(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010568471.8
(22)申请日 2020.06.19
(71)申请人 南京理工大学
地址 210094 江苏省南京市玄武区孝陵卫
200号
(72)发明人 沈华 杨飞燕 矫岢蓉 朱日宏
卞殷旭 韩志刚 孔庆庆
(74)专利代理机构 南京理工大学专利中心
32203
代理人 朱沉雁
(51)Int.Cl.
H01S 3/067(2006.01)
H01S 3/10(2006.01)
(54)发明名称
波混频的方法
(57)摘要
本发明公开了一种能同时抑制光纤激光器
中自相位调制和四波混频的方法，针对光纤激光
器中由自相位调制和四波混频激发的寄生激光
引起的输出光谱主瓣展宽，根据寄生激光光谱特
两个以信号激光中心波长为中心呈旋转对称的
谐振峰，且两谐振峰波长与寄生激光波长相对
应，能够将寄生激光从纤芯模耦合至包层模。利
用基于微波的热处理方法，大幅度降低了光栅的
温度系数，同时结合飞秒激光制作的均匀性包
层‑空气全耦合器件将寄生激光从包层模耦合至
空气中，从而提高光纤激光器的线宽水平。相比
于现有方法，本发明提出的方法具有成本低、灵
活性强、
适用于不同结构光纤激光器等优点。权利要求书3页 说明书7页 附图3页CN 111725694 A 2020.09.29
C N 111725694
A
1.一种能同时抑制光纤激光器中自相位调制和四波混频的方法，其特征在于：
针对光纤激光器中由自相位调制和四波混频效应激发的寄生激光引起的输出光谱主瓣展宽，根据寄生激光光谱特性提出了一种相移长周期光纤光栅，所述相移长周期光纤光栅具有两个以信号激光中心波长为中心呈旋转对称的谐振峰，且两谐振峰波长与自相位调制和四波混频激发的寄生激光的中心波长相对应，能够将由自相位调制和四波混频效应激发的寄生激光从纤芯模耦合至包层模；同时结合基于飞秒激光光刻制作的均匀性包层-空气全耦合器件将寄生激光从包层模耦合到空气中去，最终有效抑制由光纤激光器中自相位调制和四波混频效应引起的光谱展宽，从而大幅度提高光纤激光器的线宽水平。
2.根据权利要求1所述的能同时抑制光纤激光器中自相位调制和四波混频的方法，其特征在于，所述能同时抑制光纤激光器中自相位调制和四波混频的相移长周期光纤光栅具备以下特性：
1）所述的能同时抑制光纤激光器中自相位调制和四波混频效应的相移长周期光纤光栅能够将寄生激光从纤芯模耦合至包层模；
2）所述的能同时抑制光纤激光器中自相位调制和四波混频的相移长周期光纤光栅采用微波退火技术降
低其自身的温度系数，使其具备承载高功率激光的特性。
3.根据权利要求2所述的能同时抑制光纤激光器中自相位调制和四波混频的方法，其特征在于，所述微波退火技术，具体如下：
针对相移长周期光纤光栅内部存在的对信号激光具有强烈吸收作用进而造成光纤光栅发热的游离氢分子和羟基化合物，利用微波加热的方法对光纤光栅进行热处理；将所提出的相移长周期光纤光栅放置于功率密度为20mW/cm2的微波场中15分钟，选择微波的波长范围为100mm-150mm；在微波的作用下，所述相移长周期光纤光栅内部的羟基化合物发生振动，羟基分子键断裂并结合成水分子，同时水分子吸收微波能量发生热扩散从光纤中脱离，而另外一部分游离的氢分子则因热的作用从光纤中溢出。
4.根据权利要求1所述的能同时抑制光纤激光器中自相位调制和四波混频的方法，其特征在于：所述基于飞秒激光光刻制作的均匀性包层-空气全耦合器件，利用聚焦后的飞秒激光对去除涂覆层的大模场光纤包层表面进行照射，极高能量密度的飞秒激光在聚焦区域产生多光子效应，使大模场光纤包层表面原子的电子从价带跃迁到导带进而发生电离；电离形成的高密度等离子体在大模场光纤包层表面急剧膨胀并产生微爆，微爆产生的振动波携带物质远离聚焦区域，进而使光纤包层表面出现损伤进而破坏了包层-空气界面的全反射特性，最终将由自相位调制和四波混频效应激发的寄生激光从包层模耦合到空气中去，其具体参数如下：
