CN208401248U - 具备高模式不稳定阈值的大功率光纤激光放大器系统 - Google Patents

Abstract

具备高模式不稳定阈值的大功率光纤激光放大器系统，包括线偏振主振荡器、准直透镜组、λ/4玻片、λ/2玻片、聚焦透镜组、高功率主放大器、扩束准直系统、高反镜、功率接收器、分束器、光电信号转换显示模块、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

具备高模式不稳定阈值的大功率光纤激光放大器系统

技术领域

本实用新型属于强激光技术领域，特别是涉及一种具备高模式不稳定阈值的大功率光纤激光放大器系统。

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。

实用新型内容

针对现有技术存在的缺陷，本实用新型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，提供一种具备高模式不稳定阈值的大功率光纤激光放大器系统，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，本实用新型的技术方案是：

具备高模式不稳定阈值的大功率光纤激光放大器系统，在大功率光纤激光放大器中引入由λ/4玻片和λ/2玻片组成的偏振调控系统。通过在大功率光纤激光放大器中引入由λ/4玻片和λ/2玻片组成偏振调控系统，利用λ/4玻片和λ/2玻片实现线偏振光纤激光的偏振调控，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。

具体地，具备高模式不稳定阈值的大功率光纤激光放大器系统包括线偏振主振荡器、准直透镜组、λ/4玻片、λ/2玻片、聚焦透镜组、高功率主放大器、扩束准直系统、高反镜、功率接收器、分束器、光电信号转换显示模块、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经过准直透镜组准直输出后先后入射到λ/4玻片和λ/2玻片。经过λ/4玻片和λ/2玻片后的激光束经聚焦透镜组耦合进高功率主放大器进行功率放大。经高功率主放大器放大后的激光束通过扩束准直系统准直输出到自由空间。准直输出的光束入射到高反镜，绝大部分光束经高反镜反射出来，这部分反射光被功率接收器接收，一小部分光束经高反镜透射出来，这部分透射光被分束器分为两束，其中经分束器反射出的反射光入射到光电信号转换显示模块，经分束器透射出的透射光注入到光束质量测量仪。光电信号转换显示模块将光信号转换为电信号，并将时域和频域信号显示在终端，用以观察模式不稳定效应发生的阈值。光束质量测量仪用以观察模式不稳定效应发生前后大功率光纤激光系统的光束质量变化并输出检测到的光束质量测量值。

本实用新型中：利用λ/4玻片和λ/2玻片实现线偏振光纤激光的偏振调控；通过旋转λ/4玻片以及λ/2玻片其主轴的角度，可以将入射的线偏振光纤激光的偏振态调控为期望的偏振分布。

本实用新型中：还包括线偏振级联光纤预放大系统，从线偏振主振荡器输出的线偏振光纤激光首先入射到过线偏振级联光纤预放大系统进行功率预放大，功率预放大后的线偏振激光入射到准直透镜组实现准直输出。若线偏振主振荡器产生的激光功率经过聚焦透镜组已可以满足高功率主放大器的放大需要，则线偏振级联光纤预放大系统可以省去。

本实用新型中：

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。

本实用新型所述的线偏振级联光纤预放大系统实现注入线偏振光纤激光的预放大。线偏振级联光纤预放大系统的级数不限，可以是单级线偏振光纤预放大器，也可以是多级线偏振光纤预放大器。

本实用新型所述的准直透镜组将线偏振级联光纤预放大系统输出的激光准直输出到自由空间；准直透镜组一般由一个或多个光学透镜组成，光学透镜的焦距不限，具体根据线偏振级联光纤预放大系统输出光纤的纤芯尺寸和准直后的光斑尺寸确定；光学透镜的材料不限，可以是K9、熔石英等光学晶体材料。

本实用新型所述的λ/4玻片实现入射激光两个偏振正交方向(玻片的快慢轴)的π/2相移，其构成材料可有多种选择(单轴光学晶体材料、液晶等)；

本实用新型所述的λ/2玻片实现入射激光两个偏振正交方向(玻片的快慢轴)的π相移，其构成材料可有多种选择(单轴光学晶体材料、液晶等)；

本实用新型所述的聚焦透镜组将经过λ/2玻片的激光聚焦到高功率主放大器的输入光纤中；聚焦透镜组一般由一个或多个光学透镜组成，光学透镜的焦距不限，具体根据高功率主放大器输入光纤的纤芯尺寸和入射光斑尺寸确定；光学透镜的材料不限，可以是K9、熔石英等光学晶体材料。

