超宽带啁啾倾斜光纤光栅刻写装置、刻写方法以及激光系统
技术领域
本发明涉及光纤光栅的刻写以及应用技术领域，具体涉及一种超宽带啁啾倾斜光纤光栅刻写装置、刻写方法以及激光系统。
背景技术
光纤激光器具有效率高、光束质量好、体积小、免维护、低运行成本、高光束质量、运转寿命长、易于调制，结构紧凑等优点，在军事、工业等领域应用广泛。伴随着LD亮度的提升和双包层光纤的面世，光纤激光器的输出功率得以大幅度攀升。但是，受激拉曼散射(SRS)是限制光纤激光器功率进一步提升的一个关键性因素。SRS效应在光纤激光器中产生的拉曼散射光是双向传输的，一方面，前向传输的拉曼散射光会与信号光竞争，从而导致信号光功率的下降，影响放大器的正常工作；另一方面，后向传输的拉曼散射光经过放大器放大后进入振荡器，会严重影响振荡器的正常工作，导致振荡器输出下降。另外，激光器的泵浦合束器与LD能够承受的功率都是有限的，后向拉曼散射光经放大后很容易对这些重要的光纤器件造成损坏。
目前，人们已经提出许多方法以抑制受激拉曼散射，各有特点，但也存在不足之处。利用大模场光纤或特殊波段高损耗光纤来抑制受激拉曼散射，取得了较好的效果，但受限于光纤的制作工艺，应用仍十分有限。有人提出了拉曼兼容的方法，即注入一个前向的拉曼种子光，允许前向拉曼激光与信号激光一起输出，可以有效地将后向拉曼信号抑制在一定范围内，但是输出光谱特性变差，同时光束质量也会受到一定的影响。另有报道利用二氧化碳激光制作的长周期光纤光栅作为滤波器，通过将部分拉曼散射光耦合至包层中进而滤除达到抑制的目的，但是长周期光栅的交叉敏感问题是影响其稳定性的重要因素。此外，人们提出利用啁啾倾斜光纤光栅来抑制SRS效应的方法，其制作灵活、使用简便、稳定性好，具有广泛的应用前景，受到密切关注。但目前报道的啁啾倾斜光纤光栅带宽仅在12nm量级，对于SRS效应抑制稍显不足，且由于倾斜光纤光栅本身存在布拉格谐振反射，会对系统正常工作产生不利影响。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明提出了一种超宽带啁啾倾斜光纤光栅刻写装置、刻写方法以及激光系统。
为实现上述技术目的，本发明采用的具体技术方案如下：
本发明提供一种超宽带啁啾倾斜光纤光栅刻写装置，包括准分子激光器、平面反射镜组、光阑、扩束透镜组、聚焦柱透镜、啁啾相位掩模板和光纤操作移动平台；所述准分子激光器输出激光的传输路径上依次设有平面反射镜组、光阑、扩束透镜组、聚焦柱透镜和啁啾相位掩模板，从聚焦柱透镜聚焦出射的光束垂直打在啁啾相位掩模板栅区中央，光纤安装在光纤操作移动平台上且与啁啾相位掩模板平行，从啁啾相位掩模板出射的激光垂直入射到光纤上，同时通过控制光纤操作移动平台实现超宽带啁啾倾斜光纤光栅的刻写。其中啁啾相位掩模板在垂直于光束入射方向的平面内的倾斜角度可调，将啁啾相位掩模板在垂直于光束入射方向的竖直平面内旋转一定角度以在光路中引入倾斜角度。
进一步地，本发明所述准分子激光器为248nm准分子激光器，准分子激光器的输出功率和频率由计算机控制。248nm准分子激光器的出射光斑为矩形，且能量分布不均匀，在光斑中心处能量均匀性较好。所述光阑用于选取出射光束中心光斑。所述扩束透镜组设置于六维调节架上，可以通过六维调节架调节扩束透镜组中各扩束条透镜的位置，使得扩束透镜组相对于平面反射镜组反射的出射光束垂直放置，以得到较为均匀的放大光斑。
进一步的，本发明所述平面反射镜组安装在水平设置的光学平台上，用于调节准分子激光器出射光束的位置和高度。所述光阑、扩束柱透镜组、聚焦柱透镜、相位掩模板和光纤操作移动平台沿平面反射镜组反射的出射光束的射出方向依次布置在光学平台上。
进一步的，本发明所述啁啾相位掩模板安装在一个六维手动调节架上，六维手动调节架设置在光学平台上，六维手动调节架能够实现啁啾相位掩模板多个方向的调整。具体地，六维手动调节架由三维直角手动调整架、两轴角度位移平台以及360度旋转平台组装而成，三维直角手动调整架能够实现啁啾相位掩模板在水平面上x、y方向的调整以及在垂直于水平面的竖直方向即z方向的调整，两轴角度位移平台能够实现啁啾相位掩模板与水平面之间夹角的调整，所述360度旋转平台能够实现啁啾相位掩模板在水平面的360度旋转。通过将啁啾相位掩模板在垂直于光束入射方向的竖直平面内旋转一定角度以在光路中引入倾斜角度。
进一步地，本发明所述光纤操作移动平台包括光纤夹具、三维调节底座和电动水平位移平台，所述光纤夹具设有两个，分别为左光纤夹具和右光纤夹具，待刻写超宽带啁啾倾斜光纤光栅的光纤由左光纤夹具和右光纤夹具夹持；所述左光纤夹具和右光纤夹具分别固定在一个三维调节底座上，通过调节两个三维调节底座使光纤与啁啾相位掩模板平行；所述三维调节底座均安装在电动水平位移平台上，电动水平位移平台在位移平台驱动电机驱动下沿着光纤轴向方向运动，位移平台驱动电机与计算机连接，计算机控制位移平台驱动电机进而控制电动水平位移平台的水平移动距离以及速度。
