CN113031363A - 光束净化装置 - Google Patents

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CN113031363A CN202110177052.6A CN202110177052A CN113031363A CN 113031363 A CN113031363 A CN 113031363A CN 202110177052 A CN202110177052 A CN 202110177052A CN 113031363 A CN113031363 A CN 113031363A
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陈霖
周廷
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Abstract

本发明公开了一种光束净化装置，涉及光纤技术领域。该装置包括：第一光纤耦合器、多模光纤、单模光纤、相位调制器、单模‑多模光纤熔接点、GI多模光纤。本发明利用第一利用光纤耦合器将输入信号光分成两路，能量较多的一路信号光经过多模光纤传输至GI多模光纤，能量较少的另一路信号光经过单模光纤、相位调制器、单模‑多模光纤熔接点传输至GI多模光纤，两路信号光在GI多模光纤中相遇后相互作用，产生非线性光学效应，能够对脉冲光束进行净化，从而提高输出光束的质量。

Description

光束净化装置
技术领域
本发明涉及光纤技术领域，尤其是涉及一种光束净化装置。
背景技术
光束质量一直是激光技术中衡量激光质量的重要指标之一，在科学研究和工程技术中都尤为重要。在光纤领域，多模光纤由于芯径较大而可以承受较高功率或能量的光束，通常应用于高功率光纤激光技术中，并且随着光纤激光器近年来的高功率化发展趋势而被广泛使用。然而，使用多模光纤会使传输模式多模化，导致输出光束的质量很差。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种光束净化装置，能够提高多模光纤的输出光束的质量。
根据本发明实施例的光束净化装置，包括：
第一光纤耦合器，所述第一光纤耦合器用于接收输入信号光，并将所述输入信号光分成第一路信号光和第二路信号光；
多模光纤，所述多模光纤与所述第一光纤耦合器连接，用于传输所述第一路信号光；
单模光纤，所述单模光纤与所述第一光纤耦合器连接，用于传输所述第二路信号光；
相位调制器，所述相位调制器与所述单模光纤连接，用于对所述第二路信号光进行频移；
单模-多模光纤熔接点，所述单模-多模光纤熔接点与所述相位调制器连接，用于将频移后的所述第二路信号光的模式选择为基模；
GI多模光纤，所述GI多模光纤与所述多模光纤、所述单模-多模光纤熔接点连接，用于使得所述第一路信号光和所述第二路信号光在所述GI多模光纤内相遇，以使得所述第一路信号光和所述第二路信号光在所述GI多模光纤内相互作用，实现光束净化。
根据本发明实施例的光束净化装置，至少具有如下有益效果：
本发明实施例的光束净化装置，利用光纤耦合器将输入信号光分成两路，能量较多的一路信号光经过多模光纤传输至GI多模光纤，能量较少的另一路信号光经过单模光纤、相位调制器、单模-多模光纤熔接点传输至GI多模光纤，两路信号光在GI多模光纤中相遇后相互作用，产生非线性光学效应，能够对脉冲光束进行净化，从而提高输出光束的质量。
根据本发明的一些实施例，所述装置还包括：
多模光纤环形器，所述多模光纤环形器分别与所述多模光纤、所述GI多模光纤连接。
根据本发明的一些实施例，所述输入信号光的脉冲宽度大于或等于布里渊散射效应的声子场寿命；
所述装置还包括：
第一输出端口，所述第一输出端口与所述多模光纤环形器连接；
所述相位调制器用于对所述第二路信号光进行布里渊频移；
所述GI多模光纤用于汇聚所述第一路信号光和所述第二路信号光，以使得所述第一路信号光和所述第二路信号光在所述GI多模光纤内发生布里渊散射效应后经过所述多模光纤环形器从所述第一输出端口输出。
根据本发明的一些实施例，所述输入信号光的脉冲宽度小于所述布里渊散射效应的声子场寿命；
所述装置还包括：
