CN105758622A - 双包层光纤激光器包层光比例的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双包层光纤激光器包层光比例的测量方法。该测量方法包括将双包层光纤激光器输出光纤的端面采用透镜组进行等比例放大成像，在透镜组的像面处设置孔径可调的光阑，通过调节光阑的孔径大小使双包层光纤激光器输出光中的纤芯光全部通过光阑而包层光被光阑阻挡，测试光阑前输出光光斑的功率P₁和光阑后纤芯光光斑的功率P₂，得到双包层光纤激光器输出光的包层光比例为(P₁－P₂)/P₁。本发明测量方法的测量范围大、测量精度高，可应用于高功率双包层光纤激光器包层光比例的测量。

Description

双包层光纤激光器包层光比例的测量方法

技术领域

本发明属于光纤激光器领域，涉及一种双包层光纤激光器包层光比例的测量方法，尤其涉及一种用于测试大功率光纤激光器包层光比例的测量方法。

背景技术

光纤激光器在光束质量、体积、重量、效率、散热等方面均有明显优势，已经成为激光器领域最热门的研究方向之一。早期的光纤激光器中常采用单包层增益光纤，这种光纤的特点是泵浦光和信号光均在纤芯中传输，由于纤芯的直径和数值孔径均很小，这使得注入增益光纤的泵浦光总功率受到限制，制约了光纤激光器的功率提升。双包层增益光纤的结构包括纤芯、内包层和外包层，其特点是泵浦光在其内包层中传输，而信号光仍在纤芯中传输。泵浦光在内包层传输的过程中会不断经过纤芯，进而被纤芯中的掺杂粒子吸收并转换为信号激光。由于双包层光纤的内包层直径和数值孔径远大于纤芯的直径和数值孔径，大幅度降低了对泵浦光数值孔径的要求，使得耦合进入增益光纤的泵浦光功率大幅度提升，进而提高光纤激光器的输出功率。

在双包层光纤激光器和放大器的输出光中，通常会含有一定比例的包层光，这些包层光主要包括：泵浦光波段包层光(未吸收的泵浦光)、信号光波段包层光(光纤熔接点以及光纤无源器件的损耗以及光纤弯曲导致的纤芯激光泄露至内包层中)。包层光占总输出光的功率比例是光纤激光器和放大器的重要参数，过多的包层光会破坏光纤无源器件，影响高功率光纤激光器和放大器的稳定运行，因此通过测量包层光比例，特别是测量泵浦光波段包层光以及信号光波段包层光所各自对应的比例，可以直观了解增益光纤的泵浦吸收状态、无源器件的品质、光纤熔接点的质量以及光纤盘绕方式的效果，对于搭建高功率光纤激光器和放大器具有重要的意义。

公开号为CN103616165A的中国专利文献给出了一种光纤损耗测量系统，其中包括一种光纤输出探测组件的结构图(参见该专利文献的附图3)，其基本原理是基于光电成像法对双包层光纤的输出光的纤芯光场和包层光场进行分离。对于输出功率较低的情况，该专利文献采用将输出光直接汇聚在面阵光电探测器上，对于功率较高的水平，先将输出光场汇聚在漫反射屏上，然后利用面阵光电探测器收集光斑图像，最后利用算法对收集的光斑图像的强度信息进行处理，分离纤芯光场和包层光场，因此可以用于测试包层光功率占总输出光功率的比例(包层光比例)。

然而这种方法存在缺陷，即测试精度受制于面阵探测器的动态响应范围。实际上，根据亮度的定义，可以得出包层光场和纤芯光场的亮度分别为：

${\mathrm{Brightness}}_{cladding}=\frac{P_{cladding\_field}}{\left({\mathrm{\πr}}_{cladding}^2\right)\left({\mathrm{\πNA}}_{cladding}^2\right)}---\left(1\right)$

${\mathrm{Brightness}}_{core}=\frac{P_{core\_field}}{\left({\mathrm{\πr}}_{core}^2\right)\left({\mathrm{\πNA}}_{core}^2\right)}---\left(2\right)$

其中，P_{cladding_field}和P_{core_field}分别为包层光场和纤芯光场的总功率，r_cladding和r_core分别为内包层内切圆直径和纤芯的直径，NA_cladding和NA_core分别为内包层和纤芯的数值孔径，因此纤芯光场和包层光场的亮度之比为：

