一种基于倾斜光栅的窄线宽光纤激光器

技术领域

本发明涉及窄线宽光纤激光器技术领域，特别是涉及一种基于倾斜光栅的窄线宽光纤激光器。

背景技术

光纤激光相干合成技术是目前突破单纤功率限制、提升光纤激光输出功率并保持优质光束质量的有效途径。其原理是利用多个高功率线偏振窄线宽光纤激光子束的波长和偏振方向一致，通过控制子束相位，使各激光阵列在远场以相互干涉的方式实现高品质叠加。这种方法不仅对子束的线宽、光束质量要求严格，对线偏振子束的偏振消光比也有很高的要求。子束的偏振消光比将直接影响相干合成的效率，从而影响光束合成功率。

目前，高功率全光纤窄线宽激光器一般由线偏振窄线宽种子源、一级或多级预放大器和主放大器构成。在放大器中，主要有两种方法可以实现线偏振激光输出。

第一种方法是基于全保偏光纤器件搭建线偏振光纤放大器，利用器件的偏振保持特性实现线偏振光输出。该方法是实现线偏振子束的主要技术途径，可实现放大器的全光纤化和全保偏化，但由于放大级中保偏光纤较长，受限于保偏光纤材料的制造工艺，在传输过程中激光的偏振消光比将不可避免的退化。即便种子源输出的偏振消光比很高（20dB以上），在数千瓦级的保偏放大器输出端得到的偏振消光比都将退化至15dB左右。随着功率的进一步提升，放大级中将产生模式不稳定效应，将导致偏振消光比进一步降低。

第二种方法是基于偏振自适应补偿，在非保偏放大器中通过偏振控制实现线偏振激光输出。该方法有赖于在放大级输出端利用偏振分束器（PBS）将激光分为P光和S光，利用光电探测器对P光进行探测，为偏振控制系统提供反馈信号，再利用前端的偏振控制器实现对激光的偏振控制。这种方法可以在非保偏放大器中实现线偏振激光输出，但最大的缺点在于偏振控制系统复杂，非全纤化结构，激光器输出功率受限于PBS的耐受功率。目前该技术仅能支持功率1.5kW，消光比15dB左右的线偏振窄线宽激光输出。子束输出功率和消光比都难以达到高功率高效率的相干合成要求。

综上，无论采用哪种方法，千瓦级以上的线偏振窄线宽光纤激光器的偏振消光比一般仅在15dB左右，几乎不可能超过20dB。因此，目前窄线宽光纤激光器的偏振消光比有待提高。

发明内容

基于此，本发明实施例提供一种基于倾斜光栅的窄线宽光纤激光器，以提高窄线宽光纤激光器的偏振消光比。

为实现上述目的，本发明实施例提供了如下方案：

一种基于倾斜光栅的窄线宽光纤激光器，包括：种子源、预放大结构、主放大结构和倾斜光栅；所述倾斜光栅为基于保偏光纤刻写的45°倾斜的光栅；

所述种子源的输出端与所述预放大结构的输入端连接；所述预放大结构的输出端与所述主放大结构的输入端连接；所述主放大结构的输入端和/或所述主放大结构的输出端设置至少一个所述倾斜光栅。

