一种基于二维有源π相移光纤光栅的多波长光纤激光器的制作方法

本发明涉及光纤激光器领域，尤其涉及一种基于二维有源π相移光纤光栅的多波长光纤激光器。

背景技术：

在光纤通信和光纤传感领域，波分复用是系统最常见的复用方式之一，这种复用方式要求系统光源具有多个激光波长输出。通常，获得多波长激光输出最直接的方法是将几个具有不同波长的单波长激光器进行简单组合。但随着系统通信容量增加，网络规模变大，仅靠简单地增加单波长激光器数量会导致系统成本增高、功耗增加、复杂度增大等一系列问题。因此，发展结构简单的紧凑型多波长激光器成为必然趋势。

在众多激光器中，光纤激光器具有光束质量好、耦合效率高、易于集成、体积小、输出控制方便、插损小等优势，特别适用于光纤通信及光纤传感网络。多波长光纤激光器的工作原理与其实现方案有关，主要有以下几种实现方式：

1)通过构造多激光谐振腔实现多波长输出；

2)利用腔内梳状滤波装置实现多波长输出；

3)利用选择性反馈器件，如多级光栅串并联实现多波长选择输出；

4)利用光纤中传导模式差异和偏振态的变化实现多波长输出。

总的来说，首先要求增益介质能够实现在宽频带上的激光增益，这是实现宽频带上多波长光纤激光器的基础；其次采用不同的装置实现对多个波长的选择性振荡激射，这是实现多波长光纤激光器的关键。

目前，见诸报道的多波长光纤激光器多是基于掺铒光纤的环形腔激光器。由于环形腔较长，导致激光器纵模间隔很小，常常会出现多纵模振荡输出和模式跳变现象，严重影响激光器性能。为了抑制跳模，环形腔光纤激光器通常结构比较复杂，成本较高。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种结构紧凑、体积小、成本低的基于二维有源π相移光纤光栅的多波长光纤激光器。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种基于二维有源π相移光纤光栅的多波长光纤激光器，包括依次串联的泵浦源、波分复用器和谐振腔，所述谐振腔由二维有源π相移光纤光栅构成，所述二维有源π相移光纤光栅包括纤芯，所述纤芯包括两个以上子有源π相移光纤光栅，各子有源π相移光纤光栅与纤芯中心轴平行，各子有源π相移光纤光栅互不重叠且不共线。

各所述子有源π相移光纤光栅的折射率不同。

所述子有源π相移光纤光栅的纵模频率为：

其中，nk表示第k个子有源π相移光纤光栅的折射率，q表示纵模的模序数，c表示真空中的光速，lk为第k个子有源π相移光纤光栅构成的谐振腔的腔长，1≤k≤m，k为正整数，m为子有源π相移光纤光栅的数量。

所述二维有源π相移光纤光栅的光栅栅区为稀土离子掺杂光纤。

所述稀土离子掺杂光纤为掺铒光纤。

所述子有源π相移光纤光栅集成在纤芯的同一段光栅栅区。

所述多波长光纤激光器还包括隔离器和激光输出端口，所述隔离器连接于波分复用器和激光输出端口之间。

所述谐振腔为线性腔。

所述二维有源π相移光纤光栅的刻写包括以下步骤:

s1、二维相位掩膜板的制备：制作具有二维编码结构的二维相位掩膜板，所述二维相位掩膜板沿宽度方向依次间隔设有两个以上周期性结构，所述周期性结构与子有源π相移光纤光栅一一对应；

s2、刻写装置的搭建：将待刻写有源稀土离子掺杂光纤表面去除涂覆层，使用夹具系统夹持光纤，夹具系统通过位移系统调节光纤的水平度和垂直度，分别在光纤两侧安装二维相位掩膜板和表面涂敷有荧光物质的基底，二维相位掩膜板紧贴光纤并靠近准分子激光器一侧方向设置，基底与光纤间隔并远离准分子激光器一侧方向设置；

