專利名稱：一種提高光纖激光器的輸出功率、光譜和光束質(zhì)量的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光及光電子學(xué)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
從1960年第一臺(tái)激光器問(wèn)世以來(lái)，激光因其良好的單色性、方向性和高功率在多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。光纖激光器是以光纖作為增益介質(zhì)的激光器。光纖激光器具有較低的光學(xué)損耗和較長(zhǎng)的增益介質(zhì)長(zhǎng)度，使得泵浦光能量更有效地被吸收。高功率光纖激光器的腔內(nèi)激光被限制在纖芯中，而纖芯的芯徑只有幾微米至幾十微米，數(shù)值孔徑也較低，因而通過(guò)模式控制能夠保證腔內(nèi)激光的單模或低階模特性，從而在結(jié)構(gòu)上確保了光纖激光器即使在很高的功率輸出下也能得到接近于衍射極限的高光束質(zhì)量。光纖激光器以光纖作為增益介質(zhì)，光纖的面積體積比很大，纖芯中激光產(chǎn)生的熱量很容易傳導(dǎo)到光纖的表面，再由光纖表面散發(fā)到工作環(huán)境中，具有良好的散熱性。由于具有以上優(yōu)點(diǎn)，光纖激光器的效率很高，輸出光束質(zhì)量很好，從而可以獲得很高的功率。目前，國(guó)際上光纖激光器的功率已經(jīng)突破了1000W，在國(guó)內(nèi)光纖激光器的功率也達(dá)到了百瓦量級(jí)。
當(dāng)激光功率超過(guò)一定閾值時(shí)，激光與光學(xué)介質(zhì)會(huì)發(fā)生強(qiáng)相互作用，泵浦能量迅速轉(zhuǎn)移到生成的斯托克斯光上，斯托克斯光的能量迅速增長(zhǎng)，這一現(xiàn)象即為受激拉曼散射(SRS)。SRS的斯托克斯頻移譜很寬，例如，二氧化硅光纖中波長(zhǎng)為1μm的泵浦光的拉曼增益譜寬度約為13THz。在當(dāng)前研制的高功率光纖激光器中，激光功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了SRS的閾值，人們已經(jīng)觀察到了SRS現(xiàn)象，作為泵浦的激光器中心頻率的功率迅速向斯托克斯光轉(zhuǎn)移，從而造成激光器功率的下降，并且影響了激光器的頻譜以及光束質(zhì)量。
由于相位共軛(OPC)的過(guò)程可以實(shí)現(xiàn)頻譜反轉(zhuǎn)，這種方法可以用于抑制各種非線性效應(yīng)。對(duì)于SRS來(lái)說(shuō)，如果在信號(hào)傳輸?shù)闹型具M(jìn)行相位共軛，使得前半段生成的頻譜高頻部分和低頻部分相互交換，則交換后的斯托克斯光頻率高于泵浦光，在后半段傳輸中發(fā)生SRS時(shí)能量則繼續(xù)由高頻部分向低頻部分轉(zhuǎn)移，使得斯托克斯光能量重新轉(zhuǎn)移到泵浦光上，起到抑制SRS效應(yīng)的作用。
相位共軛的另一特點(diǎn)是可以消除熱畸變引起的波前畸變。高功率光纖激光器的熱畸變效應(yīng)很嚴(yán)重，導(dǎo)致波前變形，破壞理想模式輸出。相位共軛的過(guò)程同時(shí)可以消除光纖激光器的熱畸變效應(yīng)，提高輸出的光束質(zhì)量。

發(fā)明內(nèi)容
SRS效應(yīng)使得高功率光纖激光器中心頻率的功率向低頻的斯托克斯光轉(zhuǎn)移，非線性光學(xué)和熱畸變等效應(yīng)使得光纖激光的光譜質(zhì)量和光束質(zhì)量變差，為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明利用前向相位共軛和后向相位共軛抑制光纖激光器中的SRS效應(yīng)，補(bǔ)償有害的非線性光學(xué)和熱畸變等效應(yīng)，從而提高光纖激光器的輸出功率、光譜和光束質(zhì)量。
