一種提高光纖雷射器的輸出功率、光譜和光束質量的方法
2023-07-26 22:42:21 1
專利名稱：一種提高光纖雷射器的輸出功率、光譜和光束質量的方法
技術領域：
本發明屬於雷射及光電子學領域。
背景技術：
從1960年第一臺雷射器問世以來，雷射因其良好的單色性、方向性和高功率在多個領域得到了廣泛應用。光纖雷射器是以光纖作為增益介質的雷射器。光纖雷射器具有較低的光學損耗和較長的增益介質長度，使得泵浦光能量更有效地被吸收。高功率光纖雷射器的腔內雷射被限制在纖芯中，而纖芯的芯徑只有幾微米至幾十微米，數值孔徑也較低，因而通過模式控制能夠保證腔內雷射的單模或低階模特性，從而在結構上確保了光纖雷射器即使在很高的功率輸出下也能得到接近於衍射極限的高光束質量。光纖雷射器以光纖作為增益介質，光纖的面積體積比很大，纖芯中雷射產生的熱量很容易傳導到光纖的表面，再由光纖表面散發到工作環境中，具有良好的散熱性。由於具有以上優點，光纖雷射器的效率很高，輸出光束質量很好，從而可以獲得很高的功率。目前，國際上光纖雷射器的功率已經突破了1000W，在國內光纖雷射器的功率也達到了百瓦量級。
當雷射功率超過一定閾值時，雷射與光學介質會發生強相互作用，泵浦能量迅速轉移到生成的斯託克斯光上，斯託克斯光的能量迅速增長，這一現象即為受激拉曼散射(SRS)。SRS的斯託克斯頻移譜很寬，例如，二氧化矽光纖中波長為1μm的泵浦光的拉曼增益譜寬度約為13THz。在當前研製的高功率光纖雷射器中，雷射功率遠遠超過了SRS的閾值，人們已經觀察到了SRS現象，作為泵浦的雷射器中心頻率的功率迅速向斯託克斯光轉移，從而造成雷射器功率的下降，並且影響了雷射器的頻譜以及光束質量。
由於相位共軛(OPC)的過程可以實現頻譜反轉，這種方法可以用於抑制各種非線性效應。對於SRS來說，如果在信號傳輸的中途進行相位共軛，使得前半段生成的頻譜高頻部分和低頻部分相互交換，則交換後的斯託克斯光頻率高於泵浦光，在後半段傳輸中發生SRS時能量則繼續由高頻部分向低頻部分轉移，使得斯託克斯光能量重新轉移到泵浦光上，起到抑制SRS效應的作用。
相位共軛的另一特點是可以消除熱畸變引起的波前畸變。高功率光纖雷射器的熱畸變效應很嚴重，導致波前變形，破壞理想模式輸出。相位共軛的過程同時可以消除光纖雷射器的熱畸變效應，提高輸出的光束質量。
發明內容
SRS效應使得高功率光纖雷射器中心頻率的功率向低頻的斯託克斯光轉移，非線性光學和熱畸變等效應使得光纖雷射的光譜質量和光束質量變差，為了解決上述問題，本發明利用前向相位共軛和後向相位共軛抑制光纖雷射器中的SRS效應，補償有害的非線性光學和熱畸變等效應，從而提高光纖雷射器的輸出功率、光譜和光束質量。
如果採用前向相位共軛的形式，則可以將光纖雷射器中作為增益介質的光纖分成兩段，在兩段之間設置前向相位共軛器件，雷射在前一段光纖中逐漸產生受激拉曼散射效應，生成低頻的斯託克斯光，經過相位共軛器件以後頻譜發生反轉，在後一段增益介質中傳輸時能量重新由斯託克斯光轉移到原來的泵浦雷射，從而抑制高功率雷射的受激拉曼散射效應，提高光纖雷射器的輸出功率、光譜和光束質量。
如果採用後向相位共軛的形式，則可以利用後向相位共軛器件作為光纖雷射器的一個腔鏡，一方面提供雷射反饋，另一方面進行雷射頻譜反轉，從而抑制高功率雷射的受激拉曼散射效應，提高光纖雷射器的輸出功率、光譜和光束質量。
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係數的非線性材料實現。
