基于受激布里淵散射技術(shù)在大芯徑光纖中輸出高能量基模激光的方法及裝置制造方法
【專利摘要】基于受激布里淵散射技術(shù)在大芯徑光纖中輸出高能量基模激光的方法及裝置，屬于光學(xué)領(lǐng)域，本發(fā)明為解決大芯徑光纖中輸出高能量單基模激光存在泵浦利用率不高的問題。本發(fā)明方法為：空間激光被分束為泵浦光和種子光；泵浦光經(jīng)耦合注入光纖環(huán)形器，并注入大芯徑光纖；種子光經(jīng)耦合注入單模光纖，對種子光進(jìn)行相位調(diào)制，產(chǎn)生斯托克斯頻移，形成調(diào)制后種子光；單模光纖和大芯徑光纖中心對準(zhǔn)熔接在一起，調(diào)制后種子光從單模光纖進(jìn)入大芯芯徑光纖，并與泵浦光相遇，在大芯徑光纖中采用受激布里淵散射放大的方法將泵浦光擁有的高能量轉(zhuǎn)入基模形態(tài)的種子光中，經(jīng)受激布里淵散射后獲取了高能量基模激光由光纖環(huán)形器輸出。
【專利說明】基于受激布里淵散射技術(shù)在大芯徑光纖中輸出高能量基模激光的方法及裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種高能量基模激光輸出方法，屬于光學(xué)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]光纖激光器擁有很多其它激光器難以比擬的優(yōu)點(diǎn)，如:高輸出功率、高泵浦轉(zhuǎn)換效率、寬帶增益、很好的橫模穩(wěn)定性和易于散熱等，在現(xiàn)今的研究中可謂炙手可熱。然而，由于光纖口徑極小，故而常規(guī)光纖損傷閾值很低，且容易發(fā)生非線性效應(yīng)，這使得光纖的輸出功率受到極大限制。通過增大光纖芯徑，可以有效克服這些問題，但增大光纖芯徑又會使輸出光束多?；?，大幅降低光束質(zhì)量。
[0003]近二十年來，為了在大芯徑光纖中得到單模輸出光，目前已提出了諸多方案，但都各有缺陷。例如，上世紀(jì)末，雙包層光纖因能提高輸出能量且保持單基模輸出光而得到了廣泛研究和應(yīng)用，但是，雙包層光纖中信號光仍然只能在細(xì)小的纖芯中傳輸，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)今光纖激光器高功率化的需求。有一種方法是通過彎曲光纖來過濾掉大芯徑光纖中的高階模式，從而獲得較好的輸出光束，但是這種方法會帶來很多光損耗，不僅效率極低，還違背了光纖激光器高功率高能量化的主旨，難以應(yīng)用。還有一種途徑利用長周期光纖光柵在大芯徑光纖中選擇性的激發(fā)想要的傳輸模式，同時(shí)還可以通過光柵或全息板將傳輸光還原成基模光。這種方法雖然有效利用了大芯徑光纖的場面積，卻還沒有提供放大技術(shù)，近期內(nèi)還難以實(shí)現(xiàn)光纖激光器高能量化的需求。大模場區(qū)域光纖(LMA)能夠在較大芯徑光纖中輸出單模激光，在近年也得到了廣泛關(guān)注，但目前這種方法用的都只能做到幾十微米量級芯徑的光纖，在輸出能量上依然受到了一定的限制。另外，南安普頓大學(xué)通過熔接拉錐的方法在百微米量級大芯徑光纖中準(zhǔn)確激發(fā)了基模光，十分吸引眼球。但在他們的方案中同樣沒有提供任何放大機(jī)制，目前其輸出光束能量仍然只有普通單模光纖水平。
[0004]總體來說，以往對于大芯徑光纖中單基模激光輸出的方法一般都只將光纖芯徑提高到數(shù)十微米芯徑量級，能夠承受的激光能量還很有限，且泵浦利用率并不是很高，一般不超過80%。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明目的是為了解決大芯徑光纖中輸出高能量單基模激光存在泵浦利用率不高的問題，提供了一種基于受激布里淵散射技術(shù)在大芯徑光纖中輸出高能量基模激光的方法及裝置。
[0006]本發(fā)明所述基于受激布里淵散射技術(shù)在大芯徑光纖中輸出高能量基模激光的方法，該方法為:
[0007]空間激光被分束為泵浦光和種子光；
[0008]泵浦光經(jīng)耦合注入光纖環(huán)形器，并通過光纖環(huán)形器注入大芯徑光纖；
