CN111585154A - 表征相干合成系统中窄线宽光纤激光光谱相干特性的评价系统及方法 - Google Patents

表征相干合成系统中窄线宽光纤激光光谱相干特性的评价系统及方法 Download PDF

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Abstract

一种表征相干合成系统中窄线宽光纤激光光谱相干特性的评价系统及方法，包括待表征窄线宽光纤激光器、高反镜、功率接收器、衰减系统、聚焦透镜、单模光纤、光谱采集系统、光谱相干性评价系统。光谱相干性评价系统将采集到的光谱信息进行功率谱归一化处理，得到光谱的归一化功率谱；然后计算任意不同延迟时间下的光谱相干性评价因子，通过比较不同延迟时间下的光谱相干性评价因子实现窄线宽光纤激光的光谱相干特性的评价。通过光谱相干性评价因子可直接得到窄线宽光纤激光在相干合成系统的单个合成单元中的合成效率。本发明全面的描述光谱的形态分布和相干特性，且本发明具有通用性，可以广泛应用于各种窄线宽光纤激光的光谱相干特性的评价。

Description

表征相干合成系统中窄线宽光纤激光光谱相干特性的评价系 统及方法
技术领域
本发明属于光纤激光技术领域，具体地涉及一种表征相干合成系统中窄线宽光纤激光光谱相干特性的评价系统及方法。
背景技术
高功率光纤激光器在工业加工、材料处理等诸多领域具有广泛应用。然而，受限于光纤介质本身的热效应、非线性效应、模式不稳定、光纤端面损伤、高亮度泵浦技术等，单路光纤激光功率提升能力有限。为了突破单路光纤激光功率提升的限制，将多路窄线宽光纤激光通过相干合成技术合成为一束高功率激光输出成为解决单路光纤激光功率提升瓶颈的有效途径之一。
截止目前，通过光纤激光相干合成技术已实现万瓦以上高功率激光输出。在相干合成系统中，为了实现更高功率输出，主要需要考虑两个方面的因素：(1)单路可合成光源(窄线宽光纤激光)的功率提升能力；(2)系统的相干合成效率。仅考虑时间相干性，单频光纤激光是合成系统的理想单元光束。然而，受限于受激布里渊散射(SBS)等非线性效应，单频光纤激光的最大输出功率仍未突破千瓦量级。为了进一步克服受激布里渊散射(SBS)效应对单元光束功率提升的限制，线宽在GHz到几十GHz之间的窄线宽光纤激光通常作为可合成光源被广泛应用于相干合成系统中。然而，光谱的展宽势必会降低合成单元的时间相干性，因此一般需要复杂的光程控制系统来提高合成系统的合成效率。然而，随着环境的扰动和单元光束的功率起伏，光程控制系统存在一定控制残差。此外，在相干合成系统的远距离传输应用中，精确的光程控制更具挑战性。因此，窄线宽光纤激光作为相干合成系统的单元光束，其本身的光谱线宽控制和优化已成为国际前沿研究热点和难点。
目前，基于单频种子施加相位调制技术实现光谱展宽的窄线宽输出是相干合成系统中窄线宽光纤激光克服受激布里渊散射(SBS)效应的主流方法。然而，不同的调制方式将对应不同的光谱形态分布。一般而言，单频种子经过白噪声(WNS)信号调制后展宽的光谱呈现高斯型(Gaussian)分布。单频种子经过伪随机编码信号(PRBS)调制后产生Sinc2函数型光谱。单频种子经过分段抛物线型信号(PPS)调制或者多目标非线性优化信号(MONOS)调制后产生矩形(Rectangular)光谱分布。对于不同分布的光谱形态，一般采用“光谱线宽”表征其光谱相干性。然而，光谱线宽的定义呈现出多样性，包括半高全宽(FWHM)、85％的光谱功率占比、90％的光谱功率占比、95％的光谱功率占比、光谱的均方根值(RMS)等。以上“光谱线宽”定义均是光谱的几何结构参数，无法全面的描述光谱的形态分布和相干特性。由于光谱线宽定义的多样性，可能出现不同的光谱分布具有相同的“光谱线宽”。然而，相干合成系统的合成效率与光谱分布密切相关。
