一种抑制大功率单频光纤激光器中受激布里渊散射的装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型提供一种抑制大功率单频光纤激光器中受激布里渊散射的装置，其包括：金属锥形环、上PZT压电陶瓷、下PZT压电陶瓷、水冷管道、上凹槽、下凹槽、螺纹槽等。所述金属锥形环的侧面自上而下刻有螺纹槽，用于紧密盘绕所述大功率单频光纤激光器中的有源双包层光纤，利用光纤缠绕弯曲于锥状物体的方式，以便形成应力梯度、散热和滤除光纤中的高阶模式。所述PZT压电陶瓷对金属锥形环施加不同的侧向应力，进一步影响缠绕于上有源双包层光纤的应力分布。本实用新型有效地抑制大功率单频光纤激光器中的受激布里渊散射，可以获得大功率、高光束质量、高稳定性的单频光纤激光输出，其装置结构简单、紧凑可靠、且便于集成化、多功能化。
【专利说明】
一种抑制大功率单频光纤激光器中受激布里渊散射的装置
技术领域
[0001]本实用新型涉及大功率光纤激光器、单频光纤激光器等领域，具体涉及用于抑制大功率单频光纤激光器中受激布里渊散射的装置。
【背景技术】
[0002]大功率单频光纤激光器在激光指示与测距、多普勒激光测速雷达、光纤传感、光谱学、非线性频率转换等领域有非常广泛的应用前景，发展十分迅猛。大功率单频光纤激光器多采用种子源主振荡功率放大(MOPA)结构，由于其有源双包层光纤相对有限的纤芯尺寸和较长的作用长度，以及种子源激光器的线宽很窄，致使其输出功率的进一步提升主要受到非线性效应——受激布里渊散射的限制，输出功率被局限在500 W左右(Opt.Express,2007， 15(25): 17044-17050)ο
[0003]受激布里渊散射是入射栗浦光经过光纤被分子振动调制导致的，具有增益和阈值特征。一旦达到布里渊散射阈值，受激布里渊散射将绝大部分信号功率转换为反向斯托克斯光。因此，受激布里渊散射极大地限制了单频光纤激光输出功率的提升。
[0004]目前，抑制单频光纤激光器中受激布里渊散射的主要方法有:
[0005](I)增大有源双包层光纤的模场面积(大芯径)和进一步提高其掺杂稀土离子浓度，不仅可降低信号激光的功率密度，而且缩短了光纤的使用长度。即使用短长度(典型长度:I?3米)高增益大模场面积光纤(Laser Phys.Lett., 2012, 9(8): 591-595)。但是该方法不仅涉及到对有源双包层光纤结构的优化设计，其工艺复杂;而且降低了光纤的柔韧性、灵活性、散热能力(比表面积下降)。
[0006](2)使用多波长单频种子源激光器，信号激光功率将分布在多个频率成分上，致使每个频率成分的谱功率密度降低(Laser Phys.Lett., 2012, 9(7): 532-536)。但是该方法涉及到多个种子源激光器，其结构较复杂，控制较困难。
[0007](3)使用特殊结构的光纤(美国专利:US005851259A、US006542683B1)，但是该方法也涉及到对光纤结构的重新设计，其工艺较复杂；而且仅仅适合于非掺杂稀土离子的单模光纤，很难同时兼顾和解决有源双包层光纤中的热效应、模式控制、受激布里渊散射等多个问题。
