基于隨機(jī)光纖激光的光譜合成方法及其裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及激光技術(shù)領(lǐng)域，具體的涉及一種基于隨機(jī)光纖激光的光譜合成方法及其裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]光譜合成是把不同波長的激光合成一束后，再發(fā)射出去，通過將不同波長的激光合并后，在提升光束輸出功率的同時，也提升了光束整體的亮度。因此，光譜合成作為提升激光光束總輸出功率的方法，近年來備受關(guān)注。與相干合成相比，光譜合成裝置的結(jié)構(gòu)更加簡單。光譜合成只對單路激光的光譜特性有要求。而對合成所用激光的相干性無嚴(yán)格要求，這使合成更易于控制。
[0003]目前光譜合成方法主要有兩類，一類是基于光柵(體布拉格光柵或電解質(zhì)光柵)進(jìn)行光譜合成；另一類是基于雙色鏡進(jìn)行光譜合成。這兩種合成方法對單路光源的譜寬要求相對較高。對于電介質(zhì)光柵光譜合成方法，在現(xiàn)有技術(shù)條件下，為了使入射激光滿足光柵衍射方程，同時不至于使光束質(zhì)量退化，必須對激光光譜的寬度進(jìn)行嚴(yán)格控制(參見 C.Wirth, 0.Schmidt, 1.Tsybin 等發(fā)表于 Optics Letters, 2011, 36(16):3118-3120的《High average power spectral beam combining of four fiber amplifiers to8.2kff.》)。而對于體布拉格光柵，同樣為了保證較高的合成效率，激光的波長范圍必須嚴(yán)格滿足布拉格條件。當(dāng)采用雙色鏡進(jìn)行光譜合成時，雖然從合成角度來說，所用裝置對光譜寬度沒有嚴(yán)格要求，但是現(xiàn)有合成器件的透過率譜有限，較寬的譜線經(jīng)過雙色鏡后必然會導(dǎo)致可合成激光路數(shù)的減少，進(jìn)而限制了光譜合成后對激光功率的提升。例如，3千瓦光纖放大器的典型輸出光譜半高全寬為3.9納米，而95%能量激光對應(yīng)的光譜寬度約為6納米，假設(shè)雙色鏡的透過譜能達(dá)到100納米寬，則光譜合成裝置最大能合成激光路數(shù)為16 路。(參見 H.Yu, H.Zhang, H.Lv, X 等發(fā)表于 Applied Optics, 2015，54 (14):4556-4560的((3.15kff direct d1de-pumped near diffract1n-limited all-fiber-1ntegratedfiber laser)))光譜合成后激光路數(shù)損失較多。
[0004]在低功率條件下，單路光纖放大器系統(tǒng)的輸出譜線寬度可以通過調(diào)整種子激光的光譜特性進(jìn)行控制。但是在光纖中，由于自相位調(diào)制、交叉相位調(diào)制、四波混頻等非線性效應(yīng)的影響，傳統(tǒng)激光的光譜在放大過程中會不斷的展寬，特別是在激光功率較高的情況下，光譜展寬較為明顯。從而限制了可以用于光譜合成的單路激光的功率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種基于隨機(jī)光纖激光的光譜合成方法及其裝置，該發(fā)明解決了現(xiàn)有技術(shù)中由于光譜展寬使得所得激光的功率無法得到大幅度提高，從而限制光譜合成功率提升的技術(shù)問題。
[0006]本發(fā)明的一方面還提供了一種基于隨機(jī)光纖激光的光譜合成方法，包括以下步驟:以隨機(jī)光纖激光作為種子光源進(jìn)行光譜合成，得到合成激光；隨機(jī)光纖激光由隨機(jī)激光種子源產(chǎn)生。
[0007]進(jìn)一步地，還包括對隨機(jī)光纖激光進(jìn)行功率放大的步驟，隨機(jī)光纖激光波長為1040nm?1120nm時，放大步驟在摻鐿增益光纖中進(jìn)行；隨機(jī)光纖激光波長為1900?2100nm時，放大步驟在摻鈥或摻銩增益光纖中進(jìn)行。