$Ratio=\frac{P_{core\_field}}{P_{cladding\_field}}\·{\left(\frac{r_{cladding}{\mathrm{NA}}_{cladding}}{r_{core}{\mathrm{NA}}_{core}}\right)}^2---\left(3\right)$

对常见的大模场面积光纤而言，如纤芯直径20μm，纤芯数值孔径0.06，内包层直径400μm，内包层数值孔径0.46。因此，(3)式中的括号内的一项的值为23511，由于该专利文献中给出的单个像元的最大强度分辨能力为1/4096，即纤芯光场和包层光场的亮度比不能高于4096(Ratio≤4096)，因此只有当包层光场总功率不低于纤芯光场总功率的5.74倍时，探测器才能准确的分辨出纤芯光场和包层光场的边界，这对于专利文献CN103616165A所述的方法至关重要。事实上，基于双包层光纤的高功率光纤激光器中，纤芯光的功率必定远大于包层光的功率，因此包层光场的亮度将远小于纤芯光场的亮度，两者的亮度比已经超过面阵探测器的响应范围。这时探测器对包层光场的响应将和探测器自身的噪声相当，这意味着探测器无法探测包层光场以及包层光场的外边界，即无法同时对包层光场和纤芯光场成像。另一方面，由于双包层光纤的纤芯与内包层在数值孔径和横截面积上都相差很大，透镜组不可能在同一位置对纤芯和内包层成清晰的像(像差小于0.5倍波长)，即对于纤芯的像和内包层的像，必有一者边缘模糊，这会导致采用探测器测试的结果的精度下降。因此虽然专利文献CN103616165A在一定条件下可以实现包层光场和纤芯光场的分离，可以用于测试光纤的损耗(纤芯损耗和内包层损耗)，但这种方法的测量范围严重受限于探测器的动态响应范围且精度不理想，不适用于测试高功率光纤激光器输出光的包层光比例。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种测量范围大、测试精度更高的双包层光纤激光器包层光比例的测量方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种双包层光纤激光器包层光比例的测量方法，所述测量方法包括以下步骤：将双包层光纤激光器输出光纤的端面采用透镜组进行等比例放大成像，在所述透镜组的像面处设置孔径可调的光阑，通过调节所述光阑的孔径大小使所述双包层光纤激光器输出光中的纤芯光全部通过光阑而包层光被光阑阻挡，测试光阑前输出光光斑的功率P₁和光阑后纤芯光光斑的功率P₂，得到所述双包层光纤激光器输出光的包层光比例为(P₁－P₂)/P₁。

上述的双包层光纤激光器包层光比例的测量方法中，优选的，所述双包层光纤激光器输出光纤的端面位于所述透镜组的物面，所述双包层光纤激光器输出光的光轴与所述透镜组的主轴重合。

上述的双包层光纤激光器包层光比例的测量方法中，优选的，所述透镜组的放大倍率为100倍～200倍。以便将纤芯光光斑外径放大至毫米量级，包层光光斑外径放大至厘米量级，进而采用光阑分离包层光和纤芯光。

上述的双包层光纤激光器包层光比例的测量方法中，优选的，所述透镜组对纤芯成像的系统像差小于或等于0.5倍信号光波长，以便保证透镜组对纤芯成像清晰。

上述的双包层光纤激光器包层光比例的测量方法中，优选的，所述纤芯光的光斑位于所述光阑的中心；所述光阑的孔径大小为所述光阑上纤芯光光斑直径的1.5倍～2.5倍。

上述的双包层光纤激光器包层光比例的测量方法中，优选的，所述测量方法还包括所述输出光的信号光波段中信号光波段包层光比例的测量，具体过程如下：在所述透镜组与所述光阑之间设置二色镜和楔形镜，所述二色镜将所述透镜组放大成像后的输出光中的泵浦光波段包层光滤除，并将所述输出光中的信号光波段包层光和纤芯光反射至所述楔形镜，所述楔形镜将所述二色镜反射的信号光波段包层光和纤芯光反射至所述光阑，通过调节所述光阑的孔径大小使所述纤芯光全部通过光阑而所述信号光波段包层光被光阑阻挡，测试光阑前信号光波段包层光与纤芯光组成的光斑的功率P₃和光阑后纤芯光光斑的功率P₂，得到所述双包层光纤激光器输出光的信号光波段中信号光波段包层光的比例为(P₃－P₂)/P₃。