[0008](4)在沿有源双包层光纤轴向施加温度或应力分布等(Opt.Express, 2007, 15(25): 17044-17050、0pt.Express, 2013，21(5): 5456-5462)，以降低受激布里渊散射的有效增益系数，进而抑制受激布里渊散射。但是仅仅通过沿光纤自身轴向热量分布的不均匀性来实现，没有给出具体应力分布的实现手段。此外，中国专利:201010104948.3对长度为50 m的单模光纤同时施加温度梯度和纵向压力、张力，以实现对受激布里渊散射的抑制。中国专利:200910238723.4给出了用于光纤光栅或光纤受激布里渊散射的多维调节装置。但是这些装置工艺复杂、控制较困难、成本较高，且多适用于非掺杂稀土离子的单模光纤，不适合有源双包层光纤的情况。【实用新型内容】
[0009]本实用新型的目的是:提供一种抑制大功率单频光纤激光器中受激布里渊散射的装置，所要解决的技术问题是:克服现有装置工艺较复杂、控制较困难等缺点。通过利用有源双包层光纤紧密盘绕(缠绕弯曲)于金属锥形环侧面的方式，不仅可以形成应力梯度，而且可以进行散热和滤除光纤中存在的高阶模式(在相同情况下，高阶模式较基横模对于缠绕弯曲更为敏感)。再者，基于压电效应，利用PZT压电陶瓷随加载不同电压值以及上下非对称的位置结构，对金属锥形环施加不同的侧向应力，进一步对盘绕于金属锥形环侧面的有源双包层光纤造成不同的应力分布，继而提高激光系统的受激布里渊散射阈值，有效地抑制大功率单频光纤激光器中产生的受激布里渊散射效应。最终可以实现大功率、近衍射光束质量、稳定的单频光纤激光输出。
[0010]本实用新型的具体技术解决方案如下:
[0011]—种抑制大功率单频光纤激光器中受激布里渊散射的装置，包括上PZT压电陶瓷、水冷管道、上凹槽、金属锥形环、螺纹槽、下凹槽和下PZT压电陶瓷;所述的金属锥形环上、下底面各开有一个凹槽即所述上凹槽和下凹槽，上凹槽和下凹槽分别相应用于嵌入和固定上PZT压电陶瓷、下PZT压电陶瓷;所述的金属锥形环的侧面自上而下刻有所述螺纹槽，用于盘绕有源双包层光纤，以便产生应力梯度、散热和进行模式控制;所述的金属锥形环的内环通孔作为水冷管道，该水冷管道连接到具有恒温功能的冷水机上进行温度控制。
[0012]进一步地，所述的金属锥形环由导热性能良好的铜或铝制作而成；其形状即为圆台中间开一通孔形成的锥形环状。
[0013]进一步地，所述的金属锥形环内环、上外环、下外环的直径为I?50 cm，高度为I?50cm;其具体尺寸根据有源双包层光纤的缠绕程度来决定，即滤除有源双包层光纤中高阶模式的程度;所述的上PZT压电陶瓷和下PZT压电陶瓷的形状为环形、锥形或圆柱形，两者的内径为I?15 Cm，外径为2?30 cm，高度为I?15 cm所述的金属锥形环为导热性能良好的铜或招构成;其形状为圆台中间开孔，形成的锥形环状结构。
[0014]所述的上、下凹槽的形状均为环形，其内径一般为I?15cm，外径一般为2?35 cm,凹槽深度一般为I?15 cm。
[0015]所述的上、下PZT压电陶瓷分别嵌于上、下凹槽里面，并且用光学胶紧紧固定。对上、下PZT压电陶瓷施加不同的交流偏置电压信号，利用压电效应可以对金属锥形环产生不同的侧向应力。
[0016]所述的交流偏置电压信号为矩形、三角形、正弦等波形。
[0017]所述的水冷管道为金属锥形环的内环(通孔)所构成，该水冷管道连接到具有恒温功能的冷水机上，可以控制金属锥形环的温度范围为10-70 0C。
[0018]所述的螺纹槽为金属锥形环的侧面自上而下刻出，其为单道内螺纹，其形状为矩形或梯形;螺纹宽度一般为50?2000 μπι，螺纹深度一般为50?5000 μπι。用于盘绕大功率单频光纤激光器中的双包层光纤，以便形成应力梯度分布、进行散热和模式控制。
[0019]与现有技术相比，本实用新型的技术效果:
