CN116539279B - 一种包层泵浦光吸收系数的测量系统及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种包层泵浦光吸收系数的测量系统及测量方法，测试系统包括宽带光源；第一无芯光纤，所述第一无芯光纤用于将宽带光源输出的激光转化为平顶光并将平顶光输入被测光纤中；以及光谱分析仪，所述光谱分析仪用于接收被测光纤输出的剩余泵浦光；测试方法包括以下步骤：S01、被测件连接；S02、一次测量；S03、被测光纤截断；S04、二次测量；S05、吸收系数计算；通过设置第一无芯光纤，只需要保证第一无芯光纤的内包层直径、内包层数值孔径与被测光纤的内包层直径、内包层数值孔径相同，并且测量时只需要截断一次被测光纤并且每次截断只需要测量一个数值，简化了测量过程。
Description
技术领域
本发明涉及泵浦光吸收系数测量的技术领域，更具体的说，它涉及一种包层泵浦光吸收系数的测量系统及测量方法。
背景技术
光纤激光器的工作机理是由一个或多个高功率激光二极管发出的泵浦光耦合进入作为增益介质的掺稀土元素光纤，被掺杂光纤介质吸收，形成粒子数反转，受激发射的光波经谐振腔镜的反馈和振荡形成激光输出。泵浦光耦合进入增益光纤为其中重要的一环。与传统的单模光纤相比，双包层光纤通过设计光纤结构和选择合适的材料，在掺稀土离子的纤芯外面形成一个可以传输多模泵浦光的通道——内包层。其横向尺寸和数值孔径都比纤芯大得多，但折射率比纤芯小，使得多模半导体泵浦激光以斜射的方式进入尺寸较大的内包层，在内包层中传输时以折线的方式不断穿越纤芯，同时被其中的掺杂的稀土离子吸收，而在纤芯中形成激光振荡，产生的激光沿纤芯传播。通过这种技术，极大地提高了耦合效率和泵浦效率，为光纤激光器输出功率的提升作出了重大贡献。
因此，光纤对包层泵浦光的吸收系数，是光功率传输过程中的一个重要的度量参数，其决定了激光系统中所需的增益光纤长度，从而与激光器运行过程中的非线性效应等现象的抑制密切相关，直接决定了激光器的转换效率和输出功率，是优化光纤系统的重要基础。同时，对包层吸收系数的精确测量，有利于不断完善光纤预制棒的制备，实现更高性能光纤的拉制, 对光纤、光纤器件和光纤系统的设计及使用者，都起着十分重要的作用。
理论上光纤的包层吸收只与光纤材料性质、掺杂离子的吸收波长、光纤内包层结构等本征因素有关，但采用现有的测试方法，即使是同一根光纤，测试结果也具有较大差距，测试条件的不同会对其产生极大的影响。主要原因是实际上在泵浦光传输过程中，不是所有的光都能经过纤芯，当泵浦光入射到内包层后，很多模式在纤芯区域没有功率分布，产生了“螺旋效应”，这些没有被吸收的螺旋光会残余在包层中由被测光纤输出。因此，如果光纤测试长度选取过长，在光纤靠后段的长度上只有不被吸收的螺旋光，则会造成吸收系数测试值偏小；当光纤长度选取过短，光纤内模式未稳定也可能导致吸收系数测试值偏大；当光纤本身具有一定的弯曲，会改变部分螺旋光的反射角使其被吸收，同样会使吸收测试值偏大；另外，有源光纤本身的应力和温度等状态也会产生模式扰动现象，导致包层吸收在沿光纤传输方向呈不稳定性，测试结果的误差会随光纤长度的增长而变大，且这种现象对于吸收截面较大的波长更为明显。这些因素都导致了包层泵浦光吸收系数测量的不准确性。
