光栅刻写方法、光栅刻写装置、光纤及光纤激光器制造方法及图纸

本申请提供一种光栅刻写方法、光栅刻写装置、光纤及光纤激光器，涉及光纤制造技术领域。所述方法包括：基于激光器模型中指定模式的光束的光功率与光纤光栅的纤芯中的指定介质掺杂直径的对应关系，确定使模型中指定模式的光束光功率为零的指定介质掺杂直径范围；从该直径范围中选取第一直径，将以纤芯的横截面的圆心为圆点、直径为第一直径的圆作为光敏提升区域，其他纤芯区域作为补偿区域；基于不同掺杂浓度分别对光敏提升区域和补偿区域进行指定介质掺杂，对指定介质掺杂后的光纤进行光栅刻写。通过设定光敏提升区域对纤芯进行非均匀介质掺杂，可以抑制高阶模在激光器中的起振，从而抑制高阶模振荡引起的光束质量退化和效率降低。

Grating writing method, grating writing device, fiber and fiber laser

【技术实现步骤摘要】
光栅刻写方法、光栅刻写装置、光纤及光纤激光器
本申请涉及光纤制造
，具体而言，涉及一种光栅刻写方法、光栅刻写装置、光纤及光纤激光器。
技术介绍
光纤激光器作为一种新型的激光器，具有高量子效率和光-光转换效率，同时具有光束质量好、结构紧凑、可靠性高、工作寿命长、性价比高等优点，适用于各种复杂环境下工作。如今的光纤激光器中，常使用光纤布拉格光栅作为激光谐振腔的反射腔镜。光纤光栅是一种广泛应用的无源光纤器件，它是通过一定的方法永久的改变光纤的轴向折射率分布制成的。具体地，其在光纤的纤芯或包层中形成折射率周期性或非周期性的变化，改变特定波长的光束在光纤中的传输特性，使光模式之间发生耦合，从而实现光束的反射或者损耗。现有的千瓦级高功率光纤激光器主要使用双包层大模场面积光纤布拉格光栅。所谓的大模场面积光纤布拉格光栅，是指使用大模场面积光纤作为材料制成的光纤布拉格光栅。针对现阶段的大芯径光纤光栅，芯径粗的光纤往往除了可以容纳基模光传播，也可以容纳高阶模在其中传播，在这样的光纤上刻写光栅，那么光栅不仅可以反射基模光，也可以反射高阶模光。从而会使高阶模在光纤激光器中起振，严重限制激光器的输出光束质量和效率。
技术实现思路
有鉴于此，本申请实施例的目的在于提供一种光栅刻写方法、光栅刻写装置、光纤及光纤激光器，以改善现有技术中存在的激光器的输出光束质量和效率不佳问题。本申请实施例体用了一种光栅刻写方法，所述方法包括：基于激光器模型中指定模式的光束的光功率与光纤光栅的纤芯中的指定介质掺杂直径的对应关系，确定使所述激光器模型中所述指定模式的光束在所述光纤光栅中光功率为零的指定介质掺杂直径范围；从所述指定介质掺杂直径范围中选取第一直径，将以所述纤芯的横截面的圆心为圆点、直径为所述第一直径的圆作为光敏提升区域，所述纤芯除所述光敏提升区域外的区域作为补偿区域；基于不同掺杂浓度分别对所述光敏提升区域和所述补偿区域进行指定介质掺杂；对指定介质掺杂后的所述光纤进行光栅刻写。在上述实现方式中，将光纤纤芯划分为光敏提升区域和补偿区域，在光敏提升区域和补偿区域中采用不同的介质掺杂浓度，再进行光栅刻写，当光栅刻写的光源照射到非均匀掺杂介质的光纤纤芯上时，折射率会基于光敏性区域的分布和强弱改变，光源对纤芯的折射率调制在横截面上的分布也会受到改变，变成相应的非均匀分布，使用这种光栅搭建的光纤激光振荡器会使基模光的增益显著高于高阶模光，抑制高阶模在激光器中的起振，从而抑制高阶模振荡引起的光束质量退化和效率降低。可选地，所述方法还包括：基于所述光纤光栅对所述指定模式的光束耦合系数，确定所述光纤光栅对所述指定模式的光束的反射率；基于所述反射率建立所述激光器模型。在上述实现方式中，基于光栅对指定模式的光束的反射率建立激光器模型，能够表示反射率和激光器模型中各参数的关系，从而能够通过改变指定介质掺杂直径改变指定模式的光束在光栅中的反射率，进而确定反射率对激光器模型的影响，以便确定指定介质掺杂直径与激光器模型中光功率的对应关系。