第二光纤耦合器，所述第二光纤耦合器与所述GI多模光纤连接；
第二输出端口，所述第二输出端口与所述第二光纤耦合器连接；
所述GI多模光纤用于汇聚所述第一路信号光和所述第二路信号光，以使得所述第一路信号光和所述第二路信号光在所述GI多模光纤内发生克尔效应后经过所述第二光纤耦合器从所述第二输出端口输出。
根据本发明的一些实施例，所述装置还包括：
光纤隔离器，所述光纤隔离器与所述第一光纤耦合器连接，用于对所述输入信号光进行隔离。
根据本发明的一些实施例，所述第一路信号光和所述第二路信号光的能量比值是99：1。
根据本发明的一些实施例，所述GI多模光纤的芯径为105μm，长度为100m，渐变指数为2。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：
图1为本发明一实施例提供的光束净化装置的结构示意图；
图2为本发明另一实施例提供的光束净化装置的结构示意图；
图3为本发明另一实施例提供的光束净化装置的结构示意图；
图4为本发明另一实施例提供的光束净化装置的结构示意图；
图5为本发明一实施例提供的输入信号光的光斑示意图；
图6为本发明一实施例提供的第一输出端口输出光束的光斑示意图；
图7为本发明一实施例提供的第二输出端口输出光束的光斑示意图；
图8为本发明另一实施例提供的光束净化装置的结构示意图。
附图标记：
第一光纤耦合器100、多模光纤200、单模光纤300、相位调制器400、单模-多模光纤熔接点500、GI多模光纤600、多模光纤环形器700、第一输出端口800、第二输出端口900、第二光纤耦合器1000、光纤隔离器1100。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，若干的含义是一个以上，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
光束质量一直是激光技术中衡量激光质量的重要指标之一，在科学研究和工程技术中都尤为重要。在光纤领域，多模光纤由于芯径较大而可以承受较高功率或能量的光束，通常应用于高功率光纤激光技术中，并且随着光纤激光器近年来的高功率化发展趋势而被广泛使用。然而，使用多模光纤会使传输模式多模化，导致输出光束的质量很差。
如何改善多模光纤的输出光束的质量一直是高功率光纤激光领域讨论的热点。相关技术中，利用锥形光纤、光子晶体光纤等特种光纤可以得到大芯径光纤的高光束质量输出光，但这些特种光纤技术尚不成熟且光纤价格十分昂贵。
基于上述，本发明实施例提供了一种光束净化装置，使用成本低廉的GI(GradedIndex，渐变折射率)多模光纤，利用光纤中发生的相互作用(克尔效应和受激布里渊散射效应等非线性光学效应)对GI多模光纤中的脉冲光束进行净化，从而提高多模光纤的输出光束的质量。
如图1所示，本发明提供了一种光束净化装置，包括：
第一光纤耦合器100，第一光纤耦合器100用于接收输入信号光，并将输入信号光分成第一路信号光和第二路信号光；
多模光纤200，多模光纤与第一光纤耦合器连接，用于传输第一路信号光；
单模光纤300，单模光纤300与第一光纤耦合器100连接，用于传输第二路信号光；
相位调制器400，相位调制器400与单模光纤300连接，用于对第二路信号光进行频移；
单模-多模光纤熔接点500，单模-多模光纤熔接点500与相位调制器400连接，用于将频移后的第二路信号光的模式选择为基模；
GI多模光纤600，GI多模光纤600与多模光纤200、单模-多模光纤熔接点500连接，用于使得第一路信号光和第二路信号光在GI多模光纤600内相遇，以使得第一路信号光和第二路信号光在GI多模光纤600内相互作用，实现光束净化。
本发明实施例的光束净化装置，利用光纤耦合器将输入信号光分成两路，能量较多的一路信号光经过多模光纤传输至GI(Graded Index，渐变折射率)多模光纤，能量较少的另一路信号光经过单模光纤、相位调制器、单模-多模光纤熔接点以基模模式传输至GI多模光纤，两路信号光在GI多模光纤中相遇后相互作用，产生非线性光学效应，能够对脉冲光束进行净化，从而提高输出光束的质量。
在一些实施例中，需要控制两路信号光的光程差，才能使得它们在GI多模光纤相遇。