利用本發明所述方法，經過相位共軛器件補償以後，光纖雷射器的中心頻率的功率得到了明顯恢復，同時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雷射器中的SRS效應示意圖。
圖2為利用後向相位共軛抑制光纖雷射器中的SRS效應示意圖。
圖3為光纖雷射器的初始光譜示意圖。
圖4為未經過相位共軛過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後端的光譜示意圖。
圖7為經過理想相位共軛抑制SRS效應後的輸出光譜示意圖。
圖8為色散平移光纖、高非線性光纖、光子晶體光纖用於相位共軛的工作帶寬示意圖。
圖9為相位共軛抑制SRS效應的實施例1的示意圖。
圖10為圖9所示實施例1的輸出光譜示意圖。
圖11為相位共軛抑制SRS效應的實施例2的示意圖。
圖12為圖11所示實施例2的輸出光譜示意圖。
具體實施例方式
本發明提供了一種提高光纖雷射器的輸出功率、光譜和光束質量的方法，利用前向相位共軛和後向相位共軛抑制光纖雷射器中的SRS效應，補償有害的非線性光學和熱畸變等效應。
利用前向相位共軛抑制SRS效應的原理如圖1所示，將光纖雷射器中作為增益介質的光纖分成兩段，在兩段之間設置前向相位共軛器件，雷射在前一段光纖中逐漸產生受激拉曼散射效應，生成低頻的斯託克斯光，經過相位共軛器件以後頻譜發生反轉，在後一段增益介質中傳輸時能量重新由斯託克斯光轉移到原來的泵浦雷射，從而抑制高功率雷射的受激拉曼散射效應，提高光纖雷射器的輸出功率、光譜和光束質量。
利用後向相位共軛抑制SRS效應的原理如圖2所示，利用後向相位共軛器件作為光纖雷射器的一個腔鏡，一方面提供雷射反饋，另一方面進行雷射頻譜反轉，從而抑制高功率雷射的受激拉曼散射效應，提高光纖雷射器的輸出功率、光譜和光束質量。
下面通過理論推導和數值模擬分析相位共軛抑制SRS的效果。假設光纖雷射器的中心頻率為Ω0，初始功率為P，在光纖增益介質中，設位於拉曼增益譜內的某個頻率Ωi的光波功率為Si，則經過長度Δl後Si的功率變化等於它從中心泵浦光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其它低頻率光的功率損耗，表示如下dSi(l)=g(i-0)PSil+1(i-1)jg(i-j)SjSil-(i+1)Nkg(k-i)SkSil,---(1)]]>等號右邊第一項為泵浦對Si的增益，第二項為其它高頻對Si的增益，第三項為Si對其它低頻的損耗，其中g(Ωi-Ωj)＝G(Ωi-Ωj)/Aeff，而G(Ωi-Ωj)為頻率Ωj對頻率Ωi(Ωj＞Ωi)的拉曼增益係數，Aeff為光纖的有效模式場面積。進一步，泵浦光和斯託克斯光都滿足下面的式子Si(l+l)=Si(l)+dSi(l)=Si(l)+0Njg(i-j)SjSil,---(2)]]>其中g(Ωi-Ωj)自變量的定義域擴展到所有的實數，它是一個反對稱函數且g(0)＝0。將(2)式寫成矩陣形式如下S0(l+l)S1(l+l)SN(l+l)=S0(l)S1(l)SN(l)+]]>lS0(l)S1(l)SN(l)g(0-0)g(0-1)g(0-N)g(1-0)g(1-1)g(1-N)g(N-0)g(N-1)g(N-N)S0(l)S1(l)SN(l).---(3)]]>利用(3)式對相位共軛抑制拉曼效應進行數值模擬。對於傳統的未經相位共軛處理的光纖雷射器，假設雷射器的初始中心波長為1100nm、功率為150W(即51.8dBm)，光纖雷射器的光纖峰值拉曼增益為0.91×10-13m/W，光譜如圖3所示的雷射在光纖增益介質中傳輸60m後受激拉曼譜如圖4所示，作為泵浦光的雷射器中心功率急劇下降，僅為43.0dBm，下降了8.8dBm；同時，相對泵浦光頻率下移13THz左右處有明顯的斯託克斯光產生，峰值達到了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增長，迅速消耗泵浦光功率。可見，SRS效應的發生嚴重影響了光纖雷射器的輸出功率、光譜和光束質量。