现有技术当中，申请号为201710523874.9的中国发明专利当中公开了一种测试双包层增益光纤泵浦吸收系数的方法，其中应用到了光纤合束器和高反光栅，消除了ASE（放大自发辐射）光源对测试结果的影响，但需要与待测光纤相同纤芯直径/数值孔径、内包层直径/数值孔径的高反光栅进行匹配以排除熔点的影响，在测量不同尺寸的待测光纤时成本较高，且测量过程中需要将光纤由长到短，不同长度下取值，且每个长度下测量不同功率下的值，过程复杂。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种包层泵浦光吸收系数的测量系统，其通过设置第一无芯光纤，只需要保证第一无芯光纤的内包层直径、内包层数值孔径与被测光纤的内包层直径、内包层数值孔径相同，并且测量时只需要截断一次被测光纤并且每次截断只需要测量一个数值，简化了测量过程。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种包层泵浦光吸收系数的测量系统，依次包括宽带光源、被测光纤以及光谱分析仪，宽带光源与被测光纤之间连接有第一无芯光纤，且第一无芯光纤的内包层直径、内包层数值孔径与被测光纤的内包层直径、内包层数值孔径相同，所述光谱分析仪用于接收被测光纤输出的剩余泵浦光。
本发明进一步设置为：所述第一无芯光纤盘绕为半径小于2.5cm的线圈。
本发明进一步设置为：还包括第二无芯光纤，所述第二无芯光纤设置在被测光纤与光谱分析仪之间。
本发明进一步设置为：还包括光纤适配组件，所述光纤适配组件用于将宽带光源与第一无芯光纤连接，将第二无芯光纤与光谱分析仪连接。
本发明进一步设置为：所述光纤适配组件包括第一光纤适配器、第二光纤适配器、设置在第一光纤适配器和第二光纤适配器之间的法兰盘以及第三光纤适配器；
第一光纤适配器与宽带光源连接，第二光纤适配器与第一无芯光纤连接，第三光纤适配器分别连接第二无芯光纤和光谱分析仪。
本发明进一步设置为：所述第一无芯光纤和所述第二无芯光纤与被测光纤通过光纤熔接机熔接在一起。
本发明的另一目的在于提供一种包层泵浦光吸收系数的测量方法，包括以下步骤：
S01、被测件连接，将被测光纤的两端分别与第一无芯光纤和第二无芯光纤熔接在一起；
S02、一次测量，打开宽带光源和光谱分析仪，通过光谱分析仪测得经过被测光纤的光谱曲线f1（λ）；
S03、被测光纤截断，截断被测光纤形成断点，测量截下的光纤长度为L（m），将断点与第二无芯光纤熔接；
S04、二次测量，打开宽带光源和光谱分析仪，通过光谱分析仪测得经过被测光纤的光谱曲线f2（λ）；
S05、吸收系数计算，α（λ）=（f2（λ）- f1（λ））/L；其中，α（λ）为吸收系数。
本发明进一步设置为：所述步骤S01和步骤S03中，被测光纤与第一无芯光纤和第二无芯光纤连接后，被测光纤保持不弯曲，或，弯曲半径大于35cm。
本发明进一步设置为：所述步骤S03中，截断后剩余的被测光纤的长度为1m。
本发明进一步设置为：测试过程中，测试系统固定在测试平台上，以使测试过程中各部件不会产生移动。
综上所述，本发明相比于现有技术具有以下有益效果：本发明通过设置第一无芯光纤，只需要保证第一无芯光纤的内包层直径、内包层数值孔径与被测光纤的内包层直径、内包层数值孔径相同，并且测量时只需要截断一次被测光纤并且每次截断只需要测量一个数值，简化了测量过程。
附图说明
图1为实施例一的测量系统的示意图；
图2为宽带光源的单模通信光纤的输出光斑；
图3为宽带光源注入不同弯曲半径的第一无芯光纤后的输出光斑；
图4为对比例测得的吸收系数；
图5为实验例测得的吸收系数。
图中：10、宽带光源；20、第一光纤适配器；30、法兰盘；40、第二光纤适配器；50、第一无芯光纤；60、被测光纤；70、第二无芯光纤；80、第三光纤适配器；90、光谱分析仪。
