用于受激拉曼散射抑制的有源光纤长周期光栅及其制作

摘要

本发明公开了一种用于脉冲激光受激拉曼散射抑制的有源光纤长周期光栅及其制作方法，所述长周期光栅基于有源光纤通过逐点拉锥的方式制作而成，且该有源光纤上级联不少于一个所述长周期光栅，所述有源光纤上级联长周期光栅后用于脉冲激光放大，脉冲激光放大后输出总功率与级联前相比衰减小于1dB，拉曼光功率下降超过15dB。本发明通过直接在高功率脉冲激光器放大端的有源光纤上制作长周期光栅，在不增加熔接点与系统复杂度的情况下，有效的抑制受激拉曼散射，降低损耗，提高系统集成度。

说明书

技术领域

本发明涉及脉冲光纤激光器及放大器，特别涉及一种用于脉冲激光受激拉曼散射抑制的有源光纤长周期光栅及其制作方法。

背景技术

与传统激光器相比，光纤激光器作为新型激光器，具有转换效率高、体积小、光束质量好等优势。尤其是光纤脉冲激光器，其中超短脉冲激光器在光纤通信，光纤传感，工业加工，生物医学等领域具有重要应用。尤其是可以实现高功率输出的掺镱光纤脉冲激光器由于其体积小，成本高，容易实现高功率等优点，使其在工业加工应用中具有非常大的应用潜力。但是由于在对脉冲激光放大时，功率越高，脉宽越短，脉冲激光的峰值功率也就越高，其非线性效应就越明显。其中由于受激拉曼散射造成的脉冲激光功率损失成为制约高功率脉冲激光器发展的一个重要因素。

一般的情况下，可以通过加大纤芯包层比例，从而减小非线性效应，从而抑制受激拉曼散射的产生,例如专利CN104300344A中以提到这种方法。但是通过增加光纤直径抑制受激拉曼散射，会导致激光的光束质量下降。通过采用作为长周期光栅作为带阻滤波器抑制受激拉曼散射的产生，在已有文献“Suppression of stimulated Raman scattering employing long period gratings in double-clad fiber amplifiers”中提到。该方法通过在高功率脉冲激光器脉的放大端，在有源光纤中间熔接多个长周期光栅来抑制非线性效应导致的受激拉曼散射。但是由于这种方法采用的长周期光栅是刻写于无源双包层光纤上，会对放大端增加多个熔接点增大激光损耗，同时，添加额外的器件也增加了整个脉冲激光器系统的复杂度。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于有源光纤长周期光栅的脉冲激光受激拉曼散射抑制的方法，其目的在于直接在高功率脉冲激光器放大端的有源光纤上制作长周期光栅，在不增加熔接点与系统复杂度的情况下，有效的抑制受激拉曼散射，降低损耗，提高系统集成度，由此解决现有技术通过在有源光纤中间熔接多个长周期光栅来抑制受激拉曼散射会对放大端增加多个熔接点增大激光损耗，同时，添加额外的器件也增加了整个脉冲激光器系统的复杂度的技术问题。

本发明的有源光纤长周期光栅制作及使用必须坚持两个原则：1、在脉冲激光器的放大端应采用多个长周期光栅级联对受激拉曼抑制，而不是简单的在放大端光纤末端简单利用长周期的滤除作用2、在有源光纤上制作的长周期光栅不应对激光放大后的总输出功率造成较大损耗。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用于脉冲激光受激拉曼散射抑制的有源光纤长周期光栅，所述长周期光栅基于有源光纤制作而成，且该有源光纤上级联不少于一个所述长周期光栅，所述长周期光栅最低阶谐振峰波长与脉冲激光器放大端激发的拉曼散射光的波长一致。

