提高大功率單頻光纖激光器中受激布里淵散射閾值的裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及到大功率光纖激光器、單頻光纖激光器等激光應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及用于提高大功率單頻光纖激光器中受激布里淵散射閾值的裝置。
[0002]
【背景技術(shù)】
[0003]大功率單頻光纖激光器在功率水平和線寬特性等方面具有獨(dú)特優(yōu)勢，其廣泛應(yīng)用于激光指示與測距、激光雷達(dá)、光譜學(xué)、非線性頻率轉(zhuǎn)換、相干合束等領(lǐng)域。一般基于小功率窄線寬單頻激光器作為種子源，采用種子源主振蕩功率放大(ΜΟΡΑ)結(jié)構(gòu)，來實(shí)現(xiàn)其大功率和窄線寬的輸出性能。但由于該結(jié)構(gòu)中種子源激光器的線寬很窄，以及有源雙包層光纖相對(duì)有限的纖芯尺寸和較長的作用長度，導(dǎo)致單頻光纖激光器的輸出功率提升主要受到了受激布里淵散射的極大制約，其典型值被限制在500 W左右(Opt.Express, 2007, 15(25):17044-17050)。
[0004]受激布里淵散射是一種發(fā)生在光纖內(nèi)的非線性過程，是入射栗浦光經(jīng)過光纖被分子振動(dòng)調(diào)制導(dǎo)致的，其具有明顯的增益和閾值特征。當(dāng)一旦達(dá)到布里淵散射閾值，受激布里淵散射將絕大部分信號(hào)光功率轉(zhuǎn)換為反向斯托克斯光，即導(dǎo)致激光輸出功率或光-光轉(zhuǎn)換效率的降低。因此，受激布里淵散射極大地限制了單頻光纖激光輸出功率的提升。
[0005]目前，抑制光纖激光器中受激布里淵散射的常見方法有以下幾種:
(1)使用短長度高摻雜大芯徑有源雙包層光纖，即增大光纖的模場面積和提高其摻雜稀土離子濃度(Laser Phys.Lett., 2012, 9(8): 591-595)。但是該方法不僅涉及到雙包層光纖制作工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)，而且降低了雙包層光纖的柔韌性與散熱能力(比表面積下降)。
[0006](2)使用特殊結(jié)構(gòu)的光纖(美國專利:US005851259A、US006542683B1)，但是該方法也涉及到對(duì)光纖結(jié)構(gòu)的重新設(shè)計(jì)，其工藝復(fù)雜，且僅適合于非摻雜稀土離子的單模光纖，很難解決現(xiàn)有大功率光纖激光器中的熱效應(yīng)、受激布里淵散射、模式控制等問題。
[0007](3)在沿雙包層光纖軸向施加溫度或應(yīng)力梯度分布等方式(Opt.Express, 2007，15(25): 17044-17050、Opt.Express, 2013, 21(5): 5456-5462)，以降低受激布里淵散射的有效增益系數(shù)，進(jìn)而抑制受激布里淵散射。但是僅通過沿雙包層光纖軸向熱量分布的不均勻性(被動(dòng)方式)來實(shí)現(xiàn)，沒有給出具體應(yīng)力分布的實(shí)現(xiàn)手段。此外，中國專利:201010104948.3對(duì)長度為50 m的單模光纖同時(shí)施加溫度梯度和縱向壓力或張力，以實(shí)現(xiàn)抑制受激布里淵散射的目的。但是該方法沒有給出具體的技術(shù)手段，且僅僅適用于非摻雜稀土離子的單模光纖，不適合有源雙包層光纖的情況。
[0008](4)使用多波長單頻種子源激光器，信號(hào)激光功率將分布在多個(gè)頻率成分上，致使每個(gè)頻率成分的譜功率密度降低(Laser Phys.Lett., 2012, 9(7): 532-536)。但是該方法涉及到多個(gè)種子源激光器，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制較困難。
[0009](5)使用光纖布拉格光柵，即將光柵設(shè)計(jì)成對(duì)前向傳輸栗浦光透過，而基于受激布里淵散射產(chǎn)生的斯托克斯頻譜則落在其阻帶內(nèi)，斯托克斯光被光柵反射并和栗浦光一起往前傳輸(Opt.Express, 2003, 11(25): 3467-3472)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的目的是:提供了提高大功率單頻光纖激光器中受激布里淵散射閾值的裝置，其所要解決的技術(shù)問題是:克服現(xiàn)有裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制較困難、集成度較低等缺點(diǎn)。通過將所述大功率單頻光纖激光器中的有源雙包層光纖，緊緊盤繞于由若干塊金屬扇形體和阻隔層一起構(gòu)成的金屬圓柱體上面。