[0020]将所述大功率单频光纤激光器中的有源双包层光纤沿金属锥形环的侧面，自上而下紧密盘绕于螺纹槽里面。首先，非对称的光纤缠绕弯曲方式可以产生应力梯度分布；其次，有限的缠绕半径可以滤除一般有源双包层光纤中存在的高阶模式，基横模不受影响，即对输出激光光束的模式进行限制以提高光束质量，以获得近衍射极限光束输出;再次，有源双包层光纤紧贴金属锥形环的侧面，可以有效地带走光纤中由于量子亏损而产生的热量，即进行热耗散，再经水冷管道进一步进行散热，保障单频光纤激光的大功率、高稳定性地运行。此外，金属锥形环的上、下底面分别安装有上、下PZT压电陶瓷，PZT压电陶瓷利用压电效应，对金属锥形环施加不同的侧向应力，因而对其螺纹槽里面的有源双包层光纤造成不同的应力分布，这些应力梯度变化可以扩展(展宽)光纤中受激布里渊散射的增益带宽，进而有效地抑制大功率单频光纤激光器中产生的受激布里渊散射效应，最终实现大功率、高光束质量、高稳定性的单频光纤激光输出。该装置结构紧凑、简单易行，且控制操作较容易。
【附图说明】
[0021]图1为PZT压电陶瓷的三种不同形状示意图。
[0022]图2为抑制大功率单频光纤激光器中受激布里渊散射的装置结构示意图。
[0023]图中:I一上PZT压电陶瓷，2—水冷管道，3—上凹槽，4一金属锥形环，5—螺纹槽，6—下凹槽，7—下PZT压电陶瓷。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步描述，需要说明的是本实用新型要求保护的范围并不局限于实施例所表述的范围。需指出的是，以下若有未特别详细说明之过程，均是本领域技术人员可参照现有技术实现的。
[0025]如图1所示，本实用新型实施例中PZT压电陶瓷有不同形状，其形状可以为环形、锥形、圆柱形等。
[0026]如图2所示，抑制大功率单频光纤激光器中受激布里渊散射的装置，包括上PZT压电陶瓷1、水冷管道2、上凹槽3、金属锥形环4、螺纹槽5、下凹槽6、下PZT压电陶瓷7—起组合而成。所述的上凹槽3、下凹槽6分别为在金属锥形环4上、下底面各开出一槽，接着分别嵌入与紧紧固定上PZT压电陶瓷1、下PZT压电陶瓷7于上凹槽3、下凹槽6之中；所述的螺纹槽5为金属锥形环4的侧面自上而下刻出，可以将所述大功率单频光纤激光器中的有源双包层光纤盘绕于其中，并且填充导热硅胶进行散热。所述的水冷管道2为金属锥形环4的内环(通孔)所构成，该水冷管道2连接到具有恒温功能的冷水机上，可以对金属锥形环4进行温度控制。
[0027]其中金属锥形环4的材质为铝，即其形状为圆台中间开孔;其内环、上外环、下外环的直径分别为1.5 cm、4 cm、8 cm，其高度为8 cm。
[0028]其中上凹槽3和下凹槽6的内径分别为2 cm、6 cm，外径分别为3.5 cm、7.5 cm，凹槽深度均为2 cm。
[0029]其中上PZT压电陶瓷I和下PZT压电陶瓷7的形状为环形，其内径分别为2.5 cm,6.5cm，夕卜径分别为3.5 cm、7.5 cm，高度均为2 cm。
[0030]其中施加于上PZT压电陶瓷I和下PZT压电陶瓷7的交流偏置电压信号为三角形波形，电压峰峰值约为70 V0
[0031]其中水冷管道2的通孔直径即为金属锥形环4的内环直径，即为1.5 cm，水冷管道2连接到具有恒温功能的冷水机上，控制金属锥形环4的温度为25 °C。
[0032]其中螺纹槽为单道内螺纹，其形状为矩形；螺纹宽度为350μπι，螺纹深度为500 μmD
