本發(fā)明屬于光纖激光器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種模式優(yōu)化裝置，用于優(yōu)化激光器輸出激光的光束質(zhì)量。

背景技術(shù)：

光纖激光器及其相關(guān)技術(shù)發(fā)展迅猛，輸出功率得到極大的提高，可以達(dá)到千瓦量級(jí)以上平均功率和兆瓦量級(jí)的峰值功率，因此受到人們的廣泛關(guān)注。然而，隨著功率的提高，光纖中的光功率密度增大，受激拉曼散射(SRS)等非線(xiàn)性效應(yīng)變得比較嚴(yán)重，這限制了光纖激光器輸出功率的進(jìn)一步提升。

為解決該問(wèn)題，大模場(chǎng)光纖被認(rèn)為是提升面臨的非線(xiàn)性效應(yīng)及光纖損傷等功率增長(zhǎng)限制的一種最直接有效的途徑。大模場(chǎng)光纖的研究因此成為高功率光纖激光研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題。許多國(guó)家的相關(guān)研究機(jī)構(gòu)都紛紛開(kāi)展了大模場(chǎng)光纖的研究，取得了可喜的結(jié)果。多種新型結(jié)構(gòu)的大模場(chǎng)光纖相繼被提出并應(yīng)用于實(shí)踐，使得光纖激光的模場(chǎng)不斷擴(kuò)大，推動(dòng)著高功率光纖激光的快速發(fā)展。也出現(xiàn)了一批新型結(jié)構(gòu)的大模場(chǎng)光纖專(zhuān)利，如發(fā)明名稱(chēng)為一種大模場(chǎng)摻鐿光纖(CN201510744546.2)，發(fā)明名稱(chēng)為高效散熱大模場(chǎng)面積中紅外光子晶體光纖及其激光器CN201510173601.7)，發(fā)明名稱(chēng)為一種全固態(tài)大模場(chǎng)光子帶隙光纖(CN201310692966.1)，發(fā)明名稱(chēng)為一種大模場(chǎng)面積全固體光纖及其制造方法(CN201310419622.3)，發(fā)明名稱(chēng)為一種大模場(chǎng)微結(jié)構(gòu)光纖(CN201110356877.0)，發(fā)明名稱(chēng)為一種大模場(chǎng)有源光纖及其制備方法(CN201110154320.9)等等公開(kāi)的中國(guó)專(zhuān)利，縱觀現(xiàn)有關(guān)于大模場(chǎng)技術(shù)的專(zhuān)利發(fā)明，都是采用大模場(chǎng)面積常規(guī)(LMA)光纖或大模場(chǎng)光子晶體光纖(PCF)結(jié)構(gòu)來(lái)提高模場(chǎng)，但是，無(wú)論是哪個(gè)結(jié)構(gòu)的大模場(chǎng)光纖，其都會(huì)歸結(jié)于實(shí)現(xiàn)大模場(chǎng)勢(shì)必需要增大纖芯直徑(理論模場(chǎng)直徑)，擴(kuò)大纖芯面積(理論模場(chǎng)面積)，進(jìn)而降低單位面積上的功率的問(wèn)題。但其帶來(lái)的缺點(diǎn)也是激光器所不能容忍的那就是大模場(chǎng)光纖允許高階橫模傳輸，在光纖激光系統(tǒng)中為多?；蛏倌＿\(yùn)轉(zhuǎn)，造成輸出激光光束質(zhì)量不理想。雖然國(guó)內(nèi)外也創(chuàng)新了一些兼顧模場(chǎng)和光束質(zhì)量的特殊光纖，如專(zhuān)利發(fā)明名稱(chēng)為一種具有平坦基模模場(chǎng)分布的大模場(chǎng)面積微結(jié)構(gòu)光纖(CN101424772A)，發(fā)明名稱(chēng)為泄漏結(jié)構(gòu)大模場(chǎng)雙包層單模摻鐿光纖(CN101067671A)和發(fā)明名稱(chēng)為摻雜稀土的大模場(chǎng)面積多?；旌瞎饫w以及使用其的裝置(CN1982929A)等等公開(kāi)的中國(guó)專(zhuān)利，這些發(fā)明都在一定程度上在保證光束質(zhì)量的情況下提升了模場(chǎng)，但都是對(duì)增益光纖本身進(jìn)行處理，導(dǎo)致增益光纖失去本身的如柔軟性，或長(zhǎng)距離上的增益優(yōu)勢(shì)等。同時(shí)在增益光纖本身上改進(jìn)設(shè)計(jì)提高光束質(zhì)量受限于當(dāng)前實(shí)際工藝精度，因此大模場(chǎng)的適應(yīng)性有限。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于針對(duì)現(xiàn)有大模場(chǎng)光纖激光系統(tǒng)光束質(zhì)量較差的不足而提供一種具有能夠有效減少高階橫模、改善輸出激光光束質(zhì)量的器件，并稱(chēng)之為“模式優(yōu)化裝置”，該模式優(yōu)化裝置能夠在大模場(chǎng)光纖激光器系統(tǒng)中優(yōu)化因模場(chǎng)增大會(huì)激發(fā)起高階模致使光纖輸出光束質(zhì)量惡化的缺陷，在不改變?cè)写竽?chǎng)增益光纖的基礎(chǔ)上，以實(shí)現(xiàn)對(duì)大模場(chǎng)摻鐿光纖激光器輸出激光的光束質(zhì)量進(jìn)行優(yōu)化。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的采用的技術(shù)方案是一種模式優(yōu)化裝置，該裝置包括：