在一些实施例中，如图2所示，光束净化装置还包括：
多模光纤环形器700，多模光纤环形器700分别与多模光纤200、GI多模光纤600连接。
在一些实施例中，多模光纤200与第一光纤耦合器100连接，用于传输第一路信号光至多模光纤环形器700，多模光纤环形器700将第一路信号光传输至GI多模光纤600。
在一些实施例中，第一路信号光和第二路信号光在GI多模光纤600中相遇发生某种相互作用后，有可能会反向传输。为了解决这个问题，使用多模光纤环形器700，多模光纤环形器700可以使得反向传输的信号光能够输出。可以理解的是，也可以使用其他能够输出反向光束的器件，例如光纤耦合器等。
在一些实施例中，多模光纤200可以是任意一种多模光纤，只要能连接到多模光纤环形器700即可。需要说明的是，多模光纤200的长度最好是比较短，因为多模光纤长度越长，越容易发生布里渊散射效应，而多模光纤200内不希望发生受激布里渊散射效应，只希望在GI多模光纤200内发生受激布里渊散射效应，因此，多模光纤200的长度在满足其他条件的情况下越短越好。
在一些实施例中，输入信号光的脉冲宽度分两种情况：大于或等于布里渊散射效应的声子场寿命、小于布里渊散射效应的声子场寿命。不同脉冲宽度的输入信号光在GI多模光纤中发生的光学效应也不同，最终的输出端口也不同。在一些实施例中，布里渊散射效应的声子场寿命根据光纤的种类而定，一般为皮秒量级，本实施例对此不作具体限定。下面分别对两种情况进行详细说明：
在一些实施例中，若输入信号光的脉冲宽度大于或等于布里渊散射效应的声子场寿命，对应的，如图3所示，光束净化装置还包括：
第一输出端口800，第一输出端口800与多模光纤环形器700连接；
相位调制器400用于对第二路信号光进行布里渊频移；
GI多模光纤600用于汇聚第一路信号光和第二路信号光，以使得第一路信号光和第二路信号光在GI多模光纤内发生布里渊散射效应后经过多模光纤环形器700从第一输出端口800输出。
在一些实施例中，结合图3，若输入信号光的脉冲宽度大于或等于布里渊散射效应的声子场寿命，输入信号光经过99：1的第一光纤耦合器100分为99％的第一路信号光和1％的第二路信号光(上下两路)。其中，99％的第一路信号光进入多模光纤200，经过多模光纤200传输后，由多模光纤环形器700引导，正向进入GI多模光纤600。其余1％的第二路信号光进入单模光纤300，使用相位调制器400产生布里渊频移，成为之后受激布里渊散射效应的种子光，由单模-多模光纤熔接点500诱导进入GI多模光纤600，在GI多模光纤600中与拥有99％能量的第一路信号光相遇。正向入射GI多模光纤600的第一路信号光会与反向入射的种子光(第二路信号光)发生相互作用，产生受激布里渊散射放大效应，原本拥有99％能量的第一路信号光成为受激布里渊散射放大过程中的泵浦光，而将能量传递给原本只有1％能量的种子光，放大后的种子光拥有入射信号光中的绝大部分能量，反向传输至多模光纤环形器700，根据光纤环形器原理，放大后的信号光从第一输出端口800输出。
在一些实施例中，当输入信号光为脉冲宽度大于或等于布里渊散射效应的声子场寿命时，输出高质量光束的原因是：
(1)输入信号光的脉冲宽度大于布里渊声子寿命，且反向传输的1％种子光与正向传输的99％泵浦光频率差刚好为布里渊频差，极易发生受激布里渊散射放大效应；
(2)1％种子光通过单模-多模光纤熔接点500时进行了基模的选模激发(即在进入多模光纤中只激发基模)，即在GI多模光纤600中发生受激布里渊散射前，种子光为光束质量良好的基模光；
(3)受激布里渊散射放大过程中，斯托克斯光(放大后的种子光)会保持种子光的模式和形态。故而，即使输入信号光的光束质量很差(如图5所示，为输入信号光的光斑图)，在发生受激布里渊散射放大效应后，反向传输并从第一输出端口800输出的光束仍然为光束质量良好的基模光束，输出光斑如图6所示，光束质量因子M2为1.29。
在一些实施例中，若输入信号光的脉冲宽度小于布里渊散射效应的声子场寿命。对应的，如图4所示，光束净化装置还包括：
第二光纤耦合器1000，第二光纤耦合器1000与GI多模光纤600连接；