具体实施方式
为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。此外，以下实施例中提到的方向用词，例如“上”“下”“左”“右”等仅是参考附图的方向，因此，使用的方向用词是用来说明而非限制本发明创造。
下面结合附图和较佳的实施例对本发明作进一步说明。
实施例一：如图1所示，一种包层泵浦光吸收系数的测量系统，包括宽带光源10、用于将宽带光源10输出的激光转化为平顶光并将平顶光输入被测光纤60中的第一无芯光纤50、用于接收被测光纤60输出的剩余泵浦光的光谱分析仪90。第一无芯光纤50的内包层直径、内包层数值孔径与被测光纤60的内包层直径、内包层数值孔径相同。
采用宽带光源10代替传统的泵浦光源，能够在同一时间内获取多个典型泵浦波长上的吸收系数，从而能够为光纤制备、激光器集成等提供迅速有效的数据反馈。
值得说明的是，视测量目的不同，如测量单一波长上的吸收系数或获得吸收谱，宽带光源10可以更换为白光光源、卤素灯、普通泵浦LD等光源。
具体的，本实施例当中，第一无芯光纤50盘绕为半径小于2.5cm的线圈。现有技术当中，宽带光源10的尾纤一般采用单模通信光纤，其输出光斑集中在纤芯且光束质量近衍射极限，如图2所示，直接注入双包层光纤的包层中，能够激发的包层模式很少，想要准确地测试吸收系数，需要激发尽可能多的模式，模拟双包层有源光纤在光纤激光器中的实际应用情形。在某些实施例当中，采用单模光纤的激光注入，将双包层有源光纤进行盘绕，经过较长的距离，能够达到充分的扰模效果，这种方式为“边扰模边吸收”，这种方式会使得吸收系数测量结构极大的受有源光纤盘绕半径和长度的影响，导致测量可信度较低。本实施例当中，将双包层有源光纤（也就是待测光纤）平直放置或弯曲半径较大（此处的弯曲半径较大指的是弯曲半径大于35cm），使得待测光纤内扰模效果忽略不计，而在待测光纤之前对测试激光进行充分扰模，实现“先扰模后吸收”，则可解决“边扰模边吸收”方式的最大弊端。本实施例当中，选用无芯光纤对测试激光进行充分扰模，无芯光纤作为一种特殊的多模光纤，其涂覆层为低折材料，故激光在无芯光纤内沿裸纤-涂覆层界面全反射传输。在被测光纤60钱连接一端与被测光纤60具有相同包层直径和数值孔径的第一无芯光纤50，那么第一无芯光纤50等效为无纤芯的被测光纤60，第一无芯光纤50的包层直径远大于单模光纤纤芯的直径，通过对第一无芯光纤50进行弯曲扰模，当光有宽带光源10注入到第一无芯光纤50，即能够激发多种模式，达到模拟实际使用场景下的LD多模泵浦光满注入的效果。
具体的，本实施例当中第一无芯光纤50的长度设置1m，将宽带光源10的单模光纤连接长度为1m不同的弯曲半径的第一无芯光纤50，其输出光斑如图3所示，可以看出，弯曲半径在2.5cm时，输出光斑已基本形成多模平顶光，弯曲半径越小越均匀。
本实施例当中，在进行吸收系数测量的时候，需要在被测光纤60完成第一次测量之后，将被测光纤60截断，将截断后剩余的被测光纤60进行第二次测量，综合两次测量的结果，最终得到吸收系数。本申请中，由于被测光纤60横截面内纤芯面积比例远小于内包层面积比例，故注入到被测光纤60纤芯中的测试激光在很短的距离内就被完全吸收，此距离远小于被测光纤60截断前、后的光纤长度，因此，纤芯吸收对测试结果的影响可忽略不计。