1）飞秒激光的参数为：中心波长为800nm，单脉冲能量为5mJ，脉宽为100fs，重频为1kHz；
2）飞秒激光照射长度为2cm，照射间隔为0.1cm且单点照射时间为10s。
5.一种能同时抑制光纤激光器中自相位调制和四波混频的相移长周期光纤光栅的刻写方法，其特征在于，方法步骤如下：
第一步：根据所应用的光纤激光器的中心波长、带宽和非线性效应引起的寄生激光的中心波长、带宽设计所需相移长周期光纤光栅的中心波长、带宽，根据模式耦合理论对所需相移长周期光纤光栅的周期大小、周期个数、折射率调制深度以及相移位置进行仿真，具体
设计参数为：
当光纤激光器信号光中心波长在1060±1nm时，光栅周期值Λ为483nm，周期个数为140，单点曝光时间为10s；
当光纤激光器信号光中心波长在1065±1nm时，光栅周期值Λ为485nm，周期个数为140，单点曝光时间为10s；
当光纤激光器信号光中心波长在1070±1nm时，光栅周期值Λ为487nm，周期个数为140，单点曝光时间为10s；
当光纤激光器信号光中心波长在1075±1nm时，光栅周期值Λ为489nm，周期个数为140，单点曝光时间为10s；
当光纤激光器信号光中心波长在1080±1nm时，光栅周期值Λ为491nm，周期个数为140，单点曝光时间为10s；
当光纤激光器信号光中心波长在1085±1nm时，光栅周期值Λ为493nm，周期个数为140，单点曝光时间为10s；
当光纤激光器信号光中心波长在1090±1nm时，光栅周期值Λ为495nm，周期个数为140，单点曝光时间为10s；
第二步：打开紫外激光器进行预热，利用紫外折反镜转折光路，使激光垂直入射到柱面镜组，利用柱面镜组压缩光斑，将光纤三维调整架放置压缩光斑焦点处；其中，柱面镜组由两片主轴相互垂直的第一柱面镜、第二柱面镜 组成并且二者间距为50mm，能够将紫外激光光束直径压缩至200μm以下，其中焦距f lens1=f lens2=250 mm；
第三步：取一段经载氢预处理后的大模场双包层光纤，光纤的两端分别和模场匹配器一端熔接，模场匹配器另一端分别连接宽带光源和光谱仪，用于实时监测能同时抑制光纤激光器中自相位调制和四波混频
的相移长周期光纤光栅的光谱；将大模场双包层光纤剥去预设长度的涂覆层，用酒精浸润的擦镜纸清洁光纤表面；利用胶带将光纤固定在光纤三维调整架上；
第四步：调节紫外激光器功率至预设值40mW，调节光纤三维调整架使得紫外激光与大模场双包层光纤轴向垂直；
第五步：打开光阑，利用步进电机控制光束位置，用逐点写入法根据第一步中的设计参数刻写能同时抑制光纤激光器中自相位调制和四波混频的相移长周期光纤光栅；此外，在光栅中间插入一段长度为Λ/2的无扰光纤，从而引入π相移，最终刻写出能同时抑制光纤激光器中自相位调制和四波混频的相移长周期光纤光栅；
第六步：相移长周期光纤光栅放置于功率密度为20mW/cm2的微波场中15分钟，利用微波加热的方法对所述光纤光栅进行热处理，从而大幅度降低光纤光栅的温度系数，使其能够应用在较高功率的光纤激光器中。
6.根据权利要求5所述的能同时抑制光纤激光器中自相位调制和四波混频的相移长周期光纤光栅的刻写方法，其特征在于：所述大模场双包层光纤型号包括10/130、14/250、20/ 400、25/400、30/600大模场光纤。
7.根据权利要求5所述的能同时抑制光纤激光器中自相位调制和四波混频的相移长周期光纤光栅的刻写方法，其特征在于，所述大模场双包层光纤需要进行载氢预处理，从而提高光纤的光敏性，其要求如下：
1）载氢温度为40-60℃；
2）氢气气压为10-13MPa；
3）载氢时间为10-15天。
8.根据权利要求6所述的能同时抑制光纤激光器中自相位调制和四波混频的相移长周期光纤光栅的刻写方法，其特征在于，所述大模场双包层光纤需要进行载氢预处理，从而提高光纤的光敏性，其要求如下：