s3、刻写光斑和纤芯的对准：打开准分子激光器输出激光，激光经过整形光路的调整照射在二维相位掩膜板上形成刻写光斑，在基底上形成远场衍射条纹，观测远场衍射条纹，当光纤轴线和二维相位掩膜板的间隔线存在夹角α时，调节位移系统使光纤轴线和二维相位掩膜板的间隔线平行；

s4、打开宽谱光源和光谱仪，对光纤的透射光谱进行在线监测，光谱仪检测光谱输出透射光谱，根据透射光谱，实时微调光纤的水平角和上下位置，改变各周期性结构在纤芯上的分布直至各周期性结构在纤芯上均匀分布；

s5、监测透射光谱变化按预设需求控制刻写时间，对光纤进行刻写，获得二维有源π相移光纤光栅。

所述步骤s4中，当透射光谱中波长对应的凹陷下降程度不相等，且前一个凹陷下降程度大于后一个凹陷下降程度，向下微调光纤直至透射光谱中不同波长对应的凹陷下降程度相等或对称，否则，向上微调光纤直至透射光谱中不同波长对应的凹陷下降程度相等或对称。

所述步骤s5中，所述刻写时，根据光纤的预设子光栅参数，监测透射光谱变化，控制刻写时间，获得所需的二维有源π相移光纤光栅。

所述步骤s3中，所述整形光路包括依次设置的光阑、第一柱透镜、狭缝、第二柱透镜和第三柱透镜，所述光阑将激光变成长方形光斑，所述第一柱透镜将长方形光斑变成线性聚焦光斑，所述狭缝将聚焦光斑，进行空间滤波，所述第二柱透镜将聚焦光斑变成长方形均匀光斑，所述第三柱透镜将均匀光斑聚焦。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明提出了一种基于二维有源π相移光纤光栅的多波长光纤激光器，采用二维有源π相移光纤光栅为谐振腔，所述二维有源π相移光纤光栅包括纤芯，所述纤芯包括两个以上子有源π相移光纤光栅，各子有源π相移光纤光栅与纤芯中心轴平行且互不重叠。当泵浦源的泵浦光注入到由二维有源π相移光纤光栅构成的谐振腔中时，不同的子有源π相移光纤光栅将产生不同波长的单纵模激光振荡，实现多波长激光输出，本发明所提出的多波长光纤激光器具有结构简单、体积小、集成度高、灵活性好、不易出现跳模等显著优点，对于推动多波长光纤激光器发展具有重要意义。

相对于基于光纤粗加工的常规有源π相移光纤光栅仅在纤芯轴向方向上形成π相移折射率调制，本发明的二维有源π相移光纤光栅是对有源掺杂光纤进行的一种更加精细的加工。通过具有多个周期性结构的二维相位掩膜板的作用，使得刻写光斑具有二位编码结构。当刻写光斑作用于待刻光纤纤芯上时，在相同的纤芯尺度上，不仅轴向有折射率调制，在径向上也有，形成平行的多个子光栅结构，涉及到轴向和径向两个维度，基于光纤本质上又是立体结构，所以是立体空间的折射率调制，即本发明在纤芯小尺度三维空间施加立体空间调制，使得光纤光栅中光与物质的相互作用推广到复杂结构光场与复杂光学结构之间的相互作用，将光纤光栅从一维器件拓展到二维甚至三维器件，为复杂光场调控提供了新的手段，应用范围广。

本发明的二维有源π相移光纤光栅在刻写时，基于空间编码近场衍射一次光刻成型，为in-fiber小尺度复杂光学系统奠定了基础，可提高二维有源π相移光纤光栅刻写效率，降低光栅制作成本，有望实现批量化生产和应用。在刻写时，基于远场莫尔衍射条纹观测和在线光谱监测，可有效提高二维有源π相移光纤光栅质量，降低二维有源π相移光纤光栅制作难度。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明二维有源π相移光纤光栅的结构示意图。