[0009]種子光經(jīng)耦合注入單模光纖，然后對注入的種子光進(jìn)行相位調(diào)制，產(chǎn)生斯托克斯頻移，形成調(diào)制后種子光；
[0010]單模光纖和大芯徑光纖中心對準(zhǔn)，采用熔接法連接在一起，或熔接后再采用拉錐法進(jìn)行處理；
[0011]調(diào)制后種子光從單模光纖進(jìn)入大芯芯徑光纖，并與泵浦光相遇，在大芯徑光纖中采用受激布里淵散射放大的方法將泵浦光擁有的高能量轉(zhuǎn)入基模形態(tài)的種子光中，經(jīng)受激布里淵散射后的光束由光纖環(huán)形器輸出，獲取了高能量基模激光。
[0012]實(shí)現(xiàn)所述基于受激布里淵散射技術(shù)在大芯徑光纖中輸出高能量基模激光的方法的裝置包括光源、分束鏡、第一稱合器、第二稱合器、第一大芯徑光纖、第一單模光纖、光纖環(huán)形器、第二大芯徑光纖、第二單模光纖、相位調(diào)制器和反射鏡；
[0013]光源輸出的空間光束入射至分束鏡，經(jīng)分束鏡形成透射光束和反射光束；
[0014]所述透射光束由第一稱合器稱合至第一大芯徑光纖形成泵浦光,第一大芯徑光纖輸出的浦泵光注入光纖環(huán)形器的A 口，浦泵光從光纖環(huán)形器的B 口輸出并入射至第二大芯徑光纖中；
[0015]所述反射光束入射至反射鏡，由反射鏡反射輸出的光束經(jīng)第二耦合器耦合至第一單模光纖形成種子光，所述種子光經(jīng)相位調(diào)制器調(diào)制后輸出，并進(jìn)入第二單模光纖，調(diào)制后種子光注入第二大芯徑光纖中；
[0016]調(diào)制后的種子光與浦泵光相遇，經(jīng)布里淵散射放大后注入光纖環(huán)形器的B 口，并由光纖環(huán)形器的C 口輸出。
[0017]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn):本發(fā)明提供了一種能在數(shù)百微米芯徑光纖中得到基模輸出激光方法，且輸出穩(wěn)定結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)化效率極高，理論上泵浦利用率可達(dá)99%。對光纖激光器高功率化具有突破性意義。本發(fā)明方法不但使大芯徑光纖輸出激光能量高，而且，激發(fā)及輸出光束穩(wěn)定，重復(fù)性高，輸出光束保證為基模光束。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明所述基于受激布里淵散射技術(shù)在大芯徑光纖中輸出高能量基模激光裝置的光路結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖2是大芯徑光纖與單模光纖對接圖；
[0020]圖3是輸出高能量基模激光的光斑圖；
[0021]圖4是入射的空間光束的波形圖；
[0022]圖5是輸出高能量基模激光的波形圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]【具體實(shí)施方式】一:下面結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述基于受激布里淵散射技術(shù)在大芯徑光纖中輸出高能量基模激光的方法，使用與種子光有布里淵頻差并反向傳輸?shù)母吣芰勘闷止鈱７N子光進(jìn)行受激布里淵散射放大；在大芯徑光纖中激發(fā)基模種子光的方法為:將大芯徑光纖和單模光纖進(jìn)行對心連接；具體方法為:
[0024]空間激光被分束為泵浦光和種子光；
[0025]泵浦光經(jīng)耦合注入光纖環(huán)形器，并通過光纖環(huán)形器注入大芯徑光纖；
[0026]種子光經(jīng)耦合注入單模光纖，然后對注入的種子光進(jìn)行相位調(diào)制，產(chǎn)生斯托克斯頻移，形成調(diào)制后種子光；
[0027]單模光纖和大芯徑光纖中心對準(zhǔn)，采用熔接法連接在一起，或熔接后再采用拉錐法進(jìn)行處理；
[0028]調(diào)制后種子光從單模光纖進(jìn)入大芯芯徑光纖，并與泵浦光相遇，在大芯徑光纖中采用受激布里淵散射放大的方法將泵浦光擁有的高能量轉(zhuǎn)入基模形態(tài)的種子光中，經(jīng)受激布里淵散射后的光束由光纖環(huán)形器輸出，獲取了高能量基模激光。
