CN103825190B - 基于受激布里渊散射技术在大芯径光纤中输出高能量基模激光的方法及装置 - Google Patents

基于受激布里渊散射技术在大芯径光纤中输出高能量基模激光的方法及装置 Download PDF

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Abstract

基于受激布里渊散射技术在大芯径光纤中输出高能量基模激光的方法及装置，属于光学领域，本发明为解决大芯径光纤中输出高能量单基模激光存在泵浦利用率不高的问题。本发明方法为：空间激光被分束为泵浦光和种子光；泵浦光经耦合注入光纤环形器，并注入大芯径光纤；种子光经耦合注入单模光纤，对种子光进行相位调制，产生斯托克斯频移，形成调制后种子光；单模光纤和大芯径光纤中心对准熔接在一起，调制后种子光从单模光纤进入大芯芯径光纤，并与泵浦光相遇，在大芯径光纤中采用受激布里渊散射放大的方法将泵浦光拥有的高能量转入基模形态的种子光中，经受激布里渊散射后获取了高能量基模激光由光纤环形器输出。

Description

基于受激布里渊散射技术在大芯径光纤中输出高能量基模激 光的方法及装置
技术领域
本发明涉及一种高能量基模激光输出方法，属于光学领域。
背景技术
光纤激光器拥有很多其它激光器难以比拟的优点，如：高输出功率、高泵浦转换效率、宽带增益、很好的横模稳定性和易于散热等，在现今的研究中可谓炙手可热。然而，由于光纤口径极小，故而常规光纤损伤阈值很低，且容易发生非线性效应，这使得光纤的输出功率受到极大限制。通过增大光纤芯径，可以有效克服这些问题，但增大光纤芯径又会使输出光束多模化，大幅降低光束质量。
近二十年来，为了在大芯径光纤中得到单模输出光，目前已提出了诸多方案，但都各有缺陷。例如，上世纪末，双包层光纤因能提高输出能量且保持单基模输出光而得到了广泛研究和应用，但是，双包层光纤中信号光仍然只能在细小的纤芯中传输，已经不能满足现今光纤激光器高功率化的需求。有一种方法是通过弯曲光纤来过滤掉大芯径光纤中的高阶模式，从而获得较好的输出光束，但是这种方法会带来很多光损耗，不仅效率极低，还违背了光纤激光器高功率高能量化的主旨，难以应用。还有一种途径利用长周期光纤光栅在大芯径光纤中选择性的激发想要的传输模式，同时还可以通过光栅或全息板将传输光还原成基模光。这种方法虽然有效利用了大芯径光纤的场面积，却还没有提供放大技术，近期内还难以实现光纤激光器高能量化的需求。大模场区域光纤(LMA)能够在较大芯径光纤中输出单模激光，在近年也得到了广泛关注，但目前这种方法用的都只能做到几十微米量级芯径的光纤，在输出能量上依然受到了一定的限制。另外，南安普顿大学通过熔接拉锥的方法在百微米量级大芯径光纤中准确激发了基模光，十分吸引眼球。但在他们的方案中同样没有提供任何放大机制，目前其输出光束能量仍然只有普通单模光纤水平。
总体来说，以往对于大芯径光纤中单基模激光输出的方法一般都只将光纤芯径提高到数十微米芯径量级，能够承受的激光能量还很有限，且泵浦利用率并不是很高，一般不超过80%。
发明内容
本发明目的是为了解决大芯径光纤中输出高能量单基模激光存在泵浦利用率不高的问题，提供了一种基于受激布里渊散射技术在大芯径光纤中输出高能量基模激光的方法及装置。
本发明所述基于受激布里渊散射技术在大芯径光纤中输出高能量基模激光的方法，该方法为：
空间激光被分束为泵浦光和种子光；
泵浦光经耦合注入光纤环形器，并通过光纤环形器注入大芯径光纤；
种子光经耦合注入单模光纤，然后对注入的种子光进行相位调制，产生斯托克斯频移，形成调制后种子光；
单模光纤和大芯径光纤中心对准，采用熔接法连接在一起，或熔接后再采用拉锥法进行处理；
调制后种子光从单模光纤进入大芯芯径光纤，并与泵浦光相遇，在大芯径光纤中采用受激布里渊散射放大的方法将泵浦光拥有的高能量转入基模形态的种子光中，经受激布里渊散射后的光束由光纤环形器输出，获取了高能量基模激光。
实现所述基于受激布里渊散射技术在大芯径光纤中输出高能量基模激光的方法的装置包括光源、分束镜、第一耦合器、第二耦合器、第一大芯径光纤、第一单模光纤、光纤环形器、第二大芯径光纤、第二单模光纤、相位调制器和反射镜；
光源输出的空间光束入射至分束镜，经分束镜形成透射光束和反射光束；
所述透射光束由第一耦合器耦合至第一大芯径光纤形成泵浦光，第一大芯径光纤输出的浦泵光注入光纤环形器的A口，浦泵光从光纤环形器的B口输出并入射至第二大芯径光纤中；
所述反射光束入射至反射镜，由反射镜反射输出的光束经第二耦合器耦合至第一单模光纤形成种子光，所述种子光经相位调制器调制后输出，并进入第二单模光纤，调制后种子光注入第二大芯径光纤中；
调制后的种子光与浦泵光相遇，经布里渊散射放大后注入光纤环形器的B口，并由光纤环形器的C口输出。
本发明的优点：本发明提供了一种能在数百微米芯径光纤中得到基模输出激光方法，且输出稳定结构简单，转化效率极高，理论上泵浦利用率可达99%。对光纤激光器高功率化具有突破性意义。本发明方法不但使大芯径光纤输出激光能量高，而且，激发及输出光束稳定，重复性高，输出光束保证为基模光束。
