CN111969400B - 高功率光纤激光*** - Google Patents

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Abstract

高功率光纤激光***，包括种子源和光纤放大器，种子源和光纤放大器之间设置有光纤声致光栅。通过调节光纤声致光栅中射频信号源所发出射频信号的频率进而调控***的输出模式，进而实现横向模式不稳定性的抑制。本发明将光纤声致光栅应用于高功率光纤激光器的横向模式不稳定性的抑制，能够实现对横向模式不稳定性阈值的提高，以及实现对横向模式不稳定性出现后输出光束质量的优化。同时，该方案不仅实现了***的全光纤化，***的复杂度也大幅降低。

Description

高功率光纤激光***
技术领域
本发明属于光纤激光器技术领域，具体地涉及一种高功率光纤激光***。
背景技术
光纤激光器是指一种以光纤作为增益介质的激光器，相比于其他类型的激光器，具有效率高、结构紧凑、免维护、热管理方便和光束质量好等突出优势。随着高功率光纤激光器(High-Power Fiber Laser，HPFL)日趋成熟，高功率光纤激光器已开始广泛应用于医疗、工业加工以及国防等诸多领域。需要特别指出的是，高光束质量的高功率光纤激光器在激光切割、定向能武器等方面具有巨大的应用前景，而且这些应用对高光束质量HPFL输出功率的要求不断提高。
光纤的非线性效应被认为是限制高光束质量HPFL功率提升的主要制约因素之一。通过增大纤芯直径增加模场面积，即采用大模场光纤，可以有效抑制非线性效应。目前千瓦输出的HPFL均基于大模场光纤。为了提高非线性阈值而增大大模场光纤的纤芯直径将不可避免地引起纤芯中模式数量的增加。当HPFL的输出功率达到一定水平，HPFL的输出光斑将出现剧烈波动，光束质量随之急剧恶化，甚至可能引起输出功率下降，这就是所谓的横向模式不稳定性(Transverse Mode Instability,TMI)现象。由于横向模式不稳定性(TMI)出现后***的光束质量急剧恶化，TMI被认为是限制高光束质量HPFL功率提升的又一主要制约因素。此外，TMI的阈值随着纤芯尺寸的增大而减小，为了抑制非线性效应而增大纤芯直径将可能降低TMI的阈值。多个公开报道的实验结果表明，TMI的阈值低于非线性效应阈值。因此，为了进一步提升高光束质量HPFL的功率水平，亟需攻克TMI的抑制难题。
HPFL中TMI发生的根源在于增益光纤中的热效应。由于大模场光纤纤芯可支持多个本征模式，当种子光注入增益光纤时，虽然主要能量集中在基模，但是少量高阶模的激发不可避免。另外，基模和高阶模的干涉会在光纤纤芯的纵向形成周期性的光强分布。当泵浦光注入、信号光开始被放大后，纤芯内的掺杂区域会形成周期性的泵浦光提取，相应地，量子亏损产生的热负荷分布也是准周期性振荡的，最终形成周期性的温度分布。由于热光效应，纤芯中准周期性的温度分布调制纤芯中的折射率分布，形成长周期折射率光栅。基模和高阶模在这样的热致折射率光栅中一旦满足相位匹配条件，就有可能产生动态的能量耦合。
结合上述TMI的产生机制，常见的TMI抑制方法可以归纳为提高高阶模损耗、提高增益饱和以及降低热效应。这些抑制方法本质上都是弱化热致折射率光栅的强度，TMI的阈值能够得到一定程度的提高，但是，当HPFL输出功率超过TMI阈值之后，***的光束质量退化并没有得到改善。
德国耶拿大学的H.-J.Otto等人曾提出采用声光偏转器(Acousto-OpticDeflector，AOD)动态激发主放大器的种子光模式成分实现对TMI的控制。利用光电探测器对放大器输出光斑的中心能量进行取样探测，以表征光斑的波动程度，再将此信号输入到控制电路作为反馈，控制电路据此对AOD实现闭环控制。他们首次验证了基于动态调控的TMI抑制方法的可行性，最终实现了3倍TMI阈值下对光斑的稳定控制，光束质量和光束指向稳定性显著提高。但是，这种AOD仅适合于空间结构的HPFL使用，无法应用于工业加工和国防领域普遍采用的全光纤结构的HPFL。
