一种增益型光纤光栅及其应用

本发明涉及激光器件领域，特别是一种增益型光纤光栅及其应用。

背景技术：

1、光纤布拉格光栅，简称光纤光栅，是一种通过特定手段使光纤纤芯的折射率产生轴向周期性调制的光器件。除广泛应用于光纤通信、光纤传感等领域外，通常作为光纤激光输出镜。然而，由于目前的光纤光栅基本是在无源光纤上刻写，仅能提供滤波、反馈或色散补偿等作用而无法提供光增益，限制其在光纤激光器中的应用；典型的如单频光纤激光器，其谐振腔(由一段稀土掺杂光纤和一对光纤布拉格光栅构成)的长度仅为几个厘米量级，而稀土掺杂石英光纤稀土离子溶解度低(<2wt.％)，增益系数低，使单频激光输出功率仅为微瓦量级或几个毫瓦，需多级光放大器进行功率放大，导致信噪比、噪声及可靠性等性能下降。

2、将光纤光栅直接引入到稀土掺杂光纤中形成增益型光纤光栅是较为理想的提升激光输出功率解决方案。而目前成熟的光栅写入技术必须要求光纤具有光敏性以实现折射率轴向周期性调制，传统实现光纤光敏性的方式是共掺ge，以该种方式实现的增益型光纤光栅面临以下缺点：

3、(1)光敏性强弱(折射率调制大小)与ge含量紧密相关，通常需2～3mol.％以满足光栅写入要求。由于ge掺杂会显著提升纤芯折射率，为保证光纤数值孔径，需降低石英光纤中稀土离子浓度，也即目前稀土掺杂增益型光纤光栅的实现需要以牺牲稀土离子掺杂浓度为代价。

4、(2)高掺锗的光敏光纤在光纤写入前需进行高压载氢增敏预处理以提高光纤光敏性，而高压载氢处理后光纤背景损耗会显著提高(ol,1997,20(10)；694)，尤其是在915，940，976nm等泵浦波长，也即目前增益光纤光栅面临背景损耗高的问题。

5、(3)刻栅周期长。光栅刻写完成后还需进行退火处理，以消除光纤内残余的氢分子。完成高压载氢，光栅刻写及退火处理的刻写周期大于5天。

技术实现思路

1、为克服上述缺点，本发明提出了一种不需载氢增敏预处理的增益型光纤光栅。该增益型光纤光栅，直接在紫外激光照射下最大可以产生10-4大小的折射率变化，有效缩短光纤光栅刻写周期，规避高压载氢引起的背景损耗增加风险。同时，该增益型光纤光栅能够在高浓度稀土掺杂下保持低数值孔径的优点。

2、为达到以上技术目的，本发明通过预制棒制备过程的离子掺杂方法将ce元素加入到光纤纤芯中。ce元素在紫外激光照射下会发生ce3+向ce4+的价态转变，其失去的电子与铝磷元素形成的空穴型色心复合，引起折射率变化。因此使纤芯在不掺锗和不载氢的情况下，仍然具有较强的光敏性，有效避免载氢引起的背景损耗提升。同时，由于仅需少量ce元素的掺杂即可以保证极高的光敏性，该光纤在掺杂高浓度稀土离子的情况下仍然能够保持较低的数值孔径。该增益型光纤光栅采用的光纤纤芯掺杂ce的含量为0.3％-1.3％质量分数。

3、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

4、1)该光栅无需高压载氢增敏预处理，直接在248nm紫外激光照射下即实现高于95％的反射率及8×10-5以上的折射率调制，使得光栅刻写工艺更加简便，有效缩短光纤光栅刻写周期。

5、2)该增益型光栅使用的光纤通过向纤芯中引入铈以及磷铝分散剂协同提升光纤的光敏性；其中ce3+可以失去电子变为ce4+,磷和铝在玻璃网络中形成的空穴型色心与ce价态变化失去的电子复合，共同作用引起折射率变化。不会带来背景损耗和数值孔径的大幅提高，有利于提升光纤激光性能。尤其适用于集成度要求高的单频光纤激光器。

技术特征：

1.一种增益型稀土掺杂石英光纤光栅，其特征在于，纤芯包含0.3％-1.3％质量分数的ce元素，经248nm纳秒紫外激光刻写纤芯后，直接形成反射率95％以上、折射率调制高于8×10-5的光栅。

2.根据权利要求1所述的增益型稀土掺杂石英光纤光栅，其特征在于，所述包层为sio2，且所述纤芯与包层的折射率差小于0.02。

3.根据权利要求1或2所述的增益型稀土掺杂石英光纤，其特征在于，所述纤芯还包含的0.1％-2％质量分数的al分散剂和4％-9.1％质量分数p分散剂，2.2％-4.9％质量分数的稀土元素yb，0％-0.24％质量分数的稀土元素er，33.2％-39％质量分数的si元素，其余为氧元素。

4.根据权利要求3所述的增益型掺镱石英光纤，其特征在于，所述纤芯包含0.6-1％质量分数的ce元素，1.6％-2％质量分数的al元素，4％-4.8％质量分数的p元素，2.2％-2.7％质量分数的yb元素。

5.根据权利要求3所述的增益型铒镱共掺石英光纤，其特征在于，所述纤芯包含0.6-1.2％质量分数的ce元素，0.1％-0.3％质量分数的al元素，6.5％-9.1％质量分数的p元素，2.7％-4.9％质量分数的yb元素,0.15％-0.24％质量分数的er元素。

6.一种如权利要求1-5任一项所述的增益型稀土掺杂石英光纤光栅在单频激光器中的应用。

技术总结本发明涉及一种增益型光纤光栅，纤芯不含锗元素但包含0.3％‑1.3％质量分数的Ce元素；不需高压载氢增敏预处理，直接使用248nm纳秒紫外激光刻写，光栅的最大反射率可达95％以上，折射率调制大小高于8×10<supgt;‑5</supgt;。本发明还提供一种光敏型增益光纤。本发明通过在纤芯中掺杂Ce元素及磷铝分散剂，使纤芯在不掺锗和不载氢的情况下，仍然具有较强的光敏性，降低光栅刻写工艺难度，缩短刻写周期，可应用于单频光纤激光器。技术研发人员：王璠,王亚飞,于春雷,胡丽丽,郭梦婷,邵冲云,张磊,王孟受保护的技术使用者：中国科学院上海光学精密机械研究所技术研发日：技术公布日：2024/6/11