优选地，所述有源光纤上级联长周期光栅后用于脉冲激光放大，脉冲激光放大后输出总功率与级联前相比衰减小于1dB，拉曼光功率下降超过15dB。

按照本发明的另一个方面，提供了一种用于脉冲激光受激拉曼散射抑制的有源光纤的长周期光栅的制作方法，通过逐点拉锥的方式在有源光纤上制作级联长周期光栅。

优选地，所述的制作方法，其包括如下步骤：

(1)寻找受激拉曼散射光的波长：对原脉冲激光器的放大部分进行光谱测量，确定受激拉曼散射光的波长，并记录不同放大功率下，对应的受激拉曼光谱；

(2)在有源光纤上制作长周期光栅：通过逐点拉锥的方式在有源光纤上制作一个长周期光栅；所述有源光纤的长度与所述原脉冲激光器放大部分的长度相同；

(3)调整长周期光栅的周期：调整步骤(2)所述的长周期光栅的周期，使所述长周期光栅的最低阶谐振波长与步骤(1)所述受激拉曼散射光的波长一致；

(4)级联长周期光栅：在所述有源光纤上按照步骤(2)的方法制作级联长周期光栅。

优选地，步骤(2)包括如下子步骤：

(2-1)在所述有源光纤的两端各熔接一段单模跳线，一端跳线接入宽带光源，一端跳线接入光谱仪；

(2-2)将步骤(2-1)所述有源光纤剥除涂覆，清洁后放入二氧化碳激光器的夹具中，夹紧并保持绷直状态，设置激光器参数，选定长周期光栅的一个经验周期，启动激光器对所述有源光纤进行逐点拉锥制作长周期光栅。

优选地，步骤(2-1)中所述宽带光源为超连续谱光源。

优选地，步骤(2-2)利用透镜对所述激光器的激光光斑进行扩束。

优选地，步骤(2-2)采用分光镜和反射镜，将单束激光分束为两束，对所述光纤加热。

优选地，步骤(3)所述调整步骤(2)所述的长周期光栅的周期的具体方法为：如果步骤(2)所述长周期光栅的谐振波长出现在所述受激拉曼散射光的波长对应的短波方向，则增大所述长周期光栅的周期；反之则减小该周期，多次试验直到所述受激拉曼散射光的波长与所述长周期光栅的最低阶谐振峰的波长一致；优选地，同时使所述长周期光栅的其它谐振峰避开所述原脉冲激光器放大部分的泵浦光及脉冲激光的两个波段。

优选地，对制作后的长周期光栅进行再涂覆，并放入固定具中保持绷直状态。

优选地，进行所述再涂覆时采用低折射率涂料。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果。

1本发明由于是直接在原有源光纤上制作长周期光纤，使得整个激光器系统简单化，集成度更高，不增加额外熔接点长，从而大幅度减少插入损耗。

2一般抑制拉曼散射是利用芯径更大的有源光纤，减小非线性散射，从而抑制拉曼散射的产生，但是芯径越大，支持的激光模式越多，从而导致输出激光的光束质量恶化。本方法采用可以芯径更小的光纤实现拉曼抑制，避免大芯径有源光纤造成的光束质量恶化。

3相对于一般滤波器只是在放大端末端简单的滤波，具有能量损失，本发明采用多个长周期光栅级联，抑制拉曼散射的产生，避免产生的拉曼散射光参与后期放大，具有较小的能量损失。

附图说明

图1为本发明实施例1的有源光纤长周期光栅制作示意图；

图2为本发明实施例1制作的有源光纤长周期光栅示意图；

图3为本发明实施例1的有源光纤长周期光栅用于脉冲激光器放大；

图4为本发明实施例1的有源光纤长周期光栅光谱图；

图5(a)为未采用本发明实施例1制作的长周期光栅放大激光及拉曼散射光谱；图5(b)为采用该长周期光栅后拉曼散射抑制图。

其中，1-左马达；2-二氧化碳激光器光纤夹具；3-去涂覆掺镱双包层光纤；4-长周期光栅；5-二氧化碳激光；6-右马达；7-重新涂覆部分；8-长周期光栅固定具；9-原始带涂覆掺镱双包层光纤；10-脉冲激光器放大部分泵浦源；11-脉冲激光器种子部分；12-合束器；13-级联长周期光栅；14-刻有长周期光栅的掺镱双包层光纤。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明通过直接在同一段有源光纤上制作多个长周期光栅，每个长周期光栅具有一定的间隔。将刻有长周期光栅的有源光纤用于脉冲激光的放大端的时候，由于脉冲激光具有较高的峰值功率，在放大过程中很容易产生受激拉曼散射，但该受激拉曼散射光的波长与长周期光栅的谐振波长一致，其能量会由纤芯耦合到包层中，而包层激光的限制损耗远大于纤芯，该能量会被迅速损耗掉，无法参与到后期的放大中。由于在整段有源光纤上采用了多个长周期光栅级联，对受激拉曼散射层层抑制，从而大幅度降低的拉曼散射的产生。同时由于长周期光栅在脉冲激光对应的波长处并不产生损耗，因此对激光光的输出并不产生影响。