2016年，美国麻省理工学院林肯实验室的J.Montoya等人创造性地将光子灯笼的输出作为放大器的种子，成功实现了通过动态调控对全光纤结构HPFL中TMI的有效抑制。通过调控光子灯笼的3个输入单模光纤中光场的光程、相位、偏振以及幅度可以实现对放大级种子光模式成分的控制，与耶拿大学基于AOD的实验方案类似，光电探测器对光斑中心区域的探测信号作为反馈输入到控制单元，他们利用了优化算法进一步闭环控制光子灯笼的3个输入单模光纤中光场的光程、相位、偏振以及幅度。他们最终实现了1.5倍TMI阈值下(受限于可用的泵浦功率)对光斑的稳定控制。但是，该***比较复杂，而且光子灯笼的制作工艺复杂，能承受的功率有限，本实验仅验证了10W的输入功率，远远无法满足数千瓦甚至是万瓦级HPFL对种子光功率(千瓦级)的要求。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明提出了一种高功率光纤激光***。
为实现上述技术目的，本发明采用的具体技术方案如下：
高功率光纤激光***，包括种子源和光纤放大器，种子源和光纤放大器之间设置有光纤声致光栅。
本发明中，所述光纤声致光栅包括少模光纤、射频信号源、压电陶瓷以及锥体，所述少模光纤分为前段、中段和后段，其中少模光纤的中段剥去了涂覆层，射频信号源连接压电陶瓷，所述压电陶瓷上设置有锥体，锥体的锥尖与少模光纤中段的起始端抵接，其中少模光纤的前段的端头作为光纤声致光栅的输入端，少模光纤后段的端头作为光纤声致光栅的输出端。
射频信号源发出设定频率的射频信号加载至压电陶瓷，压电陶瓷产生的声波将被压电陶瓷上附着的锥体放大且通过锥尖传输至剥去了涂覆层的少模光纤中，使得光纤中纤芯模式之间产生耦合，通过调节射频信号源所发出射频信号的频率进而调控***的输出模式，进而实现横向模式不稳定性的抑制。
在高功率光纤激光***工作过程中，基于模式监测和光纤声致光栅形成的闭环控制***，在基模LP01工作点附近以kHz的频率进行动态调制有望实现稳定的基模输出，进而实现TMI的有效抑制。进一步地，本发明还包括采样单元以及闭环控制***。所述光纤放大器连接有采样单元，采样单元对光纤放大器输出光束进行采样，将采集的光信号转换为电信号输出给闭环控制***用于***的闭环控制，闭环控制***产生光纤声致光栅的控制信号，控制光纤声致光栅的工作，调节射频信号源所发出射频信号的频率。
作为优选方案，本发明所述采样单元包括光束空间传输—衰减***和光电探测器，光束空间传输—衰减***包括双透镜4f***、信号激光衰减***，信号激光衰减***设置在双透镜4f***中两个透镜之间，光束空间传输—衰减***对光纤放大器输出的高功率信号激光进行准直、扩束，并利用信号激光衰减***对激光功率进行衰减，光束空间传输—衰减***输出的光束由光电探测器采集后转换为电信号传输给闭环控制***，用于提取光纤声致光栅的控制信号。
作为优选方案，本发明所述种子源为半导体激光器、低功率光纤激光器中的一种，进行信号光波长的激光输出。
作为优选方案，本发明所述种子源和光纤放大器之间还设置有隔离器，隔离器为基于法拉第磁光效应的光隔离器件，防止光纤放大器可能产生的后向回光对种子源造成损伤。
作为优选方案，本发明的种子源和光纤放大器之间还设置有模场适配器。
作为优选方案，本发明所述隔离器、模场适配器、光纤声致光栅、光纤放大器均为全光纤器件，保证了可柔性操作、结构简单的全光纤激光器结构。
作为优选方案，本发明所述光纤放大器包括半导体泵浦源阵列、泵浦—信号合束器、增益光纤，对光纤声致光栅调制后的信号激光进行增益放大，产生高功率信号激光输出。其中增益光纤可以是掺稀土离子光纤，也可以是通过受激拉曼散射效应获得增益的拉曼光纤。
本发明的有益效果如下：
本发明将光纤声致光栅(Acoustically-Induced Fiber Grating,AIFG)应用于高功率光纤激光器的TMI抑制，能够实现对TMI阈值的提高，以及实现对TMI出现后输出光束质量的优化。同时，该方案不仅实现了***的全光纤化，***的复杂度也大幅降低。