[0029]大芯徑光纖為折射率漸變光纖，例如可以采用平方率漸變光纖。
[0030]【具體實(shí)施方式】二:下面結(jié)合圖2說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式對實(shí)施方式一作進(jìn)一步說明，單模光纖和大芯徑光纖中心對準(zhǔn)，采用熔接法連接在一起；或熔接后再采用拉錐法進(jìn)行處理；
[0031]大芯徑光纖為多模光纖，大芯徑光纖的纖芯直徑大于或等于100 μ m。當(dāng)其包層直徑與單模光纖直徑相同時(shí)，采用對心熔接方法進(jìn)行對接，連接處形成熔點(diǎn)12 ;如圖2所示，二者包層直徑相同，但二者的纖芯直徑不同。
[0032]給出一個(gè)具體例子:二者包層直徑均為125μπι，大芯徑光纖的纖芯直徑為105 μ m,單模光纖的纖芯直徑為8.3 μ m。單模光纖與大芯徑光纖中心對準(zhǔn)，并熔接成為一根光纖。
[0033]如果多模光纖包層直徑大于單模光纖的包層直徑，則采用熔接拉錐的方法將兩種光纖連接。
[0034]【具體實(shí)施方式】三:下面結(jié)合圖1至圖5說明本實(shí)施方式，實(shí)現(xiàn)實(shí)施方式一所述基于受激布里淵散射技術(shù)在大芯徑光纖中輸出高能量基模激光的方法的裝置，它包括光源1、分束鏡2、第一稱合器3、第二稱合器4、第一大芯徑光纖5、第一單模光纖6、光纖環(huán)形器7、第二大芯徑光纖8、第二單模光纖9、相位調(diào)制器10和反射鏡11 ；
[0035]光源I輸出的空間光束入射至分束鏡2，經(jīng)分束鏡2形成透射光束和反射光束；
[0036]所述透射光束由第一稱合器3稱合至第一大芯徑光纖5形成泵浦光,第一大芯徑光纖5輸出的浦泵光注入光纖環(huán)形器7的A 口，浦泵光從光纖環(huán)形器7的B 口輸出并入射至第二大芯徑光纖8中；
[0037]所述反射光束入射至反射鏡11，由反射鏡11反射輸出的光束經(jīng)第二耦合器4耦合至第一單模光纖6形成種子光，所述種子光經(jīng)相位調(diào)制器10調(diào)制后輸出，并進(jìn)入第二單模光纖9,調(diào)制后種子光注入第二大芯徑光纖8中；
[0038]調(diào)制后種子光與浦泵光發(fā)生布里淵散射后注入光纖環(huán)形器7的B 口，并由光纖環(huán)形器7的C 口輸出。
[0039]光源I采用空間激光器。由于目前光纖激光器所能達(dá)到的能量有限，空間激光器能夠提供較大的泵浦能量，所以使用空間激光器作為光源。被分成兩束:泵浦光和種子光，二者的比例由分束鏡2的分束比例決定。
[0040]第一大芯徑光纖5和第一單模光纖6的長度不需要太長,只需完成稱合光束傳輸即可。第二大芯徑光纖8需要足夠長，以保證種子光和泵浦光能夠進(jìn)行充分的“受激布里淵散射放大”。同時(shí)應(yīng)控制兩者光程，讓泵浦光進(jìn)入大芯徑光纖后盡快與種子光相遇，以免泵浦光發(fā)生“受激布里淵散射產(chǎn)生”而不能將能量全部轉(zhuǎn)移到種子光中。散射后的光束從光纖環(huán)形器7的B 口入，C 口出，端口 C輸出的大能量光束如果需要用作空間激光，可再用透鏡將其轉(zhuǎn)化為平行光束。如果作為光纖光可直接使用。
[0041]放大后的單基模光仍然能保持良好的單基模狀態(tài)，輸出光束如圖3所示。同時(shí)，放大后的激光保持了與種子光還幾乎保持了相同的波形，如圖4、圖5所示。
[0042]在受激布里淵散射的機(jī)理中，泵浦能量越大，其轉(zhuǎn)化效率越高。有人預(yù)測，當(dāng)泵浦能量到達(dá)一定程度后，轉(zhuǎn)化效率能達(dá)到99%。故而在此方案下，能量需求越大，泵浦利用率越高。一般來說，在已有的光纖放大器中，泵浦利用率很難超過80%。在我們已有的實(shí)驗(yàn)中，僅在一百微米光纖能承受的能量下，泵浦利用率已經(jīng)超過90%，我們預(yù)計(jì)，大芯徑光纖的引入和使用，可大幅提高光纖承受能量，并將輸出能量和泵浦利用率提高到很大的程度。