附图说明
图1是本发明所述基于受激布里渊散射技术在大芯径光纤中输出高能量基模激光装置的光路结构示意图；
图2是大芯径光纤与单模光纤对接图；
图3是输出高能量基模激光的光斑图；
图4是入射的空间光束的波形图；
图5是输出高能量基模激光的波形图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述基于受激布里渊散射技术在大芯径光纤中输出高能量基模激光的方法，使用与种子光有布里渊频差并反向传输的高能量泵浦光对基模种子光进行受激布里渊散射放大；在大芯径光纤中激发基模种子光的方法为：将大芯径光纤和单模光纤进行对心连接；具体方法为：
空间激光被分束为泵浦光和种子光；
泵浦光经耦合注入光纤环形器，并通过光纤环形器注入大芯径光纤；
种子光经耦合注入单模光纤，然后对注入的种子光进行相位调制，产生斯托克斯频移，形成调制后种子光；
单模光纤和大芯径光纤中心对准，采用熔接法连接在一起，或熔接后再采用拉锥法进行处理；
调制后种子光从单模光纤进入大芯芯径光纤，并与泵浦光相遇，在大芯径光纤中采用受激布里渊散射放大的方法将泵浦光拥有的高能量转入基模形态的种子光中，经受激布里渊散射后的光束由光纤环形器输出，获取了高能量基模激光。
大芯径光纤为折射率渐变光纤，例如可以采用平方率渐变光纤。
具体实施方式二：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，单模光纤和大芯径光纤中心对准，采用熔接法连接在一起；或熔接后再采用拉锥法进行处理；
大芯径光纤为多模光纤，大芯径光纤的纤芯直径大于或等于100μm。当其包层直径与单模光纤直径相同时，采用对心熔接方法进行对接，连接处形成熔点12；如图2所示，二者包层直径相同，但二者的纤芯直径不同。
给出一个具体例子：二者包层直径均为125μm，大芯径光纤的纤芯直径为105μm，单模光纤的纤芯直径为8.3μm。单模光纤与大芯径光纤中心对准，并熔接成为一根光纤。
如果多模光纤包层直径大于单模光纤的包层直径，则采用熔接拉锥的方法将两种光纤连接。
具体实施方式三：下面结合图1至图5说明本实施方式，实现实施方式一所述基于受激布里渊散射技术在大芯径光纤中输出高能量基模激光的方法的装置，它包括光源1、分束镜2、第一耦合器3、第二耦合器4、第一大芯径光纤5、第一单模光纤6、光纤环形器7、第二大芯径光纤8、第二单模光纤9、相位调制器10和反射镜11；
光源1输出的空间光束入射至分束镜2，经分束镜2形成透射光束和反射光束；
所述透射光束由第一耦合器3耦合至第一大芯径光纤5形成泵浦光，第一大芯径光纤5输出的浦泵光注入光纤环形器7的A口，浦泵光从光纤环形器7的B口输出并入射至第二大芯径光纤8中；
所述反射光束入射至反射镜11，由反射镜11反射输出的光束经第二耦合器4耦合至第一单模光纤6形成种子光，所述种子光经相位调制器10调制后输出，并进入第二单模光纤9，调制后种子光注入第二大芯径光纤8中；
调制后种子光与浦泵光发生布里渊散射后注入光纤环形器7的B口，并由光纤环形器7的C口输出。
光源1采用空间激光器。由于目前光纤激光器所能达到的能量有限，空间激光器能够提供较大的泵浦能量，所以使用空间激光器作为光源。被分成两束：泵浦光和种子光，二者的比例由分束镜2的分束比例决定。
第一大芯径光纤5和第一单模光纤6的长度不需要太长，只需完成耦合光束传输即可。第二大芯径光纤8需要足够长，以保证种子光和泵浦光能够进行充分的“受激布里渊散射放大”。同时应控制两者光程，让泵浦光进入大芯径光纤后尽快与种子光相遇，以免泵浦光发生“受激布里渊散射产生”而不能将能量全部转移到种子光中。散射后的光束从光纤环形器7的B口入，C口出，端口C输出的大能量光束如果需要用作空间激光，可再用透镜将其转化为平行光束。如果作为光纤光可直接使用。
放大后的单基模光仍然能保持良好的单基模状态，输出光束如图3所示。同时，放大后的激光保持了与种子光还几乎保持了相同的波形，如图4、图5所示。
在受激布里渊散射的机理中，泵浦能量越大，其转化效率越高。有人预测，当泵浦能量到达一定程度后，转化效率能达到99%。故而在此方案下，能量需求越大，泵浦利用率越高。一般来说，在已有的光纤放大器中，泵浦利用率很难超过80%。在我们已有的实验中，仅在一百微米光纤能承受的能量下，泵浦利用率已经超过90%，我们预计，大芯径光纤的引入和使用，可大幅提高光纤承受能量，并将输出能量和泵浦利用率提高到很大的程度。
使用的图2所示的，二者中心对准后，采用熔接法连接在一起，其激发原理与芯径大小无关，理论上多大芯径的光纤都可以使用。我们至少可以拓展至几百微米芯径光纤，甚至几毫米芯径光纤，用以承受强大的泵浦光能量。所以，我们能够得到的输出光束能量和峰值功率都很高。我们预计，纳秒脉冲下，至少可获得几十毫焦耳的能量，皮秒脉冲下，至少可获得几十兆瓦的峰值功率。另外，我们使用的这种熔接法，一旦熔接点完成，以后每次输出光束都会保持同一状态。输出稳定且操作简单，十分具有应用价值和前景。