1）载氢温度为40-60℃；
2）氢气气压为10-13MPa；
3）载氢时间为10-15天。
9.一种能同时抑制光纤激光器中自相位调制和四波混频的相移长周期光纤光栅优化光纤激光器输出光谱线宽的应用，其特征在于，具体如下：
将能同时抑制光纤激光器中自相位调制和四波混频的相移长周期光纤光栅与基于飞秒激光光刻制作的均匀性包层-空气全耦合器件相熔接，且二者相距2-3cm；将二者作为一个整体熔接于光纤激光器输出准直器与低反光纤光栅之间；当受自相位调制与四波混频效应影响而发生展宽的激光经过相移长周期光纤光栅时，所述相移长周期光纤光栅能够将自相位调制与四波混频效应激发的寄生激光从光纤纤芯耦合至光纤包层，并沿光纤包层继续向前传输；当传输至均匀性包层-空气全耦合器件时，该种寄生激光将被均匀性包层-空气全耦合器件从光纤包层耦合至空气中，进而使能够在纤芯中继续向前传输的激光中只包含信号激光，最终达到优化光纤激光器输出光谱线宽的目的。
能同时抑制光纤激光器中自相位调制和四波混频的方法
技术领域
[0001]本发明属于高功率光纤激光器领域，具体涉及一种能同时抑制光纤激光器中自相位调制和四波混频的方法。
背景技术
[0002]随着窄线宽光纤激光器功率的不断提升，光纤中的非线性效应如自相位调制和四波混频严重恶化了激光器的线宽水平，阻碍了窄线宽激光器朝大功率方向发展的步伐。现有的抑制非线性效应的方法主
要有光子晶体光纤和单频激光相位调制等方法。其中，光子晶体光纤还处于实验验证和理论分析阶段，且制作工艺复杂，实用性不佳；单频激光相位调制大多利用极窄线宽的单频激光器作为种子源，但随着功率的不断提升，放大级中仍会激发严重的非线性效应，严重恶化激光器的线宽水平。且这两种方法都存在抑制上限，当超过一定功率时，上述两种方法失效。因此目前高功率窄线宽光纤激光器领域急需一种廉价而简单的方法实现来优化高功率光纤激光器的线宽水平。
发明内容
[0003]本发明的目的在于提供一种能同时抑制光纤激光器中自相位调制和四波混频的方法，抑制了高功率光纤激光器由于自相位调制和四波混频引起的光谱展宽，实现了高功率光纤激光器的窄线宽输出，具有成本低、体积小、灵活性强、适用性强等优点。
[0004]实现本发明目的的技术解决方案为：一种能同时抑制光纤激光器中自相位调制和四波混频的方法，针对光纤激光器中由自相位调制和四波混频造成的在信号光主瓣周围的展宽，提出了一种相移长周期光纤光栅，该相移长周期光栅具有两个以信号激光中心波长为中心呈旋转对称的谐振峰，且两谐振峰波长与自相位调制和四波混频激发的寄生激光的中心波长相对应。所述相移长周期光纤光栅能够将寄生激光从纤芯模耦合至包层模，接着利用均匀性包层-空气全耦合器件将寄生激光从包层模耦合至空气中，最终有效抑制由自相位调制和四波混频引起的光谱展宽，从而大幅度提高光纤激光器的线宽水平。
[0005]进一步地，所述能同时抑制光纤激光器中自相位调制和四波混频效应的相移长周期光纤光栅具有两个以信号激光中心波长为中心呈旋转对称的谐振峰，且谐振峰的中心波长与自相位调制和四波混频激发的寄生激光的中心波长相对应，该种光纤光栅能够将寄生激光从纤芯模耦合至包层模。
[0006]进一步地，采用微波退火技术对所述能同时抑制光纤激光器中自相位调制和四波混频的相移长周期光纤光栅进行热处理从而降低光栅自身的温度系数，使该种新型光纤光栅具备承载高功率激光的特性。
[0007]一种能同时抑制光纤激光器中自相位调制和四波混频的相移长周期光纤光栅的刻写方法，根据所应用的光纤激光器的中心波长、带宽和非线性效应引起的寄生激光的中心波长、带宽设计所需相移长周期光纤光栅的中心波长、带宽，根据模式耦合理论对所需相移长周期光纤光栅的周期大小、周期个数、折射率调制深度以及相移位置进行仿真。
说 明 书1/7页CN 111725694 A
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