进一步地，本发明所述光纤一端连接宽带光源，一端连接光谱分析仪，在超宽带啁啾倾斜光纤光栅刻写过程中，实时通过光谱分析仪获得超宽带啁啾倾斜光纤光栅的光谱。
利用上述超宽带啁啾倾斜光纤光栅刻写装置，本发明提供一种超宽带啁啾倾斜光纤光栅刻写方法，包括以下步骤：
(1)设置准分子激光器参数，包括准分子激光器的重复频率以及电压：设置光纤操作移动平台的移动距离和移动速度；设置超宽带啁啾倾斜光纤光栅倾斜角度，相应旋转相位掩模板在垂直于光束入射方向的竖直平面内旋转角度以在光路中引入倾斜角度。
(2)截取合适长度的光纤，将待刻写超宽带啁啾倾斜光纤光栅的区域用化学剥除剂涂覆，再用酒精擦拭后将光纤安装在光纤操作移动平台上；将光纤的一端与宽带光源连接，另一端与光谱分析仪相连；
(3)超宽带啁啾倾斜光纤光栅刻写；
调整相位掩模板的旋转角度，开启准分子激光器开的同时启动光纤操作移动平台，使得光纤沿着其轴向方向移动，开始超宽带啁啾倾斜光纤光栅刻写，通过光谱分析仪实时检测所刻写的超宽带啁啾倾斜光纤光栅的光谱，当得到所需的光谱后，关闭准分子激光器的同时关停光纤操作移动平台，刻写结束，将光纤取出即可。
上述超宽带啁啾倾斜光纤光栅刻写方法得到的超宽带啁啾倾斜光纤光栅，将其设置到光纤激光振荡器腔内，利用超宽带啁啾倾斜光纤光栅在拉曼波段的高损耗性，以抑制受激拉曼散射。进一步地，本发明提供一种激光系统，包括激光振荡器，在所述激光振荡器内设置有长周期光纤光栅，所述长周期光纤光栅采用上述超宽带啁啾倾斜光纤光栅刻写方法刻写而成的超宽带啁啾倾斜光纤光栅，所述激光振荡器为前向泵浦光纤激光振荡器、后向泵浦光纤激光振荡器或者双向泵浦光纤激光振荡器；激光振荡器包括泵浦光源、泵浦光合束器、高反光栅、掺杂光纤和低反光栅，所述长周期光纤光栅设置在激光振荡器腔内的低反光栅前或者设置在光纤激光振荡器腔内的高反光栅后或者将长周期光纤光栅直接刻写在光纤激光振荡器腔内的掺杂光纤上。利用长周期光纤光栅其在拉曼波段的高损耗性，对光纤激光振荡器内部前后向的拉曼光均有较好的抑制效果，尤其是对后向拉曼光的抑制，使得由于高功率后向拉曼光对系统造成的风险大大减弱，使得在更高的功率水平下在光纤激光振荡器输出中才能观察到受激拉曼散射现象，大大提高了光纤激光振荡器的功率输出上限。
上述超宽带啁啾倾斜光纤光栅刻写方法得到的超宽带啁啾倾斜光纤光栅，将其设置到高功率光纤激光放大器系统中，可以实现抑制受激拉曼散射的效果。具体地，本发明提供一种激光系统，包括种子源和一级以上的激光放大器，在种子源和激光放大器之间以及在各级激光放大器之间均设置有长周期光纤光栅，所述长周期光纤光栅采用上述超宽带啁啾倾斜光纤光栅刻写方法刻写而成的超宽带啁啾倾斜光纤光栅。将长周期光纤光栅直接接入种子源和光纤放大器之间，利用长周期光纤光栅在拉曼波段的高损耗性，对种子源进行滤波，使得种子源在更高功率水平下仍能输出较为纯净的信号光。并且提升光纤放大器的工作效率，提升整体系统的拉曼阈值。将长周期光纤光栅置于各级光纤放大器之间，提升各级光纤放大器的工作效率，提升整体的拉曼阈值，进一步提高抑制效果。
本发明中，针对实际应用需求，通过对超宽带啁啾倾斜光纤光栅的周期、倾斜角度、调制深度、啁啾率等参数的调整，以获得最佳效果，相位掩模板直接决定了光栅的周期以及啁啾率，调制深度受到曝光时间的控制。通常，SRS效应发生时，其光谱上Stokes光的带宽在12nm量级，可根据此对超宽带啁啾倾斜光纤光栅的参数进行计算。通常，对于超宽带啁啾倾斜光纤光栅，考虑到倾斜后其有效折射率可取1.443，根据波长与光栅周期的对应关系λ＝2neffΛ，可计算出其光栅周期。对于超宽带啁啾倾斜光纤光栅的倾斜角度，考虑到带宽等各种因素，一般取4-9°之间；对于超宽带啁啾倾斜光纤光栅的啁啾率，通常应不大于2nm/cm，具体取值应根据实际刻写制作出的超宽带啁啾倾斜光纤光栅光谱进行取舍。
对于超宽带啁啾倾斜光纤光栅来言，由于其光栅周期存在非均匀性，即光栅周期Λg沿着光纤轴向改变，包层模式谐振波长会发生相应展宽。对于第i阶包层模，其展宽可表达为：
式中，neffcore是纤芯模的有效折射率，ncleff,i是第i阶包层模的有效折射率，Λgmas、Λgmin分别代表光栅周期沿着光纤轴向方向上的最大、最小值。θ为超宽带啁啾倾斜光纤光栅倾斜角度。
因此可通过对超宽带啁啾倾斜光纤光栅的光栅周期的调整以实现超宽带啁啾倾斜光纤光栅工作波长的覆盖。随着超宽带啁啾倾斜光纤光栅倾斜角度的增大，Bragg谐振波长会向长波方向移动，并且谐振深度会变浅，同时在短波方向会有更多的高阶包层模谐振，光谱上表现为谐振包络整体向短波方向移动，而且带宽随之加宽，但是透射谱的深度变浅。