第二输出端口900，第二输出端口900与第二光纤耦合器1000连接；
GI多模光纤600用于汇聚第一路信号光和第二路信号光，以使得第一路信号光和第二路信号光在GI多模光纤600内发生克尔效应后经过第二光纤耦合器1000从第二输出端口900输出。
在一些实施例中，结合图4，若输入信号光的脉冲宽度小于布里渊散射效应的声子场寿命，即为皮秒或飞秒级的超短脉冲，输入信号光经过99：1的第一光纤耦合器100分为99％的第一路信号光和1％的第二路信号光(上下两路)。其中，99％的第一路信号光进入多模光纤200，经过多模光纤200传输后，由多模光纤环形器700引导，正向进入GI多模光纤600。其余1％的第二路信号光进入单模光纤300，使用相位调制器400产生布里渊频移，由单模-多模光纤熔接点500诱导进入GI多模光纤600，在GI多模光纤600中与拥有99％能量的第一路信号光相遇。由于输入信号光的脉冲宽度小于受激布里渊散射的声子寿命，无法发生受激布里渊散射，因此99％的第一路信号光与1％的种子光(第二路信号光)相遇后不会发生相互作用而继续传输。然而，由于GI多模光纤600的光束汇聚作用，超短脉冲光束会在GI多模光纤600中发生克尔效应光束净化作用，净化后的光束在经过第二光纤耦合器1000后从第二输出端口900输出。
在一些实施例中，当输入信号光为脉冲宽度小于布里渊散射效应的声子场寿命，即为皮秒或飞秒级的超短脉冲时，输出高质量光束的原因是：
(1)输入信号光的脉冲宽度小于布里渊声子寿命，种子光与泵浦光相遇后无法发生受激布里渊散射放大，泵浦光继续正向传输；
(2)由于GI多模光纤600的光束汇聚作用，诱导超短脉冲光束发生克尔效应光束净化作用，将泵浦光从多模光束转化为基模光束，最终以光束质量良好的基模光形态从第二输出端口900输出，输出光斑如图7所示，光束质量因子M2为1.34。
结合上述对输入信号光的脉冲宽度的两种情况的描述，可以看出本实施例的光束净化装置可以自行区分脉冲宽度，从而对不同脉冲宽度的输入信号光进行自适应净化。换句话说，在输入信号光为任意脉冲宽度时，都可以对光束进行自适应净化，从而输出高质量光束。具体地，脉冲宽度在布里渊散射效应的声子场寿命以下的输入信号光通过克尔效应净化，净化后的光束从第二输出端口900输出；脉冲宽度在布里渊散射效应的声子场寿命以上的输入信号光通过受激布里渊散射效应净化，净化后的光束从第一输出端口800输出。也就是说，本实施例的光束净化装置还可以根据光束从哪个输出端口输出，来检测输入信号光的脉冲宽度属于哪个级别。
在一些实施例中，GI多模光纤600是整个光束净化装置的核心器件，受激布里渊散射效应或克尔效应都在此段光纤中产生。GI多模光纤廉价易购，其纤芯直径和光纤长度可以根据输入信号光的强度进行更改，一般建议为芯径105μm、光纤长度100m、渐变指数为2的平方律GI多模光纤。
在一些实施例中，光束净化装置还包括：
光纤隔离器，光纤隔离器与第一光纤耦合器100连接，用于对输入信号光进行隔离。
在一些实施例中，光纤隔离器与第一光纤耦合器100连接，输入信号光经过光纤隔离器隔离后传输至第一光纤耦合器100。由于光纤隔离器的传输方向是单向的，可以避免发生受激布里渊散射放大效应的少量的光返回去把输入信号光打坏。
在一些实施例中，第一路信号光和第二路信号光的能量比值是99：1，也可以是其它比例，本实施例对此不做具体限定。
下面以一个较为完整的实施例对本发明的光束净化装置进行说明：
如图8所示，输入信号光在经过光纤隔离器1100后通过99:1的第一光纤耦合器100分为上下两路。其中，上路99％的信号光进入多模光纤200，经过多模光纤200传输后，由多模光纤环形器700引导，正向进入GI多模光纤600。其余1％的信号光从下路进入单模光纤300，使用相位调制器400产生布里渊频移，成为之后受激布里渊散射效应的种子光，由单模-多模光纤熔接点500诱导进入多模光纤(单模-多模光纤熔接点500的局部放大图的左半部分为单模光纤，右半部分为多模光纤，且单模光纤的中心点与多模光纤的中心点在一条直线上)，并经过99:1的第二光纤耦合器1000反向进入GI多模光纤600，在GI多模光纤600中与拥有99％能量的正向传输信号光相遇。