可选地，所述倾斜光栅包括：保偏光纤和光栅本体；

所述保偏光纤包括：纤芯、应力棒和包层；所述纤芯位于两个所述应力棒之间；所述包层用于包裹所述纤芯和所述应力棒；所述纤芯内部设置所述光栅本体；

两个所述应力棒中心连线的方向为所述保偏光纤的慢轴方向，与所述慢轴方向以及所述保偏光纤的光纤轴的方向均垂直的方向为所述保偏光纤的快轴方向；

所述光栅本体设置在所述保偏光纤内部；所述光栅本体的栅面与所述保偏光纤的慢轴呈45°夹角、与所述保偏光纤的光纤轴呈45°夹角且与所述保偏光纤的快轴方向平行。

可选地，所述光栅本体为多个；多个所述光栅本体的栅面之间的法相间距等于光栅本体的周期；

所述光栅本体的周期与激光波长的关系满足：

；

其中，λ为保偏光纤输入的激光波长；n为光栅本体的折射率；

可选地，采用保偏光纤熔接机在所述主放大结构的输入端和/或所述主放大结构的输出端对轴熔接至少一个所述倾斜光栅。

可选地，所述主放大结构的输入端设置一个所述倾斜光栅；所述主放大结构的输出端设置一个所述倾斜光栅。

可选地，所述倾斜光栅为基于保偏光纤采用刻栅激光和相位掩膜板刻写的45°倾斜的光栅。

可选地，所述倾斜光栅的长度至少为2cm。

可选地，所述刻栅激光为紫外激光或飞秒激光。

可选地，所述种子源包括：单频激光器、相位调制器和信号源；所述单频激光器和所述信号源均与所述相位调制器连接；所述相位调制器的输出端作为所述种子源的输出端。

可选地，所述预放大结构包括：依次连接的第一预放大器、第二预放大器和隔离器。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明实施例在主放大结构的输入端和/或主放大结构的输出端设置至少一个倾斜光栅，倾斜光栅为基于保偏光纤刻写的45°倾斜的光栅，该倾斜光栅可以用做偏振消光比增强器，大幅度提升线偏振激光的偏振消光比，因此，本发明实施例能提高窄线宽光纤激光器的偏振消光比，具有工程难度低、可靠性高等特点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的基于倾斜光栅的窄线宽光纤激光器的一种示例性结构图；

图2为本发明实施例提供的倾斜光栅刻写的示意图；

图3为本发明实施例提供的倾斜光栅的结构图；

图4为本发明实施例提供的基于倾斜光栅的窄线宽光纤激光器的另一种示例性结构图。

符号说明：

纤芯—1，应力棒—2，包层—3，光栅本体—4，单频激光器—5，相位调制器—6，信号源—7，第一预放大器—8，第二预放大器—9，隔离器—10，主放大器—11，输出头—12。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行描述。

本发明的目的是提供一种基于倾斜光栅的窄线宽光纤激光器，通过设置倾斜光栅提高窄线宽光纤激光器的偏振消光比。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参见图1，本实施例的基于倾斜光栅的窄线宽光纤激光器，包括：种子源、预放大结构、主放大结构和倾斜光栅；所述倾斜光栅为基于保偏光纤刻写的45°倾斜的光栅。

所述种子源的输出端与所述预放大结构的输入端连接；所述预放大结构的输出端与所述主放大结构的输入端连接；所述主放大结构的输入端和/或所述主放大结构的输出端设置至少一个所述倾斜光栅。

在实际应用中，可采用保偏光纤熔接机在所述主放大结构的输入端和/或所述主放大结构的输出端对轴熔接至少一个所述倾斜光栅。

图1示出了所述主放大结构的输入端设置一个所述倾斜光栅；所述主放大结构的输出端设置一个所述倾斜光栅，即倾斜光栅被放置于激光器主放大结构前后，此种接入方式保证了窄线宽光纤激光器的高偏振消光比。此外，仅放在主放大结构后、仅放在主放大结构前或在以上位置接入多个倾斜光栅构成的阵列也能产生消光比提升效果。

下面主要对倾斜光栅进行详细介绍。

45°倾斜光栅是一种偏振特性良好的全光纤器件，可以作为理想的全光纤起偏器或偏振分束器，通过它透射传输的激光偏振消光比可高达40 dB。45°倾斜光栅的原理如下：考虑普通的倾斜光栅，由于光栅本体栅面可以等效为光学界面，当栅面倾斜、激光以布鲁斯特角入射时，平行偏振光（P光）可以透射传输，而垂直偏振光（S光）将被反射到包层中直接辐射出去，从而实现起偏器或偏振分束器的效果。布鲁斯特角计算公式为：

；

其中，n

；

n为光栅本体的折射率；

然而，基于非保偏光纤刻写的45°倾斜光栅是难以实际应用于线偏振窄线宽激光器的。根据45°倾斜光栅的原理，如果输入激光为非保偏，S光和P光功率各占一半，则经过普通45°倾斜光栅后有一半的功率将从包层辐射出去；如果输入激光本身为线偏振，由于激光偏振方向与光栅本体栅面角度难以观察匹配，也很可能将大部分能量从包层辐射出去，光纤激光最终输出P光虽然消光比高，但总能量损耗严重，得不偿失。因此一般45°倾斜光栅作为起偏器只能用于种子源，无法用在放大级输出端。

