光纤激光放大器系统受激布里渊散射抑制方法

摘要

本发明提供一种光纤激光放大器系统受激布里渊散射抑制方法，光纤激光放大器系统包括种子源以及光纤放大器，通过将倾斜光纤光栅接入光纤放大器中，利用倾斜光纤光栅在布里渊波段的高损耗性，对输入倾斜光纤光栅中的激光进行滤波，以抑制受激布里渊散射。倾斜光纤光栅其在布里渊波段具有高损耗性，对光纤激光放大器系统产生的后向的Stokes信号光具有较好的抑制效果，能够提升光纤激光放大器系统整体的SBS阈值，并使得由于高功率后向光对光纤激光放大器系统造成的风险大大减弱，改善光纤激光放大器系统的性能。

说明书

技术领域

本发明属于光纤激光器技术领域，尤其涉及一种光纤激光放大器系统受激布里渊散射抑制方法。

背景技术

光纤激光放大器具有效率高、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。在引力波探测、非线性频率转换、光束合成等特殊应用领域，对光纤激光器的功率、线宽和偏振态都有特殊的要求。高功率窄线宽光纤激光放大器是满足这些特殊应用的有效光源。

对于高功率窄线宽光纤激光放大器，由于光纤长度较长，光纤纤芯截面积较小，当传输功率达到一定水平后，很容易产生各类非线性效应。在各种非线性效应中，受激布里渊散射(SBS)的阈值最低，是目前窄线宽放大器功率提升的首要限制因素。受激布里渊散射(SBS)效应会在光纤激光放大器中产生高功率的后向Stokes光，导致光纤激光放大器输出效率下降，严重影响光纤激光放大器的正常工作，并且对前级器件造成损害。

目前，已经有许多方法被提出以抑制受激布里渊散射(SBS)效应。目前应用比较多的主要有增大光纤有效模场面积、利用高掺杂或大模场光纤以减小光纤有效长度、相位调制展宽种子激光线宽和展宽布里渊增益谱抑制。其中，前两者受限于光纤的制作工艺，并且光纤模场面积较大会使得模式不稳定(MI)效应的阈值较低，不利于光纤激光放大器的稳定性和功率提升，应用仍十分有限。通过主动相位调制展宽种子激光线宽抑制受激布里渊散射(SBS)效应的方法,需要引入额外的电学调制器件，而且后续还需要进行线宽压窄，系统很复杂。通过施加温度、应力梯度展宽布里渊增益谱抑制受激布里渊散射 (SBS)效应的方法，控制难度较大，而且很容易受外界因素的影响，系统也比较复杂。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种光纤激光放大器系统受激布里渊散射抑制方法。

为实现上述技术目的，本发明的技术方案是：

光纤激光放大器系统受激布里渊散射抑制方法，光纤激光放大器系统包括种子源以及光纤放大器，通过将倾斜光纤光栅接入光纤放大器中，利用倾斜光纤光栅在布里渊波段的高损耗性，对输入倾斜光纤光栅中的激光进行滤波，以抑制受激布里渊散射。倾斜光纤光栅其在布里渊波段具有高损耗性，对光纤激光放大器系统产生的后向的 Stokes信号光具有较好的抑制效果，能够提升光纤激光放大器系统整体的SBS阈值，并使得由于高功率后向光对光纤激光放大器系统造成的风险大大减弱，改善光纤激光放大器系统的性能。

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信号光两种成分。

所述光纤放大器包括信号泵浦合束器和掺杂光纤，在信号泵浦合束器和掺杂光纤之间接入倾斜光纤光栅。所述倾斜光纤光栅其两端通过熔接的方式分别与信号泵浦合束器的输出尾纤以及掺杂光纤的输入端连接。或者所述倾斜光纤光栅直接制备在掺杂光纤上，即在掺杂光纤光纤上刻写倾斜光纤光栅，刻写有倾斜光纤光栅的掺杂光纤与信号泵浦合束器的输出尾纤连接。

进一步地，所述光纤放大器包括n级光纤放大器，n≥1。在各级光纤放大器中的信号泵浦合束器和掺杂光纤之间均接入倾斜光纤光栅，利用倾斜光纤光栅其在布里渊波段的高损耗性，对输入各级光纤放大器其倾斜光纤光栅中的激光进行滤波，以抑制受激布里渊散射效应，提升各级光纤放大器的工作效率，同时能够起到一定的级间隔离作用，对后向Stokes信号光具有较强的衰减作用。同时，为了进一步减小熔接损耗，在各级光纤放大器中，可以将倾斜光纤光栅直接制备在掺杂光纤上以进一步提升各级光纤放大器性能。为进一步提高抑制效果，在各级光纤放大器中，可通过增加倾斜光纤光栅数目的方式，来进一步提高抑制比。即将多个参数相同的倾斜光纤光栅通过熔接的方式彼此串联在一起后接入各级光纤放大器中的信号泵浦合束器和掺杂光纤之间。通过对倾斜光纤光栅数目的控制，可以做到对抑制比的灵活调整。