本实用新型所述的高功率主放大器实现入射激光功率的最终放大，主放大器由泵浦源、信号-泵浦合束器、掺杂光纤等部分组成。主放大器的输入光纤一般为信号-泵浦合束器的信号臂，泵浦源通过信号-泵浦合束器的泵浦臂耦合进掺杂光纤，泵浦掺杂光纤实现大功率光纤激光输出。

本实用新型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。

本实用新型所述的高反镜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。

本实用新型所述的功率接收器用于接收高反镜反射的主激光束，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。

本实用新型所述的分束器实现方式多样，可以是白片(反射率4％)、楔形镜、固定分束比的分束镜等，分束器的构成材料不限，可以是熔石英、K9、ZnSe、CaF2等。

本实用新型所述的光电信号转换显示模块一般由光电探测器和示波器组成，其将入射的光信号转换为电信号，并将电信号(激光的时域信号和频域信号)显示在外部终端，用以观察模式不稳定效应发生的阈值。随着输出功率的提升，当模式不稳定效应发生时，输出激光的时域信号会出现明显的不稳定和时域起伏，而输出激光的频域信号会在2kHz附近产生明显的特征频率。

本实用新型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，观察模式不稳定效应发生前后大功率光纤激光系统的光束质量变化。由于模式不稳定效应发生后会产生基模和高阶模式之间的动态耦合，因此势必会引起光束质量的退化。此外，通过结合光电信号转换显示模块输出的时域信号、频域信号以及光束质量测量仪检测的光束质量测量值，可以选择λ/4玻片2-4和λ/2玻片2-5最佳的旋转角度，完成系统优化。

本实用新型实现模式不稳定效应抑制的原理如下所述：

由于大模场双包层增益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，本实用新型能够产生以下技术效果：

1、本实用新型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，本实用新型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、本实用新型具备通用性：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、本实用新型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、本实用新型中所使用的功率接收器、分束器等器件实现方式多样，透镜、λ/4玻片、λ/2玻片、高反镜等器件材料选取多样。

附图说明

图1为本实用新型的系统结构原理示意图。

图中包括：

线偏振主振荡器1-1、线偏振级联光纤预放大系统1-2、准直透镜组1-3、λ/4玻片1-4、λ/2玻片1-5、聚焦透镜组1-6、高功率主放大器1-7、扩束准直系统1-8、高反镜1-9、功率接收器1-10、分束器1-11、光电信号转换显示模块1-12、光束质量测量仪1-13。

具体实施方式

图1为本实用新型一具体实施例的结构示意图，具备高模式不稳定阈值的大功率光纤激光放大器系统包括：线偏振主振荡器1-1、线偏振级联光纤预放大系统1-2、准直透镜组1-3、λ/4玻片1-4、λ/2玻片1-5、聚焦透镜组1-6、高功率主放大器1-7、扩束准直系统1-8、高反镜1-9、功率接收器1-10、分束器1-11、光电信号转换显示模块1-12、光束质量测量仪1-13。