可选地，所述基于所述光纤光栅对所述指定模式的光束耦合系数，确定所述光纤光栅对所述指定模式的光束的反射率，包括：采用传播常数近似计算公式确定传播常数，所述传播常数近似计算公式包括：λ为所述指定模式的波长，n1为所述纤芯的折射率，N为光波模式的阶数，V为所述光纤在所述指定模式的波长下的归一化频率；基于所述传播常数，采用光束耦合系数公式确定所述光束耦合系数，所述光束耦合系数公式包括：u和v代表LPu1和LPv1两种模式，所述指定模式为LPu1和LPv1中的一种，k为传播系数，δn为刻写光源照射光纤光敏区域产生的折射率变化，δn随所述指定介质掺杂直径的变化而变化，e为电场分布，A为横向模场分布区域；基于所述光束耦合系数，采用峰值反射率计算公式确定所述光纤光栅在所述指定介质掺杂直径取不同值时对所述指定模式的光束的反射率，所述峰值反射率计算公式包括：Rmax＝tanh(κL)2,L为光栅的栅区长度。在上述实现方式中，通过传播常数公式确定传播常数、通过光束耦合系数公式确定光束耦合系数，进而通过峰值反射率计算公式确定光纤光栅在指定介质掺杂直径取不同值时对所述指定模式的光束的反射率，能够准确、迅速地获得指定介质掺杂直径与反射率的对应关系。可选地，所述激光器模型包括泵浦光演化方程和信号光演化方程，所述基于所述反射率建立所述激光器模型，包括：将所述反射率代入所述泵浦光演化方程和所述信号光演化方程，将所述泵浦光演化方程和所述信号光演化方程作为所述激光器模型；所述泵浦光演化方程包括：Ip为泵浦光的光功率分布，z为归一化坐标，t为时间，是增益介质的泵浦吸收截面，是泵浦光发射截面，nu为上能级粒子，NYb为增益光纤的掺杂浓度，r为极坐标系半径；所述信号光演化方程包括：为m阶模式信号光的光功率分布，为极坐标角度，Φm是m阶模式激光的光强空间分布因子。在上述实现方式中，基于泵浦光演化和信号光演化两个方面建立激光器模型，提高了激光器模型的准确性和完整性，能够准确地模拟该光纤环境中各参数的变化情况，从而准确地获得光纤中指定模式的光束的光功率受各参数的影响情况。可选地，所述基于激光器模型中指定模式的光束的光功率与光纤光栅的纤芯中的指定介质掺杂直径的对应关系，确定使所述激光器模型中所述指定模式的光束在所述光纤光栅中光功率为零的指定介质掺杂直径范围，包括：将不同取值的所述指定介质掺杂直径对应的所述反射率分别代入所述激光器模型，获得所述不同取值的所述指定介质掺杂直径与所述指定模式的光束的光功率的对应关系；基于所述对应关系，确定使所述激光器模型中所述指定模式的光束在所述光纤光栅中光功率为零的指定介质掺杂直径范围。在上述实现方式中，通过指定介质掺杂直径与光功率的对应关系后，确定使该指定模式的光功率为零的指定介质掺杂直径范围，能够在指定介质掺杂直径范围中选取适用的值，提高了指定介质掺杂直径的选取灵活性。可选地，所述将不同取值的所述指定介质掺杂直径对应的所述反射率分别代入所述激光器模型，获得所述不同取值的所述指定介质掺杂直径与所述指定模式的光束的光功率的对应关系，包括：将所述指定介质掺杂直径作为横坐标，将所述指定模式的光束的光功率作为纵坐标，建立坐标系；根据不同取值的所述指定介质掺杂直径，以及不同取值的所述指定介质掺杂直径对应的所述反射率，在所述坐标系中获取所述指定模式的光束的光功率随所述指定介质掺杂直径变化而变化的函数曲线，作为所述对应关系。在上述实现方式中，基于光功率随指定介质掺杂直径改变的函数曲线确定两者的对应关系，提高了其准确率和可视性。可选地，所述对所述光纤进行光栅刻写，包括：在所述光纤中通过高温高压载入氢气；通过紫外光源或者飞秒脉冲光源照射所述光纤的所述纤芯，完成光栅在所述纤芯的横截面区域上的写入。本申请实施例还提供了一种光栅刻写装置，所述装置包括：指定介质掺杂范围确定模块，用于基于激光器模型中指定模式的光束的光功率与光纤光栅的纤芯中的指定介质掺杂直径的对应关系，确定使所述激本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光栅刻写方法，其特征在于，所述方法包括：/n基于激光器模型中指定模式的光束的光功率与光纤光栅的纤芯中的指定介质掺杂直径的对应关系，确定使所述激光器模型中所述指定模式的光束在所述光纤光栅中光功率为零的指定介质掺杂直径范围；/n从所述指定介质掺杂直径范围中选取第一直径，将以所述纤芯的横截面的圆心为圆点、直径为所述第一直径的圆作为光敏提升区域，所述纤芯除所述光敏提升区域外的区域作为补偿区域；/n基于不同掺杂浓度分别对所述光敏提升区域和所述补偿区域进行指定介质掺杂；/n对指定介质掺杂后的所述光纤进行光栅刻写。/n