图3是本发明具体实施例的二维有源π相移光纤光栅的结构示意图。

图4是本发明二维有源π相移光纤光栅刻写系统示意图。

图5是本发明光纤纤芯与衍射光对准关系示意图。

图6是本发明二维有源π相移光纤光栅刻写平台示意图。

图7是子栅区位置与透射光谱关系示意图。

图中各标号表示：1、泵浦源；2、波分复用器；3、二维有源π相移光纤光栅；31、纤芯；32、包层；311、子有源π相移光纤光栅；4、隔离器；5、激光输出端口；6、准分子激光器；7、光阑；8、第一柱透镜；9、狭缝；10、第二柱透镜；11、第三柱透镜；12、光学平台；13、二维相位掩膜板；131、周期性结构；132、间隔线；14、基底；15、光谱仪；16、宽谱光源；17、光纤位移调节模块；171、夹具；172、垂直位移调节件；173、左右位移调节件；174、前后位移调节件；18、干板夹；19、光窗；20、掩膜板位移调节模块。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。除非特殊说明，本发明采用的仪器或材料为市售。

如图1所示，本发明的一种基于二维有源π相移光纤光栅的多波长光纤激光器，包括依次串联的泵浦源1、波分复用器2和谐振腔，谐振腔由二维有源π相移光纤光栅3构成，二维有源π相移光纤光栅3包括纤芯31和包覆在纤芯31外的包层32，纤芯31包括两个以上子有源π相移光纤光栅311，各子有源π相移光纤光栅311与纤芯31中心轴平行，各子有源π相移光纤光栅311互不重叠且不共线。当泵浦源1的泵浦光注入到由二维有源π相移光纤光栅3构成的谐振腔中时，不同的子有源π相移光纤光栅311将产生不同波长的单纵模激光振荡，实现多波长激光输出，本发明具有结构简单、体积小、集成度高、灵活性好、不易出现跳模等显著优点，对于推动多波长光纤激光器发展具有重要意义。

不同于常规的单波长线性腔光纤激光器，如图1所示，本发明激光器的谐振腔主体为一段二维有源π相移光纤光栅3(如图2所示)，二维有源π相移光纤光栅3是一种在光纤径向和轴向上均具有复折射率调制的有源π相移光纤光栅。各个子有源π相移光纤光栅311的折射率沿轴向具有不同的周期性分布结构，因此具有不同的激光输出光谱特性，多个子有源π相移光纤光栅311综合起来就具有多波长激光输出光谱特性。

二维有源π相移光纤光栅3的光栅栅区为稀土离子掺杂光纤，一般为掺铒光纤。

子有源π相移光纤光栅311集成在纤芯31的同一段光栅栅区，本实施例中纤芯31包括两个子有源π相移光纤光栅311(如图3所示)。

多波长光纤激光器还包括隔离器4和激光输出端口5，隔离器4连接于波分复用器2和激光输出端口5之间。对于光纤通信和光纤传感应用而言，激光输出波长在c波段，因此，泵浦源1的中心波长一般为980nm。泵浦源1输出的980nm泵浦光通过980/1550nm波分复用器2注入到基于二维有源π相移光纤光栅3构成的谐振腔中，将在谐振腔中产生受激光放大，因此产生的c波段多波长激光将从波分复用器2的1550nm端口(即激光输出端口5，本实施例为跳线头)输出，激光输出端口5的隔离器4是用于防止反射光对谐振腔产生影响。

谐振腔为线性腔。

本实施例中，以三波长激光器为例，二维有源π相移光纤光栅3是通过在一段掺铒光纤的纤芯31中刻写平行分布的三个子有源π相移光纤光栅311实现的，这三个子有源π相移光纤光栅311对应的中心波长分别为λ1、λ2和λ3，其中λ1≠λ2≠λ3。在其他实施例中，子有源π相移光纤光栅311的数量大于2，如图3所示，子有源π相移光纤光栅311的数量为2。

常规的有源π相移光纤光栅仅有单一的光栅结构，对应唯一的中心波长，因此输出的是单波长光纤激光，其光波的纵模频率为：

其中，n表示激光谐振腔内介质的有效折射率，q表示纵模的模序数，取值为0,1,2…等整数，c表示真空中的光速，l为谐振腔的腔长。腔内相邻纵模间隔为线性腔光纤激光器的腔长一般在厘米量级，产生的通常是单纵模激光，即单波长激光。