如果采用前向相位共軛的形式，則可以將光纖激光器中作為增益介質(zhì)的光纖分成兩段，在兩段之間設(shè)置前向相位共軛器件，激光在前一段光纖中逐漸產(chǎn)生受激拉曼散射效應(yīng)，生成低頻的斯托克斯光，經(jīng)過(guò)相位共軛器件以后頻譜發(fā)生反轉(zhuǎn)，在后一段增益介質(zhì)中傳輸時(shí)能量重新由斯托克斯光轉(zhuǎn)移到原來(lái)的泵浦激光，從而抑制高功率激光的受激拉曼散射效應(yīng)，提高光纖激光器的輸出功率、光譜和光束質(zhì)量。
如果采用后向相位共軛的形式，則可以利用后向相位共軛器件作為光纖激光器的一個(gè)腔鏡，一方面提供激光反饋，另一方面進(jìn)行激光頻譜反轉(zhuǎn)，從而抑制高功率激光的受激拉曼散射效應(yīng)，提高光纖激光器的輸出功率、光譜和光束質(zhì)量。
相位共軛器件可以由高非線性光纖、光子晶體光纖和其它具有高非線性系數(shù)的非線性材料實(shí)現(xiàn)。
利用本發(fā)明所述方法，經(jīng)過(guò)相位共軛器件補(bǔ)償以后，光纖激光器的中心頻率的功率得到了明顯恢復(fù)，同時(shí)SRS譜的峰值功率得到了有效抑制。


圖1為利用前向相位共軛抑制光纖激光器中的SRS效應(yīng)示意圖。
圖2為利用后向相位共軛抑制光纖激光器中的SRS效應(yīng)示意圖。
圖3為光纖激光器的初始光譜示意圖。
圖4為未經(jīng)過(guò)相位共軛過(guò)程的輸出光譜示意圖。
圖5為相位共軛器件前端的光譜示意圖。
圖6為理想相位共軛器件后端的光譜示意圖。
圖7為經(jīng)過(guò)理想相位共軛抑制SRS效應(yīng)后的輸出光譜示意圖。
圖8為色散平移光纖、高非線性光纖、光子晶體光纖用于相位共軛的工作帶寬示意圖。
圖9為相位共軛抑制SRS效應(yīng)的實(shí)施例1的示意圖。
圖10為圖9所示實(shí)施例1的輸出光譜示意圖。
圖11為相位共軛抑制SRS效應(yīng)的實(shí)施例2的示意圖。
圖12為圖11所示實(shí)施例2的輸出光譜示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供了一種提高光纖激光器的輸出功率、光譜和光束質(zhì)量的方法，利用前向相位共軛和后向相位共軛抑制光纖激光器中的SRS效應(yīng)，補(bǔ)償有害的非線性光學(xué)和熱畸變等效應(yīng)。
利用前向相位共軛抑制SRS效應(yīng)的原理如圖1所示，將光纖激光器中作為增益介質(zhì)的光纖分成兩段，在兩段之間設(shè)置前向相位共軛器件，激光在前一段光纖中逐漸產(chǎn)生受激拉曼散射效應(yīng)，生成低頻的斯托克斯光，經(jīng)過(guò)相位共軛器件以后頻譜發(fā)生反轉(zhuǎn)，在后一段增益介質(zhì)中傳輸時(shí)能量重新由斯托克斯光轉(zhuǎn)移到原來(lái)的泵浦激光，從而抑制高功率激光的受激拉曼散射效應(yīng)，提高光纖激光器的輸出功率、光譜和光束質(zhì)量。
利用后向相位共軛抑制SRS效應(yīng)的原理如圖2所示，利用后向相位共軛器件作為光纖激光器的一個(gè)腔鏡，一方面提供激光反饋，另一方面進(jìn)行激光頻譜反轉(zhuǎn)，從而抑制高功率激光的受激拉曼散射效應(yīng)，提高光纖激光器的輸出功率、光譜和光束質(zhì)量。