模式調(diào)控單元，用于濾除激光系統(tǒng)中的高階模；

匹配光纖，用于將模式調(diào)控單元與激光系統(tǒng)前項(xiàng)模場(chǎng)匹配；以及

匹配尾纖，用于將模式調(diào)控單元與激光系統(tǒng)后項(xiàng)模場(chǎng)匹配。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施方式，所述模式調(diào)控單元包括八角形纖芯、圍繞在八角形纖芯外的低折射率摻氟包層，低折射率摻氟包層外包圍有高折射率摻鍺包層，高折射率摻鍺包層外包圍有純石英外包層，純石英外包層外包圍有涂覆層。

作為本發(fā)明的另一種優(yōu)選實(shí)施方式，所述模式調(diào)控單元包括纖芯，纖芯外圍繞有由六個(gè)變徑孔構(gòu)成的第一包層，第一包層外包圍有由十二個(gè)均勻小孔構(gòu)成的第二包層，兩包層中孔的孔周期相同且每一包層中的孔都排布呈正六邊形；所述纖芯、第一包層和第二包層之間填充有純石英基質(zhì)材料，純石英基質(zhì)材料外包圍有涂覆層。

進(jìn)一步地，所述的模式優(yōu)化裝置還包括水冷板，所述模式調(diào)控單元安裝于該水冷板上；所述水冷板包括進(jìn)水口和出水口，進(jìn)水口進(jìn)入的冷卻液從水冷板流往出水口，流經(jīng)水冷板時(shí)給模式優(yōu)化裝置降溫。

進(jìn)一步地，所述進(jìn)水口位于所述出水口的下方，且出水口流出的冷卻液回流至進(jìn)水口。

作為本發(fā)明的另一種優(yōu)選實(shí)施方式，所述的模式優(yōu)化裝置還包括散熱片，所述模式調(diào)控單元安裝于所述散熱片上，所述散熱片四周裝有風(fēng)扇。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、在不改變?cè)屑す馄饔性垂饫w特性的前提下，對(duì)激光器系統(tǒng)模式進(jìn)行調(diào)控優(yōu)化；

2、可根據(jù)激光系統(tǒng)進(jìn)行多種優(yōu)化單元尺寸設(shè)計(jì)和制造，具有廣泛的實(shí)用性；

3、所采用冷卻裝置可共用光纖激光器系統(tǒng)自身冷卻水供應(yīng)裝置，不額外增加系統(tǒng)。

本發(fā)明模式優(yōu)化裝置能夠在多種大模場(chǎng)面積光纖的激光應(yīng)用系統(tǒng)中進(jìn)行匹配使用，優(yōu)化大模場(chǎng)面積光纖激光系統(tǒng)輸出光束質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定單模運(yùn)轉(zhuǎn)，解決高功率光纖激光器非線(xiàn)性效應(yīng)、光學(xué)損傷及光束質(zhì)量惡化等問(wèn)題。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明模式優(yōu)化裝置安裝于水冷裝置上的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明模式優(yōu)化裝置安裝于風(fēng)冷裝置上的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明模式優(yōu)化裝置中模式調(diào)控單元結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為本發(fā)明模式優(yōu)化裝置中模式調(diào)控單元結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為本發(fā)明模式優(yōu)化裝置用于光纖激光系統(tǒng)裝置示意圖。