在本发明中，谐振腔为二维有源π相移光纤光栅3。在二维有源π相移光纤光栅3的纤芯31区域，沿着纤芯31轴向上下平行分布有多个子有源π相移光纤光栅311，每个子有源π相移光纤光栅311的光栅结构参数不同，主要表现为每个子有源π相移光纤光栅311具有不同的有效折射率n，记为nk，k＝1,2,3…。因此，不同的子有源π相移光纤光栅311对应不同的纵模频率，可表示为

其中，nk表示第k个子有源π相移光纤光栅311的折射率，q表示纵模的模序数，c表示真空中的光速，lk为第k个子有源π相移光纤光栅311构成的谐振腔的腔长，1≤k≤m，k为正整数，m为子有源π相移光纤光栅311的数量。

本发明的工作原理是：

调节泵浦源1泵浦光的功率，使泵浦光功率输出超过可产生激光振荡的阈值功率，一般为100mw；

当泵浦光注入由二维有源π相移光纤光栅3构成的谐振腔中时，不同的子有源π相移光纤光栅311将产生不同波长的单纵模激光振荡，输出多波长单纵模光纤激光；

通过光谱仪即可监测多波长激光输出情况。

本发明的用于刻写二维有源π相移光纤光栅3的刻写装置，包括光学平台12、准分子激光器6、整形光路、夹具系统、位移系统、二维相位掩膜板13、宽谱光源16、光谱仪15，以及表面涂敷漂白剂的基底14；夹具系统(即光纤位移调节模块17的夹具171)用于夹持光纤并位于光学平台12上，位移系统(即光纤位移调节模块17的垂直位移调节件172、左右位移调节件173和前后位移调节件174)用于调节光纤的水平度和垂直度；二维相位掩膜板13紧贴光纤设置并与光纤平行，二维相位掩膜板13沿宽度方向依次间隔设有n个周期性结构131，周期性结构131与子有源π相移光纤光栅311一一对应，n为大于等于2的正整数；宽谱光源16连接于光纤一端，光谱仪15连接于光纤另一端；

准分子激光器6输出的激光光斑经过整形光路的调整后照射在二维相位掩膜板13上，在基底14上形成远场衍射条纹，观测远场衍射条纹，调节光纤位移调节模块17和掩膜板位移调节模块20调节光纤水平度和垂直度。

本实施例的二维相位掩膜板13不同于常规的一维相位掩膜板(常规的只有一种周期性结构)，本实施例的二维相位掩膜板13携带有二维编码信息，其信息量取决于周期性结构131的数量和形态，周期性结构131的数量取决于子有源π相移光纤光栅311的数量。

本发明利用二维相位掩膜板13的刻写原理是：

准分子激光器6产生的光斑经过二维相位掩膜板13将产生具有二维空间编码信息的近场衍射干涉条纹，若将待刻写光纤贴近于二维相位掩膜板13，则干涉条纹将在具有光敏性的纤芯31中形成永久性的折射率周期性扰动。通过选择合适的二维相位掩膜板13刻蚀深度，可以将0级衍射光抑制到入射光束光强的5％，而±1级衍射光能量达到入射光能量的40％左右，因此，若二维相位掩膜板13的周期是λmask(条纹周期)，则光栅的周期是λmask/2，与光源波长无关。通过更换不同的二维相位掩膜板13，即可实现具有不同光谱特性的二维有源π相移光纤光栅3刻写。

采用二维相位掩膜板13进行二维有源π相移光纤光栅3刻写的关键点有两个：一是二维编码衍射光斑的产生，二是刻写光斑与纤芯31的对准。准分子激光器6产生的紫外光光斑透过具有二维编码结构的二维相位掩膜板13后将产生单缝衍射和多缝干涉，若入射光覆盖二维相位掩膜板13的全部编码区，则产生的干涉条纹将携带二维相位掩膜板13的全部编码信息，即干涉条纹具有多条纹平行分布结构，这样的条纹光斑具有一定的空间尺寸，光斑只有与纤芯31进行精确对准，才能在波长尺度对纤芯31进行精细微加工。