倾斜光纤光栅是在纤芯中沿光纤轴向呈现周期性的折射率调制，但是其光栅平面与光纤的切向呈一定倾角。由于倾斜角度的存在，除了存在前向与后向传输的纤芯模间的耦合外，还存在前向传输的纤芯模与后向传输的包层模或辐射模(假设包层直径无限大的情况下)间的耦合。在倾斜光纤光栅的透射光谱中短波区域会出现许多分立的谐振峰。这些分立的谐振峰带宽均在0.2nm量级，可将其作为光纤光栅极窄带滤波器使用。这样可以将特定波长的纤芯光滤除到包层中去。通常，影响倾斜光纤光栅透射谱特性的因素有光栅周期、倾斜角度、调制深度等，通过对这些因素的选取平衡，可以对其谐振峰波长范围进行调节，并将其作为光纤光栅滤波器使用。类比于Bragg光纤光栅的谐振条件，对于普通的Bragg光纤光栅，满足Bragg衍射条件的谐振波长可以表示为：

其中是纤芯模的有效折射率，Λ_g是光栅周期。可以看出光栅周期决定光栅中心波长。对于倾斜光纤光栅，其Bragg谐振波长表达式为：

式中，θ为倾斜光纤光栅倾斜角度。由于倾角的存在，其布拉格谐振波长会发生改变，同时会有部分前向传输的纤芯模耦合到反向传输的包层模中，其谐振波长可表达为:

其中是第i阶包层模的有效折射率。

光栅周期决定光栅中心波长。目前，对于光纤振荡器常用工作波长1、1.5、2微米，均可通过对光栅周期的调整以实现倾斜光纤光栅工作波长的覆盖。随着倾斜角度的增大，会出现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。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布里渊Stokes信号光的重要指标。倾斜光纤光栅的调制深度越强，透射峰深度越深，意味着对布里渊 Stokes信号光的滤除效果越好。倾斜光纤光栅可以达到的最大调制深度主要取决于刻写倾斜光纤光栅所采用的光纤的光敏量，光纤的光敏量越大，其刻写倾斜光纤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，对待刻写倾斜光纤光栅的光纤选择合适的载氢时间。但是，过大的倾斜角度会使倾斜光纤光栅刻写的难度增加，因此要根据所需的工作波长合理选择倾斜角度，以达到最佳的滤除效果。通常，SBS效应发生时，其光谱上Stokes 信号光与信号光的间隔在0.08nm量级，可根据此对倾斜光纤光栅的参数进行计算。通常，对于倾斜光纤光栅，考虑到倾斜后其有效折射率可取1.443，根据波长与周期的对应关系λ＝2n_effΛ，可计算倾斜光纤光栅其光栅周期。对于倾斜光纤光栅的倾斜角度，考虑到波长间隔、刻写难易程度等各种因素，一般取4-6°之间；具体取值应根据实际刻写制作出的倾斜光纤光栅光谱进行取舍。

SBS效应的产生可以描述为泵浦光和Stokes信号光通过声波场进行的非线性相互作用。当泵浦光功率达到一定水平时会引起光纤中折射率光栅的产生，该光栅通过布拉格衍射散射泵浦光，形成后向 Stokes信号光。后向Stokes信号光与泵浦光发生干涉，通过电致伸缩效应产生声波，声波场反过来调制介质折射率并增强对泵浦激光的后向散射。通过倾斜光纤光栅引入Stokes信号光波长附近的损耗，即使光纤激光器中泵浦光的功率密度达到其功率阈值，将产生的Stokes 信号光被损耗掉，不会产生明显的受激布里渊散射现象，在更高的功率水平下才能看到明显的受激布里渊散射现象，从而获得较高的SBS 阈值。因此，通过调整倾斜光纤光栅的倾斜角度，使其透射谱上Stokes 信号光波长附近损耗较大，在光纤放大器中能够显著抑制后向Stokes 信号光的强度；同时，在信号光波长附近，损耗极小，不会引入更高的其他损耗以影响放大器效率，使得在更高的输出功率下才能观察到SBS，从而达到抑制SBS的目的，提高放大器的SBS阈值，从而改善放大器的输出特性。