从线偏振主振荡器1-1输出的激光首先经过线偏振级联光纤预放大系统1-2进行功率预放大。线偏振级联光纤预放大系统1-2的级数不限，可以是单级线偏振光纤预放大器，也可以是多级线偏振光纤预放大器。经线偏振级联光纤预放大系统1-2预放大后的线偏振激光经过准直透镜组1-3后入射到λ/4玻片1-4。从λ/4玻片1-4输出的光束注入到λ/2玻片1-5。通过旋转λ/4玻片1-4和λ/2玻片1-5主轴的角度，可以将入射线偏振激光的偏振态调控为任意偏振分布。经过λ/4玻片1-4和λ/2玻片1-5偏振调控后的激光束经聚焦透镜组1-6耦合进高功率主放大器1-7进行最终功率放大。若线偏振主振荡器1-1产生的激光功率经过聚焦透镜组1-6已可以满足高功率主放大器1-7的放大需要，则线偏振级联光纤预放大系统1-2可以省去。经高功率主放大器1-7放大后的激光通过扩束准直系统1-8准直输出到自由空间。准直输出的光束经过高反镜1-9后，绝大部分反射光被功率接收器1-10接收，一小部分透射光被分束器1-11分为两束。经分束器1-11后的反射光入射到光电信号转换显示模块1-12。光电信号转换显示模块1-12一般由光电探测器和示波器构成。光电信号转换显示模块1-12将光信号转换为电信号，并将时域和频域信号显示在输出终端，用以观察模式不稳定发生的阈值。随着输出功率的提升，当模式不稳定发生时，输出激光的时域信号会出现明显的不稳定和时域起伏，而输出激光的频域信号会在2kHz附近产生明显的特征频率。经分束器1-11后的透射光注入到光束质量测量仪1-13，用以观察模式不稳定发生前后大功率光纤激光系统的光束质量变化。由于模式不稳定发生后会产生基模和高阶模式之间的动态耦合，因此势必会引起光束质量的退化。此外，通过结合光电信号转换显示模块1-12输出的时域信号、频域信号以及光束质量测量仪1-13检测的光束质量测量值，可以选择λ/4玻片1-4和λ/2玻片1-5最佳的旋转角度，完成系统优化。

以上所述仅为本实用新型的优选的实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.具备高模式不稳定阈值的大功率光纤激光放大器系统，其特征在于：包括线偏振主振荡器、准直透镜组、λ/4玻片、λ/2玻片、聚焦透镜组、高功率主放大器、扩束准直系统、高反镜、功率接收器、分束器、光电信号转换显示模块、光束质量测量仪，其中λ/4玻片和λ/2玻片组成偏振调控系统；

从线偏振主振荡器输出的线偏振光纤激光经过准直透镜组准直输出后先后入射到λ/4玻片和λ/2玻片；经过λ/4玻片和λ/2玻片后的激光束经聚焦透镜组耦合进高功率主放大器进行功率放大；经高功率主放大器放大后的激光束通过扩束准直系统准直输出到自由空间；准直输出的光束入射到高反镜，绝大部分光束经高反镜反射出来，这部分反射光被功率接收器接收；一小部分光束经高反镜透射出来，这部分透射光被分束器分为两束，其中经分束器反射出的反射光入射到光电信号转换显示模块，经分束器透射出的透射光注入到光束质量测量仪。

2.根据权利要求1所述的具备高模式不稳定阈值的大功率光纤激光放大器系统，其特征在于：通过旋转λ/4玻片以及λ/2玻片其主轴的角度，能够将入射的线偏振光纤激光的偏振态调控为期望的偏振分布。

3.根据权利要求1或2所述的具备高模式不稳定阈值的大功率光纤激光放大器系统，其特征在于：还包括线偏振级联光纤预放大系统，从线偏振主振荡器输出的线偏振光纤激光首先入射到过线偏振级联光纤预放大系统进行功率预放大，功率预放大后的线偏振激光入射到准直透镜组实现准直输出。

4.根据权利要求3所述的具备高模式不稳定阈值的大功率光纤激光放大器系统，其特征在于：光电信号转换显示模块将光信号转换为电信号，并将时域和频域信号显示在终端，用以观察模式不稳定效应发生的阈值。

5.根据权利要求4所述的具备高模式不稳定阈值的大功率光纤激光放大器系统，其特征在于：光束质量测量仪用以观察模式不稳定效应发生前后大功率光纤激光系统的光束质量变化并输出检测到的光束质量测量值。

6.根据权利要求1所述的具备高模式不稳定阈值的大功率光纤激光放大器系统，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；

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。

7.根据权利要求1所述的具备高模式不稳定阈值的大功率光纤激光放大器系统，其特征在于：线偏振级联光纤预放大系统是单级线偏振光纤预放大器或者多级线偏振光纤预放大器。

8.根据权利要求1所述的具备高模式不稳定阈值的大功率光纤激光放大器系统，其特征在于：λ/4玻片实现入射激光两个偏振正交方向的π/2相移；λ/2玻片实现入射激光两个偏振正交方向的π相移。

9.根据权利要求6、7或8所述的具备高模式不稳定阈值的大功率光纤激光放大器系统，其特征在于：高反镜的反射率>99％，高反镜的材质为熔石英、K9、ZnSe或CaF2。