CN108512028B - 一种抑制大功率光纤激光放大器中模式不稳定的系统 - Google Patents
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Abstract
一种抑制大功率光纤激光放大器中模式不稳定的系统，包括线偏振主振荡器、主动偏振控制器、级联光纤激光放大系统、扩束准直系统、高反镜I、光电探测器、加载有优化算法的控制器、高反镜II、功率接收器、光束质量测量仪。通过在大功率光纤激光放大器中引入偏振调控系统，减少沿大功率光纤激光放大器增益光纤纵向注入和传输的高阶模式比例，能够抑制大功率光纤激光放大器中的模式不稳定效应。该系统能够有效提升由于非线性效应和传统横模干涉引起的模式不稳定阈值，为大功率光纤激光的进一步功率提升和性能优化提供可靠的技术手段。
Description
技术领域
本发明属于强激光技术领域，特别是涉及一种抑制大功率光纤激光放大器中模式不稳定的系统。
背景技术
与其他类型激光器相比，光纤激光具有转换效率高、光束质量好、热管理方便、结构紧凑、易于维护等诸多优势，得到了国内外多家研究单位的广泛关注。自1964年第一台光纤激光器问世以来，光纤激光在过去五十多年的发展历程中已经取得了令人瞩目的发展成就，其应用范围也已经拓展到激光切割、激光焊接、材料成型、激光钻井、激光破岩等诸多领域。在诸多应用领域推动下，光纤激光作为一种实现大功率光源的重要技术方案一直备受国内外研究者的广泛青睐。自1999年光纤激光首次突破百瓦之后，光纤激光输出功率在过去近二十年的发展历程中显示出了十分诱人的功率提升潜力和发展前景。
然而，受限于介质本身的热效应、高亮度泵浦技术、非线性效应、光纤端面损伤、模式不稳定效应等，单路光纤激光功率提升目前已面临严峻的技术瓶颈。
目前研究结果表明对于纤芯<100μm的增益光纤，模式不稳定是限制光纤激光亮度提升的首要因素。模式不稳定的物理图像如下所述：随着泵浦功率的增加，当光纤激光器输出功率超过某一阈值功率后，输出激光模式会发生从基模到高阶模式之间的高速动态耦合，耦合的频率在2kHz左右；当输出功率降低至阈值功率以下时，模式之间的高速动态耦合消失。由于模式不稳定效应会使得光纤激光器输出模式发生严重退化，因此会导致光纤放大器的输出亮度和光束质量产生急剧退化，最终导致光纤激光器整体性能劣化。
截止目前，尽管目前国内外研究人员已经提出弯曲损耗、特殊光纤设计、改变信号光/泵浦光波长等多种抑制方法，模式不稳定效应仍然是当前大功率光纤激光放大器功率和亮度提升的最重要技术瓶颈。此外，最新研究结果表明受激拉曼散射等非线性效应会导致模式不稳定阈值明显降低。
基于上述考虑，着眼于模式不稳定产生的源头和前提条件，统筹考虑非线性效应抑制，提出适用于大功率光纤激光放大器模式不稳定抑制的新方案具有重要意义。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明基于模式不稳定产生的物理机理与基本前提条件，结合受激拉曼散射等非线性效应阈值特性与偏振特性之间的依赖关系，提供一种抑制大功率光纤激光放大器中模式不稳定的系统，以有效提升由于非线性效应和传统横模干涉引起的模式不稳定阈值，为大功率光纤激光的进一步功率提升和性能优化提供可靠的技术手段。
为实现上述技术目的，本发明的技术方案是：
一种抑制大功率光纤激光放大器中模式不稳定的系统，通过在大功率光纤激光放大器中引入偏振调控系统，减少沿大功率光纤激光放大器增益光纤纵向注入和传输的高阶模式比例，能够抑制大功率光纤激光放大器中的模式不稳定效应。
所述抑制大功率光纤激光放大器中模式不稳定的系统包括线偏振主振荡器、主动偏振控制器、级联光纤激光放大系统、扩束准直系统、高反镜I、光电探测器、加载有优化算法的控制器、高反镜II、功率接收器、光束质量测量仪。
经线偏振主振荡器输出的线偏振光纤激光依次经过由主动偏振控制器、级联光纤激光放大系统、扩束准直系统、高反镜I组成的光路后，从高反镜I透射出的光入射到光电探测器，光电探测器的输出端连接到加载有优化算法的控制器上，加载有优化算法的控制器与主动偏振控制器连接，电探测器将接受到的光信号转换为电信号，然后将电信号反馈到加载有优化算法的控制器，形成闭环的偏振调控系统，从高反镜I反射出的光束入射到高反镜II，从高反镜II反射出的光束注入到功率接收器，从高反镜II透射出的光束入射到光束质量测量仪。