下面以一个示例对本实施例的基于保偏光纤刻写的45°倾斜光栅进行介绍。

参见图2和图3，本实施例的倾斜光栅包括：保偏光纤和光栅本体4。所述保偏光纤包括：纤芯1、应力棒2、包层3和涂覆层（图中未示出涂覆层）；所述纤芯1位于两个所述应力棒2之间；所述包层3用于包裹所述纤芯1和所述应力棒2；所述纤芯1内部设置所述光栅本体4。光栅本体4采用普通光栅。

两个所述应力棒2中心连线的方向为所述保偏光纤的慢轴（即y轴）方向，与所述慢轴方向以及所述保偏光纤的光纤轴（即z轴）的方向均垂直的方向为所述保偏光纤的快轴（x轴）方向。

所述光栅本体4设置在所述保偏光纤内部；所述光栅本体4的栅面与所述保偏光纤的慢轴呈45°夹角、与所述保偏光纤的光纤轴呈45°夹角且与所述保偏光纤的快轴方向平行。

所述光栅本体4可以为多个；多个所述光栅本体4的栅面之间的法相间距等于光栅本体的周期。其中，所述光栅本体的周期与激光波长的关系满足：

；

其中，λ为保偏光纤输入的激光波长；公式中的数值20与λ的单位相同，均是nm。

图2中P光偏振方向与y轴平行，S光偏振方向与x轴平行，此处的方向是指光的偏振方向，图3同样遵从这个方向性。图3中的空心箭头是指光的传播方向，即入射激光包含P光和S光，且从左向右传输，在经过光栅本体4后，P光没有损耗，继续向前传输，而S光被光栅本体4反射到包层3从而使得光纤的侧面传输被耗散。因此，光纤中继续向前传输的激光只剩P光，从而达到偏振纯化，即提升了偏振消光比。

由于全保偏窄线宽激光器本身具有一定的消光比，纤芯1中传输的一般为偏振方向沿慢轴方向的P光和少量偏振方向沿快轴的S光。因此，倾斜光栅为基于保偏光纤采用刻栅激光和相位掩膜板刻写的45°倾斜的光栅。所述刻栅激光为紫外激光或飞秒激光。

利用刻栅激光（例如紫外激光）和相位掩模板刻写45°倾斜光栅时，使紫外激光沿快轴入射，光栅本体栅面与快轴方向平行。此时，激光器中传输的沿慢轴方向的P光将无损的经过45°倾斜光栅，而残余的S光将被反射到包层3中，从而实现偏振消光比的大幅提升，且输出的激光功率损耗很小。同时45°倾斜光栅在接入系统时，由于均为保偏光纤，直接利用保偏光纤熔接机即可实现高精度的对轴熔接，减少由于激光偏振方向和栅面角度不匹配造成的功率损失。

在实际应用中，本实施例的倾斜光栅的长度至少为2cm，例如，可以设置所述倾斜光栅的长度为2cm-5cm，以实现20dB以上的偏振消光比。

本示例的45°倾斜光栅用做偏振消光比增强器，用于高功率保偏光纤激光器输出端。这里光纤激光器采用全保偏光纤结构，可保证较高的基础偏振消光比（15 dB左右）；在此基础上利用具有定制光栅平面方向的45°倾斜光栅，置于主放大结构前后，滤除传输的线偏振光中功率占比较少的S光，从而以理论上的最低功率损耗来实现输出激光的偏振消光比的大幅提升，最终消光比可达20 dB以上。

本示例的45°倾斜光栅的结构根据保偏激光器本身激光偏振方向来确定。一般，保偏激光器中激光偏振方向为慢轴方向，此时，在刻写倾斜光栅时，应通过保偏光纤侧面定轴方法，使得刻栅所用的激光沿快轴方向入射，形成的光栅本体平面与快轴平行，即可无损地通过倾斜光栅的P光与保偏激光器中传输的线偏振光方向一致。

