利用大角度布拉格倾斜光纤光栅抑制自相位调制的方法

1.本发明属于光纤激光器领域，具体涉及一种利用大角度布拉格倾斜光纤光栅抑制自相位调制的方法。


背景技术：

2.随着高功率光纤激光器的功率阈值不断突破，光束质量降低与输出光谱展宽限制了光纤激光器功率的提升。其中，由非线性效应导致的光谱展宽，严重恶化输出光谱线宽。非线性效应包括受激散射导致的受激拉曼散射、受激布里渊散射，非线性折射率调制导致的自相位调制效应、四波混频效应、交叉相位调制。其中自相位调制效应导致的展宽光谱成分位于信号光光谱主瓣两侧，当输出功率高于自相位调制效应产生阈值时，便会产生光谱展宽，严重恶化输出光谱线宽。
3.目前，多利用相移长周期光纤光栅来抑制光纤激光器中的自相位调制效应。该光栅的透射谱通带两侧存在一个阻带，可以被用来抑制自相位调制效应。但相移长周期光纤光栅透射谱中心波长、抑制深度受外界温度、应力等影响较大，使用条件较为严苛。因此，需要一种使用方便、工作状态稳定的方法抑制光纤激光器中的自相位调制效应，优化输出光谱线宽。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种利用大角度布拉格倾斜光纤光栅抑制光纤激光器中自相位调制效应的方法，优化光纤激光器输出光谱线宽。该方法具有光栅易制作、稳定性高、复用性高等优点。
5.实现本发明目的的技术解决方案为：一种利用大角度布拉格倾斜光纤光栅抑制自相位调制的方法，其特征在于：
6.步骤1、基于相位掩模法制作大角度布拉格倾斜光纤光栅，相位掩模板相对光纤轴向倾斜角度称为第一倾斜角度α，刻写系统中紫外激光器发出244nm he-ne激光经过相位掩模板形成倾斜干涉条纹照射在光敏光纤上形成周期性折射率调制，得到大角度布拉格倾斜光纤光栅，所述大角度布拉格倾斜光纤光栅栅面相对光纤径向倾斜角度，称为第二倾斜角度θ，且第二倾斜角度θ大于45
°
，实现抑制自相位调制效应的目的。
7.步骤2、将大角度布拉格倾斜光纤光栅连接于光纤激光器中抑制自相位调制效应，存在以下两种接法：
8.第一种，接在种子源之后，通过抑制种子源信号光主瓣附近的自相位效应光谱成分，为后续放大提供优质窄线宽信号光。
9.第二种，接在放大级之后，能够在保证放大后的信号光主瓣通过的同时，滤除主瓣两侧自相位调制效应衍生光谱成分，从而使输出信号光更加纯净，以获得更优质的输出光谱与光束质量。
10.本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
11.(1)现有技术(如利用相移长周期光纤光栅抑制自相位调制)中，使用光纤光栅在抑制非线性效应时，一支光栅的透射谱对应一个中心波长，而所述大角度布拉格倾斜光纤光栅由于其透射谱具有一系列的谐振峰，任一两个相邻的谐振峰都可以视为一组通带与两个阻带，即可以用于抑制不同中心波长的信号光的衍生光谱成分。增加光栅的复用率，一定程度上也减小了信号光与光栅中心波长匹配的困难。
12.(2)现有技术(如利用相移长周期光纤光栅抑制自相位调制)中，当信号光的主瓣带宽小于相移长周期光纤光栅通带带宽，依靠增加周期的方式无法进一步缩小通带带宽，不能充分滤除近主瓣侧的展宽光谱成分。而大角度布拉格倾斜光纤光栅的通带带宽可以窄至零点几纳米，能够应对窄线宽的信号光。
13.(3)现有技术(如利用相移长周期光纤光栅抑制自相位调制)中，相移长周期光纤光栅的透射谱中心波长与抑制峰深度受环境温度、应力等外界因素影响较大，工作状态不稳定，而大角度布拉格倾斜光纤光栅受外界因素干扰较小，工作状态更加稳定。
附图说明
