CN112003114A - 多模光纤输出的光纤激光器的模式控制系统和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对于多模光纤输出的光纤激光器的模式进行控制的系统以及控制方法。上述的光纤激光器采用了主振荡功率放大器(MOPA)结构。在模式控制系统中，将随机并行梯度算法(SPGD)作为控制算法，以输出激光的中心光强作为算法评价函数，通过控制挤压型偏振控制器中压电晶体对光纤的应力来改变输出激光的横向模式。该光纤激光器系统包括：种子源，挤压型偏振控制器，泵浦源，合束器，掺杂光纤，泵浦光滤除器，单模‑多模光纤耦合器，光束准直器，高反射率镜片，红外相机，光电探测器，信息处理器(可编程逻辑器件(FPGA)或数字信号处理器(DSP))以及功率计。本发明提出的对于多模光纤输出的模式控制系统和控制方法可以对光纤激光器进行模式复用，使激光器的输出模式实现自动切换，以便满足其在不同领域的应用需求。

Description

多模光纤输出的光纤激光器的模式控制系统和控制方法

技术领域

本发明属于光纤激光模式控制领域，具体涉及一种多模输出光纤的光纤激光器激光模式的控制系统和控制方法。

背景技术

光纤激光器技术在近年来取得了巨大的突破性进展，已经广泛应用于引力波探测、相干合成、光谱合成、频率转换等领域。对于上述这些的领域，对激光器的大部分要求都是输出近衍射极限的基模激光。同时，近年来一些新型的前沿研究也不断被报道，比如涡旋光束，光镊，表面等离子体激元，模分复用激光通信和高分辨率成像等等，这些研究领域需要纯净的高阶模式激光作为光源。在激光器中使用多模光纤，对功率的放大具有重要的意义，但是如果将单模光纤和多模光纤进行耦合，根据光纤波导归一化频率参量

光纤中的横模也将会从单个模式转变为多个模式(包含LP01，LP11等等)，这不能满足于一些追求单一纯净模式激光的应用场合。因此，对多模光纤中混合的横模进行有选择的激发是一个有重要应用价值的研究课题。

发明内容

本发明采用MOPA结构的单模光纤激光器和支持LP01和LP11的多模光纤在输出端进行耦合的方式，使输出的激光从单一模式转变为混合模式。通过将模式控制系统与MOPA系统结合，组成了一套LP01和LP11模式自动转换的系统，具有结构简单，控制速度快和智能化的特点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

种子激光器的输出端与偏振控制器的光输入口连接，该挤压型偏振控制器的光输出口与合束器的第一输入端相连，泵浦激光器的输出端与合束器的第二输入端相连，合束后的激光传输到增益光纤中，对种子光进行放大；增益光纤的输出端和泵浦光滤除器相连接，滤掉残余的泵浦光，泵浦光滤除器的输出端和单模-多模光纤耦合器相连接，单模-多模光纤耦合器通过熔融拉锥的方式将单模光纤和多模光纤耦合，准直器和单模-多模耦合的多模光纤输出端熔接在一起，将光束输出到第一高反射率镜片上，分束成较大功率的反射光和微弱功率的透射光；所述的光电探测器在透射光中心位置取样，并将转化的电压信号传输至信息处理器，作为SPGD算法的评价函数。

信息处理器生成控制电压信号加载至偏振控制器的PZT压电晶体，使压电晶体在电压的作用下发生形变，偏振控制器的内置光纤受到不同程度的挤压应力，从而改变输出激光的横向模式占比。

第一高反射率镜片的反射光入射到第二高反射率镜片，微弱的透射光被红外相机接收，用于观察输出激光模式的实时变化；反射的较大功率激光被功率计接收，用于显示功率。

偏振控制器有三个接口，分别为：光输入口、光输出口和电反馈口。种子激光器和偏振控制器的光输入口相连，然后由光输出口进入单模光纤放大器中。由于光纤波导归一化频率参量

当光纤的各项参数满足2.4048<V<3.8317时，此光纤仅支持LP01和LP11两种模式传输。因此可以选择一种仅支持LP01和LP11两种模式的光纤作为输出光纤，采用单模-多模光纤耦合器和前端的单模光纤相连接。当激光由单模光纤传输到多模光纤中后，其模式由单模变为LP01和LP11模式混合状态，然后经过准直器输出到自由空间。

输出的激光首先入射到高反射率镜片上，经高反射率镜片透射的少部分激光被光电探测器接收。由于输出激光的光斑直径比较大(约为10mm)，而光电探测器具有极小的探测区域(约为1mm×1mm)。因此将探测区域放置在透射光束的中心位置后，只有光束中心位置的光强被转化成了电压信号。这一电压信号被传递到信息处理器上，作为SPGD算法的评价函数。信息处理器根据算法逻辑生成控制信号，传输到挤压型偏振控制器的电反馈口，使偏振控制器的PZT压电晶体对内置光纤施加不同程度的应力，进而改变多模光纤输出激光的两种模式占比。由于LP01模式的中心光强为最大值，而LP11模式的中心光强为最小值，因此分别使SPGD算法执行最大和最小值逻辑搜索，便可以分别单独地激发出LP01和LP11模式。