因此，为了更好的为窄线宽光纤激光光谱特性、输出功率和相干合成系统合成效率的优化提供指导，急需一个统一的评价方法来表征单路合成光源的光谱相干特性。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明提出了一种表征相干合成系统中窄线宽光纤激光光谱相干特性的评价系统及方法。
为实现上述技术目的，本发明采用的具体技术方案如下：
表征相干合成系统中窄线宽光纤激光光谱相干特性的评价方法，包括：
(1)采集窄线宽光纤激光器输出激光的光谱信息；
(2)将采集到的光谱信息进行功率谱归一化处理，得到光谱的归一化功率谱；
(3)计算任意不同延迟时间τ下的光谱相干性评价因子γ(τ)，基于光谱相干性评价因子γ(τ)评价窄线宽光纤激光的光谱相干特性。
本发明中，步骤(3)中任意不同延迟时间τ下的光谱相干性评价因子γ(τ)可通过步骤(2)中得到的光谱的归一化功率谱计算得到，采用的计算公式如下：
Figure BDA0002497001310000031
其中：ξ(ν)为光谱的归一化功率谱，ν为光谱频率。
本发明中，步骤(3)中，比较不同延迟时间τ下的光谱相干性评价因子γ(τ)的实部，γ(τ)的实部越大所对应的光谱相干性越好。
进一步地，本发明还包括根据光谱相干性评价因子γ(τ)计算待表征窄线宽光纤激光器输出激光在相干合成系统的单个合成单元中的合成效率η，其中
Figure BDA0002497001310000032
本发明提出了利用光谱相干性评价因子γ(τ)衡量相干合成系统中不同光谱分布窄线宽光纤激光器的光谱相干特性的方法，所提出的光谱相干性评价因子γ(τ)直接依赖于光谱的归一化功率谱计算得到，且光谱相干性评价因子γ(τ)与相干合成系统的合成效率直接相关，通过光谱相干性评价因子γ(τ)可以直接得到待表征窄线宽光纤激光器输出激光(所输出的窄线宽光纤激光作为相干合成系统的单元光束)在相干合成系统的单个合成单元中的合成效率。利用光谱相干性评价因子γ(τ)实现相干合成系统的高功率窄线宽光纤激光光谱相干性的评价，同时兼顾光谱形态分布和合成效率。
本发明所提供的评价方法具有通用性，可以广泛应用于各种窄线宽光纤激光的光谱相干特性的评价。从光谱分布而言，该方法可以评价洛伦兹、高斯、Sinc2函数、矩形等任意光谱形态窄线宽光纤激光的光谱相干特性；从时域特性而言，该方法可以应用到窄线宽连续激光、窄线宽纳秒脉冲激光、窄线宽皮秒脉冲激光等不同领域；从偏振特性而言，该方法可以应用于随机偏振窄线宽光纤激光、线偏振窄线宽光纤激光、特殊偏振分布的窄线宽光纤激光；此外，该方法可以应用到不同中心波长、不同光谱覆盖范围的各种类型窄线宽光纤激光系统中。
进一步地，本发明还提供一种表征相干合成系统中窄线宽光纤激光光谱相干特性的评价系统，包括待表征窄线宽光纤激光器、高反镜、功率接收器、衰减系统、聚焦透镜、单模光纤、光谱采集系统、光谱相干性评价系统。
待表征窄线宽光纤激光器输出的激光首先注入到高反镜；高反镜将大部分功率反射至功率接收器。经高反镜透射的小部分功率经过衰减系统进行功率衰减，防止损坏后续测量系统；经过衰减系统后的窄线宽激光注入到聚焦透镜进行光束聚焦；经过聚焦透镜聚焦的光束被单模光纤接收。单模光纤接收到的光信号导入到光谱采集系统进行光谱测量；光谱采集系统测量得到的光谱信息导入到光谱相干性评价系统。光谱相干性评价系统依据上述表征相干合成系统中窄线宽光纤激光光谱相干特性的评价方法实现光谱相干性评价，并将获得的评价结果通过图形用户界面直接显示。