[0008]本發(fā)明另一方面還提供了一種基于上述方法的基于隨機(jī)光纖激光的光譜合成裝置，包括:用于產(chǎn)生隨機(jī)光纖激光的隨機(jī)激光種子源、用于對隨機(jī)光纖激光進(jìn)行功率放大的功率放大裝置和用于對隨機(jī)光纖激光進(jìn)行光譜合成的光譜合成裝置，隨機(jī)激光種子源的出光口出射的隨機(jī)光纖激光可依序通過功率放大鏈路和光譜合成裝置，隨機(jī)激光種子源、功率放大鏈路和光譜合成裝置之間為光連接。
[0009]進(jìn)一步地，隨機(jī)激光種子源包括依序光連接的栗浦源、后向光隔離裝置和被動光纖，栗浦源用于產(chǎn)生激光，被動光纖用于提供拉曼增益和隨機(jī)瑞利反饋。
[0010]進(jìn)一步地，后向光隔離裝置為光纖布拉格光柵或波分復(fù)用器。
[0011]進(jìn)一步地，后向光隔離裝置為波分復(fù)用器時，波分復(fù)用器上含有與之光連接的信號臂，信號臂用于導(dǎo)出部分隨機(jī)光纖激光以監(jiān)測基于隨機(jī)光纖激光的光譜合成裝置穩(wěn)定性。
[0012]進(jìn)一步地，功率放大裝置與隨機(jī)激光種子源之間還設(shè)置有用于使隨機(jī)光纖激光單向傳輸?shù)膫鬏斞b置。
[0013]進(jìn)一步地，還包括濾波器，隨機(jī)光纖激光經(jīng)過濾波器后進(jìn)入功率放大裝置，濾波器的透過率大于99%。
[0014]進(jìn)一步地，傳輸裝置的光隔離強(qiáng)度大于30dB。
[0015]進(jìn)一步地，傳輸裝置為包括至少3個光傳輸端的光環(huán)形器，隨機(jī)激光種子源的出射端與光環(huán)形器的第一光傳輸端光連接，光環(huán)形器的第二光傳輸端與濾波器光連接，光環(huán)形器的第三光傳輸端與功率放大裝置光連接；濾波器為反射型。
[0016]本發(fā)明的技術(shù)效果:
[0017]本發(fā)明提供的基于隨機(jī)光纖激光的光譜合成方法采用隨機(jī)光纖激光進(jìn)行光譜合成，隨機(jī)光纖激光的光譜展寬效應(yīng)較弱，使其在光纖中能夠保持原有光譜形態(tài)進(jìn)行功率放大。利用了隨機(jī)光纖激光上述特性，避免了光譜展寬在光放大過程中的發(fā)生，從而實(shí)現(xiàn)了光譜合成對激光功率的有效提高。
[0018]本發(fā)明提供的基于隨機(jī)光纖激光的光譜合成裝置基本組成包括:隨機(jī)光纖激光種子源、功率放大鏈路以及光譜合成部件。該裝置與傳統(tǒng)激光器相比結(jié)構(gòu)簡單，省去了光纖光柵，由于光譜不展寬也降低了對合成器件的工藝要求。降低了生產(chǎn)成本。
【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例基于隨機(jī)光纖激光的光譜合成裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖2是本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例中隨機(jī)激光種子源結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖3是本發(fā)明另一優(yōu)選實(shí)施例中隨機(jī)激光種子源結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖4是本發(fā)明另一優(yōu)選實(shí)施例中隨機(jī)激光種子源結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖5是本發(fā)明另一優(yōu)選實(shí)施例中隨機(jī)激光種子源結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖6是本發(fā)明優(yōu)選一實(shí)施例中濾波器與傳輸裝置連接的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖7是本發(fā)明優(yōu)選另一實(shí)施例中濾波器與傳輸裝置連接的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖8是本發(fā)明提供的基于隨機(jī)光纖激光的光譜合成裝置得到的隨機(jī)激光功率放大的光譜結(jié)果示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027]構(gòu)成本申請的一部分的附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當(dāng)限定。