第一高反射率镜片的反射光入射到第二高反射率镜片上，少量的透射光被红外相机(CCD)接收，用于实时观察输出激光的模式分布；大部分的反射光被功率计接收，用于显示输出功率。

SPGD算法在多模光纤输出的模式控制系统中的作用方式如下：

(1)信息处理器生成随机扰动电压信号δu＝{δu₁，δu₂，δu₃，δu₄}，这一电压信号在数值上满足均值为0，方差相等。

(2)随机扰动电压δu分别施加到偏振控制器的4个PZT压电晶体上，令压电晶体产生形变，从而改变对偏振控制器内光纤的应力，引起输出激光的模式变化。

(3)将输出激光的中心光强作为评价函数，每一次正向扰动后，中心光强的数学表达式可以写为J⁺＝J(u+δu)；然后对PZT压电晶体施加相同大小的反向电压-δu，取得负向扰动的输出激光的中心光强J^-＝J(u-δu)。

(4)计算两次扰动过程中的输出激光中心光强的变化量

(5)根据u^(k+1)＝u^(k)+γδu^(k)δJ^(k)更新控制参数，其中k为迭代次数，γ为迭代步长，u^(k+1)和u^(k)是前后两次迭代过程中对PZT晶体施加的基准电压。根据这一递推关系，最终输出激光的中心光强收敛到最大值，对应于LP01模式。

(6)根据u^(k+1)＝u^(k)-γδu^(k)δJ^(k)更新控制参数，最终输出激光的中心光强收敛到最小值，对应于LP11模式。

本发明的有益效果是：本发明提出了一种对多模光纤输出的光纤激光器的激光横向模式的种类进行自动控制的方法。对于不加此控制系统的多模光纤激光器而言，其输出的模式为光纤所支持各种模式的混合态，不能满足追求单一模式激光的领域的需要。本发明提出的光纤激光模式控制系统，实现了多模光纤激光器的模式复用，提高了激光器的应用范围，并且具有很强的鲁棒性。

附图说明

图1是多模光纤输出激光器的模式主动控制系统示意图

图1中1是种子激光器，2是挤压型偏振控制器(其中外部接口包括光输入口21，光输出口22和电反馈口23)，3是泵浦激光器，4是合束器，5是增益光纤，6是泵浦光滤除器，7是单模-多模光纤耦合器，8是准直器，9是第一高反射率镜片，10是第二高反射率镜片，11是光电探测器，12是功率计，13是红外相机，14是FPGA，15是计算机。

图2是LP01模式的能量分布图，16是光电探测器探测区域摆放的位置。

图3是LP11模式的能量分布图，18是光电探测器探测区域摆放的位置。

具体实施方式

实施例1：多模光纤输出的光纤激光器的主动模式控制系统

如图1所示是本发明公开的一个实施例，该系统包括：

种子激光器(1)、泵浦激光器(3)、合束器(4)、增益光纤(5)、泵浦光滤除器(6)、单模-多模光纤耦合器(7)、准直器(8)、第一高反射率镜片(9)、第二高反射率镜片(10)、光电探测器(11)、功率计(12)、红外相机(13)、信息处理器(14)；

偏振控制器(2)：具有四个挤压方向成45°交错的PZT压电晶体，通过对晶体施加不同的电压信号来控制其对内置光纤的挤压应力，从而改变光纤的传输模式。其中外部接口包括光输入口(21)，光输出口(22)和电反馈口(23)。PZT压电晶体上的电压信号通过FPGA产生

光电探测器(11)：其探测区域放置在第一块高折射率镜片透射光的中心位置。为了便于精确调节探测区域相对于光场的位置，可将其放置在三维调整架上。其输出的电压信号强度与光束的中心光强具有线性关系。

FPGA(14)：用于接收光电探测器传送的电压信号，并产生电压控制信号输送至挤压型偏振控制器。SPGD算法由计算机的软件编程来实现，然后由通信接口将程序烧写到FPGA的芯片上。光电探测器传来的电信号作为SPGD算法评价函数，产生的扰动电压传输至挤压型偏振控制器。对FPGA内部的SPGD算法改变迭代逻辑可以分别使评价函数达到最大值和最小值，即对应输出光束中心位置光强的最大值和最小值，实现了LP01和LP11模式的选择激发。

