一种自组织相干光纤波导及其制造方法技术

本发明专利技术涉及一种能够进行激光自组织相干的光纤波导及其制造方法。采用等离子体化学气相沉积（ＰＣＶＤ）及改进的化学气相沉积（ＭＣＶＤ）工艺技术制造出掺稀土光纤芯棒，将七根或十九根掺稀土光纤芯棒排列成为六边形点阵，放入高纯石英套管中形成多芯掺稀土光纤预制棒，然后拉丝成一定尺寸的自组织相干光纤波导。将泵浦激光耦合进入该多芯有源光纤中，多芯中的稀土有源离子在泵浦光的作用下同时发生上转换激发出频率相同相位一致的激光，即自发进行相干，输出高相干性的光纤激光。该发明专利技术实现了激光产生与激光的相干同步进行，并且能够实现自组织相干，对激光系统器件要求低，实用性强，方便民用和国防工业的应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光通信领域，尤其涉及一种能够进行激光自组织相干的光纤波导及其制造方法。
技术介绍
光纤激光器是用光纤作激光增益介质或上转换介质的激光器，1964年世界上第一代玻璃激光器就是最初的钕玻璃光纤激光器。光纤激光器发展的初始阶段使用的光纤纤芯很细，最初的泵浦源很难聚焦到光纤芯部，技术的限制导致光纤激光器在以后的二十余年中没有得到很好的发展。80年代后，随着半导体激光器泵浦技术与激光耦合技术等各种能量光电子技术进步，以及大芯径双包层有源光纤与高激光能量光纤的发展，光纤激光器得到了前所未有的发展掺镱、掺铒、铒镱共掺、掺铥、掺钕各种光纤激光器全面发展；有源光纤的芯径从几个微米发展到50微米以上，甚至向百微米芯径的方向发展；多模泵浦技术从端泵技术发展到侧泵，从单泵发展到多泵；光纤激光器的功率从最初的5W发展到千瓦级。目前，掺镱光纤激光器的单根光纤输出连续激光功率已经达到2.2kW，采用掺镱光子晶体光纤制造的掺镱光纤激光器的单根光纤输出连续激光功率已经达到1.53kW。随着光纤激光应用领域的迅速拓展和技术进步，在很多领域，例如激光切割与激光焊接等材料加工领域，激光雷达与激光制导等激光武器，以及空间光通讯、遥感和光电对抗等领域都对光纤激光器的激光功率与光束质量提出了更高的要求。因此，如何把多束较高功率激光高效地组合在一起输出更高功率的高功率光纤激光器已经成为现实的研究课题。通过将多台百瓦级的光纤激光组合，美国IPG公司已经制造出50kW掺镱光纤激光器，可以焊接38.1mm厚的钢板。激光的组束技术包括受激布里渊散射光纤组束、利用衍射光学元件激光组束和全光纤组束等组束技术。但是，常规的光纤激光组束技术只是将各束各个光纤激光的输出通过一些光学元件进行简单的合并为一束，由于各个光纤激光之间没有相位上的关系，是非相干的，这种组束技术可以使总的激光功率提高，但光束质量相对于单根光纤激光来说却变差很多。为了在提高激光功率的同时，保持光纤激光良好的光束质量，提出了高功率光纤激光的相干组束技术。2002年，在美国国防部和美国空军的支持下，新墨西哥大学空军实验室和麻省理工(MIT)大学林肯实验室采用主振荡器并联激光功率放大系统(MOPAMain Oscillator Power Amplify)结构下的波长组束技术进行了五个掺镱光纤激光器的激光光束组束实验。美国诺斯洛普格拉曼(NorthropGrumman前身为西屋公司的Science and Technology Center)航空技术研究所建立起了一个七个光纤激光组成的相干合成并束实验装置，并且实现了在小功率下四个光纤激光的精确调相和相干耦合输出，进一步提高单光纤激光的功率以及全部七个光纤激光的相干组束工作正在进行中。相干合成通常采用MOPA并联激光功率放大系统，该合成方法由于各放大器并联输出，降低了对器件的要求，由一个激光主振荡器激励，但必须使各级放大器光路的光程相等，各放大器具有良好的一致性匹配。该体制的主要缺点激光主振荡器如何分光束，光路设计、加工、调试都比较复杂。为了保证应用上的同光轴输出，需要对各放大后的光束聚合，同样带来了对器件要求高，光路的设计、加工、调试复杂等技术问题。多光束脉冲激光的峰值叠加合成是激光相干合成的另外一种方法，即用多台中大功率激光器通过同步控制技术，达到多台中大功率激光器发射激光时域上的一致，并通过方向合成技术，在目标上形成强功率激光输出，致盲或损伤敌方武器系统光电传感器。多光束激光同步控制系统主要是用高精度的同步控制器，控制多台激光器同时出光，保证各激光器发出的每一个激光脉冲在时域上的一致，在目标上达到峰值叠加，实现高峰值功率输出。