[0043]使用的圖2所示的，二者中心對準(zhǔn)后，采用熔接法連接在一起，其激發(fā)原理與芯徑大小無關(guān)，理論上多大芯徑的光纖都可以使用。我們至少可以拓展至幾百微米芯徑光纖，甚至幾毫米芯徑光纖，用以承受強(qiáng)大的泵浦光能量。所以，我們能夠得到的輸出光束能量和峰值功率都很高。我們預(yù)計(jì)，納秒脈沖下，至少可獲得幾十毫焦耳的能量，皮秒脈沖下，至少可獲得幾十兆瓦的峰值功率。另外，我們使用的這種熔接法，一旦熔接點(diǎn)完成，以后每次輸出光束都會保持同一狀態(tài)。輸出穩(wěn)定且操作簡單，十分具有應(yīng)用價(jià)值和前景。
【權(quán)利要求】
1.基于受激布里淵散射技術(shù)在大芯徑光纖中輸出高能量基模激光的方法，其特征在于，該方法為: 空間激光被分束為泵浦光和種子光； 泵浦光經(jīng)耦合注入光纖環(huán)形器，并通過光纖環(huán)形器注入大芯徑光纖； 種子光經(jīng)耦合注入單模光纖，然后對注入的種子光進(jìn)行相位調(diào)制，產(chǎn)生斯托克斯頻移，形成調(diào)制后種子光； 單模光纖和大芯徑光纖中心對準(zhǔn)，采用熔接法連接在一起，或熔接后再采用拉錐法進(jìn)行處理； 調(diào)制后種子光從單模光纖進(jìn)入大芯芯徑光纖，并與泵浦光相遇，在大芯徑光纖中采用受激布里淵散射放大的方法將泵浦光擁有的高能量轉(zhuǎn)入基模形態(tài)的種子光中，經(jīng)受激布里淵散射后的光束由光纖環(huán)形器輸出，獲取了高能量基模激光。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于受激布里淵散射技術(shù)在大芯徑光纖中輸出高能量基模激光的方法，其特征在于，大芯徑光纖的纖芯直徑大于或等于100 μ m。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于受激布里淵散射技術(shù)在大芯徑光纖中輸出高能量基模激光的方法，其特征在于，大芯徑光纖為折射率漸變光纖。
4.實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述基于受激布里淵散射技術(shù)在大芯徑光纖中輸出高能量基模激光的方法的裝置，其特征在于，它包括光源(I)、分束鏡(2)、第一稱合器(3)、第二稱合器(4)、第一大芯徑光纖(5)、第一單模光纖(6)、光纖環(huán)形器(7)、第二大芯徑光纖(8)、第二單模光纖(9 )、相位調(diào)制器(10 )和反射鏡(11); 光源(I)輸出的空間光束入射至分束鏡(2)，經(jīng)分束鏡(2)形成透射光束和反射光束； 所述透射光束由第一稱合器(3)稱合至第一大芯徑光纖(5)形成泵浦光,第一大芯徑光纖(5)輸出的浦泵光注入光纖環(huán)形器(7)的A 口，浦泵光從光纖環(huán)形器(7)的B 口輸出并入射至第二大芯徑光纖(8)中； 所述反射光束入射至反射鏡(11)，由反射鏡(11)反射輸出的光束經(jīng)第二耦合器(4 )耦合至第一單模光纖(6)形成種子光，所述種子光經(jīng)相位調(diào)制器(10)調(diào)制后輸出，并進(jìn)入第二單模光纖(9)，調(diào)制后種子光注入第二大芯徑光纖(8)中； 調(diào)制后的種子光與浦泵光相遇，經(jīng)布里淵散射放大后注入光纖環(huán)形器(7)的B 口，并由光纖環(huán)形器(7)的C 口輸出。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述基于受激布里淵散射技術(shù)在大芯徑光纖中輸出高能量基模激光的裝置，其特征在于，光源(I)采用空間激光器。
【文檔編號】H01S3/067GK103825190SQ201410090259
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年3月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月13日
【發(fā)明者】呂志偉, 高麒麟, 朱成禹 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)