附图说明
图1是实施例1的结构示意图；
图2是本发明中光纤声致光栅的结构示意图；
图3是实施例2的结构示意图。
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：
本实施例提供一种高功率光纤激光***，包括种子源100和光纤放大器300，种子源100和光纤放大器300之间设置有光纤声致光栅200。
参照图2，为光纤声致光栅200的结构示意图。光纤声致光栅包括少模光纤、射频信号源、压电陶瓷以及锥体，所述少模光纤分为前段、中段和后段，其中少模光纤的中段剥去了涂覆层，射频信号源连接压电陶瓷，所述压电陶瓷上设置有锥体，锥体的锥尖与少模光纤中段的起始端抵接，其中少模光纤的前段的端头作为光纤声致光栅的输入端，少模光纤后段的端头作为光纤声致光栅的输出端。通过调整射频信号源的控制信号，调节光纤声致光纤其射频信号源所发出射频信号的频率。射频信号源发出设定频率的射频信号加载至压电陶瓷，压电陶瓷产生的声波将被压电陶瓷上附着的锥体放大且通过锥尖传输至剥去了涂覆层的少模光纤中，使得光纤中纤芯模式之间产生耦合。
实施例2：
本实施例提供一种高功率光纤激光***，包括种子源100、隔离器700、模场适配器800、光纤声致光栅200、光纤放大器300、光束空间传输—衰减***、光电探测器500和闭环控制***600。
光纤放大器300包括半导体泵浦源阵列301、泵浦—信号合束器302、增益光纤303，对光纤声致光栅200调制后的信号激光进行增益放大，产生高功率信号激光输出。
光束空间传输—衰减***包括双透镜4f***和信号激光衰减***403，双透镜4f***包括1#透镜401和2#透镜402。
所述种子源100为低功率光纤激光器，进行信号光波长的激光输出。
所述隔离器700为基于法拉第磁光效应的光隔离器件，防止光纤放大器可能产生的后向回光对种子源造成损伤。
所述模场适配器800具有第一端口和第二端口；
所述光纤声致光栅200具有第一端口、第二端口和第三端口。参照图2，为光纤声致光栅200的结构示意图。光纤声致光栅包括少模光纤、射频信号源、压电陶瓷以及锥体，所述少模光纤分为前段、中段和后段，其中少模光纤的中段剥去了涂覆层，射频信号源连接压电陶瓷，所述压电陶瓷上设置有锥体，锥体的锥尖与少模光纤中段的起始端抵接，其中少模光纤的前段的端头作为光纤声致光栅的输入端，少模光纤后段的端头作为光纤声致光栅的输出端。
所述光电探测器500具有第一端口和第二端口。所述闭环控制***600具有第一端口和第二端口。所述隔离器700、模场适配器800、光纤声致光栅200、光纤放大器300均为全光纤器件，保证了可柔性操作、结构简单的全光纤激光器结构。
所述种子源100经单模光纤连接至隔离器700；所述隔离器700经单模光纤连接至模场适配器800的第一端口；所述模场适配器800的第二端口连接至光纤声致光栅200第一端口；所述光纤声致光栅200的第二端口连接至光纤放大器300的输入端；所述光纤放大器300的输出端输出放大信号激光，信号激光经传输进入光束空间传输—衰减***输入端。其中光束空间传输—衰减***包括双透镜4f***、信号激光衰减***403，信号激光衰减***403设置在双透镜4f***中1#透镜401和2#透镜402之间，光束空间传输—衰减***对光纤放大器300输出的高功率信号激光进行准直、扩束，并利用信号激光衰减***对激光功率进行衰减，光束空间传输—衰减***输出的光束由光电探测器500采集后转换为电信号传输给闭环控制***600，用于提取光纤声致光栅的控制信号。
具体地，所述光束空间传输—衰减***输出端输出衰减激光，衰减激光经传输进入光电探测器500的第一端口；所述光电探测器500的第二端口连接至闭环控制***600的第二端口；所述闭环控制***600的第一端口连接至光纤声致光栅200的第三端口，闭环控制***600的对光电探测器500的第二端口输出信号进行转换和处理后，生成用于控制光纤声致光栅的控制信号，控制光纤声致光纤200工作，调节光纤声致光纤200其射频信号源所发出射频信号的频率。
