随机分布式反馈拉曼光纤激光系统的制作方法

1.本实用新型涉及光纤激光器技术领域，具体涉及一种随机分布式反馈拉曼光纤激光系统。


背景技术：

2.得益于低背景噪音以及结构简单等特点，随机分布式反馈拉曼光纤激光器(random distributed feedback raman fiber laser,rrfl)已被广泛应用于成像、传感以及通信等领域。在随机分布式反馈拉曼光纤激光器中，产生激光所需的增益和反馈分别由无源光纤的受激拉曼散射(srs)以及瑞利散射的随机分布式反馈所提供。相比于掺镱光纤激光器，rrfl不依赖掺杂光纤，因此还具有无光子暗化以及波长灵活等优势，尤其适用于特殊波长的高功率激光产生。目前，基于纤芯泵浦方式，即泵浦和信号光均在光纤纤芯中传输，随机分布式反馈拉曼光纤激光器的最高输出功率已经达到近千瓦水平。
3.需要注意的是，纤芯泵浦要求泵浦光亮度较高，无法应用功率更高的低亮度泵浦源，限制了输出功率的进一步提升。另一方面，对于大功率随机分布式反馈拉曼光纤激光器，为了抑制高阶拉曼以及四波混频等非线性效应，被动光纤的长度缩短至百米级，对应的激光器腔长较短。然而，由此带来的分布式瑞利反馈较弱，导致末端的端面反馈将对激光器阈值、能量分布以及热分布等特性产生较大影响，系统稳定性较差。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的缺陷，为了进一步提升输出功率，保持良好光束质量，减小端面反馈对系统稳定性的影响，本实用新型提供一种随机分布式反馈拉曼光纤激光系统，其利用包层泵浦方式，将低亮度泵浦光注入拉曼增益光纤的内包层中，利用光纤纤芯的拉曼增益和分布式反馈，输出高亮度信号光。
5.随机分布式反馈拉曼光纤激光系统，包括泵浦源阵列、泵浦合束器、光纤光栅、拉曼增益光纤和输出装置，泵浦源阵列中的各泵浦源分别接入泵浦合束器的各个泵浦输入臂；泵浦合束器的输出端与光纤光栅的输入端相连，光纤光栅的输出端与拉曼增益光纤的一端连接，拉曼增益光纤的末端切8度以上斜角或者拉曼增益光纤的末端连接光纤端帽输出，所述拉曼增益光纤由内至外依次设有纤芯、一层以上的包层和涂覆层，其中最里面的包层为内包层；内包层和纤芯均为波导结构，内包层折射率小于纤芯折射率、大于外围包层或涂覆层的折射率。通过本实用新型可以利用包层泵浦方式，将低亮度泵浦光注入拉曼增益光纤的内包层中，利用光纤纤芯的拉曼增益和分布式反馈，输出高亮度信号光。
6.作为本实用新型的优选方案，拉曼增益光纤的末端连接光纤端帽，所述光纤端帽镀有增透模，在拉曼信号光透射率大于99.9％。
7.作为本实用新型的优选方案，拉曼增益光纤其纤芯为无稀土掺杂纤芯，包层为无稀土掺杂包层。
8.作为本实用新型的优选方案，拉曼增益光纤的内包层横截面积与纤芯横截面积之
比小于8。
9.作为本实用新型的优选方案，泵浦合束器的输出光纤、光纤光栅所采用的基底光纤以及拉曼增益光纤均采用相同类型的光纤。
10.作为本实用新型的优选方案，泵浦源阵列中各泵浦源为大功率半导体激光器或光纤激光器，中心波长在0.9至1.1微米范围内，例如，915
‑
975nm，1018
‑
1080nm。
11.作为本实用新型的优选方案，光纤光栅的中心波长范围位于泵浦源阵列中泵浦源对应的一阶拉曼光增益谱内，例如频移13.2thz，对应的是石英拉曼增益光纤的最大拉曼增益系数。
12.作为本实用新型的优选方案，光纤光栅的中心波长反射率超过90％，典型值为90％至99.9％。
13.作为本实用新型的优选方案，拉曼增益光纤可以是具有长波滤除功能的大模场光纤，即在纤芯与内包层交界区域存在低折射率沟壑，如w型光纤、单个沟壑、多个沟壑型光纤等。
14.作为本实用新型的优选方案，拉曼增益光纤的折射率分布为阶跃型，即拉曼增益光纤的内包层、纤芯折射率分别为不同的固定常数。