具体的，本实施例还包括第二无芯光纤70，第二无芯光纤70设置在被测光纤60与光谱分析仪90之间。本实施例还包括光纤适配组件，所述光纤适配组件用于将宽带光源10与第一无芯光纤50连接，将第二无芯光纤70与光谱分析仪90连接。光纤适配组件包括第一光纤适配器20、第二光纤适配器40、设置在第一光纤适配器20和第二光纤适配器40之间的法兰盘30以及第三光纤适配器80；第一光纤适配器20与宽带光源10连接，也就是第一光纤适配器20与宽带光源10上的单模光纤连接，第二光纤适配器40与第一无芯光纤50连接，第三光纤适配器80与第二无芯光纤70和光谱分析仪90连接。
值得说明的是，第一光纤适配器20和第二光纤适配器40可以更换为直接连接宽带光源10与第一无芯光纤50的单个光纤适配器。
通过第二无芯光纤70的设置，使得剩余泵浦光完全收集到第二无芯光纤70当中，然后通过第三光纤适配器80低损耗耦合入光谱分析仪90当中。
值得说明的是，第二无芯光纤70可以换成与被测光纤60相同纤芯直径/数值孔径、内包层直径/数值孔径的无源光纤。或者不使用第二无芯光纤70，将光谱分析仪90替换为功率计。
本实施例当中，被测光纤60的两端通过光纤熔接机分别与第一无芯光纤50和第二无芯光纤70熔接在一起。在进行第一次测试的时候，被测光纤60与第一无芯光纤50和第二无芯光纤70连接处分别为熔接点1和熔接点2，在第二次测试前进行被测光纤60裁断的时候，将熔接点2裁断，然后将部分被测光纤60裁断下，使得剩余的被测光纤60的长度为1m，然后将被测光纤60再次与第二无芯光纤70熔接在一起，此时的熔接点为熔接点3。裁断前被测光纤60的长度为L1，裁断后被测光纤60的长度为L2，裁断下的长度为L。
实施例二：一种包层泵浦光吸收系数的测量方法，包括以下步骤：
S01、被测件连接，将被测光纤60的两端分别与第一无芯光纤50和第二无芯光纤70熔接在一起；
S02、一次测量，打开宽带光源10和光谱分析仪90，通过光谱分析仪90测得经过被测光纤60的光谱曲线f1（λ）；
S03、被测光纤60截断，截断被测光纤60形成断点，测量截下的光纤长度为L（m），将断点与第二无芯光纤70熔接；
S04、二次测量，打开宽带光源10和光谱分析仪90，通过光谱分析仪90测得经过被测光纤60的光谱曲线f2（λ）；
S05、吸收系数计算，α（λ）=（f2（λ）- f1（λ））/L；其中，α（λ）为吸收系数。
具体的，步骤S01和步骤S03中，被测光纤60与第一无芯光纤50和第二无芯光纤70连接后，被测光纤60保持不弯曲，或，弯曲半径大于35cm，第一无芯光纤50盘绕为半径小于2.5cm的线圈。
具体的，步骤S03中，截断后剩余的被测光纤60的长度为1m。
在整个的测试过程当中，测试系统的各个部件固定在一测试平台上，也就是说，宽带光源10、第一光适配器、法兰盘30、第二光适配器、第一无芯光纤50、第二无芯光纤70、第三光适配器以及光谱分析仪90都固定在测试平台上。
以美国Nufern公司生产的LMA-YDF-20/400商用光纤作为参考依据。
对比例：该对比例与实施例一、实施例二不同的是，被测光纤60的弯曲半径小于35cm，同时，第一无芯光纤50盘绕为半径大于2.5cm的线圈，试验结果如图4所示，其中横虚线为Nufern公司提供的915nm波长处包层吸收系数数据。可以看出，不同的测试长度和光纤弯曲半径对泵浦光吸收系数影响很大，且未能找到一个与标称值吻合的长度和弯曲半径。
实验例：使用实施例二中记载的测量方法进行测量，取长度3-6m的待测光纤进行测量；测试结果如图5所示，测试结果明显稳定且与标称值较为一致，另外，使用实施例二中记载的测量方法，可以通过一次测试流程就将多个波长处的包层吸收系数同时测试出来。