【技术特征摘要】
1.一种光栅刻写方法，其特征在于，所述方法包括：
基于激光器模型中指定模式的光束的光功率与光纤光栅的纤芯中的指定介质掺杂直径的对应关系，确定使所述激光器模型中所述指定模式的光束在所述光纤光栅中光功率为零的指定介质掺杂直径范围；
从所述指定介质掺杂直径范围中选取第一直径，将以所述纤芯的横截面的圆心为圆点、直径为所述第一直径的圆作为光敏提升区域，所述纤芯除所述光敏提升区域外的区域作为补偿区域；
基于不同掺杂浓度分别对所述光敏提升区域和所述补偿区域进行指定介质掺杂；
对指定介质掺杂后的所述光纤进行光栅刻写。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
基于所述光纤光栅对所述指定模式的光束耦合系数，确定所述光纤光栅对所述指定模式的光束的反射率；
基于所述反射率建立所述激光器模型。


3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述基于所述光纤光栅对所述指定模式的光束耦合系数，确定所述光纤光栅对所述指定模式的光束的反射率，包括：
采用传播常数近似计算公式确定传播常数，所述传播常数近似计算公式包括：λ为所述指定模式的波长，n1为所述纤芯的折射率，N为光波模式的阶数，V为所述光纤在所述指定模式的波长下的归一化频率；
基于所述传播常数，采用光束耦合系数公式确定所述光束耦合系数，所述光束耦合系数公式包括：u和v代表LPu1和LPv1两种模式，所述指定模式为LPu1和LPv1中的一种，k为传播系数，δn为刻写光源照射光纤光敏区域产生的折射率变化，δn随所述指定介质掺杂直径的变化而变化，e为电场分布，A为横向模场分布区域；
基于所述光束耦合系数，采用峰值反射率计算公式确定所述光纤光栅在所述指定介质掺杂直径取不同值时对所述指定模式的光束的反射率，所述峰值反射率计算公式包括：Rmax＝tanh(κL)2,L为光栅的栅区长度。


4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述激光器模型包括泵浦光演化方程和信号光演化方程，所述基于所述反射率建立所述激光器模型，包括：
将所述反射率代入所述泵浦光演化方程和所述信号光演化方程，将所述泵浦光演化方程和所述信号光演化方程作为所述激光器模型；
所述泵浦光演化方程包括：Ip为泵浦光的光功率分布，z为归一化坐标，t为时间，是增益介质的泵浦吸收截面，是泵浦光发射截面，nu为上能级粒子，NYb为增益光纤的掺杂浓度，r为极坐标系半径；
所述信号光演化方程包括：为m阶模式信号光的光功率分布，为极坐标角度，Φm是m阶模式激...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋华青，冯曦，沈本剑，黄珊，吴文杰，陶汝茂，刘玙，唐选，李敏，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院激光聚变研究中心，
类型：发明
国别省市：四川;51