15.作为本实用新型的优选方案，拉曼增益光纤的纤芯折射率分布为抛物线型，纤芯中心处折射率最高，沿径向逐渐减小，且纤芯任一处的折射率均高于内包层折射率。
16.作为本实用新型的优选方案，还包括回光隔离器件，典型回光隔离器件有：光纤隔离器或者倾斜光栅。在泵浦源阵列中的各泵浦源与泵浦合束器的各个泵浦输入臂之间连接有回光隔离器件。泵浦源阵列中的各泵浦源的输出光纤连接回光隔离器件，回光隔离器件的另一端连接泵浦合束器的各个泵浦输入臂，这样可以防止后向回光返回泵浦源阵列，保证泵浦源的稳定性。与现有技术相比，本实用新型的优点在于：
17.本实用新型泵浦源阵列中各泵浦源输出的泵浦光经过泵浦合束器后，注入到拉曼增益光纤中，由于拉曼增益光纤其内包层横截面积远大于纤芯横截面积，使得泵浦光主要是注入到了内包层。进入拉曼增益光纤其内包层中的泵浦光，利用包层泵浦在拉曼增益光纤的纤芯中产生拉曼增益，并利用单个光栅即第一光纤光栅的端面反馈结合拉曼增益光纤其纤芯中的瑞利散射提供的分布式反馈，形成半开腔结构的随机拉曼光纤激光器。本实用新型利用光纤纤芯的拉曼增益和分布式反馈，输出高亮度信号光。
18.相比于纤芯泵浦，包层泵浦不仅可以通过使用更长的被动光纤来减少端面反馈的影响，也可以提高非线性效应阈值，同时还能大幅提升注入的泵浦功率并保持良好的输出光束质量，是实现随机分布式反馈拉曼光纤激光器进一步功率提升的全新途径。更进一步，考虑到实际应用需求仅需要单一输出端，并降低激光器阈值，利用高反射率光纤光栅提供端面反馈，搭建半开腔结构。本实用新型的半开腔相比于普通振荡器结构，缺少输出端光栅提供的端面反馈。
附图说明
19.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提
下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
20.图1是实施例1的结构示意图；
21.图2是实施例2的结构示意图；
22.图3是实施例3的结构示意图；
23.图4是实施例4的结构示意图；
24.图5为本实用新型一实施例中使用的拉曼增益光纤的横截面结构图(其包层数为1)；
25.图6为图5所示拉曼增益光纤其阶跃型折射率分布图；
26.图7为本实用新型一实施例中使用的拉曼增益光纤的横截面结构图(其包层数大于等于2)；
27.图8为图7所示拉曼增益光纤其一种阶跃型折射率分布图；
28.图9为本实用新型一实施例中使用的拉曼增益光纤的横截面结构图(其包层数大于等于2)；
29.图10为图9所示拉曼增益光纤其一种阶跃型折射率分布图(其对涂覆层的折射率没有要求)；
30.图11为本实用新型一实施例中使用的拉曼增益光纤的横截面结构图(其包层数大于等于2)；
31.图12为图11所示拉曼增益光纤其一种渐变型折射率分布图(其对涂覆层的折射率没有要求)；
32.图中标号：
33.1、泵浦源阵列；2、泵浦合束器；3、光纤光栅；4、拉曼增益光纤；5、光纤端帽；6、光纤隔离器；7、倾斜光栅；8、纤芯；9、内包层；10、涂覆层涂覆层；11、外围包层；12、外包层。
34.本实用新型目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
35.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
36.另外，本实用新型各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。
37.实施例1：