在刻写时，基于远场莫尔衍射条纹观测可有效解决上述两关键点。其基本原理如下：

如图4所示，用于光栅刻写的紫外光光斑经过扩束、准直和聚焦后，依次通过二维空间编码的二维相位掩膜板13、紧贴二维相位掩膜板13后表面的待刻写单芯光纤后发生菲涅尔近场衍射。待刻单芯光纤在远场出现垂直于光纤轴向的扩展条纹，与此同时，二维相位掩膜板13各周期性结构131之间的间隙(记为间隙线132)约在μm量级，可近似为符合衍射条件的单缝，周期性结构131同样在远场产生垂直于该单缝的扩展条纹，上述扩展条纹(即衍射条纹图样)照射在含有漂白剂的基底14(本实施例为普通白纸)上，通过激发可见的绿色荧光使得衍射条纹图样可被人眼所见。

在实际操作中，光纤与近似为单缝的周期性结构131之间的间隔线132可能不会处于平行状态，如图5(a)所示。当光纤轴线相对于间隔线132之间存在的微小角度α时，在基底14上观测到的远场莫尔衍射条纹如图5(c)所示。随着光纤和周期性结构131之间的间隔线132(即二维相位掩膜板13)之间夹角α的变化，远场莫尔衍射条纹的间隔(或周期)也随之而变化。通过调节图6中所示精密位移平台可改变光纤的水平角和上下位置，最终使角度α为零，如图5(b)所示，此时远场莫尔衍射条纹如图5(d)所示，说明光纤与周期性结构131之间的间隔线132基本平行，即实现了刻写光斑与纤芯31的对准。同时，通过对比光纤衍射主极大与二维相位掩膜板13间隔线132之间的纵向位置，可使需要的刻写光斑经过第三柱透镜11聚焦后落在光纤的中心纤芯31位置。