本发明制作的长周期光栅适用于小芯径有源光纤脉冲激光受激拉曼散射的抑制。本发明提供的一种用于脉冲激光受激拉曼抑制的有源光纤长周期光栅的制作方法，包括以下步骤：

(1)寻找受激拉曼峰的波长：由于不同激光器种子部分输出波长不同，放大光纤类型也不同，在前期过程中需要精确确定其受激拉曼散射对应的波段。因此对原激光器的放大部分进行光谱测量，确定拉曼散射光的精确波长。并记录不同放大功率下，对应的受激拉曼光谱。

(2)在有源光纤上制作长周期光栅：通过逐点拉锥的方式在有源光纤上制作一个长周期光栅；所述有源光纤的长度与所述原脉冲激光器放大部分的长度相同。

由于大部分有源光纤纤芯并没有掺锗，不能采用紫外激光刻写光栅，因此本专利着重阐述使用二氧化碳激光对有源光纤进行逐点拉锥的方式制作长周期光栅。首先采用一段与脉冲激光器放大端相同的有源光纤，在其两端各熔接一段单模跳线。一端跳线接入宽带光源，一端跳线接入光谱仪，这样可以实时观测光栅刻写期间光谱的变化。将这段有源光纤剥除涂覆，使用酒精清洁，放入二氧化碳激光器的夹具中，夹紧并保持绷直状态。设置激光器参数，选定长周期光栅的一个经验周期，比如500μm，启动激光器对光纤进行逐点拉锥制作长周期光栅，此时在光谱上某一特定波段会出现损耗峰。长周期光栅制作结束后，取下光栅并保持绷直状态，并记录其对应的波长，此时制作的长周期光栅谐振波长不一定是受激拉曼散射对波长。

(3)调整长周期光栅的周期：针对步骤(2)寻找到长周期谐振波长与设置的周期，如果该波长出现在拉曼峰波长对应的短波方向，则增大周期；如果该波长出现在拉曼峰波长对应的长波方向，则减小周期，多次试验后直到拉曼峰对应波长与长周期光栅谐振波长完全一致时，即得到最佳周期并记录。

(4)有源光纤级联多个长周期光栅并封装：选取与脉冲激光器放大端相同长度的有源光纤，采用步骤(2)的方法在有源光纤上每隔一段距离刻写一个长周期光栅，每刻写一个长周期光栅后，对其进行再次清洁并重新涂覆，放入模具中固定并保持绷直状态，然后刻写下一个光栅。

(5)拉曼散射抑制效果测试：采用刻有长周期光栅的有源光纤代替原激光器放大端的有源光纤，测试不同泵浦功率下的激光光谱，并与之前记录的光谱比较，得出测试效果。

优选地，所述步骤(2)中采用的宽带光源使用超连续谱光源，便于在更宽的范围内确定长周期光栅的波长位置。

优选地，所述步骤(2)中采用利用激光光斑较大的二氧化碳激光器制作长周期光栅，或者利用透镜对激光光斑进行扩束，避免较小的光斑因能量密度过高对光纤产生刻蚀效应，破坏了光纤结构，使得放大端的泵浦光泄漏或者激光损耗。进一步的，采用分光镜和反射镜，将单束激光分束为两束，从两个方向对光纤加热，进一步降低功率密度，同时降低制作后的长周期光栅的偏振依赖性。

优选地，所述步骤(3)中一般情况下，在有源光纤上制作的长周期光栅会激发出多个谐振峰，当其中部分谐振峰位于泵浦波长，会造成有源光纤对泵浦光的吸收减小，从而降低激光输出效率。同样的当有谐振峰激光输出波长位于输出激光波长，会造成不必要的输出激光损耗。因此应通过优化周期，同时使所述长周期光栅的其它谐振峰避开所述原脉冲激光器放大部分的泵浦光及脉冲激光的两个波段。如实例中，图4所述，在1064nm脉冲激光器中使用该方法，泵浦源波长为976nm，输出激光为1064nm,受激拉曼散射光位于1120nm附近，此时采用最低阶谐振峰对应拉曼峰位置(最低阶谐振峰对应波长为1120nm时)，剩余的谐振峰均位于长波部分，充分避免了泵浦源波长及激光波长。

优选地所述步骤(4)中，重新涂覆时，应尽量采用低折射率涂料，因为高折射率涂料会使得长周期光栅的谐振峰消失或者减弱。

以下为实施例：

实施例1

本发明提供了一种用于脉冲激光受激拉曼散射抑制的有源光纤长周期光栅及其制作方法。长周期光栅的制作方法示意图如图1所示，制得的长周期光栅如图2所示，将有源光纤长周期光栅用于脉冲激光放大如图3所示，长周期光栅光谱如图4所示，受激拉曼散射受长周期抑制效果如图5所示。