超宽带啁啾倾斜光纤光栅的调制深度直接决定了透射峰的深度，通过控制曝光时间可控制调制深度，曝光时间越长调制深度越大，透射峰的深度是滤除拉曼散射光的重要指标。超宽带啁啾倾斜光纤光栅的调制深度越强，透射峰深度越深，意味着对拉曼信号的滤除效果越好。超宽带啁啾倾斜光纤光栅可以达到的最大调制深度主要取决于刻写超宽带啁啾倾斜光纤光栅所采用的光纤的光敏量，光纤的光敏量越大，其刻写光栅所能达到的最大调制深度越大。虽然光纤本身具有光敏性，仍然需要通过载氢的方式可以进一步增强其光敏性，其载氢时间因光纤具体类型而异。对于大芯径大模场光纤，常为8周。因此可以根据实际需要达到的滤除效果，对待刻写光纤选择合适的载氢时间。
超宽带啁啾倾斜光纤光栅的啁啾率越大光谱展宽的范围也越大，同时包层模式整体包络也更加光滑。但是由于在超宽带啁啾倾斜光纤光栅中不同位置作用于不同的波长，所以在相同光栅长度的情况下，越大的啁啾率就需要越大的调制深度以达到相同的透射谐振深度。想要获得宽带滤波光谱，可以通过增大超宽带啁啾倾斜光纤光栅的倾斜角度或增加超宽带啁啾倾斜光纤光栅的啁啾率来实现。但是，过大的倾斜角度或啁啾率都会使超宽带啁啾倾斜光纤光栅刻写的难度增加，因此要根据特定波段的拉曼光谱来合理选择倾斜角度和啁啾率，使得在所需的波长处有着带宽较宽、深度较深的滤波光谱，以达到最佳的拉曼信号滤除效果。
此外，由于倾斜光纤光栅本身存在布拉格谐振反射，会对系统正常工作产生不利影响。为尽可能削弱这种影响，需要对超宽带啁啾倾斜光纤光栅进行特殊设计。为达到最佳的拉曼抑制效果，我们加大光栅周期与制作角度，以保证拉曼波长处损耗的同时，尽可能减小本身布拉格谐振反射率，增大谐振峰波长，尽可能削弱其对系统的影响。一般制作角度取8°以上。
此外，本发明通过在刻写装置中加入电动水平位移平台，能够制作出具有较长光栅长度的超宽带啁啾倾斜光纤光栅。同时，多个参数相同的超宽带啁啾倾斜光纤光栅可以通过熔接的方式串联起来，即超宽带啁啾倾斜光纤光栅可由多段超宽带啁啾倾斜光纤光栅通过熔接的方式彼此串联而成，其抑制比相当于多段超宽带啁啾倾斜光纤光栅抑制比的叠加。通过对超宽带啁啾倾斜光纤光栅数目的控制，可以做到对抑制比的灵活调整。
本发明的有益效果如下：
(1)超宽带啁啾倾斜光纤光栅在滤除深度、滤除带宽等方面具有显著优势，能大幅提升其在大功率光纤激光系统的使用效果，且制作简便，可根据实际需要灵活调整参数，以匹配不同的抑制波段。
(2)超宽带啁啾倾斜光纤光栅具有较弱的布拉格谐振反射，且布拉格谐振反射波长相对在长波方向，在大功率光纤激光系统中不会激发拉曼随机激光，极大拓展了其应用范围。
(3)采用本发明所提供的超宽带啁啾倾斜光纤光栅刻写方法得到的超宽带啁啾倾斜光纤光栅，将其设置到光纤激光器系统中。如将其设置到激光振荡器腔内，利用长周期光纤光栅在拉曼波段的高损耗性，以抑制受激拉曼散射。在光纤激光振荡器腔中引入长周期光纤光栅，相比于腔外具有更强的抑制效果，能够更大程度上提升光纤激光振荡器的拉曼阈值。同时，通过控制加入的长周期光纤光栅的数目，灵活调整抑制比。
如将其设置到高功率光纤激光放大器系统中，可以实现抑制受激拉曼散射的效果。在高功率光纤激光放大器系统中引入长周期光纤光栅，能够提升系统整体的拉曼阈值，同时兼具一定的滤波效果，对后向拉曼光有抑制作用，对光纤器件能提供很好的保护。同时，通过控制加入的长周期光纤光栅的数目，灵活调整抑制比。由于长周期光纤光栅的工作机理是纤芯模式和包层模式之间的耦合，因此其应用在光纤激光器中时温升系数较小，有更大的应用潜力。
本发明的长周期光纤光栅制作简便，可根据实际需要灵活调整参数，以匹配不同的抑制波段。长周期光纤光栅插入损耗小，同时方便在不同类型光纤上进行制备，稳定性好，应用范围广泛。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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。
图1为实施例1一种超宽带啁啾倾斜光纤光栅刻写装置的结构示意图；
图2是光纤操作移动平台的结构示意图。
图3是啁啾相位掩模板引入倾斜的结构示意图。
图4是目前已报道的大模场光纤上刻写的超宽带啁啾倾斜光纤光栅的典型透射谱；
图5是采用本发明制作的大模场光纤上刻写的超宽带啁啾倾斜光纤光栅的典型透射谱。
图6为实施例3的结构示意图；
图7为实施例4的结构示意图；
图8为实施例5的结构示意图；
图9为实施例6的结构示意图；
图10为实施例7的结构示意图；
图11为实施例8的结构示意图；
图12为实施例9的结构示意图；
图13为实施例10的结构示意图；
图14为实施例11的结构示意图；
图15为实施例12的结构示意图；
图16为实施例13的结构示意图；
图17为实施例14的结构示意图。
图中标号说明：
1、248nm准分子激光器；2、平面反射镜组；3、光阑；4、扩束透镜组；5、聚焦柱透镜；6、啁啾相位掩模板；7、光纤操作移动平台；71、光纤夹具；72、三维调节底座；73、电动水平位移平台；8、光纤；9、宽带光源；10、光谱分析仪；100、光学平台。