本实施例二维有源π相移光纤光栅3包括三个步骤：二维相位掩膜板13的制备，刻写装置的搭建，光纤光栅的监测刻写。

一、本实施例的二维相位掩膜板13的制备过程为：

1)利用辉光放电原理将氩气分解为氩离子；

2)氩离子经过阳极电场的加速对样品表面进行物理轰击，导致光刻胶被移开或从表面上被除掉，从而将基质材料暴露。

二、本实施例的刻写系统和平台的搭建

搭建基于紫外光刻相位掩膜法的二维有源π相移光纤光栅刻写系统，调节光路，产生具有空间编码结构的衍射光，具体实现过程为：

1)按照图4所示系统示意图在光学平台12上搭建光路，包括光阑7、第一柱透镜8、狭缝9、第二柱透镜10和第三柱透镜11；

2)打开准分子激光器6，使其输出248nm紫外激光；

3)调节光阑7，使紫外光经过光阑7后变为长方形光斑；

4)长方形光斑经过第一柱透镜8获得线状聚焦光束，调节狭缝9位置至第一柱透镜8焦点处，对聚焦光斑进行空间滤波；

5)调节第二柱透镜10位置，使狭缝9和第二柱透镜10之间的间距为第二柱透镜10的一倍焦距，从而获得经过整形后的长方形、均匀的光斑；

6)将二维相位掩膜板13放置在第三柱透镜11后合适位置，用干板夹18夹紧，保持二维相位掩膜板13与光学平台12垂直；

7)经过第二柱透镜10准直后的长方形均匀光斑经过第三柱透镜11聚焦后照射在二维相位掩膜板13上，在二维相位掩膜板13后表面产生±1级衍射形成干涉条纹。

三、光纤光栅的监测刻写

开始二维有源π相移光纤光栅3制备和刻写质量在线监测，具体实现过程为：

1)将待刻有源稀土离子掺杂光纤去除涂覆层，使裸纤暴露长度略大于二维相位掩膜板13长度，完成待刻写光纤的制备；

2)将待刻光纤两端含有涂覆层的部分分别夹持于二维相位掩膜板13两侧的两个光纤位移调节模块17上，光纤位移调节模块17位于光学平台12上，光纤位移调节模块17用于调节光纤的位置，本实施例光纤位移调节模块17为六自由度精密光纤准直台；在光纤位移调节模块17上设有用于夹持光纤的夹具171、用于调节光纤垂直位移的垂直位移调节件172、用于调节光纤左右位移的左右位移调节件173以及用于调节光纤前后位移的前后位移调节件174。二维相位掩膜板13和光窗19通过干板夹18夹持，光纤位于二维相位掩膜板13和光窗19之间，干板夹18下方设有用于调节掩膜板位置的掩膜板位移调节模块20。本实施例，掩膜板位移调节模块20为六自由度精密光纤准直台；

3)微调光纤位移调节模块17，并使用可移动的可视电子显微镜观察待刻写光纤裸纤部分与二维相位掩膜板13的相对距离，使各处距离相等；

4)在距离光纤大于1米处垂直于紫外光束平面上放置含有漂白剂的普通白纸作为基底14，调节准分子激光器6的激光参数，使重复频率低于1hz、激光功率降低到可在白纸上观察到明显的蓝色荧光即可；在其他实施例中，基底14位于整形后光斑的远场区即可取得相同或相似的技术效果；

5)微调光纤位移调节模块17和掩膜板位移调节模块20，直至基底14上光纤的衍射条纹与子栅区(二维相位掩膜板13周期性结构131)和间隔线132衍射条纹平行；

6)通过微调光纤位移调节模块17在垂直方向整体移动光纤，观察衍射条纹，使得需要的子栅区与待刻写光纤的衍射条纹主极大位置重合；

7)调节准分子激光器6的脉冲功率、重复频率等参数以满足光栅刻写要求，如，设置脉冲功率为120mj，重复频率为10hz，启动紫外光；

8)按图4所示，将宽谱光源16和光谱仪15连接到待刻写光纤两端，通过光谱仪15观察光纤透射谱，按照上述子栅区位置与透射光谱关系的示意图，判断子栅区落在纤芯31处的实际位置，通过微调光纤位移调节模块17在垂直方向微调光纤，逐步修正透射光谱；

9)根据需要的光栅参数，通过监测透射光谱控制刻写时间获得所需的二维有源π相移光纤光栅3，如刻写1分钟，光纤光栅的反射率将达到20db(刻写时间越长，光栅反射率越高)。

刻写时，利用光谱仪15实时监测光谱输出，分辨各子栅区所对应透射或反射波长处能量的相对比例，可实时微调光纤的水平角和上下位置，以改变各子栅区在纤芯31上分布的均匀程度。

本实施例中，考察图7(a)、(c)、(e)背景中间最亮的白色区域和各子光栅结构的位置关系，图7(a)为光纤位置相对二维相位掩膜板13位于λ1、λ2子栅区(周期性结构131)正中，λ1、λ2子光栅均匀落在背景中间的白色区域，λ3子光栅没有落在中间的白色区域，此时图7(b)中透射光谱出现两个波长对应的凹陷，且下降程度相等(在每个凹陷都有一个小尖端凸起，与π相移的特性相符合)；图7(c)中光纤位置靠近λ1子栅区，λ1子光栅完全落在白色区域，λ2只有一部分落在白色区域，所以λ1的透射峰更强，图7(d)中透射谱光波长λ2对应凹陷处光功率下降程度减弱。图7(e)中光纤位于λ2子栅区正中，λ2子光栅在白色背景区域的最中间，λ1和λ3只有一部分落在白色区域，λ2的透射峰最大，λ1和λ3较小，图7(f)中对应出现三个透射凹陷区，其中透射微调谱波长λ2位于中央，对应凹陷处光功率下降程度最大。

通过远场莫尔衍射条纹观测和在线光谱监测、判别，实现对二维有源π相移光纤光栅3刻写质量的在线监测。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。