制作方法具体步骤如下：

(1)寻找受激拉曼散射光的波长：对原脉冲激光器的放大部分进行光谱测量，确定受激拉曼散射光的波长，并记录不同放大功率下，对应的受激拉曼光谱，如图5(a)所示。

原激光器为1064nm脉冲激光器，其中放大部分采用双包层掺镱光纤。对其激光性能进行测试，确定其放大部分使用的掺镱光纤最佳长度为8m，拉曼峰出现的位置在1120nm附近。

(2)在有源光纤上制作长周期光栅：通过逐点拉锥的方式在有源光纤上制作第一个长周期光栅。

如图1所示，取长度为8m的相同型号掺镱双包层光纤。对其中一段光纤剥除涂覆得到去涂覆掺镱双包层光纤3，剥除涂覆长度为4cm，采用无水乙醇清洗。将其置于二氧化碳激光器光纤夹具2上，两个夹具预先做过准直，从而保证光纤在拉锥过程中处于笔直状态。二氧化碳激光分束后，两束二氧化碳激光5呈160度，每个光斑大小约为0.3mm，两束光斑功率一共为9W。设置激光器及马达参数，分为两个阶段：第一阶段，激光通光使光纤软化，与此同时马达参数左马达1向左移动400μm，右马达6保持不动，如此光纤被拉出一个小锥；第二阶段，二氧化碳激光器停止工作，但左马达1和右马达6同时向左移动100μm，如此便得到长周期光栅的一个周期。重复第一阶段与第二阶段40次，便可以得到所要的长周期光栅4。该长周期光栅4具有40个周期，两个锥之间的间隔也就是周期大小为500μm，该长周期光栅4最低阶谐振峰对应的波长为1125nm，略大于受激拉曼散射波长。

(3)调整长周期光栅的周期：调整步骤(2)所述的长周期光栅4的周期，使所述长周期光栅4的最低阶谐振波长与步骤(1)所述受激拉曼散射光的波长一致；通过多次试验，确定当周期为480μm时，最低阶谐振峰波长为1120μm，该长周期光栅的透射光谱如图3所示。该长周期光栅一共产生4个谐振峰，其中位于1120nm的谐振峰与受激散射拉曼峰正好吻合，位于1120nm，3dB带宽超过10nm,消光比大于5dB，而其余谐振峰均位于长波方向，不会对激光与泵浦光产生影响。

(4)级联长周期光栅：按照步骤(2)的制作方法，以步骤(3)确定的周期在在同类型掺镱双包层光纤6m，4m,2m处各制作一个长周期光栅，每个长周期光栅周期为480μm，然后对制作的3个长周期光栅进行清洁，使用低折射率涂料进行再次涂覆得到重新涂覆部分7，保护光纤不受污染。重新涂覆部分7与原始带涂覆掺镱双包层光纤9比较，直径相同，并将光栅部分放置在为此设计的长周期光栅固定具8中，保持光栅处于绷直状态。

(5)采用步骤(3)，(4)，(5)加工后的刻有长周期光栅的掺镱双包层光纤14光纤代替原掺镱双包层光纤接入原激光器放大部分。脉冲激光器种子部分11输出脉冲激光平均功率为2.2W,峰值功率为1.83kW，重复频率40MHz，脉宽30ps。976nm多模半导体激光器作为脉冲激光器放大部分泵浦源10，合束器12的输出端与刻有长周期光栅的掺镱双包层光纤14熔接，刻有长周期光栅的掺镱双包层光纤14另外一端切8度角防止反射光打坏泵浦源，由3个长周期光栅4组成的级联长周期光栅13用于拉曼散射的抑制。

图5表示在添加长周期光栅前后，相同泵浦功率下，拉曼抑制情况。可以看出在泵浦功率达到最高的时候，图5(a)中未添加长周期光栅时原激光器输出最大功率为5.27W，添加加长周期光栅后，输出最大功率为4.48W，激光功率在添加了光栅后损耗0.7dB左右。添加长周期光栅前，拉曼散射功率与激光功率差值为15dB。图5(b)添加长周期光栅后，拉曼散射功率与激光功率差值为35dB，受激拉曼散射光光功率减小了20dB，拉曼抑制效果明显。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。