时所述有源光纤403接近输出端还刻写有低反光栅503和倾斜光栅603。

具体实施例中，所述高反光栅刻303写在所述有源光纤403距输入端10cm处，所述高反光栅刻写位置可根据具体情况而定，可选范围可距离所述有源光纤输入端5～30cm处。所述低反光栅503刻写在有源光纤403距输出端10cm处，所述低反光栅刻写位置可根据具体情况而定，可选范围可距离所述有源光纤输出端10～30cm处。所述倾斜光栅603刻写在有源光纤403距输出端5cm处，所述倾斜光栅刻写位置可根据具体情况而定，可选范围可距离所述有源光纤输出端5～20cm处。

结合参阅图4，制造本申请所述抑制受激拉曼散射效应的光纤激光器的方法，包括：

提供半导体泵浦源103、有源光纤403，所述半导体泵浦源经过合束器203合束后经过无源光纤与所述有源光纤403熔接；

在所述有源光纤输入侧刻写高反光栅303，在所述有源光纤输出侧刻写低反光栅503、倾斜光栅603；

所述高反光栅303、低反光栅503、倾斜光栅603的刻写方式包括：

将准直后的激光经过平凸柱面透镜和相位掩模板后，聚焦至所述有源光纤待刻写光栅处；

根据预设激光功率和照射时间调节激光源，在所述有源光纤待刻写光栅处刻写光栅。

具体的，所述用于刻写的激光可采用飞秒激光。具体的，可以在刻写光纤之前首先搭建光纤光栅刻写平台：

将测试光源的输出尾纤与掺镱双包层光纤的输入端相熔接，光谱仪与掺镱双包层光纤的输出端相熔接。将准直后的飞秒激光经过平凸柱面透镜分别聚焦至掺镱双包层光纤输入端约10cm、输出端面约10cm和5cm处的纤芯，通过调节多维光纤调整架，使相位掩模板与有源光纤保持紧贴。

然后在线刻写光栅：打开测试光源，设定功率。配合光谱仪调节飞秒光源的功率和照射时间。旋转相位掩模板使相位掩模板与掺镱双包层光纤有一定的倾斜角度并保持紧贴。在掺镱双包层光纤输出端约5cm处的纤芯刻写倾斜光栅作为拉曼滤除器。旋转相位掩模板使相位掩模板与有源光纤保持平行并紧贴有源光纤，再根据刻写对信号光高返hr-fbg、对信号光低返lr-fbg的刻写参数分别将光栅刻写至掺镱双包层光纤输入端和输出约10cm处的纤芯。或者，为了进一步滤除受激拉曼散射光谱，可以刻写多个tfbg进一步提高受激拉曼散射抑制比。

刻写好有源光纤后，进行激光器的搭建：如图3所示，采用熔接的方法依次将泵浦光源ld、合束器combiner、刻写有光栅组的掺镱双包层光纤连接起来。本方案在掺镱双包层光纤上刻写三个光栅，较传统的方案可以减少3个熔接点。

以上仅为本申请的实施方式，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围。