14.图1为本发明所述的能够抑制光纤激光器中自相位调制效应的大角度布拉格光纤光栅结构图。
15.图2为一例能够抑制光纤激光器中自相位调制效应的大角度布拉格倾斜光纤光栅光谱图。
16.图3为测试大角度布拉格倾斜光纤光栅的单腔振荡光纤激光器系统示意图。
17.图4为测试大角度布拉格倾斜光纤光栅抑制自相位调制效应效果图。
具体实施方案
18.下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施案例方法仅用于说明和解释本发明案例，并不用于限制本发明实施例。
19.一种利用大角度布拉格倾斜光纤光栅抑制自相位调制的方法，步骤如下：
20.步骤1、基于相位掩模法制作大角度布拉格倾斜光纤光栅，相位掩模板相对光纤轴向倾斜角度称为第一倾斜角度α，刻写系统中紫外激光器发出244nm he-ne激光经过相位掩模板形成倾斜干涉条纹照射在光敏光纤上形成周期性折射率调制，得到大角度布拉格倾斜光纤光栅，所述大角度布拉格倾斜光纤光栅栅面相对光纤径向倾斜角度，称为第二倾斜角度θ，且第二倾斜角度θ大于45
°
，实现抑制自相位调制效应的目的。
21.步骤2、将大角度布拉格倾斜光纤光栅连接于光纤激光器中抑制自相位调制效应，存在以下两种接法：
22.第一种，接在种子源之后，通过抑制种子源信号光主瓣附近的自相位效应光谱成分，为后续放大提供优质窄线宽信号光；
23.第二种，接在放大级之后，能够在保证放大后的信号光主瓣通过的同时，滤除主瓣两侧自相位调制效应衍生光谱成分，从而使输出信号光更加纯净，以获得更优质的输出光谱与光束质量。
24.所述大角度布拉格倾斜光纤光栅透射谱具有一系列梳状谐振峰，每相邻两个谐振峰视为一个窄通带与两个窄阻带，两个窄阻带对称分布于窄通带的两侧。所述大角度布拉
格倾斜光纤光栅通过增大刻写时干涉条纹倾斜角度，增加梳状峰的间距与梳状峰带宽，从而使窄带宽的信号光主瓣无损通过，同时将自相位调制效应导致的信号光主瓣附近的衍生光谱成分从纤芯模耦合至前向传输的包层模中，从而抑制光纤激光器中的自相位调制，优化输出光谱线宽。
25.所述大角度布拉格倾斜光纤光栅为周期均匀的布拉格倾斜光纤光栅，其透射谱拥有一系列梳状谐振峰。通过调整第一倾斜角度α改变第二倾斜角度θ，大角度布拉格倾斜光纤光栅第i阶谐振波长λ
cl,i
如公式(1)所示：
[0026][0027]
其中，为纤芯模有效折射率，为第i阶包层模有效折射率，光栅相邻栅面之间垂直距离为周期λ，且由相位掩模板刻痕周期决定，由公式(1)推出相邻谐振峰之间间距δλ
cl,i
，即窄通带带宽如公式(2)所示：
[0028][0029]
公式(1)、公式(2)说明大角度倾斜布拉格光纤光栅窄通带带宽受到周期λ与第二倾斜角度θ直接调制，当周期λ一定时，第二倾斜角度θ越大，透射谱中的相邻谐振峰之间间距δλ
cl,i
随之增加，间距成一个能够供信号光通过的通带。
[0030]
而大角度布拉格倾斜光纤光栅的反射率r如公式(3)所示：
[0031][0032]
其中，σ为直流耦合系数，κ为交流耦合系数，l为光栅长度。sinh(*)表示双曲正弦函数，cosh(*)表示双曲余弦函数。
[0033]
而当信号光主瓣中心波长为λ，主瓣脉宽为δλ，信号高度为adbm时，由公式(1)～公式(3)推出此时大角度布拉格倾斜光纤光栅刻写时所需要的第二倾斜角度θ、交流耦合系数κ与光栅长度l，如公式(4)～公式(7)所示，其中，λ
eff
为光栅实际周期，其物理意义为相邻光栅栅面沿轴向距离。
[0034][0035][0036][0037]
r＜10lg(tanh2κl)