圖6為本發(fā)明模式優(yōu)化裝置對(duì)模式調(diào)控時(shí)光強(qiáng)分布圖。

圖7為本發(fā)明模式優(yōu)化裝置用于激光放大系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施案例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

如圖1所示，本發(fā)明實(shí)例提供的模式優(yōu)化裝置示意圖，包括模式優(yōu)化裝置箱1、模式調(diào)控單元2、匹配光纖3、匹配尾纖4、基板5、水冷入口管6、水冷出口管7。

匹配光纖3和模式調(diào)控單元2通過(guò)低損耗熔接相連，模式調(diào)控單元2和匹配尾纖4采用低損耗熔接相連。

匹配光纖3、模式調(diào)控單元2和匹配尾纖4都放置在作為水冷板的基板5的冷卻通道中，并用散熱膠覆蓋保護(hù)。

基板5表面上刻有連續(xù)的散熱凹槽用于放置和固定匹配光纖3、模式調(diào)控單元2和匹配尾纖4。內(nèi)部有用于冷卻水流通的水冷通道。

水冷入口6和水冷出口7固定在基板5上，與基板中的水冷通道相連，使冷卻水從入口6流進(jìn)，經(jīng)過(guò)基板內(nèi)水冷通道最終從水冷出口7流出。

本發(fā)明所用模式調(diào)控單元2包括以下兩種結(jié)構(gòu)，下面分別以?xún)蓚€(gè)實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明。

實(shí)施例1

本實(shí)施例模式調(diào)控單元2的結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中包括八角形(有源)纖芯301，圍繞八角形(有源)纖芯301的低折射率摻氟包層302，低折射率摻氟包層302外包圍的高折射率摻鍺包層303，高折射率摻鍺包層303外包圍的純石英外包層304，純石英外包層304外包圍的涂覆層305。

模式調(diào)控單元2由八角形(有源)纖芯301和三層包層(302、303、304)構(gòu)成，其中八角形(有源)纖芯301為大芯徑八角形摻稀土纖芯，最遠(yuǎn)離纖芯301的包層純石英外包層304為石英基質(zhì)；高折射率摻鍺包層303為中間層摻鍺，其折射率與纖芯301折射率相同或更高；最鄰近纖芯301的包層低折射率摻氟包層302與石英基質(zhì)的折射率相同或更低，即包層含有低折射率下陷層(低折射率摻氟包層302)和高折射率諧振環(huán)(高折射率摻鍺包層303)。纖芯301的八角形設(shè)計(jì)能夠有效地減少纖芯存在的模式數(shù)量，低折射率摻氟包層302形成的低折射率環(huán)的能夠降低纖芯中基模的彎曲損耗，高折射率摻鍺包層303形成的高折射率環(huán)能夠使纖芯中高階模產(chǎn)生離域效應(yīng)并有效增大其彎曲損耗。根據(jù)需要通過(guò)調(diào)整低折射率下陷層和高折射率諧振環(huán)的寬度和折射率，能夠同時(shí)達(dá)到大模場(chǎng)面積、單模運(yùn)轉(zhuǎn)、抗彎的目的。

本實(shí)施例中設(shè)計(jì)模式調(diào)控單元2中各層的參數(shù)為：純石英外包層304的直徑為d₀≥125μm，折射率為n₀；八角形纖芯301等效直徑d₁為10～30μm，折射率為n₁，滿(mǎn)足2×10^-4≤n₁-n₀≤2×10^-3；低折射率摻氟包層302寬t為1～12μm，折射率為n₂，滿(mǎn)足n₀≥n₂；高折射率摻鍺包層303的寬d₂為2～8μm，折射率為n₃，滿(mǎn)足n₃≥n₁。