本发明所述的待表征窄线宽光纤激光器类型不限，输出激光光谱形态可以是洛伦兹、高斯、Sinc2函数、矩形等任意光谱形态；待表征窄线宽光纤激光器的时域既可以是连续激光，也可以是纳秒、皮秒等脉冲激光；偏振方向既可以是线偏振，也可以是随机偏振或椭圆偏振。
本发明所述的高反镜实现注入激光的高反射功能，其构成材料不限，可以是融石英、ZnSe、CaF2等，具体根据输出激光功率密度选择。高反镜反射谱范围由待表征窄线宽光纤激光器光谱覆盖范围确定。
本发明所述的功率接收器用于收集高反镜反射的激光束，可以是功率计、锥形光束收集器等。
本发明所述的衰减系统用于对高反镜透射功率的衰减，其可以是不同衰减度中性衰减片的组合，也可以是不同透射率分束片的组合。衰减系统的具体衰减倍数以不影响后续数据测量和保证后续测量系统安全为依据进行选择。
本发明所述的聚焦透镜实现方式多样，可以是平凸透镜、双凸透镜、双胶合透镜、非球面透镜等，或者是其中不同透镜的组合。所述的聚焦透镜材料选择方式多样，可以是融石英、ZnSe、CaF2等。所述的聚焦透镜镀膜方式选择多样，可以是无镀膜、单层镀膜或多层镀膜。
本发明所述的单模光纤采用的基质材料可有多种选择，可以是硬玻璃基质材料(如二氧化硅)，也可以是软玻璃材料(如硅酸盐、磷酸盐等)。单模光纤纤芯和包层尺寸可有多种选择。设单模光纤纤芯半径为a、数值孔径为NA，对于中心波长为λ0的待表征激光，其纤芯尺寸满足2πaNA/λ0<2.405即可。
本发明所述的光谱采集系统可以是光谱仪、法布里-珀罗腔(F-P腔)等，用以探测采集输出激光在不同功率下的光谱形态。
本发明所述的光谱相干性评价系统依据上述表征相干合成系统中窄线宽光纤激光光谱相干特性的评价方法实现光谱相干性评价，并通过图形用户界面GUI直接显示不同状态下的评价结果。
本发明的有益效果如下：
1、与现有的基于半高全宽(FWHM)、85％的光谱功率占比、90％的光谱功率占比、95％的光谱功率占比或光谱的均方根值(RMS)等的光谱相干特性评价方法相比，本发明所提出的光谱相干特性评价方法，利用光谱相干性评价因子γ(τ)衡量相干合成系统中不同光谱分布窄线宽光纤激光器的光谱相干特性，所提出的光谱相干性评价因子直接依赖于光谱的归一化功率谱计算得到，避免了传统评价方法无法兼顾光谱形态分布，无法全面的描述光谱的形态分布和相干特性的缺陷。
2、与现有的基于半高全宽(FWHM)、85％的光谱功率占比、90％的光谱功率占比、95％的光谱功率占比或光谱的均方根值(RMS)等的光谱相干特性评价方法相比，本发明所提出的光谱相干特性评价方法，利用光谱相干性评价因子γ(τ)衡量相干合成系统中不同光谱分布窄线宽光纤激光器的光谱相干特性，光谱相干性评价因子γ(τ)与相干合成系统的合成效率直接相关，为相干合成系统合成效率和合成单元的光谱相干性提升提供了一种最直接的参考依据。
3、本发明具有通用性，可以广泛应用于各种窄线宽光纤激光的光谱相干特性的评价。
综上，本发明在强激光领域，特别是用于相干合成系统的高功率、窄线宽光纤激光光谱相干性评价和优化领域有重要的应用价值。
附图说明
图1是一实施例的系统结构示意图
图中包括：待表征窄线宽光纤激光器1、高反镜2、功率接收器3、衰减系统4、聚焦透镜5、单模光纤6、光谱采集系统7、光谱相干性评价系统8。
图2为该新方法的典型应用实例结果，即该方法作为评价依据下不同光谱形态分布窄线宽光纤激光的功率提升能力对比结果。其中，横坐标为光谱相干性评价因子(CDC)、纵坐标为受激布里渊散射阈值(SBS threshold)。