由于量子虧損導(dǎo)致所述有源雙包層光纖本身產(chǎn)生熱量，而金屬圓柱體具有不同的導(dǎo)熱能力，最終使得有源雙包層光纖產(chǎn)生溫度分布的不均勻性。接著，所述的有源雙包層光纖嵌入與固定于金屬圓柱體側(cè)面的不均勻螺紋槽里面，以便形成其應(yīng)力分布的不均勻性。再者，金屬圓柱體的側(cè)面還刻有豎槽，進(jìn)一步增加有源雙包層光纖盤繞時(shí)應(yīng)力分布的不均勻性。利用沿有源雙包層光纖軸向或徑向溫度和應(yīng)力分布的不均勻性，可以擴(kuò)展光纖的布里淵增益帶寬，顯著地提高激光系統(tǒng)的受激布里淵散射閾值。另夕卜，使用纏繞彎曲的方式，可以濾除雙包層光纖中的高階模式(在相同情況下，高階模式較基橫模對(duì)于纏繞彎曲更為敏感)。最終可以實(shí)現(xiàn)大功率、近衍射輸出光束質(zhì)量、穩(wěn)定的單頻光纖激光輸出。
[0011]本發(fā)明的具體技術(shù)解決方案如下:
提高大功率單頻光纖激光器中受激布里淵散射閾值的裝置，包括金屬圓柱體、阻隔層、側(cè)面豎槽、螺紋槽、上半導(dǎo)體致冷器TEC和下半導(dǎo)體致冷器TEC;所述的金屬圓柱體由若干塊不同材質(zhì)的金屬扇形體共同組合在一起構(gòu)成；不同金屬扇形體交替排列，金屬圓柱體中空部分用阻隔層將金屬扇形體隔離開來，使得所述的金屬圓柱體側(cè)面具有不同的導(dǎo)熱能力；側(cè)面豎槽開設(shè)在金屬圓柱體外側(cè)面；所述螺紋槽由金屬圓柱體的側(cè)面自上而下刻出，螺紋槽為單道內(nèi)螺紋，將有源雙包層光纖緊密盤繞于螺紋槽中，并且填充導(dǎo)熱硅脂進(jìn)行散熱；上半導(dǎo)體致冷器TEC、下半導(dǎo)體致冷器TEC分別置于并緊貼金屬圓柱體的上、下底面。
[0012]進(jìn)一步地，所述的金屬圓柱體由導(dǎo)熱性能良好的銅、鋁、鐵金屬制作，不同材質(zhì)的金屬扇形體交替排列，所述的阻隔層將金屬扇形體隔離開來，產(chǎn)生阻熱作用。
[0013]進(jìn)一步地，所述的阻隔層由玻璃纖維、石棉、特氟龍隔熱材料填充構(gòu)成，其形狀為矩形片狀。
[0014]進(jìn)一步地，所述的金屬圓柱體上、下底面圓的直徑為1~50 cm，其高度為1~50 cm，
其具體尺寸根據(jù)有源雙包層光纖的纏繞程度來選擇。
[0015]進(jìn)一步地，所述的側(cè)面豎槽垂直于金屬圓柱體上、下底面或者與金屬圓柱體上、下底面成非90度夾角，側(cè)面豎槽形狀為矩形、半圓形或梯形。
[0016]進(jìn)一步地，所述的側(cè)面豎槽的深度為0.1~5 cm，寬度一般為0.1~10 cm，均勻分布或者隨機(jī)分布于金屬圓柱體的側(cè)面。
[0017]進(jìn)一步地，所述的螺紋槽形狀為矩形、倒三角形或梯形。
[0018]進(jìn)一步地，所述的螺紋槽寬度和深度均勻或者大小不一，其螺紋寬度和深度分別為 50~5000 Mm、50~5000 Mm。
[0019]進(jìn)一步地，所述的螺紋槽里面緊密盤繞大功率單頻光纖激光器中的有源雙包層光纖，并且填充導(dǎo)熱硅脂，便于散熱和濾除高階模式。
[0020]進(jìn)一步地，所述的上半導(dǎo)體致冷器TEC、下半導(dǎo)體致冷器TEC分別設(shè)置同步或者不同溫度值，形成上、下底面的溫度差分布，即能控制金屬圓柱體的溫度范圍為0~90 °C。所述的金屬圓柱體上、下底面圓的直徑一般為1~50 cm，其高度一般為1~50 cm，其具體尺寸根據(jù)有源雙包層光纖的纏繞程度來進(jìn)行選擇。
[0021]所述的上、下半導(dǎo)體致冷器TEC分別緊緊固定在金屬圓柱體的上、下底面，可以分別設(shè)置同步或者不同溫度值，形成上、下底面的溫度差分布，控制金屬圓柱體的溫度在0~90°C范圍內(nèi)變化。
[0022]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)效果:
將有源雙包層光纖沿金屬圓柱體側(cè)面，自上而下緊密盤繞與固定于寬度、深度、形狀不一的螺紋槽里面。一方面，螺紋槽使得光纖形成應(yīng)力分布的不均勻性；另一方面，金屬圓柱體的側(cè)面還刻有豎槽，進(jìn)一步增加有源雙包層光纖盤繞時(shí)應(yīng)力分布的不均勻性。另外，由若干塊不同材質(zhì)的金屬扇形體共同組成的金屬圓柱體，經(jīng)阻隔層的阻熱作用，使金屬圓柱體具有不同的導(dǎo)熱能力，能夠使得盤繞的有源雙包層光纖形成溫度分布的不均勻性；并且，金屬圓柱體的上、下底面分別裝有上、下半導(dǎo)體致冷器TEC，對(duì)金屬圓柱體的溫度進(jìn)行可控。這些沿光纖軸向或徑向溫度和應(yīng)力分布的不均勻性，可以擴(kuò)展光纖的布里淵增益帶寬，進(jìn)而有效提高大功率單頻光纖激光器中的受激布里淵散