上述的双包层光纤激光器包层光比例的测量方法中，优选的，测量所述输出光中信号光波段包层光的比例时，所述信号光波段包层光和纤芯光组成的光射于所述楔形镜的楔面中心，入射角为5°～10°，所述楔形镜的反射率不超过4％。

上述的双包层光纤激光器包层光比例的测量方法中，优选的，所述楔形镜的后方设有废光收集器。

上述的双包层光纤激光器包层光比例的测量方法中，优选的，测量所述输出光中信号光波段包层光的比例时，所述输出光射于所述二色镜的中心，经二色镜反射的信号光波段包层光和纤芯光组成的光射于所述楔形镜的中心。(输出光是依次经过透镜组、二色镜、楔形镜的)。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1.本发明的测量方法采用透镜组对输出光纤端面等比例放大成像，且对纤芯成像清晰，再结合孔径可调光阑分离纤芯光和包层光，与专利CN103616165A相比，本发明避免了测量范围受限于探测器动态响应范围，测量范围更大。

2.本发明采用功率计分别测量纤芯光斑功率以及纤芯光和包层光组成的光斑的功率，对比两者即可获得包层光比例。由于像差不影响功率测试精度，因此本发明只需要对纤芯清晰成像，而不需要对内包层清晰成像，与专利CN103616165A相比，这避免了因无法在同一位置同时对纤芯和内包层清晰成像而导致的测量精度降低。

3.本发明的测量方法采用空间光结构测量包层光比例，所用器件可承受高功率激光，可以用于测试高功率光纤激光器输出光的包层光比例。

4.本发明的测量方法可测量泵浦光波段包层光以及信号光波段包层光所各自对应的比例，直观了解增益光纤的泵浦吸收状态、无源器件的品质、光纤熔接点的质量以及光纤盘绕方式的效果，对于搭建高功率光纤激光器和放大器具有重要的意义。

附图说明

图1为本发明实施例1的测量方法原理示意图。

图2为本发明实施例1的透镜组像面处收集到的清晰的像。

图3为本发明实施例1在光阑后用面阵探测器收集得到的图像。

图4为本发明实施例2的测量方法原理示意图。

图5为采用实施例2的方法测试高功率光纤放大器的包层光比例所得的结果。

图例说明：

1、光纤夹持器；2、输出光纤；3、透镜组；4、纤芯光；41、纤芯光斑的边缘；5、包层光；51、泵浦光波段包层光；52、信号光波段包层光；6、二色镜；7、废光收集器；8、楔形镜；9、光阑；91、光阑边缘；10、功率计。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

以下实施例中，所采用的材料和仪器均为市售。

实施例1：

一种本发明的双包层光纤激光器包层光比例的测量方法，如图1所示，该方法具体包括以下步骤：

首先将双包层光纤激光器的输出光纤2用光纤夹持器1夹持，打开激光器出光，调整其输出功率至瓦量级，调节输出光纤2的端面位置，使其位于透镜组3的物面。本实施例采用的透镜组放大倍率为100倍，物面位置位于距透镜组前表面2cm处，像面位于距透镜组后表面4m光程处，透镜组3对纤芯成像的系统像差小于或等于0.5倍信号光波长。进一步调节光纤夹持器1，反复调节输出光纤2的三维空间位置、俯仰及摇摆，直至输出光的光轴与透镜组3的主轴重合，可以在透镜组3的像面观测到等比例放大后的像，如图2所示。

这时从透镜组3后表面出射的光包括纤芯光4和包层光5(包括泵浦光波段包层光51和信号光波段包层光52)，在透镜组3的像面处设置孔径可调的光阑9，在光阑9后设置面阵探测器。面阵探测器主要用于监测透过光阑9的光斑，根据监测光斑的形态调节光阑9的位置。调节光阑9的空间位置、俯仰及摇摆，使得纤芯光4的光斑位于光阑9的中央；调节光阑9的孔径大小，使得纤芯光4全部通过光阑9，以实现包层光5与纤芯光4的分离，且光阑9的孔径为光阑9上纤芯光光斑直径的1.5倍～2.5倍，透过光阑9后的光斑如图3所示，纤芯光4已完全透过光阑9，而大部分包层光5已被阻挡，图中标出了纤芯光斑的边缘41与光阑边缘91。