38.参照图1，本实施例提供一种随机分布式反馈拉曼光纤激光系统，包括泵浦源阵列1、泵浦合束器2、光纤光栅3、拉曼增益光纤4和输出装置，泵浦源阵列1中的各泵浦源分别接入泵浦合束器2的各个泵浦输入臂；泵浦合束器2的输出端与光纤光栅3的输入端相连，光纤光栅3的输出端与拉曼增益光纤4的一端连接，拉曼增益光纤4的末端切斜角。进一步地，拉曼增益光纤的末端所切斜角的角度大于8度。
39.参照图5至12，提供了四种可供选择的拉曼增益光纤。拉曼增益光纤4由内至外依
次设有纤芯8、一层以上的包层和涂覆层10，其中最里面的包层为内包层9，内包层横截面积与纤芯横截面积之比小于8。拉曼增益光纤4其纤芯8为无稀土掺杂纤芯，包层均为无稀土掺杂包层。内包层折射率小于纤芯折射率，内包层折射率大于其外围包层或涂覆层的折射率。参照图5和图6，提供一种拉曼增益光纤，由内至外依次设有纤芯8、内包层9和涂覆层10，纤芯8、内包层9和涂覆层10的折射率呈阶跃型折射率分布。涂覆层折射率小于内包层折射率，内包层折射率小于纤芯折射率，且纤芯折射率、内包层折射率和涂覆层折射率均为一固定常数。
40.参照图7和8，提供一种拉曼增益光纤，由内至外依次设有纤芯8、内包层9、外围包层11和涂覆层10，纤芯8、内包层9、外围包层11和涂覆层10的折射率呈阶跃型折射率分布。涂覆层折射率小于外围包层折射率，外围包层折射率小于内包层折射率，内包层折射率小于纤芯折射率，且纤芯折射率、外围包层折射率、内包层折射率和涂覆层折射率均为一固定常数。
41.参照图9和图10，提供一种拉曼增益光纤，由内至外依次设有纤芯8、内包层9、外围包层11、外包层12和涂覆层10，纤芯8、内包层9、外围包层11、外包层12和涂覆层10的折射率呈阶跃型折射率分布。其中对于涂覆层的折射率没有要求，内包层折射率小于纤芯折射率，外围包层折射率小于内包层折射率且也小于外包层折射率，在外围包层处形成折射率凹陷。且纤芯折射率、外包层折射率、外围包层折射率、内包层折射率均为一固定常数。
42.参照图11和图12，提供一种拉曼增益光纤，由内至外依次设有纤芯8、内包层9、外围包层11、外包层12和涂覆层10，其纤芯折射率呈渐变型折射率分布。具体地，图12中纤芯折射率呈抛物线型折射率分布。其中对于涂覆层的折射率没有要求，内包层折射率小于纤芯折射率，外围包层折射率小于内包层折射率且也小于外包层折射率，在外围包层处形成折射率凹陷。且外包层折射率、外围包层折射率、内包层折射率均为一固定常数。
43.实施例2：
44.参照图2，本实施例提供一种随机分布式反馈拉曼光纤激光系统，包括泵浦源阵列1、光纤隔离器6、泵浦合束器2、光纤光栅3、拉曼增益光纤4和输出装置，泵浦源阵列1中的各泵浦源的输出光纤连接光纤隔离器6，各光纤隔离器6的另一端连接泵浦合束器2的各个泵浦输入臂，这样可以防止后向回光返回泵浦源阵列，保证泵浦源的稳定性。
45.泵浦合束器2的输出端与光纤光栅3的输入端相连，光纤光栅3的输出端与拉曼增益光纤4的一端连接，拉曼增益光纤4的末端切斜角。进一步地，拉曼增益光纤的末端所切斜角的角度大于8度。
46.拉曼增益光纤4由内至外依次设有纤芯8、一层以上的包层和涂覆层10，其中最里面包层为内包层9，内包层横截面积与纤芯横截面积之比小于8。拉曼增益光纤4其纤芯8为无稀土掺杂纤芯，包层均为无稀土掺杂包层。内包层折射率小于纤芯折射率，内包层折射率大于其外围包层或涂覆层的折射率。与实施例1相同，参照图5至12，提供了四种可供选择的拉曼增益光纤，关于这四种形式的拉曼增益光纤，在此不再赘述。
47.实施例3：
48.参照图3，本实施例提供一种随机分布式反馈拉曼光纤激光系统，包括泵浦源阵列1、倾斜光栅7、泵浦合束器2、光纤光栅3、拉曼增益光纤4和输出装置，泵浦源阵列1中的各泵浦源的输出光纤连接倾斜光栅7，倾斜光栅7的另一端连接泵浦合束器2的各个泵浦输入臂，
这样可以防止后向回光返回泵浦源阵列，保证泵浦源的稳定性。