下面通過(guò)理論推導(dǎo)和數(shù)值模擬分析相位共軛抑制SRS的效果。假設(shè)光纖激光器的中心頻率為Ω0，初始功率為P，在光纖增益介質(zhì)中，設(shè)位于拉曼增益譜內(nèi)的某個(gè)頻率Ωi的光波功率為Si，則經(jīng)過(guò)長(zhǎng)度Δl后Si的功率變化等于它從中心泵浦光P以及其它高頻率光處獲得的功率增益減去它作為泵浦而激發(fā)其它低頻率光的功率損耗，表示如下dSi(l)=g(Ωi-Ω0)PSiΔl+Σ1→(i-1)jg(Ωi-Ωj)SjSiΔl-Σ(i+1)→Nkg(Ωk-Ωi)SkSiΔl,---(1)]]>等號(hào)右邊第一項(xiàng)為泵浦對(duì)Si的增益，第二項(xiàng)為其它高頻對(duì)Si的增益，第三項(xiàng)為Si對(duì)其它低頻的損耗，其中g(shù)(Ωi-Ωj)＝G(Ωi-Ωj)/Aeff，而G(Ωi-Ωj)為頻率Ωj對(duì)頻率Ωi(Ωj＞Ωi)的拉曼增益系數(shù)，Aeff為光纖的有效模式場(chǎng)面積。進(jìn)一步，泵浦光和斯托克斯光都滿足下面的式子Si(l+Δl)=Si(l)+dSi(l)=Si(l)+Σ0→Njg(Ωi-Ωj)SjSiΔl,---(2)]]>其中g(shù)(Ωi-Ωj)自變量的定義域擴(kuò)展到所有的實(shí)數(shù)，它是一個(gè)反對(duì)稱函數(shù)且g(0)＝0。將(2)式寫成矩陣形式如下S0(l+Δl)S1(l+Δl)···SN(l+Δl)=S0(l)S1(l)···SN(l)+]]>ΔlS0(l)S1(l)···SN(l)g(Ω0-Ω0)g(Ω0-Ω1)···g(Ω0-ΩN)g(Ω1-Ω0)g(Ω1-Ω1)···g(Ω1-ΩN)···g(ΩN-Ω0)g(ΩN-Ω1)···g(ΩN-ΩN)S0(l)S1(l)···SN(l).---(3)]]>利用(3)式對(duì)相位共軛抑制拉曼效應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬。對(duì)于傳統(tǒng)的未經(jīng)相位共軛處理的光纖激光器，假設(shè)激光器的初始中心波長(zhǎng)為1100nm、功率為150W(即51.8dBm)，光纖激光器的光纖峰值拉曼增益為0.91×10-13m/W，光譜如圖3所示的激光在光纖增益介質(zhì)中傳輸60m后受激拉曼譜如圖4所示，作為泵浦光的激光器中心功率急劇下降，僅為43.0dBm，下降了8.8dBm；同時(shí)，相對(duì)泵浦光頻率下移13THz左右處有明顯的斯托克斯光產(chǎn)生，峰值達(dá)到了40.7dBm，僅比中心頻率的功率小2.3dBm，而且它們隨傳播距離近似指數(shù)增長(zhǎng)，迅速消耗泵浦光功率?？梢?jiàn)，SRS效應(yīng)的發(fā)生嚴(yán)重影響了光纖激光器的輸出功率、光譜和光束質(zhì)量。
以前向相位共軛為例，如果在光纖的中點(diǎn)處引入相位共軛器件(見(jiàn)圖1)，激光在前30m光纖中傳輸后發(fā)生SRS效應(yīng)(見(jiàn)圖5)，然后利用相位共軛器件將泵浦光和斯托克斯光進(jìn)行頻譜反轉(zhuǎn)，假設(shè)相位共軛的過(guò)程是理想的，頻譜反轉(zhuǎn)的中心頻率取為激光器中心頻率，反轉(zhuǎn)后的頻譜如圖6所示，此時(shí)斯托克斯光的頻率均高于中心頻率，而且泵浦光處于斯托克斯光的增益譜內(nèi)。反轉(zhuǎn)后的泵浦光和斯托克斯光再經(jīng)過(guò)30m光纖的傳輸后，輸出的光譜如圖7所示，可見(jiàn)泵浦光的功率顯著增加，在前段光纖中產(chǎn)生的斯托克斯光功率重新轉(zhuǎn)換回中心頻率。這一點(diǎn)可以很容易地從(1)式中得到解釋，因?yàn)槿绻患ぐl(fā)頻率的功率比較高，由于它的增益項(xiàng)g(Ωi-Ω0)PSiΔl與其自身的功率成正比，所以它增益得非常快，能量迅速由此時(shí)成為泵浦的“斯托克斯光”轉(zhuǎn)移到此時(shí)為受激頻率的“泵浦光”。從圖中可以看出盡管頻譜右端還是會(huì)再產(chǎn)生一些斯托克斯光，但它們的功率都很小，泵浦的功率逐漸得到恢復(fù)。在圖7中，經(jīng)過(guò)理想的相位共軛器件補(bǔ)償以后，光纖激光器的SRS效應(yīng)得到了明顯抑制，中心頻率的功率恢復(fù)到51.8dBm，和輸入功率基本一致，同時(shí)SRS譜的峰值功率僅為0.5dBm。對(duì)比圖4和圖7可知，相位共軛對(duì)SRS具有非常明顯的抑制作用。