该方法对控制器的同步性要求非常高，在实际中难于实现，系统稳定性与激光相干性差。全光纤组束合成技术，将很多个相同的光纤互相靠近，排成致密的列阵，在其输出端共用一个腔片作为激光输出镜。由于各个光纤激光衍射的耦合作用，获得高能相干激光输出。美国布朗大学研究了单模光纤激光器的全光纤相干组束技术。利用由有源光纤制备的2×2单模光纤熔锥耦合器对激光进行相干耦合，这种原理可以方便地应用到大量光纤激光的组束中。输入端口的基模经过绝热传输进入耦合区的基模。如果耦合区的横截面制备成径向对称，耦合器输入端的两个基模在耦合区中心将有相同的空间分布。若耦合区中心是分开的，耦合器可以作为几个光纤激光腔的共用部分，可在分开部分使用一个所有光纤激光器共用的镜子。在实验中，利用单模光纤熔锥耦合器的一半作为输出镜——两光纤激光的光束组合器。不仅可以在同样的空间模式上组合两束激光的输出，通过调节两光纤激光器中一个的布喇格光栅镜，还可观察到使两束激光耦合输出与单一激光具有同线宽的注入锁定现象，这种现象可以用来保持激光组束的谱亮度。该方法由于耦合器和输出腔镜的稳定性，以及多台激光器相位与频率的不一致，很难获得较好的相干激光输出。可见，实现光纤激光的相干组束技术中，MOPA方案光路一致性必须完全相同，技术难度最高；外腔镜调制锁相方案需要对多台激光源匹配设计，对多光束锁相腔镜要求非常高；多根光纤熔融拉锥耦合器组束技术同样需要进入耦合器之前的多台激光源必须具备相位的严格一致性才能够实现部分相干输出，并非真正意义上的相干。为了实现光纤激光的相干组束，各国都申请了不同的专利美国专利US5033060在阵列激光器输出端安装一组衍射平板和相纠正元件，利用光的菲涅耳(Fresnel)衍射实现不同光束的相匹配，从而达到激光的相干组束。US6385228专利技术了一种高功率激光器的相干光束合束器，该专利技术采用增强布里渊Brillouin四波混频的方法实现多束激光的相匹配与相锁定，从而实现相干组束。也有采用将多根光纤进行熔融拉锥的方法使纤芯模场膨胀，达到传输信号的模式耦合，如美国专利US6078716和中国专利94101047.3，但是这些技术方案都只是简单地将光波信号进行耦合。中国专利00800579.6公开了一种热扩张多芯光纤，将非蚀刻的多根光纤包层融合在一起，形成在一个公共包层中紧密放置的具有扩张模式场的多芯，芯之间没有信号耦合。其目的是，具有扩张模式场的多芯的紧密放置使得从一个芯到其它芯传播的光波排列更紧密。中国专利200610023417.5(激光相干合成装置)公开了一种光纤激光组束激光器，包括多根双包层光纤，每根双包层光纤的一端各连接一个泵浦激光器，所述的多根双包层光纤的另一端去除外包层后，线阵地紧密排列在光纤夹具内形成一平整的光纤阵列输出端面并置于一谐振腔盒内一端，谐振腔盒的另一端设置一平凸透镜，该专利主要利用外腔镜的方法实现激光的相干组束。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种能够进行激光自组织相干的光纤波导及其制造方法，只要将泵浦激光耦合进入该多芯有源光纤中，多芯中的稀土有源离子同时发生上转换激发出频率相同相位一致的激光，同时自发进行相干，输出高相干性的光纤激光。实现了激光产生与激光的相干同步进行，并且能够实现自组织相干，对激光系统器件要求低，实用性强，方便民用和国防工业的应用。由于常规激光组束技术只是将多束(n束)光纤激光的输出直接并束在一起，虽然可以提高激光系统的总功率(是单束激光功率的n倍)，但是它只是将多束激光功率进行简单的叠加，光束质量严重变本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自组织相干光纤波导，其特征在于包括：高纯的石英玻璃管，其采用等离子体化学气相沉积工艺技术制造；稀土光纤芯棒，其采用改进的化学气相沉积工艺制造，并将其排列成六边形点阵，放入高纯石英套管中，形成多芯有源微结构光纤预制棒； 围绕在掺稀土多光纤芯棒外围的石英玻璃圆形内包层；高纯的石英玻璃内包层外的环状空气孔外包层；光纤的保护涂层。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈伟，李进延，李诗愈，蒋作文，李海清，彭景刚，
申请(专利权)人：烽火通信科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：83[中国|武汉]