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，泵浦光经由高反光栅注入到掺杂光纤中，掺杂光纤能够吸收泵浦光并激发出信号光，并经由低反光栅输出；种子源输出信号光经光纤放大器中的信号泵浦合束器注入到光纤放大器中的掺杂光纤中，信号泵浦合束器的泵浦光也注入到光纤放大器中的掺杂光纤中被经掺杂光纤吸收，泵浦光迅速向信号光转化，当光纤放大器中的信号光强度超过一定阈值时，会产生SBS效应，此时继续注入掺杂光纤的泵浦光会迅速向Stokes光转化，形成较强的后向Stokes光，包含有信号光和后向Stokes光两种光的激光经过倾斜光纤光栅时，由于倾斜光纤光栅光纤在信号光波长处损耗小，在Stokes 信号光波长处具有高损耗性，激光中的Stokes信号光耦合至光纤包层并散失掉，激光中的Stokes信号光强度会产生衰减，从而抑制受激布里渊过程的产生，使得在更高的一级放大功率条件下才能产生受激布里渊过程，从而达到提高SBS阈值的作用。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、倾斜光纤光栅制作简便，可根据实际需要灵活调整光栅周期、倾斜角度、调制深度等参数，以匹配不同的抑制波段。

2、倾斜光纤光栅在信号光波长处损耗小，在Stokes信号光波长处具有高损耗性。同时倾斜光纤光栅方便在不同类型光纤上进行制备，稳定性好，应用范围广泛。倾斜光纤光栅可直接在掺杂光纤上制备，进一步减小整体损耗。

3、通过控制熔接串联的倾斜光纤光栅的数目，灵活调整抑制比。

4、倾斜光纤光栅的加入对后向Stokes信号光能够起到很好的隔离作用。

附图说明

图1为本发明的实施例1的示意图；

图2为本发明的实施例2的示意图；

图3为本发明的实施例3的示意图；

图4为本发明的实施例4的示意图；

图5为本发明中使用的倾斜光纤光栅的原理示意图；

图6为本发明中使用的倾斜光纤光栅的典型透射谱图及局部放大图；

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。高光纤激光放大器系统包括种子源8以及第一级光纤放大器9，所述第一级光纤放大器9包括信号泵浦合束器10和掺杂光纤4，在信号泵浦合束器10和掺杂光纤 4之间接入倾斜光纤光栅6。通过将倾斜光纤光栅6接入第一级光纤放大器9中，利用倾斜光纤光栅6在布里渊波段的高损耗性，对输入倾斜光纤光栅6中的激光进行滤波，以抑制受激布里渊散射。

种子源8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1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。倾斜光纤光栅6通过熔接的方式连接在第一级光纤放大器9中的信号泵浦合束器10和掺杂光纤4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。

泵浦LD光源1提供产生激光所必需的泵浦光，泵浦光经由泵浦合束器2耦合至高反光栅3处。高反光栅与低反光栅仅仅在信号光波长处，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3注入到掺杂光纤4中，掺杂光纤通常掺杂镱等稀土元素，掺杂光纤4能够吸收泵浦光并激发出信号光，并经由低反光栅5输出。种子源输出信号光经第一级光纤放大器9中的信号泵浦合束器10注入到第一级光纤放大器9中的掺杂光纤4中，信号泵浦合束器10的泵浦光也注入到第一级光纤放大器9中的掺杂光纤4中被经掺杂光纤4吸收，泵浦光迅速向信号光转化。当光纤放大器中的信号光强度超过一定阈值时，会产生SBS效应，此时继续注入掺杂光纤的泵浦光会迅速向Stokes光转化，形成较强的后向Stokes光，如图1中空心箭头所示。包含有信号光和后向Stokes光两种光的激光经过倾斜光纤光栅6时，由于倾斜光纤光栅光纤6在信号光波长处损耗小，在Stokes信号光波长处具有高损耗性，激光中的Stokes信号光耦合至光纤包层并散失掉，激光中的Stokes信号光强度会产生衰减，从而抑制受激布里渊过程的产生，使得在更高的一级放大功率条件下才能产生受激布里渊过程，从而达到提高SBS阈值的作用。