从线偏振主振荡器输出的线偏振光纤激光入射到主动偏振控制器，主动偏振控制器将入射的线偏振光纤激光转换为期望偏振分布的激光后输出，输出的激光注入到级联光纤激光放大系统，经过级联光纤激光放大系统多级放大后的激光通过扩束准直系统准直输出；准直输出的光束经过高反镜I后，从高反镜I透射出的光入射到光电探测器。光电探测器将接受到的光信号转换为电信号，随后反馈给优化算法控制器。当模式不稳定发生后，入射到光电探测器上的激光束的时域信号会出现明显的起伏，起伏的电压峰谷值(即电压PV值)会较未出现模式不稳定时产生突增。因此，入射到光电探测器上的激光束的时域信号起伏的电压PV值可以作为控制器的评价函数。当评价函数出现突增时，控制器执行优化算法，首先将电压信号转换为数字信号输送给处理器，处理器通过信号调制-解调和数模转换产生电压控制信号施加到主动偏振控制器的压电驱动器电压信号输入端，实现系统闭环。整个系统优化的最终目标是使得光电探测器接收到的激光时域信号起伏的电压PV值与未出现模式不稳定时时域起伏的电压PV值一致。经过高反镜I反射出的光束被高反镜II二次反射，反射后的光束注入到功率接收器，透射的光束入射到光束质量测量仪。光束质量测量仪可以实时观察和测量在功率提升过程中模式不稳定发生前后光束质量的演化过程。
本发明中：
所述线偏振主振荡器实现方式不限、线宽不限、中心波长不限、时域特性不限；从实现方式上而言，可以是传统光纤振荡器、超荧光光纤光源、随机光纤激光器等；从线宽而言，可以是窄线宽光纤光源、宽谱光纤光源；从中心波长而言，可以是1微米波段(1030nm～1100nm)、长波波段(1100nm～1150nm)、2微米波段之内的任意波长。从时域特性而言，可以是连续激光或脉冲激光。
所述主动偏振控制器为能够将入射的线偏振激光转换为期望偏振分布的激光并输出的电控偏振控制器，其类型不限，可以是方位角型偏振控制器、延迟量型偏振控制器、方位角-延迟量型偏振控制器等。具体地，主动偏振控制器其是一种基于压电式的偏振控制器件。通过改变施加到主动偏振控制器上的电压，便可以将入射到主动偏振控制器中的线偏振激光的偏振态调控为任意偏振分布。
所述级联光纤激光放大系统实现入射激光的多级放大，其由多级光纤放大器构成。级联光纤激光放大系统的级数不限，具体放大级数由经过主动偏振控制器后的激光功率和最终放大功率确定。一般而言，受限于主动偏振控制器损伤阈值的限制，进而考虑主动偏振控制器的插入损耗，经过主动偏振控制器后的激光功率一般<50mW。若想将其功率提升至数千瓦级，一般需设置3级以上级联放大器进行功率放大。
所述的扩束准直系统一般包括光纤端帽和准直器；光纤端帽可完成激光束扩束，有效降低输出端面的激光功率密度，防止发生光学放电；准直器用于激光束准直。
所述高反镜，包括高反镜I和高反镜II，均是实现输出激光的高反射功能，其反射率不限，一般要求>99％；高反镜的构成材料不限，可以是熔石英、K9、ZnSe、CaF2等。
所述的光电探测器将光信号转换为电信号，其种类和响应材料有多种选择，只需激光波长在其相应波段内。
所述的加载有优化算法的控制器所执行的优化算法方式多样，可以是随机并行梯度下降算法、爬山法或遗传算法等。
所述的功率接收器用于接收高反镜II反射的主激光束，功率接收器构成材料不限，可以是熔石英材料、硅基材料、铜锥等。
所述的光束质量测量仪实现对输出激光光束质量的测试和监测。
本发明的实现模式不稳定效应抑制的原理如下所述：
由于本发明所述的抑制大功率光纤激光放大器中模式不稳定的系统中所采用的光纤为大模场双包层增益光纤，这种光纤本身具备支持多个本征模式的能力，大模场双包层增益光纤纤芯中不可避免会同时存在基模和少量的高阶模式。不同横模(即基模与高阶模式)之间会发生干涉，在增益光纤纤芯中形成非均匀光场分布。进而，由于沿增益光纤纵向泵浦光功率提取能力不同且存在量子亏损，导致增益光纤纵向不同位置产生不同的热量分布，形成温度梯度。温度梯度在热光效应的作用下产生折射率扰动，在纤芯中形成长周期折射率光栅，影响干涉光场，最终形成干涉光场、温度场和折射率扰动场之间的相互耦合和闭环，产生模式不稳定效应。
由上述模式不稳定效应产生的物理机理可得，基模与高阶模式之间的相互干涉是模式不稳定产生的基本前提条件。若光纤放大器中不存在高阶模式，则模式不稳定效应不会发生。光纤放大器中注入的高阶模式越少，基模与高阶模式之间的相互作用越弱，模式不稳定效应发生的阈值就越高。因此，通过控制注入光纤放大器中高阶模式的比例可有效抑制模式不稳定效应。