相位共軛器件的實(shí)現(xiàn)方法有多種，如利用色散平移光纖、高非線性光纖、光子晶體光纖、半導(dǎo)體光放大器以及非線性晶體等材料中的光波混頻效應(yīng)等。為了得到高效、寬帶的相位共軛器，需要采用有效的非線性光學(xué)介質(zhì)。圖8列舉了在相同最大轉(zhuǎn)換效率的情況下，普通色散平移光纖(三角形)、高非線性色散平移光纖(圓形)與光子晶體光纖(正方形)的工作帶寬，其中縱坐標(biāo)為歸一化效率，橫坐標(biāo)為信號(hào)光與泵浦光的頻率差(單位GHz)。泵浦光波長(zhǎng)為1.55μm，在此波長(zhǎng)，普通色散平移光纖、高非線性色散平移光纖和光子晶體光纖的色散參量都取1ps/nm/km，它們的非線性系數(shù)分別為2.3、13.8和70W-1km-1，損耗分別取0.22、0.61和190dB/km，為獲得相同的最大轉(zhuǎn)換效率，它們的長(zhǎng)度分別取200.1m、33.2m和10m。從圖中可以看出，利用普通色散平移光纖、高非線性色散平移光纖和光子晶體光纖實(shí)現(xiàn)相位共軛，在最大轉(zhuǎn)換效率相同時(shí)，其轉(zhuǎn)換帶寬(3dB)分別為1.06、2.6和4.8THz?？梢?jiàn)，在多種材料中均可實(shí)現(xiàn)相位共軛，具體參數(shù)不同相應(yīng)的帶寬等性能也有所不同。
現(xiàn)通過(guò)實(shí)施例說(shuō)明利用相位共軛器件抑制光纖激光器中SRS效應(yīng)。
實(shí)施例1
如圖9所示，光纖激光器的光纖增益介質(zhì)長(zhǎng)度為60m，將其分為相等的兩段，在兩段之間設(shè)置一段具有高非線性系數(shù)的光纖作為前向相位共軛器件。光纖的非線性系數(shù)為10W-1km-1，二階色散為-1×10-29s2/m，四階色散為-2×10-57s4/m，光纖長(zhǎng)度為1m。經(jīng)過(guò)該相位共軛器件處理后的輸出光譜如圖10所示。由于相位共軛的過(guò)程中殘留了部分斯托克斯光沒(méi)有發(fā)生頻譜反轉(zhuǎn)，這部分光波在高非線性光纖中傳輸時(shí)將會(huì)發(fā)生參量放大，從而導(dǎo)致激光器中心頻率的能量迅速向斯托克斯光轉(zhuǎn)移，嚴(yán)重影響了光源的輸出功率和頻譜質(zhì)量。在圖10中，中心頻率的峰值功率為40.5dBm，SRS產(chǎn)生的斯托克斯光譜峰值功率達(dá)到了40.8dBm，甚至超過(guò)了中心峰值功率。這一結(jié)果說(shuō)明殘留的斯托克斯光嚴(yán)重影響了相位共軛對(duì)SRS效應(yīng)的抑制效果。
實(shí)施例2為了改善實(shí)施例1的效果，在實(shí)施例1所述結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在高非線性光纖的兩端分別增加濾波器共同構(gòu)成前向相位共軛器件，如圖11所示。經(jīng)過(guò)該相位共軛器件處理后的輸出光譜如圖12所示。
在實(shí)施例2中，相位共軛過(guò)程中未發(fā)生頻譜反轉(zhuǎn)的低頻斯托克斯光被高非線性光纖兩端的濾波器濾除，有效減緩了中心頻率的能量向斯托克斯光的轉(zhuǎn)移，輸出光譜有了明顯改善。在圖12中，中心頻率的峰值功率為51.3dBm，SRS產(chǎn)生的斯托克斯光譜峰值功率為31.9dBm，兩者差值達(dá)到了19.4dBm，SBS效應(yīng)對(duì)光纖激光器的影響基本可以忽略。和實(shí)施例1相比，中心峰值功率增加了10.8dBm，斯托克斯光譜峰值功率下降了8.9dBm，可見(jiàn)濾波器的配合使用明顯改善了相位共軛對(duì)SRS效應(yīng)的抑制效果。