101、泵浦LD光源；102、泵浦合束器；103、高反光栅；104、掺杂光纤；105、低反光栅；106、长周期光纤光栅；107、熔点；108、种子源；109、第1级光纤放大器；110、第2级光纤放大器；111、第n级光纤放大器。
具体实施方式
为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1:
参照图1，一种超宽带啁啾倾斜光纤光栅刻写装置，包括光学平台100以及布置在光学平台100上的248nm准分子激光器1、平面反射镜组2、光阑3、扩束透镜组4、聚焦柱透镜5、啁啾相位掩模板6和光纤操作移动平台7。相位掩模板直接决定了所刻写的宽带啁啾倾斜光纤光栅的周期以及啁啾率，超带宽通过光栅的长度、倾斜角度以及啁啾率来实现，光栅的长度在10cm以上、倾斜角度在8°以上、啁啾率为1nm/cm。
所述248nm准分子激光器1所输出激光的传输路径上依次设有平面反射镜组2、光阑3、扩束透镜组4、聚焦柱透镜5和啁啾相位掩模板6，从聚焦柱透镜5聚焦出射的光束垂直打在啁啾相位掩模板栅区中央。光纤8安装在光纤操作移动平台7上且与啁啾相位掩模板6平行，从啁啾相位掩模板6出射的激光垂直入射到光纤8上，同时通过控制光纤操作移动平台7实现超宽带啁啾倾斜光纤光栅的刻写。其中啁啾相位掩模板6在垂直于光束入射方向的平面内的倾斜角度可调，将啁啾相位掩模板6在垂直于光束入射方向的竖直平面内旋转一定角度以在光路中引入倾斜角度。
参照图2，所述光纤操作移动平台7包括光纤夹具71、三维调节底座72和电动水平位移平台73。所述光纤夹具71设有两个，分别为左光纤夹具和右光纤夹具，待刻写超宽带啁啾倾斜光纤光栅的光纤8由左光纤夹具和右光纤夹具夹持。所述左光纤夹具和右光纤夹具分别固定在一个三维调节底座72上。本实施例中三维调节底座72为手动调节的，通过三维调节底座72可以调节光纤夹具71的三维空间位置，进而调节光纤的位置，保证光纤处在正确的刻写位置。将光纤8两端放入左光纤夹具和右光纤夹具的V型槽中，通过调节两个三维调节底座72使光纤8与啁啾相位掩模板6平行，从啁啾相位掩模板6出射的光束垂直入射到光纤8上。所述三维调节底座72均安装在电动水平位移平台73上，电动水平位移平台73在位移平台驱动电机驱动下沿着光纤轴向方向运动，位移平台驱动电机与计算机连接，计算机控制位移平台驱动电机进而控制电动水平位移平台的水平移动距离以及速度。三维调节底座72可以采用Newport三维手动线位移平台。电动水平位移平台73可以采用Newport精密电动线性位移平台。
248nm准分子激光器的输出功率和频率由计算机(图1中未示出)控制。248nm准分子激光器的出射光斑为矩形，且能量分布不均匀，在光斑中心处能量均匀性较好。所述平面反射镜组2包括两个针对248nm紫外激光镀高反射率膜的反射镜，两个反射镜安装在同一支柱上。所述光阑3用于选取出射光束中心光斑。所述扩束透镜组4设置于一个六维调节架上，可以通过该六维调节架调节扩束透镜组4中各扩束条透镜的位置，使得扩束透镜组4相对于平面反射镜组2反射的出射光束垂直放置，以得到较为均匀的放大光斑。所述平面反射镜组2安装在水平设置的光学平台100上，用于调节248nm准分子激光器1出射光束的位置和高度。所述光阑3、扩束柱透镜组4、聚焦柱透镜5、相位掩模板6和光纤操作移动平台7沿平面反射镜组2反射的出射光束的射出方向依次布置在光学平台100上。
参照图3，所述啁啾相位掩板6安装在一个六维手动调节架上，六维手动调节架设置在光学平台100上，啁啾相位掩模板6通过使用六维手动调节架对相位掩模板位置进行调整，以使聚焦后光束能够垂直打在啁啾相位掩板栅区中央。本实施例中该六维手动调节架由Newport公司出产的三维直角手动调整架M-561D-XYZ，两轴角度位移平台M-GON40-U、L以及360度旋转平台M-RS40拼接而成，并整体安装于光学平台100上。为了制作倾斜光纤光栅，通常需要在光路中引入倾斜。为此，需要根据实际需求，将啁啾相位掩模板6在垂直于光束入射方向的平面内旋转竖直平面内旋转一定角度，啁啾相位掩模板6与光纤8的平行关系不变。假定啁啾相位掩模板6的旋转角度为θ，那么最终刻写入光纤内部的倾斜角度θΤ可以表达为：
其中，nuv是光纤纤芯在248nm波长处的折射率。通常对于石英光纤，其可近似为1.452。通常所指的倾斜光纤光栅倾斜角度，即为写入光纤内部的倾斜角度θΤ。因此，在实际制作过程中，应根据所需制作的超宽带啁啾倾斜光纤光栅的角度，来对应调整啁啾相位掩模板6的旋转角度。
在超宽带啁啾倾斜光纤光栅刻写过程中，所述光纤8一端连接宽带光源9，一端连接光谱分析仪10。这样，在超宽带啁啾倾斜光纤光栅刻写过程中，实时通过光谱分析仪1获得超宽带啁啾倾斜光纤光栅的光谱。
实施例2：