调节完毕后，移去面阵探测器，将功率计10置于光阑9之后，将激光器调至正常输出功率，测得光阑9后纤芯光光斑功率P₂，然后将功率计10移至光阑9之前，测得光阑9前输出光光斑功率P₁。据此可得出激光器输出光功率的包层光比例为：(P₁－P₂)/P₁。

实施例2：

为了将纤芯光、信号光波段包层光以及泵浦光波段包层光(即剩余泵浦光)分离，以获得信号光波段包层光的比例，图4示出了本发明的高功率双包层光纤激光器信号光波段包层光比例的测量方法，包括以下步骤：

本实施例采用的透镜组3的放大倍率为100倍，物面在透镜组3前表面2cm处，像面距透镜组3后表面4m光程。首先将双包层光纤激光器的输出光纤2用光纤夹持器1夹持，打开激光器出光，调整其输出功率至瓦量级，调节输出光纤2的端面位置，使其位于透镜组3的物面。进一步调节光纤夹持器1，反复调节输出光纤2的空间位置、俯仰及摇摆，直至输出光的光轴与透镜组3的主轴重合。这时从透镜组3后表面出射的光包括：纤芯光4(即信号光波段纤芯光)、信号光波段包层光52和泵浦光波段包层光51，其中信号光波段中心波长位于1080nm，3dB带宽为0.1nm，泵浦光波段中心波长位于976nm，3dB带宽约1.5nm。在距透镜组3后表面1.5m处加入二色镜6，二色镜6的楔面为前表面，调节二色镜6的位置，使得纤芯光4的光斑位于二色镜6中心，二色镜6对于泵浦光波段高透，对于信号光波段(1080nm)附近高反，二色镜6可以实现将泵浦光波段包层光51滤出，在二色镜6的后表面(沿透射光方向)加入功率计10，可以测试透射的泵浦光波段包层光51的功率P₄。这时，二色镜6的反射光只包含纤芯光4和信号光波段包层光52。

在距二色镜6前表面1.5m处加入楔形镜8，楔形镜8的反射率不超过4％，楔形镜8的楔面为前表面，调整楔形镜8的位置和二色镜6的俯仰摇摆，使得二色镜6的反射光的光斑位于楔形镜8的楔面中心，入射角为5°～10°。楔形镜8后方设有废光收集器7以收集楔形镜8的透射光。

最后，在距离楔形镜8的前表面1m处(透镜组的像面)放置光阑9，调整光阑9的位置和楔形镜8的俯仰摇摆，使得楔形镜8的反射光光斑的中心位于光阑9的小孔。在光阑9后加入面阵探测器，进一步微调光阑9的位置和二色镜8的俯仰摇摆，使得纤芯光光斑的中心位于光阑9的中心，调节光阑9的大小，使得纤芯光4全部通过光阑9。

调节完毕后，移去面阵探测器，将功率计10置于光阑9之后，将激光器调至正常输出功率，测得光阑9后纤芯光光斑功率P₂，然后将功率计10移至光阑9之前，测得光阑9前信号光波段包层光52与纤芯光4组成的光斑功率P₃。据此，得出激光器输出光的信号光波段中信号光波段包层光52的比例为：(P₃－P₂)/P₃。