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。应当指出，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前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种包层泵浦光吸收系数的测量系统，其特征在于：依次包括宽带光源(10)、被测光纤(60)以及光谱分析仪(90)，宽带光源(10)与被测光纤(60)之间连接有第一无芯光纤(50)，且第一无芯光纤(50)的内包层直径、内包层数值孔径与被测光纤(60)的内包层直径、内包层数值孔径相同，所述光谱分析仪(90)用于接收被测光纤(60)输出的剩余泵浦光；
还包括第二无芯光纤(70)，所述第二无芯光纤(70)设置在被测光纤(60)与光谱分析仪(90)之间，所述第一无芯光纤(50)盘绕为半径小于2.5cm的线圈，被测光纤(60)与第一无芯光纤(50)和第二无芯光纤(70)连接后，被测光纤(60)保持不弯曲，或，弯曲半径大于35cm。
2.根据权利要求1所述的一种包层泵浦光吸收系数的测量系统，其特征在于：还包括光纤适配组件，所述光纤适配组件用于将宽带光源(10)与第一无芯光纤(50)连接，以及将第二无芯光纤(70)与光谱分析仪(90)连接。
3.根据权利要求2所述的一种包层泵浦光吸收系数的测量系统，其特征在于：所述光纤适配组件包括第一光纤适配器(20)、第二光纤适配器(40)、设置在第一光纤适配器(20)和第二光纤适配器(40)之间的法兰盘(30)以及第三光纤适配器(80)；
第一光纤适配器(20)与宽带光源(10)连接，第二光纤适配器(40)与第一无芯光纤(50)连接，第三光纤适配器(80)分别连接第二无芯光纤(70)和光谱分析仪(90)。
4.根据权利要求1所述的一种包层泵浦光吸收系数的测量系统，其特征在于：所述第一无芯光纤(50)和所述第二无芯光纤(70)与被测光纤(60)通过光纤熔接机熔接在一起。
5.一种包层泵浦光吸收系数的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
S01、被测件连接，将被测光纤(60)的两端分别与第一无芯光纤(50)和第二无芯光纤(70)熔接在一起；
S02、一次测量，打开宽带光源(10)和光谱分析仪(90)，通过光谱分析仪(90)测得经过被测光纤(60)的光谱曲线f1（λ）；
S03、被测光纤(60)截断，截断被测光纤(60)形成断点，测量截下的光纤长度为L（m），将断点与第二无芯光纤(70)熔接；
S04、二次测量，打开宽带光源(10)和光谱分析仪(90)，通过光谱分析仪(90)测得经过被测光纤(60)的光谱曲线f2（λ）；
S05、吸收系数计算，α（λ）=（f2（λ）- f1（λ））/L；其中，α（λ）为吸收系数；
其中，步骤S01和步骤S03中，被测光纤（60）与第一无芯光纤（50）和第二无芯光纤（70）连接后，被测光纤（60）保持不弯曲，或，弯曲半径大于35cm，第一无芯光纤（50）盘绕为半径小于2.5cm的线圈。
6.根据权利要求5所述的一种包层泵浦光吸收系数的测量方法，其特征在于：所述步骤S03中，截断后剩余的被测光纤(60)的长度为1m。
7.根据权利要求5所述的一种包层泵浦光吸收系数的测量方法，其特征在于：测试过程中，测试系统固定在测试平台上，以使测试过程中各部件不会产生移动。
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