利用实施例1提供的超宽带啁啾倾斜光纤光栅刻写装置，本实施例提供一种超宽带啁啾倾斜光纤光栅刻写方法，包括以下步骤：
(1)设置准分子激光器参数，包括准分子激光器的重复频率以及电压：设置光纤操作移动平台的移动距离和移动速度；设置超宽带啁啾倾斜光纤光栅倾斜角度，相应旋转相位掩模板在垂直于光束入射方向的竖直平面内旋转角度以在光路中引入倾斜角度。
(2)截取合适长度的光纤，将待刻写超宽带啁啾倾斜光纤光栅的区域用化学剥除剂涂覆，再用酒精擦拭后将光纤安装在光纤操作移动平台上；将光纤的一端与宽带光源连接，另一端与光谱分析仪相连；
(3)超宽带啁啾倾斜光纤光栅刻写；
调整相位掩模板的旋转角度，开启准分子激光器开的同时启动光纤操作移动平台，使得光纤沿着其轴向方向移动，开始超宽带啁啾倾斜光纤光栅刻写，通过光谱分析仪实时检测所刻写的超宽带啁啾倾斜光纤光栅的光谱，当得到所需的光谱后，关闭准分子激光器的同时关停光纤操作移动平台，刻写结束，将光纤取出即可。
图4是已报道的在大模场光纤上刻写的啁啾倾斜光纤光栅的典型透射谱。其波段选为抑制1080nm激光的一阶受激拉曼波长1134nm。滤波带宽在14nm量级，布拉格反射峰波长在1140nm附近。
图5是采用实施例2中方法所制作的大模场光纤上刻写的超宽带啁啾倾斜光纤光栅的典型透射谱。其波段选为抑制1080nm激光的一阶受激拉曼波长1134nm。经过特殊设计，其滤波带宽在25nm量级，布拉格反射峰波长大于1150nm，在实际过程中避免因布拉格谐振反射而导致的随机拉曼激光进而影响系统输出。实际使用中，超宽带啁啾倾斜光纤光栅的中心波长需要经过设计以匹配实际需要，其光纤类型应根据实际需求灵活选择。
采用上述超宽带啁啾倾斜光纤光栅刻写方法得到的超宽带啁啾倾斜光纤光栅，将其设置到光纤激光振荡器腔内，利用长周期光纤光栅在拉曼波段的高损耗性，以抑制受激拉曼散射。下面的实施例3至实施例11分别提供了一种激光系统，均包括激光振荡器，在所述激光振荡器内设置有长周期光纤光栅，所述长周期光纤光栅采用上述超宽带啁啾倾斜光纤光栅刻写方法得到的超宽带啁啾倾斜光纤光栅。
实施例4：
图6为实施例3的结构示意图；本实施例中是前向泵浦光纤激光振荡器。一种激光系统，包括泵浦LD光源101、泵浦合束器102、高反光栅103、掺杂光纤104、低反光栅105。长周期光纤光栅106设置在光纤激光振荡器腔内的低反光栅105之前。
泵浦LD光源101有多个，各泵浦LD光源101的输出尾纤连接到泵浦合束器2的各泵浦臂上。对于常见的光纤激光振荡器而言，泵浦源波长可选为976nm或915nm，输出功率在百瓦量级。在实际使用过程中，泵浦LD光源101的参数、选取波长、输出功率、使用个数等因需求而异，没有特殊要求。前向泵浦光纤激光振荡器中的泵浦合束器102通常为7*1泵浦合束器。后向泵浦光纤激光振荡器其通常为6+1*1泵浦合束器。泵浦合束器102的输出尾纤为大模场光纤，典型为Nufern公司的LMA-GDF-20/400-M光纤。泵浦合束器102的输出尾纤之后依次连接高反光栅103、掺杂光栅104、长周期光纤光栅106以及低反光栅105。本实施例中长周期光纤光栅106以及低反光栅105制备在同一根光纤上，其中长周期光纤光栅106位于低反光栅105的前方且两者保持一定间距以优化振荡器性能。泵浦合束器102的输出尾纤与高反光栅103之间、高反光栅103与掺杂光栅104之间以及掺杂光纤104与长周期光纤光栅106之间均通过熔接的方式进行连接，熔接位置处形成熔点107。泵浦LD光源101、泵浦合束器102、高反光栅103、掺杂光纤104、长周期光纤光栅106、低反光栅105以及熔点107构成的光纤激光振荡器。
高反光栅103在光纤激光振荡器工作波长处，反射率通常大于99％，3dB带宽通常为2-4nm，制备于同泵浦合束器输出光纤相同的光纤上。掺杂光纤104应选取与高反光栅103相匹配的掺杂光纤，典型为Nufern公司的LMA-YDF-20/400-M光纤。用于输出的低反光栅105其反射率通常不大于10％，3dB带宽通常不大于1nm，其中心波长与高反光栅103的中心波长相差应不大于±0.4nm。
泵浦LD光源101提供产生激光所必需的泵浦光，泵浦光经由泵浦合束器102耦合至高反光栅103处。高反光栅103与低反光栅105仅仅在信号光波长处，如1080nm处存在反射，在泵浦光波长处没有反射，只有损耗。泵浦光经由高反光栅103，注入到掺杂光纤104中。掺杂光纤104通常掺杂镱等稀土元素，其能够吸收泵浦光并激发出信号光，并经由低反光栅输出。
由于振荡器腔内能量密度较高，损耗对其效率有着较大的影响。长周期光纤光栅106与低反光栅105由于制备在同一根光纤上，故之间没有熔点，以进一步减小振荡腔的损耗，提高输出效率。长周期光纤光栅106所用光纤需匹配光纤激光振荡器。当光纤激光振荡器中信号光强度超过一定阈值时，会产生SBS效应，此时继续注入的泵浦光后产生的信号光由SRS效应会迅速向Stokes光转化，形成较强的Stokes光。