49.泵浦合束器2的输出端与光纤光栅3的输入端相连，光纤光栅3的输出端与拉曼增益光纤4的一端连接，拉曼增益光纤4的末端切斜角，拉曼增益光纤的末端所切斜角的角度大于8度。
50.拉曼增益光纤4由内至外依次设有纤芯8、一层以上的包层和涂覆层10，其中最里面包层为内包层9，内包层横截面积与纤芯横截面积之比小于8。拉曼增益光纤4其纤芯8为无稀土掺杂纤芯，包层均为无稀土掺杂包层。内包层折射率小于纤芯折射率，内包层折射率大于其外围包层或涂覆层的折射率。
51.与实施例1相同，参照图5至12，提供了四种可供选择的拉曼增益光纤，关于这四种形式的拉曼增益光纤，在此不再赘述。
52.实施例4：
53.参照图4，本实施例提供一种随机分布式反馈拉曼光纤激光系统，包括泵浦源阵列1、泵浦合束器2、光纤光栅3、拉曼增益光纤4和光纤端帽5，泵浦源阵列1中的各泵浦源分别接入泵浦合束器2的各个泵浦输入臂；泵浦合束器2的输出端与光纤光栅3的输入端相连，光纤光栅3的输出端与拉曼增益光纤4的一端连接，拉曼增益光纤4的末端连接光纤端帽5。拉曼增益光纤4由内至外依次设有纤芯8、一层以上的包层和涂覆层10，其中最里面包层为内包层9，内包层横截面积与纤芯横截面积之比小于8。拉曼增益光纤4其纤芯8为无稀土掺杂纤芯，包层均为无稀土掺杂包层。内包层折射率小于纤芯折射率，内包层折射率大于其外围包层或涂覆层的折射率。与实施例1相同，参照图5至12，提供了四种可供选择的拉曼增益光纤，关于这四种形式的拉曼增益光纤，在此不再赘述。
54.上述任一实施例中的泵浦合束器2的输出光纤、光纤光栅所采用的基底光纤以及拉曼增益光纤均采用相同类型的光纤。
55.上述任一实施例中的泵浦源阵列1中各泵浦源为大功率半导体激光器或光纤激光器，中心波长在0.9至1.1微米范围内，例如，915
‑
975nm，1018
‑
1080nm。
56.上述任一实施例中的光纤光栅3的中心波长范围位于泵浦源阵列中泵浦源对应的一阶拉曼光增益谱内，例如频移13.2thz，对应的是石英拉曼增益光纤的最大拉曼增益系数。
57.上述任一实施例中的光纤光栅3的中心波长反射率超过90％，典型值为90％至99.9％。
58.上述任一实施例中的拉曼增益光纤4可以是具有长波滤除功能的大模场光纤，即在纤芯与内包层交界区域存在低折射率沟壑，如w型光纤、单个沟壑、多个沟壑型光纤等。
59.上述任一实施例中的拉曼增益光纤4的纤芯折射率分布为抛物线型，纤芯中心处折射率最高，沿径向逐渐减小。
60.本实用新型中拉曼增益光纤4的内包层横截面积与纤芯横截面积之比小于8。由于内包层9直径和数值孔径较大，支持的模式较多，因此可以耦合较高功率的泵浦光在内包层9中传输，但由于模式较多，光束质量较差。
61.本实用新型中拉曼增益光纤4的内包层9传输的泵浦光与纤芯8存在模场重叠，因此与纤芯8重叠部分的泵浦光将被吸收并被转化为在纤芯8传输的拉曼信号光。拉曼信号光在纤芯8产生、放大过程中，由于纤芯8中存在瑞利散射，沿光纤纵向有较少比例的信号光将
被散射至后向传输，作为激光器的反馈，这种分布式反馈加上光栅的端面反馈即为激光器的损耗，当激光在随机激光器腔内的往返一次时，腔内增益逐渐等价于损耗，激光器达到平衡，输出稳定拉曼信号光。由于纤芯8的直径和数值孔径均小于内包层9，纤芯8中的模式数量较少，产生的拉曼信号光光束质量也优于在内包层9中的泵浦光，从而输出拉曼信号光的光束质量较好。
62.因此，包层泵浦的随机分布式反馈拉曼光纤激光器除了能够大幅提高泵浦功率的同时，还能保证较好的信号光束质量输出。基于单个光纤光栅的半开腔结构有利于降低激光器阈值，使得激光仅从单一端口输出，便于实际应用。
63.以上仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理前提下的若干改进和润饰，应视为本实用新型的保护范围。