[0028]本發(fā)明提供了基于隨機(jī)光纖激光的光譜合成方法，包括以下步驟:以隨機(jī)光纖激光作為種子光源進(jìn)行光譜合成，得到合成激光；隨機(jī)光纖激光由隨機(jī)激光種子源產(chǎn)生。
[0029]發(fā)明人偶然發(fā)現(xiàn)所用隨機(jī)光纖激光的激光具有是不存在縱模，輸出時域穩(wěn)定，光譜展寬效應(yīng)較弱的特性；隨機(jī)光纖激光的光譜半高全寬的典型數(shù)值為l_3nm，因功率水平而異，這些特性使其能滿足大部分光譜合成的要求；若需要更窄的光譜也可以在激光器內(nèi)加入濾波器，對光譜寬度進(jìn)行控制。該方法可以通過任意現(xiàn)有的光譜合成裝置完成光譜合成。不同波長的多束激光入射光譜合成裝置中即可完成的多束激光的合成。此處的光譜合成可以由現(xiàn)有的光譜合成器對多束入射的激光進(jìn)行合成得到。如圖1所示，光譜合成器9接收來自不同隨機(jī)激光種子源101、102……η的多束激光，對其進(jìn)行合成。
[0030]優(yōu)選的，還包括對隨機(jī)光纖激光進(jìn)行功率放大的步驟，隨機(jī)光纖激光波長為1040nm?1120nm時，放大步驟在摻鐿增益光纖中進(jìn)行；隨機(jī)光纖激光波長為1900?2100nm時，放大步驟在摻鈥或摻銩增益光纖中進(jìn)行。在此條件下該波長范圍內(nèi)的隨機(jī)光纖激光用于光譜合成時，功率可提高至最高，且不發(fā)生光譜展寬。
[0031]優(yōu)選的，隨機(jī)光纖激光在其種子源中通過單模光纖、多模光纖或者錐形光纖傳輸。
[0032]本發(fā)明另一方面還提供了一種基于隨機(jī)光纖激光的光譜合成裝置，包括:用于產(chǎn)生隨機(jī)光纖激光的隨機(jī)激光種子源、用于對隨機(jī)光纖激光進(jìn)行功率放大的功率放大鏈路和用于對隨機(jī)光纖激光進(jìn)行光譜合成的光譜合成裝置，隨機(jī)激光種子源的出光口出射的隨機(jī)光纖激光可依序通過功率放大鏈路和光譜合成裝置，隨機(jī)激光種子源、功率放大鏈路和光譜合成裝置之間為光連接。此處的光連接，是指從隨機(jī)激光種子源所產(chǎn)生的激光，可以依次通過上述各裝置，進(jìn)而完成光譜合成。以上各部件均可為現(xiàn)有的各個部件。
[0033]現(xiàn)對各組成部分的特點(diǎn)描述如下:
[0034]隨機(jī)激光種子源:是基于拉曼增益和隨機(jī)瑞利散射反饋的光纖激光器，可以是全開腔也可以是半開腔結(jié)構(gòu)。隨機(jī)激光的中心波長是按照光譜合成的要求，通過選擇合適的栗浦激光進(jìn)行控制，另外也可以采用濾波器對所產(chǎn)生的隨機(jī)光纖激光的光譜線寬進(jìn)行精確控制。隨機(jī)激光種子源可以為任意已有的結(jié)構(gòu)，當(dāng)充分消除寄生反饋后，就能保證輸出光為隨機(jī)光纖激光。
[0035]功率放大裝置:主要用于隨機(jī)激光種子的功率放大，可以是單級功率放大器，也可以是多級功率放大器連用的功率放大鏈路。任意現(xiàn)有的各類功率放大裝置均可。
[0036]優(yōu)選的，隨機(jī)光纖激光在進(jìn)入功率放大裝置之前需對隨機(jī)光纖激光中后向傳輸?shù)墓膺M(jìn)行隔離，防止回光進(jìn)入隨機(jī)激光種子源導(dǎo)致寄生的點(diǎn)反饋對隨機(jī)激光種子源造成影響，功率放大裝置與隨機(jī)激光種子源之間設(shè)置傳輸裝置，傳輸裝置用于使隨機(jī)光纖激光單向傳輸，優(yōu)選為光隔離器或環(huán)形器隔離。此時隔離效率較高。功率放大裝置所用增益介質(zhì)可根據(jù)光譜合成的波長進(jìn)行選擇，例如可以為摻雜稀土離子(如鐿離子，鈥離子，銩離子)的石英光纖或拉曼增益。
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