光纤激光振荡器正常工作过程中，光纤激光振荡器腔内经由掺杂光纤后产生的激光，如图中空心箭头所示，包含有信号光和Stokes光两种成分。当其经过长周期光纤光栅106时，由于其独特的模式耦合特性，光纤纤芯内传输的Stokes光会与包层中的模式相互耦合，导致其耦合至光纤包层并散失掉，使得长周期光纤光栅106在Stokes光波长处存在一带宽较宽的损耗谱，激光中的Stokes光信号强度会产生衰减，如图中实心箭头所示。因此，光纤激光振荡器的实际输出激光中，如图中实心燕尾箭头所示，Stokes光的成分极少，使得只有在更高的泵浦功率条件下才能产生受激拉曼过程，从而抑制受激拉曼过程的产生，达到提高拉曼阈值的作用。同时，由于光纤激光振荡器腔内激光路径是一个往复振荡的过程，反向回光经由长周期光纤光栅106时，其中的Stokes光信号强度仍然会产生衰减；同时，若泵浦功率较高时，腔内极有可能有较强的拉曼信号。而受激拉曼过程是一个双向的过程，后向传输的Stokes光放大后会对系统产生较大风险，其经由长周期光纤光栅106时仍被损耗滤除，如图中反向实心箭头所示，这样能够进一步抑制受激拉曼过程的产生，提升振荡器效率，同时起到一定的隔离作用，对后向拉曼信号具有较强的衰减作用，对光纤器件起到保护作用。实际过程中，通过对长周期光纤光栅106的光栅周期、倾斜角度、啁啾率、调制深度等参数的调整，使其抑制效果达到最好。
为了进一步提升光纤激光振荡器SRS抑制效果，多个参数相同的长周期光纤光栅可以通过熔接的方式串联起来后接入光纤激光振荡器中，其抑制比相当于多个长周期光纤光栅抑制比的叠加。通过对长周期光纤光栅数目的控制，可以做到对抑制比的灵活调整。
实施例4：
图7为实施例4的结构示意图；本实施例中是后向泵浦光纤激光振荡器。一种激光系统，包括泵浦LD光源101、泵浦合束器102、高反光栅103、掺杂光纤104、低反光栅105。长周期光纤光栅106设置在光纤激光振荡器腔内的低反光栅105之前。实施例4除泵浦方式与实施例3不同外，其长周期光纤光栅的设置以及其他光学元器件的要求和设置等均与实施例3一致，在此不再赘述。
实施例5：
图8为实施例5的结构示意图；本实施例中是双向泵浦光纤激光振荡器。一种激光系统，包括泵浦LD光源101、泵浦合束器102、高反光栅103、掺杂光纤104、低反光栅105。长周期光纤光栅106设置在光纤激光振荡器腔内的低反光栅105之前。实施例5除泵浦方式与实施例3不同外，其长周期光纤光栅的设置以及其他光学元器件的要求和设置等均与实施例3一致，在此不再赘述。
实施例6至实施例8：
图9为实施例6的结构示意图；图10为实施例7的结构示意图；图11为实施例8的结构示意图；实施例6中是前向泵浦光纤激光振荡器。实施例7中是后向泵浦光纤激光振荡器。除泵浦方式与实施例6不同外，其长周期光纤光栅的设置与实施例6一致。实施例8中是双向泵浦光纤激光振荡器。除泵浦方式与实施例6不同外，其长周期光纤光栅的设置与实施例6一致。其中泵浦LD光源101、泵浦合束器102、高反光栅103、长周期光纤光栅106、掺杂光纤104、低反光栅105以及熔点107构成的光纤激光振荡器。实施例6、7和8均是将长周期光纤光栅106设置在光纤激光振荡器腔内的高反光栅103之后。由于振荡器腔内能量密度较高，损耗对其效率有着较大的影响。实施例6、7和8均将高反光栅103与长周期光纤光栅106制备在同一根光纤上，故之间没有熔点，以进一步减小振荡腔的损耗，提高输出效率。高反光栅103处相较于低反光栅105处，有着更高的能量密度，将长周期光纤光栅106放置于高反光栅103后，对初始对初始拉曼信号进行抑制，对整体受激拉曼过程有着更良好的抑制效果。
光纤激光振荡器正常工作过程中，光纤激光振荡器腔内经由掺杂光纤后产生的激光，如图中空心箭头所示，包含有信号光和Stokes光两种成分。当其经过长周期光纤光栅106时，由于其独特的模式耦合特性，光纤纤芯内传输的Stokes光会与包层中的模式相互耦合，导致其耦合至光纤包层并散失掉，使得长周期光纤光栅106在Stokes光波长处存在一带宽较宽的损耗谱，激光中的Stokes光信号强度会产生衰减，如图中实心箭头所示。因此，光纤激光振荡器的实际输出激光中，如图中实心燕尾箭头所示，Stokes光的成分极少，使得只有在更高的泵浦功率条件下才能产生受激拉曼过程，从而抑制受激拉曼过程的产生，达到提高拉曼阈值的作用，并起到一定的隔离作用，对光纤器件起到保护作用。同时，由于光纤激光振荡器腔内激光路径是一个往复振荡的过程，反向回光经由长周期光纤光栅106时，其中的Stokes光信号强度仍然会产生衰减，如图中反向实心箭头所示，这样能够进一步抑制受激拉曼过程的产生，提升振荡器效率。实际过程中，通过对长周期光纤光栅106的光栅周期、调制深度等参数的调整，使其抑制效果达到最好。