在多模光纤放大器中，由于不同本征模式之间偏振方向存在差异，各个模式叠加后的偏振分布与放大器整体输出模式之间存在内在关联性，且放大器本身存在偏振主态，因此通过调整注入主放大器激光的偏振方向可实现对注入模式的调控。
基于上述考虑，通过在大功率光纤激光放大器中引入偏振调控，可有效控制注入放大器中高阶模式的比例，实现模式不稳定效应的有效抑制。此外，随着光纤放大器的功率提升，放大器中会产生受激拉曼散射等非线性效应。受激拉曼散射等非线性效应会有效降低模式不稳定的阈值。在大功率光纤激光放大器中，受激拉曼散射等非线性效应阈值与放大器中激光的偏振方向密切相关。当注入主放大器中的偏振方向为圆偏振态时，非线性受激拉曼散射效应的阈值最高。当注入主放大器中的偏振方向为线偏振态时，非线性受激拉曼散射效应的阈值最低。因此通过在大功率光纤激光放大器中引入偏振调控可有效抑制受激拉曼散射等非线性效应，进而提升模式不稳定效应的发生阈值。
综上所述，通过在大功率光纤激光放大器中引入偏振调控机理，减少沿增益光纤纵向注入和传输的高阶模式比例，进而降低系统受激拉曼散射等非线性效应阈值，可有效抑制大功率光纤激光放大器中的模式不稳定效应。
与现有技术相比，本发明能够产生以下技术效果：
1、本发明基于模式不稳定效应产生于基模与高阶模式之间相互耦合的物理机理与前提条件，结合偏振与模式之间的相互关联性和受激拉曼散射等非线性效应与偏振特性之间的依赖关系，通过在大功率光纤激光放大器中引入偏振调控机理减少沿主放大器增益光纤纵向传输的高阶模式比例，提升受激拉曼散射等非线性效应阈值，最终达到抑制模式不稳定的目的。
2、与传统的抑制方法相比，本发明可有效抑制当大功率光纤激光放大器随着功率提升产生受激拉曼散射等非线性效应时，受激拉曼散射等非线性效应引起的模式不稳定。
3、本发明具备通用性：就可应用波长范围而言，该方法可用于1μm波段(1030nm～1100nm)、长波波段(1100nm～1150nm)、2μm波段之内的任意波长；从可应用激光时域特性而言，可以是连续激光或纳秒、皮秒、飞秒等不同脉冲激光。
4、本发明的线偏振主振荡器实现方式不限，可以是传统光纤振荡器、超荧光光纤光源、随机光纤激光器等；线偏振主振荡器线宽不限，可以是窄线宽光纤光源或宽谱光纤光源。
5、本发明中所使用的功率接收器实现方式多样，准直透镜、高反镜等器件材料选取多样。
附图说明
图1为本发明的系统结构原理示意图。
图中包括：
线偏振主振荡器1-1、主动偏振控制器1-2、级联光纤激光放大系统1-3、扩束准直系统1-4、高反镜I 1-5、光电探测器1-6、加载有优化算法的控制器1-7、高反镜II 1-8、功率接收器1-9、光束质量测量仪1-10。
具体实施方式
图1为本发明一具体实施例的结构示意图，包括线偏振主振荡器1-1、主动偏振控制器1-2、级联光纤激光放大系统1-3、扩束准直系统1-4、高反镜I 1-5、光电探测器1-6、加载有优化算法的控制器1-7、高反镜II 1-8、功率接收器1-9、光束质量测量仪1-10。
从线偏振主振荡器1-1发射的线偏振激光经过主动偏振控制器1-2转换为期望偏振分布的线偏振激光后注入到级联光纤激光放大系统1-3进行多级放大。其中主动偏振控制器为基于压电式的偏振控制器件。通过改变施加到主动偏振控制器1-2上的电压，便可以将入射线偏振光纤激光的偏振态调控为任意偏振分布。级联光纤激光放大系统1-3由多级光纤放大器构成，其作用为实现入射激光的多级放大。
级联光纤激光放大系统1-3输出的激光束通过扩束准直系统1-4后准直输出到自由空间。准直输出的光束经过高反镜I 1-5后，从高反镜I 1-5透射出来的透射光入射到光电探测器1-6。光电探测器1-6将接受到的光信号转换为电信号，随后反馈给加载有优化算法的控制器1-7。当模式不稳定发生后，输出激光时域会出现明显的起伏，起伏的峰谷值(PV值)会较未出现模式不稳定时产生突增。因此，输出激光时域信号起伏的PV值可以作为加载有优化算法的控制器1-7的评价函数。当加载有优化算法的控制器1-7其评价函数出现突增时，控制器执行优化算法，首先将电压信号转换为数字信号输送给处理器，处理器通过信号调制-解调和数模转换并将控制器产生的电压控制信号施加到主动偏振控制器1-2的压电驱动器电压信号输入端，实现闭环的偏振调控系统。整个系统优化的最终目标是使得光电探测器1-6接收到的激光时域信号起伏的电压PV值与未出现模式不稳定时时域起伏的电压PV值一致。