此时，如果输入信号光为脉冲宽度大于或等于布里渊散射效应的声子场寿命时，正向入射GI多模光纤600的信号光会与反向入射的种子光发生相互作用，产生受激布里渊散射放大效应，原本拥有99％能量的信号光成为受激布里渊散射放大过程中的泵浦光，而将能量传递给原本只有1％能量的种子光，放大后的种子光拥有入射信号光中的绝大部分能量，反向传输至多模光纤环形器700，根据光纤环形器原理(正向传输A进B出，反向传输B进C出)，放大后的信号光会从第一输出端口800输出。
如果输入信号光的脉冲宽度小于布里渊散射效应的声子场寿命，即为皮秒或飞秒量级的超短脉冲时，由于光束的脉冲宽度小于受激布里渊散射的声子寿命，无法发生受激布里渊散射，99％的信号光与1％的种子光相遇后不会发生相互作用而继续传输。然而，由于GI多模光纤600的光束汇聚作用，超短脉冲会在GI多模光纤600中发生克尔效应光束净化作用，净化后的光束在经过第二光纤耦合器1000后从第二输出端口900输出。
在一些实施例中，需要说明的是，如果输入信号光的能量太低，没有达到受激布里渊散射效应或克尔效应的阈值，则无法进行本发明实施例中的光束净化过程，所以本发明实施例适用于具有一定能量的输入信号光。又由于受激布里渊散射效应和克尔效应的泵浦利用率与输入信号光的能量成正比，即输入信号光的能量越大，泵浦利用率越高。因此，本发明实施例在高功率输入信号光情况下使用最为合适。
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

Claims (7)

1.光束净化装置，其特征在于，包括：
第一光纤耦合器，所述第一光纤耦合器用于接收输入信号光，并将所述输入信号光分成第一路信号光和第二路信号光；
多模光纤，所述多模光纤与所述第一光纤耦合器连接，用于传输所述第一路信号光；
单模光纤，所述单模光纤与所述第一光纤耦合器连接，用于传输所述第二路信号光；
相位调制器，所述相位调制器与所述单模光纤连接，用于对所述第二路信号光进行频移；
单模-多模光纤熔接点，所述单模-多模光纤熔接点与所述相位调制器连接，用于将频移后的所述第二路信号光的模式选择为基模；
GI多模光纤，所述GI多模光纤与所述多模光纤、所述单模-多模光纤熔接点连接，用于使得所述第一路信号光和所述第二路信号光在所述GI多模光纤内相遇，以使得所述第一路信号光和所述第二路信号光在所述GI多模光纤内相互作用，实现光束净化。
2.根据权利要求1所述的光束净化装置，其特征在于，所述装置还包括：
多模光纤环形器，所述多模光纤环形器分别与所述多模光纤、所述GI多模光纤连接。
3.根据权利要求2所述的光束净化装置，其特征在于，所述输入信号光的脉冲宽度大于或等于布里渊散射效应的声子场寿命；
所述装置还包括：
第一输出端口，所述第一输出端口与所述多模光纤环形器连接；
所述相位调制器用于对所述第二路信号光进行布里渊频移；
所述GI多模光纤用于汇聚所述第一路信号光和所述第二路信号光，以使得所述第一路信号光和所述第二路信号光在所述GI多模光纤内发生布里渊散射效应后经过所述多模光纤环形器从所述第一输出端口输出。
4.根据权利要求3所述的光束净化装置，其特征在于，所述输入信号光的脉冲宽度小于所述布里渊散射效应的声子场寿命；
所述装置还包括：
第二光纤耦合器，所述第二光纤耦合器与所述GI多模光纤连接；
第二输出端口，所述第二输出端口与所述第二光纤耦合器连接；
所述GI多模光纤用于汇聚所述第一路信号光和所述第二路信号光，以使得所述第一路信号光和所述第二路信号光在所述GI多模光纤内发生克尔效应后经过所述第二光纤耦合器从所述第二输出端口输出。
5.根据权利要求1至4任一项所述的光束净化装置，其特征在于，所述装置还包括：
光纤隔离器，所述光纤隔离器与所述第一光纤耦合器连接，用于对所述输入信号光进行隔离。
6.根据权利要求1至4任一项所述的光束净化装置，其特征在于，所述第一路信号光和所述第二路信号光的能量比值是99：1。
7.根据权利要求1至4任一项所述的光束净化装置，其特征在于，所述GI多模光纤的芯径为105μm，长度为100m，渐变指数为2。
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