实施例9至实施例11：
图12为实施例9的结构示意图；图13为实施例10的结构示意图；图14为实施例11的结构示意图。实施例9中是前向泵浦光纤激光振荡器。实施例10中是后向泵浦光纤激光振荡器，除泵浦方式与实施例9不同外，其长周期光纤光栅106的设置与实施例9一致。实施例11中是双向泵浦光纤激光振荡器。除泵浦方式与实施例9不同外，其长周期光纤光栅106的设置与实施例9一致。泵浦LD光源101、泵浦合束器102、高反光栅103、掺杂光纤104、长周期光纤光栅106、低反光栅105及熔点107构成的光纤激光振荡器。实施例9、10和11均是将长周期光纤光栅106直接刻写在光纤激光振荡器腔内的掺杂光纤104上。由于振荡器腔内能量密度较高，损耗对其效率有着较大的影响。实际搭建振荡器过程中，光纤光栅均已封装，不便进行光纤光栅刻写，可将长周期光纤光栅106直接刻写在光纤激光振荡器腔内的掺杂光纤104上，以进一步减小振荡腔的损耗，提高输出效率并对振荡器内部受激拉曼现象进行抑制。实施例9、10和11的工作原理与前面实施例类似，在此不再赘述。
经实验证明，当纤激光振荡器接入长周期光纤光栅时，随着泵浦功率的提升，输出中拉曼光占比有着明显下降，并且随着长周期光纤光栅熔接串联数目的增加，拉曼光占比可进一步下降。
采用上述超宽带啁啾倾斜光纤光栅刻写方法得到的超宽带啁啾倾斜光纤光栅，将其设置在高功率光纤激光放大器系统中，可以实现抑制受激拉曼散射的效果。利用长周期光纤光栅在拉曼波段的高损耗性，以抑制受激拉曼散射。下面的实施例12至实施例14分别提供了一种激光系统，均包括种子源和一级以上的激光放大器，在种子源和激光放大器之间以及在各级激光放大器之间均设置有长周期光纤光栅，所述长周期光纤光栅采用上述超宽带啁啾倾斜光纤光栅刻写方法得到的超宽带啁啾倾斜光纤光栅。将长周期光纤光栅直接接入种子源和光纤放大器之间，利用长周期光纤光栅在拉曼波段的高损耗性，对种子源进行滤波，使得种子源在更高功率水平下仍能输出较为纯净的信号光。并且提升光纤放大器的工作效率，提升整体系统的拉曼阈值。将长周期光纤光栅置于各级光纤放大器之间，提升各级光纤放大器的工作效率，提升整体的拉曼阈值，进一步提高抑制效果。
图15为实施例12的结构示意图；包括种子源以及光纤放大器，长周期光纤光栅106连接在种子源和光纤放大器之间。种子源包括泵浦LD光源101、泵浦合束器102、高反光栅103、掺杂光纤104、低反光栅105，泵浦LD光源有多个，各泵浦LD光源的输出尾纤连接到泵浦合束器102的各泵浦臂上。泵浦LD光源的参数、选取波长、输出功率等因实际而异，没有特殊要求。泵浦合束器102的输出尾纤之后依次连接高反光栅103、掺杂光栅104以及低反光栅105，泵浦合束器102的输出尾纤与高反光栅103之间、高反光栅103与掺杂光栅104之间以及掺杂光纤104与低反光栅105之间均通过熔接的方式进行连接，熔接位置处形成熔点107。泵浦LD光源101、泵浦合束器102、高反光栅103、掺杂光纤104、低反光栅105以及熔点107构成的光纤振荡器，作为高功率光纤激光放大器系统的种子源108。实施例12中引入1级光纤放大器，即n＝1。长周期光纤光栅106通过熔接的方式连接在种子源108和第1级光纤放大器109之间。
其中：目前，最常用的泵浦源波长有976nm、915nm。泵浦LD光源101可选用这两种波长的LD泵浦源，其输出功率在百瓦量级。泵浦合束器102为7*1光纤泵浦合束器，泵浦LD光源101中的976nm、915nmLD泵浦源的输出尾纤通过熔接的方式连接与泵浦合束器102的泵浦臂相连，泵浦合束器102的输出光纤为大模场光纤。典型的，泵浦合束器102的输出光纤为为Nufern公司的LMA-GDF-20/400-M光纤。高反光栅103在激光器工作波长处如常用波长1080nm，其反射率通常大于99％，3dB带宽通常为2-4nm，高反光栅103制备于同泵浦合束器102的输出光纤相同的光纤上。掺杂光纤104应选取与高反光栅103光纤尺寸、数值孔径相匹配的掺杂光纤，典型为Nufern公司的LMA-YDF-20/400-M光纤。低反光栅105作为种子源的输出光纤，低反光栅105的反射率通常不大于10％，3dB带宽通常不大于1nm，低反光栅105其中心波长与高反光栅103的中心波长的差值不大于±0.4nm。
种子源108的输出激光，如图15中的空心箭头所示，包含有信号光和Stokes光两种成分。当其经过长周期光纤光栅106时，由于长周期光纤光栅106在Stokes波长处存在一带宽较宽的损耗谱，激光中的Stokes光经由长周期光纤光栅106，根据长周期光纤光栅的模式耦合特性，在光纤纤芯内传输的Stokes光会与包层中的模式相互耦合，导致Stokes光耦合至光纤包层并散失掉，Stokes光强度会产生衰减，如图15中实心箭头所示。因此，一级放大器109的实际输入激光中，如图中实心燕尾箭头所示，Stokes光的成分极少，使得在更高的一级放大功率条件下才能产生受激拉曼过程，从而抑制受激拉曼过程的产生，达到提高拉曼阈值的作用。实际过程中，通过对长周期光纤光栅106的光栅周期、调制深度等参数的调整，使其抑制效果达到最好。