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：
如附图1所示，本实施例提供一种表征相干合成系统中窄线宽光纤激光光谱相干特性的评价系统，包括待表征窄线宽光纤激光器1、高反镜2、功率接收器3、衰减系统4、聚焦透镜5、单模光纤6、光谱采集系统7和光谱相干性评价系统8。
待表征窄线宽光纤激光器1输出的激光为待表征激光。输出激光首先注入到高反镜2；高反镜2将大部分功率反射至功率接收器3。经高反镜2透射的小部分功率经过衰减系统4进行功率衰减，防止损坏后续测量系统；经过衰减系统4后的窄线宽激光注入到聚焦透镜5进行光束聚焦；经过聚焦透镜聚焦的光束被单模光纤6接收。单模光纤6接收到的光信号导入到光谱采集系统7进行光谱测量；光谱采集系统7测量得到的光谱信息导入到光谱相干性评价系统8。光谱相干性评价系统8实现光谱相干性评价，并将获得的评价结果通过图形用户界面直接显示。
具体而言，光谱相干性评价系统8所采用的表征相干合成系统中窄线宽光纤激光光谱相干特性的评价方法，包括：
将光谱采集系统7采集到的光谱信息进行功率谱归一化处理，得到光谱的归一化功率谱；
通过光谱的归一化功率谱计算得到任意不同延迟时间τ下的光谱相干性评价因子γ(τ)，采用的计算公式如下：
Figure BDA0002497001310000081
其中：ξ(ν)为光谱的归一化功率谱，ν为光谱频率。
比较不同延迟时间τ下的光谱相干性评价因子γ(τ)的实部，γ(τ)的实部越大所对应的光谱相干性越好。
本发明提出了利用光谱相干性评价因子γ(τ)衡量相干合成系统中不同光谱分布窄线宽光纤激光器的光谱相干特性的方法，所提出的光谱相干性评价因子γ(τ)直接依赖于光谱的归一化功率谱计算得到，且光谱相干性评价因子γ(τ)与相干合成系统的合成效率直接相关，通过光谱相干性评价因子γ(τ)可以直接得到待表征窄线宽光纤激光器在相干合成系统中的合成效率。利用光谱相干性评价因子γ(τ)实现实现相干合成系统的高功率窄线宽光纤激光光谱相干性的评价，同时兼顾光谱形态分布和合成效率。
还能根据光谱相干性评价因子γ(τ)计算待表征窄线宽光纤激光器输出激光在相干合成系统的单个合成单元中的合成效率η，其中
Figure BDA0002497001310000091
最后将待表征窄线宽光纤激光器1输出的窄线宽光纤激光(作为相干合成系统中的单元光束)对应的光谱归一化功率谱、延迟时间、光谱相干性评价因子和合成效率的结果通过图形用户界面GUI显示在终端。
如前文所述，传统评价方法对于不同分布的光谱形态一般采用“光谱线宽”表征其光谱相干性；然而，“光谱线宽”的定义呈现出多样性，很可能出现不同的光谱分布具有相同的“光谱线宽”的情形。然而，相干合成系统的合成效率与光谱分布密切相关，因而传统的评价方法无法兼顾光谱分布和系统合成效率，无法对合成单元即窄线宽光纤激光的输出性能和合成系统的效率优化提供直接指导。目前，受激布里渊散射效应(SBS)是限制窄线宽光纤激光功率提升的核心受限因素之一。为了进一步说明本发明提供的表征相干合成系统中窄线宽光纤激光光谱相干特性的评价方法的独特优势，下面以具体应用实例为例，分析对比了利用该方法作为评价依据下不同光谱形态分布窄线宽光纤激光的功率提升能力。
在实例分析中，功率提升能力可以用受激布里渊散射阈值(SBS threshold)衡量。具体而言，在不同光谱相干性评价因子(CDC)下，通过分析不同光谱形态窄线宽光纤激光的受激布里渊散射阈值(SBS threshold)，能够充分说明该方法用于评价窄线宽光纤激光光谱优化和功率提升的可行性。