经过高反镜I 1-5反射出的光束入射到高反镜II 1-8，从高反镜II 1-8反射出的激光束注入到功率接收器1-9，从高反镜II 1-8透射出的激光束入射到光束质量测量仪1-10。光束质量测量仪1-10可以实时观察和测量在功率提升过程中模式不稳定发生前后光束质量的演化过程。
以上所述仅为本发明的优选的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种抑制大功率光纤激光放大器中模式不稳定的系统，其特征在于：包括线偏振主振荡器、主动偏振控制器、级联光纤激光放大系统、扩束准直系统、高反镜I、光电探测器、加载有优化算法的控制器、高反镜II、功率接收器、光束质量测量仪；通过在大功率光纤激光放大器中引入偏振调控，减少沿大功率光纤激光放大器增益光纤纵向注入和传输的高阶模式比例，能够抑制大功率光纤激光放大器中的模式不稳定效应；
经线偏振主振荡器输出的线偏振光纤激光依次经过由主动偏振控制器、级联光纤激光放大系统、扩束准直系统、高反镜I组成的光路后，从高反镜I透射出的光入射到光电探测器，光电探测器的输出端连接到加载有优化算法的控制器上，加载有优化算法的控制器与主动偏振控制器连接，电探测器将接受到的光信号转换为电信号，然后将电信号反馈到加载有优化算法的控制器；当模式不稳定发生后，入射到光电探测器上的激光束的时域信号会出现明显的起伏，起伏的电压峰谷值即电压PV值会较未出现模式不稳定时产生突增，将入射到光电探测器上的激光束的时域信号起伏的电压PV值作为控制器的评价函数；当评价函数出现突增时，控制器执行优化算法，首先将电压信号转换为数字信号输送给处理器，处理器通过信号调制-解调和数模转换产生电压控制信号施加到主动偏振控制器的压电驱动器电压信号输入端，实现系统闭环；整个系统优化的最终目标是使得光电探测器接收到的激光时域信号起伏的电压PV值与未出现模式不稳定时时域起伏的电压PV值一致；
从高反镜I反射出的光束入射到高反镜II，从高反镜II反射出的光束注入到功率接收器，从高反镜II透射出的光束入射到光束质量测量仪。
2.根据权利要求1所述的抑制大功率光纤激光放大器中模式不稳定的系统，其特征在于：所述主动偏振控制器将入射的线偏振光纤激光转换为期望偏振分布的激光并输出，所述主动偏振控制器为方位角型偏振控制器、延迟量型偏振控制器或者方位角-延迟量型偏振控制器。
3.根据权利要求1所述的抑制大功率光纤激光放大器中模式不稳定的系统，其特征在于：主动偏振控制器其是一种基于压电式的偏振控制器件，通过改变施加到主动偏振控制器上的电压，便能将入射到主动偏振控制器中的线偏振激光的偏振态调控为任意偏振分布。
4.根据权利要求1所述的抑制大功率光纤激光放大器中模式不稳定的系统，其特征在于：所述级联光纤激光放大系统实现入射激光的多级放大，其由3级以上级联放大器构成。
5.根据权利要求1所述的抑制大功率光纤激光放大器中模式不稳定的系统，其特征在于：高反镜I和高反镜II的反射率均要求>99％，高反镜I和高反镜II的材质是熔石英、K9、ZnSe或CaF2。
6.根据权利要求1所述的抑制大功率光纤激光放大器中模式不稳定的系统，其特征在于：加载有优化算法的控制器上所加载的优化算法是随机并行梯度下降算法、爬山法或遗传算法。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的抑制大功率光纤激光放大器中模式不稳定的系统，其特征在于：光束质量测量仪实时观察和测量在功率提升过程中模式不稳定发生前后光束质量的演化过程，监测优化算法执行前后光束质量的优化过程。
8.根据权利要求7所述的抑制大功率光纤激光放大器中模式不稳定的系统，其特征在于：线偏振主振荡器为光纤振荡器、超荧光光纤光源或者随机光纤激光器。
9.根据权利要求7所述的抑制大功率光纤激光放大器中模式不稳定的系统，其特征在于：线偏振主振荡器的中心波长为1030nm～1100nm的1微米波段、1100nm～1150nm的长波波段或者2微米波段中的任一波长。
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