CN114094429A - 一种基于受激拉曼散射的激光模式转换动态控制系统 - Google Patents

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陶汝茂
张春
谢亮华
李昊坤
楚秋慧
李敏
冯曦
沈本剑
温静
李富全
黄智蒙
李海
林宏奂
王建军
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Abstract

本发明公开了一种基于受激拉曼散射的激光模式转换动态控制系统，该控制系统包括：种子源模块、功率放大模块、输出模块和控制模块，种子源模块、功率放大模块和输出模块按顺序依次连接，控制模块分别与种子源模块、功率放大模块和输出模块连接。种子源模块包括信号种子光、拉曼种子光及波分复用器。本发明提供的基于受激拉曼散射的激光模式转换动态控制系统不依赖于任何额外的模式转换器件就可实现激光模式转换，结构更为简洁，系统搭建成本更低；其次，该控制系统对受激拉曼散射效应强度响应灵敏，在一个较低的受激拉曼散射效应强度下就可以实现激光模式转换，能量利用率高，该激光模式转换动态控制系统可用于任意激光系统。

Description

一种基于受激拉曼散射的激光模式转换动态控制系统
技术领域
本发明属于激光器领域，尤其涉及一种基于受激拉曼散射的激光模式转换动态控制系统。
背景技术
光纤激光加工由于具有效率高、精度高、集成度高以及无需后续加工等显著优势，目前已经被广泛应用，尤其在材料切割、焊接等高精度工业加工领域。虽然光纤激光在加工应用中具有以上显著优势，但在加工过程中，由于激光能量密度较高，容易导致被加工材料发生强烈蒸发，熔池剧烈波动而引起加工材料受热飞溅，飞溅产生的颗粒物附着在熔池及工件表面，使被加工件表面粗糙度，光学介质的表面污染，严重时会导致器件返工以及光学元器件的损毁，甚至会造成人身及财产安全，因此需要对光纤激光系统输出的激光进行调整，最常见的办法就是通过激光模式转换来改变输出激光光斑的能量分布，进而实现被加工材料飞溅的抑制。
目前能够实现光纤激光系统激光模式转换的系统主要有两种，即空间匹配型模式转换系统和全光纤模式转换系统，其中空间匹配型模式转换系统主要利用基于轨迹液晶的空间光调制器和空间位相盘等器件实现对自由空间光场的位相调制，从而实现激光模式转化，然而空间匹配型模式转换系统需要利用光学元器件对激光光场进行调控，以及将激光耦合进光纤，由于模式转换中激光耦合难度很高、且能量损耗较大，因此空间匹配型模式转系统的抗干扰能力较弱；全光纤模式转换系统主要通过光纤光栅、模式选择耦合器、光子灯笼以及复合结构光纤等模式转换器件实现激光模式的转换，然而全光纤模式转换系统由于是基于模式转换器件进行模式转换，因此需要对其结构进行特殊设计，并需要制备专用的光纤器件，这无疑增大了全光纤型模式转换系统的研发难度以及制造的工艺难度。
因此，为了更好的实现光纤激光系统中光纤模式的转化，本专利提出了一种激光模式转换动态控制系统。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种基于受激拉曼散射的激光模式转换动态控制系统，所述控制系统包括：种子源模块、功率放大模块、输出模块和控制模块，所述种子源模块、功率放大模块和输出模块按顺序依次连接，所述控制模块分别与种子源模块、功率放大模块和输出模块连接；所述种子源模块包括信号种子光、拉曼种子光及波分复用器，所述信号种子光、拉曼种子光输入进波分复用器中。
优选的，所述控制模块包括信号接收器、信号处理器和信号发射器。
本发明的有益效果是：本发明提供的基于受激拉曼散射的激光模式转换动态控制系统的输出光斑，其能量分布仅取决于受激拉曼散射效应的强弱，因此该系统可以根据激光加工状态需求实时改变输出光斑能量分布，而不依赖于任何额外的模式转换器件，由于不依赖于模式转换器，其结构更为简洁，系统搭建成本更低；其次，该控制系统对受激拉曼散射效应强度响应灵敏，在一个较低的受激拉曼散射效应强度下就可以实现基模光束至环形光束的准静态转换，能量利用率高。
附图说明
图1为本发明的基于受激拉曼散射的激光模式转换动态控制系统的结构示意图；
图中：1.种子源模块 2.功率放大模块 3.输出模块 4.控制模块 11.信号种子光12.拉曼种子光 13.波分复用器。
具体实施方式
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
一种如图1所示的基于受激拉曼散射的激光模式转换动态控制系统，所述控制系统包括：种子源模块1、功率放大模块2、输出模块3和控制模块4，所述种子源模块1、功率放大模块2和输出模块3按顺序依次连接，所述控制模块4分别与种子源模块1、功率放大模块2和输出模块3连接；所述种子源模块1包括信号种子光11、拉曼种子光12及波分复用器13，所述信号种子光11、拉曼种子光12输入进波分复用器13中，经过波分复用器13的光将耦合进功率放大模块2进行放大后输出。
上述功率放大模块2由泵浦源及增益光纤构成，输出模块3在输出激光的同时将反馈信号(输出激光的光斑形貌分布)传递至控制模块4中；控制模块4包括信号接收器、信号处理器和信号发射器，其中信号接收器接收反馈信号或外部信号，并将信号传递至处理器，处理器分析信号后，通过发射器将泵浦电源调制信号施加至种子源模块和功率放大模块，进而通过调控种子源模块中种子/拉曼光功率占比、种子光功率，功率放大模块中前后向泵浦功率配比、泵浦功率等方式实现受激拉曼散射效应强度的动态调控。
本发明的基于受激拉曼散射的激光模式转换动态控制系统进行激光模式转换的原理如下：通过调控种子源模块中种子/拉曼光功率占比、种子光功率，功率放大模块中前后向泵浦功率配比、泵浦功率等方式实现受激拉曼散射效应强度动态调控，随着受激拉曼散射效应强度的增强，由于纤芯泵浦拉曼效应，光线激光系统输出的光斑逐渐从基模高斯光束退化为平顶超高斯光束、空心环形光束，从而实现模式转化，且这种转换对受激拉曼散射效应强度响应灵敏，在一个较低的受激拉曼散射效应强度下就可以实现基模光束至环形光束的准静态转换，能量利用率高，此外，进一步增强受激拉曼散射效应强度，可以激发热致模式不稳定，输出光斑会呈现kHz量级的动态模式转换，从而实现对输出光斑时域特性的动态调节。当受激拉曼散射效应较弱时，模式转换的机制是纤芯泵浦的拉曼效应，此时可实现准静态模式转换，转换发生后，输出光斑的形貌可以一直维持；当受激拉曼散射效应进一步增强时，导致转换的机制是热致折射率光栅，此时输出光斑在基模光束与环形光束之间以kHz量级的频率动态转换，输出光斑的能量分布更为均匀。

Claims (2)

1.一种基于受激拉曼散射的激光模式转换动态控制系统，其特征在于，所述控制系统包括：种子源模块、功率放大模块、输出模块和控制模块，所述种子源模块、功率放大模块和输出模块按顺序依次连接，所述控制模块分别与种子源模块、功率放大模块和输出模块连接；所述种子源模块包括信号种子光、拉曼种子光及波分复用器，所述信号种子光和拉曼种子光共同输入波分复用器中。
2.根据权利要求1所述的基于受激拉曼散射的激光模式转换动态控制系统，其特征在于，所述控制模块包括信号接收器、信号处理器和信号发射器。
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