在上述各实施例中，射频信号源发出设定频率的射频信号加载至压电陶瓷，压电陶瓷产生的声波将被压电陶瓷上附着的锥体放大且通过锥尖传输至剥去了涂覆层的少模光纤中，使得光纤中纤芯模式之间产生耦合。在光纤声致光栅的调制作用下，不同模式如LP01、LP11模的传输工作点各不相同，当射频信号源所发出射频信号的频率逐渐靠近某个模式的传输工作点时，高功率光纤激光器输出光斑中该模式的成分就逐渐增加。通过调节射频信号源所发出射频信号的频率进而调控***的输出模式，进而实现横向模式不稳定性的抑制。模式不稳定性表现为ms量级的基模和高阶模动态耦合，光纤声致光栅可控的高动态调控水平能够以kHz的频率进行调制。
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 (8)

1.高功率光纤激光***，包括种子源和光纤放大器，其特征在于：种子源和光纤放大器之间设置有光纤声致光栅，所述光纤声致光栅包括少模光纤、射频信号源、压电陶瓷以及锥体，所述少模光纤分为前段、中段和后段，其中少模光纤的中段剥去了涂覆层，射频信号源连接压电陶瓷，所述压电陶瓷上设置有锥体，锥体的锥尖与少模光纤中段的起始端抵接，其中少模光纤的前段的端头作为光纤声致光栅的输入端，少模光纤后段的端头作为光纤声致光栅的输出端，射频信号源发出设定频率的射频信号加载至压电陶瓷，压电陶瓷产生的声波将被压电陶瓷上附着的锥体放大且通过锥尖传输至剥去了涂覆层的少模光纤中，使得光纤中纤芯模式之间产生耦合，通过调节射频信号源所发出射频信号的频率进而调控***的输出模式，进而实现横向模式不稳定性的抑制，其中射频信号源所发出射频信号的频率在基模LP01工作点附近以kHz的频率进行动态调制。
2.根据权利要求1所述的高功率光纤激光***，其特征在于：还包括采样单元以及闭环控制***；所述光纤放大器连接有采样单元，采样单元对光纤放大器输出光束进行采样，将采集的光信号转换为电信号输出给闭环控制***用于***的闭环控制，闭环控制***产生光纤声致光栅的控制信号，控制光纤声致光栅的工作，调节射频信号源所发出射频信号的频率。
3.根据权利要求2所述的高功率光纤激光***，其特征在于：所述采样单元包括光束空间传输—衰减***和光电探测器，光束空间传输—衰减***包括双透镜4f***、信号激光衰减***，信号激光衰减***设置在双透镜4f***中两个透镜之间，光束空间传输—衰减***对光纤放大器输出的高功率信号激光进行准直、扩束，并利用信号激光衰减***对激光功率进行衰减，光束空间传输—衰减***输出的光束由光电探测器采集后转换为电信号传输给闭环控制***，用于提取光纤声致光栅的控制信号。
4.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的高功率光纤激光***，其特征在于：所述种子源为半导体激光器、低功率光纤激光器中的一种，进行信号光波长的激光输出。
5.根据权利要求4所述的高功率光纤激光***，其特征在于：所述种子源和光纤放大器之间还设置有隔离器，隔离器为基于法拉第磁光效应的光隔离器件。
6.根据权利要求5所述的高功率光纤激光***，其特征在于：种子源和光纤放大器之间还设置有模场适配器。
7.根据权利要求6所述的高功率光纤激光***，其特征在于：所述隔离器、模场适配器、光纤声致光栅、光纤放大器均为全光纤器件。
8.根据权利要求4所述的高功率光纤激光***，其特征在于：所述光纤放大器包括半导体泵浦源阵列、泵浦—信号合束器和增益光纤，光纤放大器对光纤声致光栅调制后的信号激光进行增益放大，产生高功率信号激光输出。
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