倾斜光纤光栅6由于其独特的模式耦合特性，光纤纤芯内传输的 Stokes信号光会与包层中的模式相互耦合，导致其耦合至光纤包层并散佚掉，使得6在Stokes信号光波长处存在一带宽极窄的损耗谱，激光中的Stokes信号光强度会产生衰减，如图1中实心箭头所示。这样，通过在Stokes波长处引入高损耗，对Stokes信号强度进行衰减，从而抑制受激布里渊过程的产生。使得在更高的一级放大功率条件下才能产生受激布里渊过程，从而达到提高SBS阈值的作用。倾斜光纤光栅6的加入，对后向Stokes光有抑制作用，从而降低风险，并起到隔离作用。为了进一步提升放大器SBS抑制效果，多个参数相同的倾斜光纤光栅可以通过熔接的方式串联起来后接入光纤放大器中的信号泵浦合束器和掺杂光纤之间，其抑制比相当于多个倾斜光纤光栅抑制比的叠加。通过对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。与实施例1的不同之处在于，实施例2中，第一级光纤放大器9中的倾斜光纤光栅6直接制备在掺杂光纤4上即在掺杂光纤4上刻写倾斜光纤光栅6，刻写有倾斜光纤光栅6的掺杂光纤4与信号泵浦合束器10的输出尾纤连接。其抑制过程以及原理与实施例1相同，在此不在赘述。

图3是本发明实施例3的结构示意图。图3所示的实施例中，在图1或2所示实施方式的基础上，引入第2级光纤放大器11，即n＝2。在第一级光纤放大器9以及第2级第一级光纤放大器11中的信号泵浦合束器10和掺杂光纤4之间均接入倾斜光纤光栅6。

经过第1级第一级光纤放大器9放大后，第1级第一级光纤放大器9的输出激光功率已经较高，甚至可能已经达到拉曼阈值，其中残留的Stokes信号光强度同样也被放大，光纤激光功率已经较高，甚至可能已经达到SBS阈值，经过二级光纤放大器放大之后，极有可能有较强的后向Stokes信号，如图中空心箭头所示。当其经过二级光纤放大器中的倾斜光纤光栅6时，由于其独特的模式耦合特性，光纤纤芯内传输的Stokes信号会与包层中的模式相互耦合，导致其耦合至光纤包层并散佚掉，使得倾斜光纤光栅6在Stokes信号光波长处存在一带宽极窄的损耗谱，激光中的Stokes信号强度会产生衰减，如图中实心箭头所示。通过对倾斜光纤光栅6的光栅周期、倾斜角度、调制深度等参数的调整，使其Stokes波长处存在一极窄带损耗谱，对Stokes信号强度进行衰减，在Stokes光产生并传输的整个过程中，对其进行抑制，从而达到提高SBS阈值的作用。在第一级光纤放大器9以及第2级第一级光纤放大器11中均加入倾斜光纤光栅6后，既能提升第2级第一级光纤放大器效率，同时能够起到一定的级间隔离作用，对后向Stokes信号光具有较强的衰减作用，对种子源和第一级光纤放大器均起到保护作用。

图4是本发明实施例4的结构示意图。图4所示的实施例中，在图3所示实施方式的基础上，引入第3级光纤放大器12，即n＝3。在第一级光纤放大器9、第2级第一级光纤放大器11以及第3级光纤放大器12中的信号泵浦合束器10和掺杂光纤4之间均接入倾斜光纤光栅6。其抑制过程以及原理与实施例3类似，在此不在赘述。

图5为本发明中使用的倾斜光纤光栅的原理示意图。与普通 Bragg光纤光栅类似，倾斜光纤光栅也是在纤芯中沿光纤轴向呈现周期性的折射率调制，不同之处是光栅平面与光纤的切向呈一定倾角。由于倾斜角度的存在，除了存在前向与后向传输的纤芯模间的耦合外，还存在前向传输的纤芯模与后向传输的包层模或辐射模(假设包层直径无限大的情况下)间的耦合。在倾斜光纤光栅的透射光谱中短波区域会出现许多分立的谐振峰，这就是纤芯模与包层模间的耦合现象。

图6为本发明使用的倾斜光纤光栅的典型透射谱及局部放大图，其波段选为抑制1064nm激光的后向Stokes信号光波长1064.06nm。实际使用中，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。

当接入倾斜光纤光栅时，在较高的泵浦功率下，才能观察到明显的Stokes回光，SBS阈值有了明显提升；随着泵浦功率的进一步提升，Stokes回光的功率相比于未接入光栅时，有着明显下降，并且随着倾斜光纤光栅熔接串联数目的增加，Stokes回光功率可进一步下降。

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。