本示例的45°倾斜光栅结构接入主放大器之前可以滤除一半激光器在高功率情形下产生的后向传输的SBS光，从而实现一定的非线性效应抑制效果。

本示例的45°倾斜光栅接入系统时，需要通过保偏光纤熔接机进行高精度的对轴熔接，以保证偏振方向与光栅本体平面方向的对应匹配。同时，倾斜光栅需要经过退火、水冷封装等热处理，使其能够工作在高功率条件下。

在一个示例中，以所述主放大结构的输入端、输出端各设置一个倾斜光栅为例，对种子源、预放大结构和主放大结构的具体结构进行说明。

参见图4，所述种子源包括：单频激光器5、相位调制器6和信号源7；所述单频激光器5和所述信号源7均与所述相位调制器6连接；所述相位调制器6的输出端作为所述种子源的输出端。

所述预放大结构包括至少一级预放大器，本示例中的预放大结构包括两级预放大器，如图4所示，预放大结构依次连接的第一预放大器8、第二预放大器9和隔离器10。

所述主放大结构包括：主放大器11。主放大器11通过一个倾斜光栅与输出头12连接；所述输出头12用于输出高偏振消光比的线偏振激光。

本示例的窄线宽光纤激光器由种子源、全保偏光纤的预放大结构、全保偏光纤的主放大结构，两个基于保偏光纤刻写的45°倾斜光栅构成。种子源采用基于单频激光器加相位调制的方案，放大级采用多级放大方案，首先通过预放大结构的多级预放放大种子源输出功率，之后通过主放大结构的主放大器提升功率。系统采用全保偏方案以保证全链路具有较高的基础偏振消光比（15 dB左右），同时在主放大器前后接入基于保偏光纤刻写的45°倾斜光栅，该倾斜光栅可以用做偏振消光比增强器，接入系统时利用保偏光纤熔接机进行高精度对轴熔接，即可大幅度提升线偏振激光的偏振消光比。

此外，对于45°倾斜光栅的制作方法，除上述提到的紫外激光结合相位掩模板的定轴刻写方法以外，也可以采用飞秒激光结合相位掩模板或飞秒激光直写的定轴刻写方法。

此外本实施例中默认全保偏窄线宽激光器传输的线偏振光偏振方向沿慢轴方向，如在激光器种子源一级中通过偏振控制器，可将偏振方向调节至快轴，此时45°倾斜光栅刻写时，激光应从慢轴方向入射，栅面与慢轴平行。原理与本实施例一致，类似的情况也在保护范围内。

本实施的基于倾斜光栅的窄线宽光纤激光器具有如下优点：

将45°倾斜光栅置于主放大结构后，可以直接提升偏振消光比至20dB以上。偏振消光比的提升与45°倾斜光栅的长度有关，倾斜光栅长度与偏振消光比成正比。一般长度为2cm即可实现20dB的偏振消光比。此外45°倾斜光栅通过高温和低温两级退火处理后，可以承受3kW以上的通光功率，如再通过水冷封装技术，该倾斜光栅将可实现更高的耐受功率。相比其他类别的全纤化起偏器，本实施例提出的45°倾斜光栅由于不破坏包层结构，甚至通过飞秒激光刻写的方式制造可以不破坏涂覆层，所以该器件的机械强度高、可靠性强，灵活度大，耐受功率高。

将45°倾斜光栅置于主放大结构之前，除了提升预放大结构输出激光的偏振消光比以外，还可以滤除主放大结构产生的后向传输的布里渊散射光（SBS）。这是由于高功率下，主放大结构产生的SBS为后向传输的非偏振光，经过45°倾斜光栅后，理论上将有一半功率为S光从而被滤除掉。减少一半的SBS，将有效提升SBS阈值，从而提升非线性效应带来的窄线宽激光器功率瓶颈，也能从侧面提升激光器的消光比。

本实施例基于研究成熟的全保偏窄线宽激光器方案、光纤材料和器件，仅采用新型的激光器结构和保偏倾斜光栅设计即可实现高偏振消光比的高功率窄线宽激光输出。此外，本实施例工程难度低，无需复杂工艺，容易实现。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。