计算机(15)：用于编写搜索算法的程序代码，并经过通信系统将程序传输到FPGA的芯片上，使信息处理器能够产生相应的控制信号。

提供种子光的种子激光器(1)输出端与偏振控制器(2)的光输入口(21)连接。光输出口(22)与合束器第一输入端相连。泵浦激光器(3)与合束器的第二输入端相连。合束后的光传输到增益光纤(5)中，种子光被增益光纤放大。增益光纤的输出端连接泵浦光滤除器(6)，用于滤掉残余的泵浦光，但经过增益光纤放大的种子光功率不受影响。从种子激光器(1)到泵浦光滤除器(6)，激光均在单模光纤中传播，因此仅具有一种模式。

单模-多模光纤耦合器(7)和泵浦光滤除器(6)的输出端相连，激光传输的光场也从单模变为了多模。准直器(8)和激光器的输出端相连，因此输出激光准直地发射到自由空间。发射到自由空间的激光首先入射到高反射率镜片(9)上，透射的少部分激光被光电探测器(11)接收。由于光电探测器(11)的探测区域较小，因此只能接收到透射光的中心部分；

光电探测器(11)将输出激光的中心光强转化为电压强度信号，发送到信息处理器(14)(可编程逻辑器件(FPGA)或数字信号处理器(DSP))的接收端。信息处理器(14)和计算机(15)以通信系统相连接，在计算机软件上进行编程可以将算法的程序传输到到信息处理器(14)的芯片上。信息处理器(14)通过算法的逻辑产生控制信号，加载到偏振控制器(2)的电反馈端。偏振控制器(2)内部的PZT压电晶体受到电压的作用后改变对光纤的应力，从而改变输出激光模式分布；

高反射率镜片(9)的反射光入射到高反射率镜片(10)上，少量的透射光被红外相机(13)接收，用于实时观察输出激光的模式分布；大部分的反射光被功率计(12)接收，用于显示输出功率，并且避免其对周围环境的危害；

实施例2：基于SPGD算法的多模光纤输出的光纤激光器主动模式控制方法

如图1所示，种子激光器(1)通过单模光纤连接至挤压型偏振控制器(2)的光输入口(21)，光输出口(22)和合束器(4)的第一输入端相连接，泵浦激光器(3)和合束器(4)的第二输入端相连接。增益光纤(5)与合束器(4)的输出端连接，对种子光进行放大。泵浦光滤除器(6)和增益光纤(5)的输入端相连接，用于过滤掉残余的泵浦光。泵浦光滤除器(6)的输出端和单模-多模光纤耦合器(7)相连接，单模-多模光纤耦合器(7)通过熔融拉锥的方式将单模光纤和多模光纤耦合。准直器(8)和单模-多模光纤耦合器(7)中的多模光纤输出端熔接在一起，将光束准直输出至自由空间。空间光入射到高反射率镜片(9)上，分束成较大功率的反射光和微弱功率的透射光。光电探测器(11)的探测区域(约1mm×1mm)在透射光中心位置取样，转化的电压信号传输至FPGA(14)，作为SPGD算法的评价函数。FPGA(14)按照算法的逻辑生成控制电压信号加载至偏振控制器(2)的PZT压电晶体。压电晶体在电压的作用下发生形变，偏振控制器(2)的内置光纤受到不同程度的挤压应力，从而改变输出激光的横向模式占比。第一高反射率镜片(9)的反射光入射到第二高反射率镜片(10)后，微弱的透射光被红外相机(13)接收，用于观察输出激光模式的实时变化；较大功率的反射光被功率计接收，用于显示功率。通过改变SPGD的算法迭代逻辑可以实现中心光强的最大最小值的实时转换，即LP01和LP11模式的转换。

SPGD算法在多模光纤输出的模式控制系统中的作用方式如下：

(1)信息处理器生成随机扰动电压信号δu＝{δu₁，δu₂，δu₃，δu₄}，这一电压信号在数值上满足均值为0，方差相等。

(2)随机扰动电压δu分别施加到偏振控制器的4个PZT压电晶体上，令压电晶体产生形变，从而改变对偏振控制器内光纤的应力，引起输出激光的模式变化。

(3)将输出激光的中心光强作为评价函数，每一次正向扰动后，中心光强的数学表达式可以写为J⁺＝J(u+δu)；然后对PZT压电晶体施加相同大小的反向电压-δu，取得负向扰动的输出激光的中心光强J^-＝J(u-δu)。

(4)计算两次扰动过程中的输出激光中心光强的变化量

(5)根据u^(k+1)＝u^(k)+γδu^(k)δJ^(k)更新控制参数，其中k为迭代次数，γ为迭代步长，u^(k+1)和u^(k)是前后两次迭代过程中对PZT晶体施加的基准电压。根据这一递推关系，最终输出激光的中心光强收敛到最大值，对应于LP01模式。