为了进一步提升高功率光纤激光放大器系统受激拉曼散射抑制效果，多个参数相同的长周期光纤光栅可以通过熔接的方式串联起来，即长周期光纤光栅6可由多个长周期光纤光栅熔接串联而成，其抑制比相当于多个长周期光纤光栅抑制比的叠加。通过对长周期光纤光栅数目的控制，可以做到对抑制比的灵活调整。
图16为实施例13的结构示意图；本实施例，在图15所示实施方式的基础上，引入第2级光纤放大器，即n＝2。在种子源108和第1级光纤放大器109之间、第1级光纤放大器109与第2级光纤放大器110之间均通过熔接的方式连接有长周期光纤光栅106。
经过第1级光纤放大器109放大后，第1级光纤放大器109的输出激光功率已经较高，甚至可能已经达到拉曼阈值，其Stokes光强度较高，如图中空心箭头所示，包含有信号光和Stokes光两种成分。当其经过第1级光纤放大器109与第2级光纤放大器110之间的长周期光纤光栅106时，由于长周期光纤光栅106在Stokes波长处存在一带宽较宽的损耗谱，激光中的Stokes光强度会产生衰减，如图中实心箭头所示。因此，第2级光纤放大器110的实际输入激光中，如图中实心燕尾箭头所示，Stokes光的成分极少，使得在更高的二级放大功率条件下才能产生受激拉曼过程，从而抑制受激拉曼过程的产生，达到提高拉曼阈值的作用。同时，经过第2级光纤放大器110二级放大后，激光功率较高，第2级光纤放大器110中，极有可能有较强的拉曼信号。而受激拉曼过程是一个双向的过程。在第1级光纤放大器109与第2级光纤放大器110之间加入长周期光纤光栅106后，对于后向传输的Stokes光，仍然能够起到滤除作用，如图中实心箭头所示，这样既能提升二级放大器效率，同时能够起到一定的级间隔离作用，对后向拉曼信号具有较强的衰减作用，对种子源108和第1级光纤放大器109均起到保护作用。
实际过程中，通过对长周期光纤光栅106的光栅周期、倾斜角度、啁啾率、调制深度等参数的调整，使其抑制效果达到最好。
为了进一步提升高功率光纤激光放大器系统受激拉曼散射抑制效果，多个参数相同的长周期光纤光栅可以通过熔接的方式串联起来，即长周期光纤光栅106可由多个长周期光纤光栅熔接串联而成，其抑制比相当于多个长周期光纤光栅抑制比的叠加。通过对长周期光纤光栅数目的控制，可以做到对抑制比的灵活调整。
图17为实施例14的结构示意图。本实施例中高功率光纤激光放大器系统中引入n级光纤放大器111。在各级光纤放大器之间均通过长周期光纤光栅连接，即在第1级光纤放大器与第2级光纤放大器之间、第2级光纤放大器与第3级光纤放大器之间……第n-1级光纤放大器与第n级光纤放大器111之间均通过长周期光纤光栅106连接。将长周期光纤光栅106通过熔接的方式连接在各级光纤放大器之间，用作对Stokes光的衰减，同时对后向回光起到隔离作用。这样能够提升各级光纤放大器的工作效率，提升整体的拉曼阈值，进一步提高抑制效果。
实际过程中，通过对长周期光纤光栅106的光栅周期、倾斜角度、啁啾率、调制深度等参数的调整，使其抑制效果达到最好。
为了进一步提升高功率光纤激光放大器系统受激拉曼散射抑制效果，多个参数相同的长周期光纤光栅可以通过熔接的方式串联起来，即长周期光纤光栅106可由多个长周期光纤光栅熔接串联而成，其抑制比相当于多个长周期光纤光栅抑制比的叠加。通过对长周期光纤光栅数目的控制，可以做到对抑制比的灵活调整。
本实施例中高功率光纤激光放大器系统中引入n级光纤放大器。在各级光纤放大器之间均通过长周期光纤光栅连接，即在第1级光纤放大器与第2级光纤放大器之间、第2级光纤放大器与第3级光纤放大器之间……第n-1级光纤放大器与第n级光纤放大器之间均通过长周期光纤光栅106连接。将长周期光纤光栅106通过熔接的方式连接在各级光纤放大器之间，用作对Stokes光的衰减，同时对后向回光起到隔离作用。这样能够提升各级光纤放大器的工作效率，提升整体的拉曼阈值，进一步提高抑制效果。
实际过程中，通过对长周期光纤光栅106的光栅周期、倾斜角度、啁啾率、调制深度等参数的调整，使其抑制效果达到最好。
为了进一步提升高功率光纤激光放大器系统受激拉曼散射抑制效果，多个参数相同的长周期光纤光栅可以通过熔接的方式串联起来，即长周期光纤光栅6可由多个长周期光纤光栅熔接串联而成，其抑制比相当于多个长周期光纤光栅抑制比的叠加。通过对长周期光纤光栅数目的控制，可以做到对抑制比的灵活调整。
综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书界定的范围为准。