不失一般性，为了说明采用本发明所提方法作为依据评价不同谱线窄线宽光纤激光的功率提升能力。在本应用实例中，设待表征窄线宽光纤激光器1输出功率为18瓦，输出谱线可以是典型的高斯型(Gaussian)光谱、Sinc2函数型光谱和矩形(Rectangular)光谱。待表征窄线宽光纤激光器1通过一个常规的光纤放大器进行功率提升，光纤放大器的掺杂光纤长度为9米，纤芯直径为20微米，内包层直径为400微米，光纤放大器采取976nm的泵浦光进行抽运，掺杂光纤泵浦吸收系数为1.5dB/m。此外，设光纤放大器后面接有3m长的传能光纤用于激光传输。
不同光谱分布待表征窄线宽光纤激光器1的受激布里渊散射阈值(SBSthreshold)可由以下模型得到：
Figure BDA0002497001310000101
Figure BDA0002497001310000102
Figure BDA0002497001310000103
其中，AS是信号光的光场强度，AB是Stokes光的光场强度，Q是SBS过程中的声场强度；vgs和vgB表示信号光和Stokes光在光纤中的群速度，vA是光纤中的声速。αS和αB分别表示信号光和Stokes光在光纤中的损耗，σas和σes分别表示信号光吸收截面和发射截面。γS是信号光的非线性吸收系数，ГB是声阻尼率。κ1S,κ1B和κ2分别是信号光、Stokes光和声波场的耦合系数。Aao是光场和声波场的有效作用面积，f表示引起自发受激布里渊散射效应的噪声源。
根据热力学理论，自发受激布里渊散射效应的噪声源f可以表示为
<f(z,t)f*(z',t')>＝NQδ(z-z')δ(t-t')
Figure BDA0002497001310000111
<f(z,t)>＝0
其中，NQ表示其抖动幅度，k是玻尔兹曼常数，ρ0是光纤密度,T0为环境温度，Aeff为光纤内的有效模场面积。
除了信号光，Stokes光以及声波场，根据激光速率方程，光纤放大器的泵浦光满足以下方程：
Figure BDA0002497001310000112
其中，PP表示泵浦功率，νgp表示泵浦光在放大器中的群速度，αP表示泵浦光在放大器中的损耗。σap和σep分别表示泵浦光在放大器中的吸收截面和发射截面，N和N2表示放大器中镱离子的掺杂浓度和上能级镱离子的数目。
根据速率方程，N2满足方程：
Figure BDA0002497001310000113
其中，τ是镱离子在上能级的寿命，c表示真空中的光速，h为普朗克常数，Ac表示掺杂面积，ГS和ГP分别是信号光和泵浦光的重叠因子。PS、PB和PP分别表示信号光、Stokes光和泵浦光的功率。其他各项计算参数具体如表1所示。
表1计算参数设置
Figure BDA0002497001310000114
Figure BDA0002497001310000121
在不同光谱相干性评价因子(CDC)下，利用本发明所提评价方法作为评价依据下不同光谱形态分布窄线宽光纤激光的功率提升能力(SBS threshold)分析结果如附图2所示。图中给出了光谱相干性评价因子由0.8变化到0.96时不同谱线分布形态的受激布里渊散射阈值(SBS threshold)特性。由附图2结果可得：在光谱相干性评价因子覆盖0.8～0.96时，与典型的高斯型(Gaussian)光谱和Sinc2函数型光谱相比，矩形(Rectangular)光谱具有更优的功率提升潜力。本发明光谱评价因子直接与合成效率成正相关，因此，通过本发明提供的评价方法不仅可以表征不同光谱分布下的光谱相干特性，更重要的是可以兼顾相干合成系统合成效率为光谱优化提供直接指导。上述功能对于相干合成系统中窄线宽光纤激光的光谱设计和性能优化具有重要的指导意义。