對(duì)于利用光纖、半導(dǎo)體光放大器以及非線性晶體等不同材料、不同原理的相位共軛器件，其特點(diǎn)不盡相同，需要根據(jù)具體情況選擇相應(yīng)的輔助措施，以有效提高光纖激光器的輸出功率、光譜和光束質(zhì)量。
實(shí)施例3本實(shí)施例采用圖2所示的結(jié)構(gòu)，后向相位共軛器件利用一段高非線性光纖采用受激布里淵散射的原理來(lái)實(shí)現(xiàn)，后向相位共軛器件作為光纖激光器的一個(gè)腔鏡，一方面提供激光反饋，另一方面進(jìn)行激光頻譜反轉(zhuǎn)。由于高非線性光纖的受激布里淵散射的閾值很小，激光入射到高非線性光纖中產(chǎn)生的受激布里淵散射的效率很高，生成的相位共軛光和入射光方向相反。經(jīng)過(guò)相位共軛后，SRS效應(yīng)的斯托克斯光發(fā)生了頻譜反轉(zhuǎn)，在其后的傳輸中能量重新由斯托克斯光轉(zhuǎn)移到原來(lái)的作為泵浦光的中心頻率，從而抑制高功率激光的受激拉曼散射效應(yīng)，提高光纖激光器的輸出功率、光譜和光束質(zhì)量。作為后向相位共軛器件的高非線性光纖的長(zhǎng)度根據(jù)非線性系數(shù)、激光器功率以及相位共軛的效率要求等加以選擇。
權(quán)利要求
1.一種提高光纖激光器的輸出功率、光譜和光束質(zhì)量的方法，其特征在于利用前向相位共軛和后向相位共軛抑制光纖激光器中受激拉曼散射效應(yīng)，提高光纖激光器的輸出功率、光譜和光束質(zhì)量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高光纖激光器的輸出功率、光譜和光束質(zhì)量的方法，其特征在于將光纖激光器中作為增益介質(zhì)的光纖分成兩段，在兩段之間設(shè)置前向相位共軛器件，激光在前一段光纖中逐漸產(chǎn)生受激拉曼散射效應(yīng)，生成低頻的斯托克斯光，經(jīng)過(guò)相位共軛器件以后頻譜發(fā)生反轉(zhuǎn)，在后一段增益介質(zhì)中傳輸時(shí)能量重新由斯托克斯光轉(zhuǎn)移到原來(lái)的泵浦激光，從而抑制高功率激光的受激拉曼散射效應(yīng)，提高光纖激光器的輸出功率、光譜和光束質(zhì)量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高光纖激光器的輸出功率、光譜和光束質(zhì)量的方法，其特征在于利用后向相位共軛器件作為光纖激光器的一個(gè)腔鏡，一方面提供激光反饋，另一方面進(jìn)行激光頻譜反轉(zhuǎn)，從而抑制高功率激光的受激拉曼散射效應(yīng)，提高光纖激光器的輸出功率、光譜和光束質(zhì)量。
全文摘要
一種提高光纖激光器的輸出功率、光譜和光束質(zhì)量的方法，屬于激光及光電子學(xué)領(lǐng)域。受激拉曼散射效應(yīng)使得高功率光纖激光器中心頻率的功率向低頻的斯托克斯光轉(zhuǎn)移，非線性光學(xué)和熱畸變等效應(yīng)使得光纖激光的光譜質(zhì)量和光束質(zhì)量變差，為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明一種提高光纖激光器的輸出功率、光譜和光束質(zhì)量的方法，其特征在于利用前向相位共軛和后向相位共軛抑制光纖激光器中的受激拉曼散射效應(yīng)，補(bǔ)償有害的非線性光學(xué)和熱畸變等效應(yīng)，從而提高光纖激光器的輸出功率、光譜和光束質(zhì)量。
文檔編號(hào)G02F1/35GK1661452SQ20051001122
公開(kāi)日2005年8月31日 申請(qǐng)日期2005年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月21日
發(fā)明者楊昌喜, 高士明, 肖曉晟, 田雨, 陸思 申請(qǐng)人:清華大學(xué)