实施例3：

图5为采用本发明实施例2的方法(图4原理所示)对高功率光纤激光器输出光信号光波段包层光比例测试的结果，输出光纤2的纤芯/包层的直径为20/400μm，数值孔径分别为0.06/0.46。横坐标为放大器的泵浦功率，左侧纵坐标为信号光波段包层光占输出光的信号光波段的比例，右侧纵坐标代表总输出功率(即P₁)。黑色方块曲线代表了总输出功率随放大器泵谱功率的变化，空心菱形曲线代表剩余泵浦光波段包层光功率P₄随泵谱功率的变化。图5中分别展示了使用不同光阑孔径的测试结果，以及用包层光滤除器估算得到的结果，估算方法为：首先测得没有包层光滤除时的总功率P₁，剩余泵浦光功率P₄(泵浦光波段包层光)，然后再加入包层光滤除器，测试输出光(纤芯光)功率P₂。因此包层光总量为P₁-P₂(即泵浦光波段包层光+信号光波段包层光)，减去剩余泵浦光进而求得信号光波段包层光P₁-P₂-P₄。因此信号光波段包层光占输出光的信号光波段比例为(P₁-P₂-P₄)/(P₁-P₄)。这是常规估算方法，但不能直接测试得到信号光波段包层光比例。对比本发明的测试方法与包层光滤除器测试方法的结果，可以看出，在泵浦功率较低的情况下，两种不同方法的信号光波段包层光占输出光的信号光波段比例测试结果高度吻合；而在高功率输出的情况下(泵浦功率大于130W)，由于局部温度过高，包层光滤除器的滤除效果(即估算得到的信号光波段包层光比例)明显下降；另一方面，本发明采用不同孔径光阑测得的包层光比例的一致性非常好，说明这时包层光场亮度远低于纤芯光场亮度，这意味着本发明的方法对于包层光场亮度远低于纤芯光场亮度的情况仍旧可以保持较高的精度。由此可见，相比于包层光滤除器以及专利CN103616165A中所述方法，本发明的方法在测量信号光波段包层光比例时更加稳定，且测量结果可信度更高。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种双包层光纤激光器包层光比例的测量方法，其特征在于，所述测量方法包括以下步骤：将双包层光纤激光器输出光纤的端面采用透镜组进行等比例放大成像，在所述透镜组的像面处设置孔径可调的光阑，通过调节所述光阑的孔径大小使所述双包层光纤激光器输出光中的纤芯光全部通过光阑而包层光被光阑阻挡，测试光阑前输出光光斑的功率P₁和光阑后纤芯光光斑的功率P₂，得到所述双包层光纤激光器输出光的包层光比例为(P₁－P₂)/P₁。

2.根据权利要求1所述的双包层光纤激光器包层光比例的测量方法，其特征在于，所述双包层光纤激光器输出光纤的端面位于所述透镜组的物面，所述双包层光纤激光器输出光的光轴与所述透镜组的主轴重合。

3.根据权利要求1所述的双包层光纤激光器包层光比例的测量方法，其特征在于，所述透镜组的放大倍率为100倍～200倍。

4.根据权利要求1所述的双包层光纤激光器包层光比例的测量方法，其特征在于，所述透镜组对纤芯成像的系统像差小于或等于0.5倍信号光波长。

5.根据权利要求1所述的双包层光纤激光器包层光比例的测量方法，其特征在于，所述纤芯光的光斑位于所述光阑的中心；所述光阑的孔径大小为所述光阑上纤芯光光斑直径的1.5倍～2.5倍。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的双包层光纤激光器包层光比例的测量方法，其特征在于，所述测量方法还包括所述输出光的信号光波段中信号光波段包层光比例的测量，具体过程如下：在所述透镜组与所述光阑之间设置二色镜和楔形镜，所述二色镜将所述透镜组放大成像后的输出光中的泵浦光波段包层光滤除，并将所述输出光中的信号光波段包层光和纤芯光反射至所述楔形镜，所述楔形镜将所述二色镜反射的信号光波段包层光和纤芯光反射至所述光阑，通过调节所述光阑的孔径大小使所述纤芯光全部通过光阑而所述信号光波段包层光被光阑阻挡，测试光阑前信号光波段包层光与纤芯光组成的光斑的功率P₃和光阑后纤芯光光斑的功率P₂，得到所述双包层光纤激光器输出光的信号光波段中信号光波段包层光的比例为(P₃－P₂)/P₃。

7.根据权利要求6所述的双包层光纤激光器包层光比例的测量方法，其特征在于，测量所述输出光中信号光波段包层光的比例时，所述信号光波段包层光和纤芯光组成的光射于所述楔形镜的楔面中心，入射角为5°～10°，所述楔形镜的反射率不超过4％。

8.根据权利要求6所述的双包层光纤激光器包层光比例的测量方法，其特征在于，所述楔形镜的后方设有废光收集器。

9.根据权利要求6所述的双包层光纤激光器包层光比例的测量方法，其特征在于，测量所述输出光中信号光波段包层光的比例时，所述输出光射于所述二色镜的中心，经二色镜反射的信号光波段包层光和纤芯光组成的光射于所述楔形镜的中心。