以前向相位共軛為例，如果在光纖的中點處引入相位共軛器件(見圖1)，雷射在前30m光纖中傳輸後發生SRS效應(見圖5)，然後利用相位共軛器件將泵浦光和斯託克斯光進行頻譜反轉，假設相位共軛的過程是理想的，頻譜反轉的中心頻率取為雷射器中心頻率，反轉後的頻譜如圖6所示，此時斯託克斯光的頻率均高於中心頻率，而且泵浦光處於斯託克斯光的增益譜內。反轉後的泵浦光和斯託克斯光再經過30m光纖的傳輸後，輸出的光譜如圖7所示，可見泵浦光的功率顯著增加，在前段光纖中產生的斯託克斯光功率重新轉換回中心頻率。這一點可以很容易地從(1)式中得到解釋，因為如果被激發頻率的功率比較高，由於它的增益項g(Ωi-Ω0)PSiΔl與其自身的功率成正比，所以它增益得非常快，能量迅速由此時成為泵浦的「斯託克斯光」轉移到此時為受激頻率的「泵浦光」。從圖中可以看出儘管頻譜右端還是會再產生一些斯託克斯光，但它們的功率都很小，泵浦的功率逐漸得到恢復。在圖7中，經過理想的相位共軛器件補償以後，光纖雷射器的SRS效應得到了明顯抑制，中心頻率的功率恢復到51.8dBm，和輸入功率基本一致，同時SRS譜的峰值功率僅為0.5dBm。對比圖4和圖7可知，相位共軛對SRS具有非常明顯的抑制作用。
相位共軛器件的實現方法有多種，如利用色散平移光纖、高非線性光纖、光子晶體光纖、半導體光放大器以及非線性晶體等材料中的光波混頻效應等。為了得到高效、寬帶的相位共軛器，需要採用有效的非線性光學介質。圖8列舉了在相同最大轉換效率的情況下，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，其中縱坐標為歸一化效率，橫坐標為信號光與泵浦光的頻率差(單位GHz)。泵浦光波長為1.55μm，在此波長，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，它們的非線性係數分別為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換效率，它們的長度分別取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現相位共軛，在最大轉換效率相同時，其轉換帶寬(3dB)分別為1.06、2.6和4.8THz。可見，在多種材料中均可實現相位共軛，具體參數不同相應的帶寬等性能也有所不同。
現通過實施例說明利用相位共軛器件抑制光纖雷射器中SRS效應。
實施例1
如圖9所示，光纖雷射器的光纖增益介質長度為60m，將其分為相等的兩段，在兩段之間設置一段具有高非線性係數的光纖作為前向相位共軛器件。光纖的非線性係數為10W-1km-1，二階色散為-1×10-29s2/m，四階色散為-2×10-57s4/m，光纖長度為1m。經過該相位共軛器件處理後的輸出光譜如圖10所示。由於相位共軛的過程中殘留了部分斯託克斯光沒有發生頻譜反轉，這部分光波在高非線性光纖中傳輸時將會發生參量放大，從而導致雷射器中心頻率的能量迅速向斯託克斯光轉移，嚴重影響了光源的輸出功率和頻譜質量。在圖10中，中心頻率的峰值功率為40.5dBm，SRS產生的斯託克斯光譜峰值功率達到了40.8dBm，甚至超過了中心峰值功率。這一結果說明殘留的斯託克斯光嚴重影響了相位共軛對SRS效應的抑制效果。