Claims (5)

1.基于受激布里渊散射技术在大芯径光纤中输出高能量基模激光的方法，其特征在于，该方法为：
空间激光被分束为泵浦光和种子光；
泵浦光经耦合注入光纤环形器，并通过光纤环形器注入大芯径光纤；
种子光经耦合注入单模光纤，然后对注入的种子光进行相位调制，产生斯托克斯频移，形成调制后种子光；
单模光纤和大芯径光纤中心对准，采用熔接法连接在一起，或熔接后再采用拉锥法进行处理；
调制后种子光从单模光纤进入大芯径光纤，并与泵浦光相遇，在大芯径光纤中采用受激布里渊散射放大的方法将泵浦光拥有的高能量转入基模形态的种子光中，经受激布里渊散射后的光束由光纤环形器输出，获取了高能量基模激光。
2.根据权利要求1所述基于受激布里渊散射技术在大芯径光纤中输出高能量基模激光的方法，其特征在于，大芯径光纤的纤芯直径大于或等于100μm。
3.根据权利要求1所述基于受激布里渊散射技术在大芯径光纤中输出高能量基模激光的方法，其特征在于，大芯径光纤为折射率渐变光纤。
4.实现权利要求1所述基于受激布里渊散射技术在大芯径光纤中输出高能量基模激光的方法的装置，其特征在于，它包括光源(1)、分束镜(2)、第一耦合器(3)、第二耦合器(4)、第一大芯径光纤(5)、第一单模光纤(6)、光纤环形器(7)、第二大芯径光纤(8)、第二单模光纤(9)、相位调制器(10)和反射镜(11)；
光源(1)输出的空间光束入射至分束镜(2)，经分束镜(2)形成透射光束和反射光束；
所述透射光束由第一耦合器(3)耦合至第一大芯径光纤(5)形成泵浦光，第一大芯径光纤(5)输出的泵浦光注入光纤环形器(7)的A口，泵浦光从光纤环形器(7)的B口输出并入射至第二大芯径光纤(8)中；
所述反射光束入射至反射镜(11)，由反射镜(11)反射输出的光束经第二耦合器(4) 耦合至第一单模光纤(6)形成种子光，所述种子光经相位调制器(10)调制后输出，并进入第二单模光纤(9)，调制后种子光注入第二大芯径光纤(8)中；
调制后的种子光与泵浦光相遇，经布里渊散射放大后注入光纤环形器(7)的B口，并由光纤环形器(7)的C口输出。
5.根据权利要求4所述基于受激布里渊散射技术在大芯径光纤中输出高能量基模激光的装置，其特征在于，光源(1)采用空间激光器。
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