(6)根据u^(k+1)＝u^(k)-γδu^(k)δJ^(k)更新控制参数，最终输出激光的中心光强收敛到最小值，对应于LP11模式。

Claims (6)

1.一种多模光纤输出的光纤激光器模式控制系统，其特征在于，该系统包括：

种子激光器(1)、偏振控制器(2)、泵浦激光器(3)、合束器(4)、增益光纤(5)、泵浦光滤除器(6)、单模-多模光纤耦合器(7)、准直器(8)、第一高反射率镜片(9)、第二高反射率镜片(10)、光电探测器(11)、功率计(12)、红外相机(13)、信息处理器(14)；

所述种子激光器(1)的输出端与偏振控制器(2)的光输入口(21)连接，该挤压型偏振控制器(2)的光输出口(22)与合束器(4)的第一输入端相连，泵浦激光器(3)的输出端与合束器(4)的第二输入端相连，合束后的激光传输到增益光纤(5)中，对种子光进行放大；增益光纤(5)的输出端和泵浦光滤除器(6)相连接，滤掉残余的泵浦光，泵浦光滤除器(6)的输出端和单模-多模光纤耦合器(7)相连接，单模-多模光纤耦合器通过熔融拉锥的方式将单模光纤和多模光纤耦合，准直器(8)和单模-多模光纤耦合器(7)的多模光纤输出端熔接在一起，将光束输出到第一高反射率镜片(9)上，分束成较大功率的反射光和微弱功率的透射光；所述的光电探测器(11)在透射光中心位置取样，并将转化的电压信号传输至信息处理器(14)，作为SPGD算法的评价函数；

信息处理器(14)生成控制电压信号加载至偏振控制器(2)的PZT压电晶体，使压电晶体在电压的作用下发生形变，偏振控制器(2)的内置光纤受到不同程度的挤压应力，从而改变输出激光的横向模式占比；

第一高反射率镜片(9)的反射光入射到第二高反射率镜片(10)，微弱的透射光被红外相机(13)接收，用于观察输出激光模式的实时变化；反射的较大功率激光被功率计(12)接收，用于显示功率。

2.根据权利要求1所述的多模光纤输出的光纤激光器模式控制系统，其特征在于，还包括计算机(15)，用于编写搜索算法的程序代码，并经过通信系统将程序传输到信息处理器的芯片上，使信息处理器能够产生相应的控制信号。

3.根据权利要求1所述的多模光纤输出的光纤激光器模式控制系统，其特征在于，所述的光电探测器将输出激光的中心光强转化为电压强度信号，发送到信息处理器(可编程逻辑器件(FPGA)或数字信号处理器(DSP))的接收端；信息处理器和计算机以通信接口和通信线相连接，在计算机软件上进行编程可以将算法程序烧写到信息处理器的芯片上，信息处理器执行算法的功能产生控制信号，并将其作用在挤压型偏振控制器的电反馈端，偏振控制器内部的PZT压电晶体由于电压的作用，改变对光纤的挤压应力，从而改变输出激光模式分布。

4.根据权利要求1所述的多模光纤输出的光纤激光器模式控制系统，其特征在于，所述的种子激光器为光纤放大器提供窄线宽或单频的光源，使其在增益光纤中得到放大。

5.根据权利要求1所述的多模光纤输出的光纤激光器模式控制系统，其特征在于，所述的偏振控制器：具有四个挤压方向成45°交错的PZT压电晶体和内置光纤，通过对晶体施加不同的电压信号来控制其对内置光纤的挤压应力，进而改变输出激光中各种模式占比。

6.根据权利要求1-5任一所述的多模光纤输出的光纤激光器模式控制系统的控制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)信息处理器生成随机扰动电压信号δu＝{δu₁，δu₂，δu₃，δu₄}，这一电压信号在数值上满足均值为0，方差相等；

(2)随机扰动电压δu分别施加到偏振控制器的4个压电晶体上，令压电晶体产生形变，从而改变对偏振控制器内光纤的应力，引起输出激光的模式变化；

(3)将输出激光的中心光强作为评价函数，每一次正向扰动后，中心光强的数学表达式写为J⁺＝J(u+δu)；然后对PZT压电晶体施加相同大小的反向电压-δu，取得负向扰动的输出激光的中心光强数学表达式写为J^-＝J(u-δu)；

(4)计算两次扰动过程中的输出激光中心光强的变化量

(5)根据u^(k+1)＝u^(k)+γδu^(k)δJ^(k)更新控制参数，其中k为迭代次数，γ为迭代步长，u^(k+1)和u^(k)是前后两次迭代过程中对PZT晶体施加的基准电压；根据这一递推关系，最终输出激光的中心光强收敛到最大值，对应于LP01模式；

(6)根据u^(k+1)＝u^(k)-γδu^(k)δJ^(k)更新控制参数，最终输出激光的中心光强收敛到最小值，对应于LP11模式。

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