實施例2為了改善實施例1的效果，在實施例1所述結構的基礎上，在高非線性光纖的兩端分別增加濾波器共同構成前向相位共軛器件，如圖11所示。經過該相位共軛器件處理後的輸出光譜如圖12所示。
在實施例2中，相位共軛過程中未發生頻譜反轉的低頻斯託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託克斯光的轉移，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產生的斯託克斯光譜峰值功率為31.9dBm，兩者差值達到了19.4dBm，SBS效應對光纖雷射器的影響基本可以忽略。和實施例1相比，中心峰值功率增加了10.8dBm，斯託克斯光譜峰值功率下降了8.9dBm，可見濾波器的配合使用明顯改善了相位共軛對SRS效應的抑制效果。
對於利用光纖、半導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，其特點不盡相同，需要根據具體情況選擇相應的輔助措施，以有效提高光纖雷射器的輸出功率、光譜和光束質量。
實施例3本實施例採用圖2所示的結構，後向相位共軛器件利用一段高非線性光纖採用受激布裡淵散射的原理來實現，後向相位共軛器件作為光纖雷射器的一個腔鏡，一方面提供雷射反饋，另一方面進行雷射頻譜反轉。由於高非線性光纖的受激布裡淵散射的閾值很小，雷射入射到高非線性光纖中產生的受激布裡淵散射的效率很高，生成的相位共軛光和入射光方向相反。經過相位共軛後，SRS效應的斯託克斯光發生了頻譜反轉，在其後的傳輸中能量重新由斯託克斯光轉移到原來的作為泵浦光的中心頻率，從而抑制高功率雷射的受激拉曼散射效應，提高光纖雷射器的輸出功率、光譜和光束質量。作為後向相位共軛器件的高非線性光纖的長度根據非線性係數、雷射器功率以及相位共軛的效率要求等加以選擇。
權利要求
1.一種提高光纖雷射器的輸出功率、光譜和光束質量的方法，其特徵在於利用前向相位共軛和後向相位共軛抑制光纖雷射器中受激拉曼散射效應，提高光纖雷射器的輸出功率、光譜和光束質量。
2.根據權利要求1所述的提高光纖雷射器的輸出功率、光譜和光束質量的方法，其特徵在於將光纖雷射器中作為增益介質的光纖分成兩段，在兩段之間設置前向相位共軛器件，雷射在前一段光纖中逐漸產生受激拉曼散射效應，生成低頻的斯託克斯光，經過相位共軛器件以後頻譜發生反轉，在後一段增益介質中傳輸時能量重新由斯託克斯光轉移到原來的泵浦雷射，從而抑制高功率雷射的受激拉曼散射效應，提高光纖雷射器的輸出功率、光譜和光束質量。
3.根據權利要求1所述的提高光纖雷射器的輸出功率、光譜和光束質量的方法，其特徵在於利用後向相位共軛器件作為光纖雷射器的一個腔鏡，一方面提供雷射反饋，另一方面進行雷射頻譜反轉，從而抑制高功率雷射的受激拉曼散射效應，提高光纖雷射器的輸出功率、光譜和光束質量。
全文摘要
一種提高光纖雷射器的輸出功率、光譜和光束質量的方法，屬於雷射及光電子學領域。受激拉曼散射效應使得高功率光纖雷射器中心頻率的功率向低頻的斯託克斯光轉移，非線性光學和熱畸變等效應使得光纖雷射的光譜質量和光束質量變差，為了解決上述問題，本發明一種提高光纖雷射器的輸出功率、光譜和光束質量的方法，其特徵在於利用前向相位共軛和後向相位共軛抑制光纖雷射器中的受激拉曼散射效應，補償有害的非線性光學和熱畸變等效應，從而提高光纖雷射器的輸出功率、光譜和光束質量。
文檔編號G02F1/35GK1661452SQ20051001122
公開日2005年8月31日 申請日期2005年1月21日 優先權日2005年1月21日
發明者楊昌喜, 高士明, 肖曉晟, 田雨, 陸思 申請人:清華大學