ꢀꢀꢀ
(7)
[0038]
其中，tanh(*)表示双曲正切函数。
[0039]
所述大角度布拉格倾斜光纤光栅的第二倾斜角度θ大于45
°
时，大角度布拉格倾斜光纤光栅将信号光主瓣附近的自相位调制效应衍生光谱成分由纤芯模式耦合至前向传输的包层模式中，避免了小角度时纤芯模耦合至后向传输的包层模打坏激光器核心器件的情
况，提高了试验设备的安全性。
[0040]
由图1-图2可知，大角度布拉格倾斜光纤光栅抑制自相位调制效应的工作原理：
[0041]
图1为大角度布拉格倾斜光纤光栅结构示意图，通过相位掩模法可以制备如图1所示的大角度布拉格倾斜光纤光栅。相位掩模板相对光纤轴向旋转第一倾斜角度α，244nm he-ne紫外激光通过相位掩模板曝光载氢光敏光纤引起纤芯内折射率的周期性调制，形成一系列周期排列的光栅栅面。本发明中采用大角度布拉格倾斜光纤光栅抑制自相位调制效应，光栅相邻栅面之间垂直距离均为周期λ，光栅栅面相对光纤径向倾斜角度均为第二倾斜角度θ，且当第二倾斜角度θ大于45
°
时，当信号光通过所述大角度布拉格倾斜光纤光栅时，信号光主瓣附近非线性效应衍生光谱成分将从纤芯模耦合至前向包层模，从而抑制光纤激光器中的自相位调制效应，同时大角度布拉格倾斜光纤光栅避免了小角度时纤芯模耦合至后向传输的包层模打坏激光器核心器件的情况，能够提高设备的安全性。
[0042]
图2为一例大角度布拉格倾斜光纤光栅的透射谱，所述光栅为周期均匀的大角度布拉格倾斜光纤光栅，透射谱具有一系列梳状谐振峰，通过调节周期λ与第二倾斜角度θ，能够改变透射谱的中心波长与通带带宽。调节周期λ使第i阶谐振波长λ
cl,i
与信号光主瓣中心波长λ对应；随着第二倾斜角度θ的增加，相邻谐振峰之间间距δλ
cl,i
也会随之增加，从而出现一个可供信号光主瓣无损通过的通带。此时相邻两个谐振峰可以视为一个窄通带与两个窄阻带，两个窄阻带对称分布于窄通带的两侧。若一束受自相位调制效应影响的展宽信号光光谱主瓣波段对应于窄通带波段，而展宽光谱成分对应两侧阻带波段，经过大角度布拉格倾斜光纤光栅，信号光主瓣光谱成分能够继续在纤芯中继续传输，而自相位调制效应导致的衍生光谱成分则会从纤芯模耦合至前向包层模，抑制光纤激光器中的自相位调制效应，实现输出光谱线宽的优化。
[0043]
所述大角度布拉格倾斜光纤光栅能够接在光纤激光器种子源之后抑制自相位调制效应，为后续放大提供窄线宽光源；也能够接在放大机制后，滤除信号光主瓣两侧自相位调制效应衍生光谱成分，优化输出信号光带宽，纯净输出信号光能量。
[0044]
具体应用实例如下：
[0045]
测试系统输出信号光主瓣中心波长1080nm，主瓣带宽0.371nm，因此设置紫外激光器功率60mw，光栅刻写参数设置周期λ为188nm、第二倾斜角度θ为60
°
，紫外光斑以速度0.006mm/s沿光纤轴向扫描40mm的距离，制备大角度布拉格倾斜光纤光栅。
[0046]
单腔振荡光纤激光器测试系统如图3。高反光栅、掺镱光纤、低反光栅构成一个谐振腔，泵浦光通过合束器进入谐振腔，谐振腔筛选所需要的光并将该波段的光放大，剥离器-1可以将包层中未被吸收的残余泵浦光以散射的形式损耗。在剥离器-1之后接入大角度布拉格倾斜光纤光栅，滤除信号光中的自相位调制效应衍生光谱成分。由于所用布拉格光纤光栅第二倾斜角度大于45
°
，衍生光谱成分从纤芯模耦合进入前向传输的包层模，经由剥离器-2散射进入周围环境。大角度布拉格倾斜光纤光栅抑制光纤激光器中自相位调制效应的效果如图4所示，证实大角度布拉格倾斜光纤光栅可以有效抑制自相位调制效应，优化输出信号线宽。