[0033]基于所述大功率单频光纤激光器中的有源双包层光纤缠绕弯曲于金属锥形环4侧面的方式，不仅可以使双包层光纤沿轴向产生应力梯度分布;而且可以滤除双包层光纤中存在的高阶模式，以获得近衍射极限光束输出；甚至，双包层光纤紧贴于金属锥形环4的侧面，可以有效地带走光纤中由于量子亏损而产生的热量。再者，基于压电效应，通过连续的调节与控制偏置电压信号，使得上PZT压电陶瓷I和下PZT压电陶瓷7均相应出现形变(位移)，致使金属锥形环4产生不同的侧向应力，进一步对螺纹槽5里面的双包层光纤产生不同的侧向应力分布，因此可以扩展光纤的受激布里渊散射增益带宽，实现提高光纤受激布里渊散射阈值的目的。基于上述方式，最终可以实现大功率、高光束质量、高稳定性的单频光纤激光输出，即该装置可以有效地抑制大功率单频光纤激光器中的受激布里渊散射。
【主权项】
1.一种抑制大功率单频光纤激光器中受激布里渊散射的装置，其特征在于:包括上PZT压电陶瓷(I)、水冷管道(2)、上凹槽(3)、金属锥形环(4)、螺纹槽(5)、下凹槽(6)和下PZT压电陶瓷(7);所述的金属锥形环上、下底面各开有一个凹槽即所述上凹槽和下凹槽，上凹槽和下凹槽分别相应用于嵌入和固定上PZT压电陶瓷、下PZT压电陶瓷;所述的金属锥形环的侧面自上而下刻有所述螺纹槽，用于盘绕有源双包层光纤;所述的金属锥形环的内环通孔作为水冷管道，该水冷管道连接到具有恒温功能的冷水机上进行温度控制。2.如权利要求1所述的抑制大功率单频光纤激光器中受激布里渊散射的装置，其特征在于:所述的金属锥形环(4)由导热性能良好的铜或铝制作而成;其形状即为圆台中间开一通孔形成的锥形环状。3.如权利要求1所述的抑制大功率单频光纤激光器中受激布里渊散射的装置，其特征在于:所述的金属锥形环(4)内环、上外环、下外环的直径为I?50 cm，高度为I?50 cm;所述的上PZT压电陶瓷(I)和下PZT压电陶瓷(7)的形状为环形、锥形或圆柱形，两者的内径为I?15 cm，外径为2?30 cm，高度为I?15 cm。4.如权利要求1所述的抑制大功率单频光纤激光器中受激布里渊散射的装置，其特征在于:所述的上凹槽(3)和下凹槽(6)形状均为环形，两者的内径为I?15 cm，外径为2?35cm，凹槽深度为I?15 cm。5.如权利要求1所述的抑制大功率单频光纤激光器中受激布里渊散射的装置，其特征在于:所述的上PZT压电陶瓷(I)和下PZT压电陶瓷(7)分别嵌于上凹槽(3)和下凹槽(6)之中，并且用光学胶紧密固定。6.如权利要求1所述的抑制大功率单频光纤激光器中受激布里渊散射的装置，其特征在于:所述上PZT压电陶瓷和下PZT压电陶瓷(7)分别加载不同的交流偏置电压信号。7.如权利要求1所述的抑制大功率单频光纤激光器中受激布里渊散射的装置，其特征在于:所述的水冷管道(2)由金属锥形环(4)的内环中心通孔所构成，所述的水冷管道(2)连接到具有恒温功能的冷水机上。8.如权利要求1所述的抑制大功率单频光纤激光器中受激布里渊散射的装置，其特征在于:所述的螺纹槽(5)为单道内螺纹，其形状为矩形或梯形，螺纹宽度和深度分别为50?2000 μηι、50?5000 μπι。9.如权利要求1所述的抑制大功率单频光纤激光器中受激布里渊散射的装置，其特征在于:在所述的螺纹槽(5)里面紧密地盘绕所述大功率单频光纤激光器的工作介质即有源双包层光纤。
【文档编号】H01S3/094GK205429417SQ201520978853
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2015年11月30日
【发明人】杨中民, 杨昌盛, 徐善辉, 冯洲明, 张勤远, 姜中宏
【申请人】华南理工大学