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。

Claims (10)

1.表征相干合成系统中窄线宽光纤激光光谱相干特性的评价方法，其特征在于，包括：
(1)采集窄线宽光纤激光器输出激光的光谱信息；
(2)将采集到的光谱信息进行功率谱归一化处理，得到光谱的归一化功率谱；
(3)计算任意不同延迟时间τ下的光谱相干性评价因子γ(τ)，基于光谱相干性评价因子γ(τ)评价窄线宽光纤激光的光谱相干特性。
2.根据权利要求1所述的表征相干合成系统中窄线宽光纤激光光谱相干特性的评价方法，其特征在于，步骤(3)中任意不同延迟时间τ下的光谱相干性评价因子γ(τ)可通过步骤(2)中得到的光谱的归一化功率谱计算得到，采用的计算公式如下：
Figure FDA0002497001300000011
其中：ξ(ν)为光谱的归一化功率谱，ν为光谱频率。
3.根据权利要求2所述的表征相干合成系统中窄线宽光纤激光光谱相干特性的评价方法，其特征在于，步骤(3)中，比较不同延迟时间τ下的光谱相干性评价因子γ(τ)的实部，γ(τ)的实部越大所对应的光谱相干性越好。
4.根据权利要求2所述的表征相干合成系统中窄线宽光纤激光光谱相干特性的评价方法，其特征在于，还能根据光谱相干性评价因子γ(τ)计算待表征窄线宽光纤激光器输出激光在相干合成系统的单个合成单元中的合成效率η，其中
Figure FDA0002497001300000012
5.根据权利要求1至4中任一权利要求所述的表征相干合成系统中窄线宽光纤激光光谱相干特性的评价方法，其特征在于，待表征窄线宽光纤激光器输出激光为洛伦兹、高斯、Sinc2函数或矩形光谱形态窄线宽光纤激光。
6.根据权利要求1至4中任一权利要求所述的表征相干合成系统中窄线宽光纤激光光谱相干特性的评价方法，其特征在于，待表征窄线宽光纤激光器输出激光为窄线宽连续激光、窄线宽纳秒脉冲激光或窄线宽皮秒脉冲激光。
7.根据权利要求1至4中任一权利要求所述的表征相干合成系统中窄线宽光纤激光光谱相干特性的评价方法，其特征在于，待表征窄线宽光纤激光器输出激光为随机偏振窄线宽光纤激光或线偏振窄线宽光纤激光。
8.一种表征相干合成系统中窄线宽光纤激光光谱相干特性的评价系统，其特征在于，包括待表征窄线宽光纤激光器、高反镜、功率接收器、衰减系统、聚焦透镜、单模光纤、光谱采集系统、光谱相干性评价系统；
待表征窄线宽光纤激光器输出的激光首先注入到高反镜；高反镜将大部分功率反射至功率接收器；经高反镜透射的小部分功率经过衰减系统进行功率衰减，防止损坏后续测量系统；经过衰减系统后的窄线宽激光注入到聚焦透镜进行光束聚焦；经过聚焦透镜聚焦的光束被单模光纤接收；单模光纤接收到的光信号导入到光谱采集系统进行光谱测量；光谱采集系统测量得到的光谱信息导入到光谱相干性评价系统；光谱相干性评价系统依据权利要求1至7中任一权利要求所述评价方法实现光谱相干性评价，并将获得的评价结果通过图形用户界面直接显示。
9.根据权利要求8所述的表征相干合成系统中窄线宽光纤激光光谱相干特性的评价系统，其特征在于，单模光纤纤芯半径为a、数值孔径为NA，对于待表征窄线宽光纤激光器输出的中心波长为λ0的待表征激光，单模光纤其纤芯尺寸满足2πaNA/λ0<2.405。
10.根据权利要求8所述的表征相干合成系统中窄线宽光纤激光光谱相干特性的评价系统，其特征在于，所述光谱采集系统是光谱仪或法布里-珀罗腔；所述高反镜反射谱范围由待表征窄线宽光纤激光器光谱覆盖范围确定。
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