下面以一個(gè)具體的模式調(diào)控單元實(shí)例來(lái)說(shuō)明其模式優(yōu)化的效果：

采用八角形(有源)纖芯301等效直徑為20μm，折射率為1.4588；低折射率摻氟包層302寬為5μm，折射率為1.4561；高折射率摻鍺包層303寬為3.5μm，折射率為1.459；純石英外包層304直徑為400μm，折射率為1.4575。

將該模式優(yōu)化裝置用于圖5所示的500W光纖激光器系統(tǒng)中的模式優(yōu)化，將該模式優(yōu)化裝置插入如圖5所示的一直腔式光纖激光器中使用，實(shí)現(xiàn)了模式優(yōu)化。圖6為模式調(diào)控單元2在激光器系統(tǒng)中的模式優(yōu)化效果。其中在1080nm工作波長(zhǎng)下，且有源光纖盤(pán)繞半徑為6cm時(shí)各個(gè)模式的光強(qiáng)分布圖，圖6中的各個(gè)模式按照彎曲損耗由小到大排列。根據(jù)圖6，損耗最小的高階模的損耗系數(shù)為40.5dB/m，LP_11o模和LP_11e模的損耗系數(shù)分別是47.8dB/m和82.3dB/m。不僅如此，這三個(gè)高階模與纖芯的重疊因子都比較低，分別是10.14％，23.90％和38.26％，主要能量都分布在高折射率諧振環(huán)中，因此這三個(gè)高階模無(wú)法有效提取到纖芯中的增益。另外，基模與纖芯的重疊因子高達(dá)95.02％，基膜的能量依然集中在纖芯中，并且?guī)缀醪皇軓澢绊?損耗系數(shù)小于0.1dB/m)。綜上所述，以該八角芯光纖為核心的模式調(diào)控單元能夠有效濾除激光器系統(tǒng)中存在的高階模，應(yīng)用在一般商用大模場(chǎng)光纖激光系統(tǒng)中可以大幅提升輸出光束質(zhì)量。

實(shí)施例2

本實(shí)施例所用模式調(diào)控單元2的結(jié)構(gòu)如圖4所示，其中包括純石英基質(zhì)材料401，有源實(shí)心纖芯402，圍繞有源實(shí)心纖芯402的為六個(gè)變徑孔(403、404)構(gòu)成的第一包層，十二個(gè)均勻小孔405構(gòu)成的第二包層，有源實(shí)心纖芯402、第一包層和第二包層之間填充有純石英基質(zhì)材料401，純石英基質(zhì)材料401外包圍有低折射率涂覆層406。其中，兩層孔的孔周期相同且每一包層中的孔都呈正六邊形排布，即如圖4所示，第一包層的變徑孔403、404包圍在纖芯402的外圍構(gòu)成正六邊形，第二包層的十二個(gè)小孔405包圍在第一包層的變徑孔403、404的外圍，且十二個(gè)小孔405構(gòu)成正六邊形。

本實(shí)施例中設(shè)計(jì)模式調(diào)控單元2中各層的參數(shù)為：純石英外包層的直徑為d₀≥400μm，折射率為n₀；第一包層和第二包層中的小孔由摻雜的石英材料構(gòu)成且折射率都為n_stick；第一包層孔周期為Λ，第二包層的孔周期與第一包層相等，也為Λ，且n₀-n_stick>0.003；第一包層中相鄰三個(gè)孔的直徑為d₃，滿(mǎn)足關(guān)系d₃/Λ≥0.6；第一包層中另外相鄰三個(gè)孔直徑為d₄，滿(mǎn)足關(guān)系d₄/Λ<0.6；第二包層中孔的直徑為d₅，滿(mǎn)足關(guān)系d₅/Λ≤0.5，且滿(mǎn)足d₃>d₄≥d₅；纖芯直徑d_core≥25μm，折射率為n_core＝n₀≥n_stick。

通過(guò)設(shè)計(jì)幾類(lèi)孔的尺寸和折射率能夠保證光纖在平直狀態(tài)下對(duì)基模和高階模有較高的損耗區(qū)分，把第一層包層中隨機(jī)相鄰的三個(gè)低折射率孔的尺寸加大，能夠保證光纖在彎曲時(shí)的工作性能，即能夠有效地防止基模泄漏損耗增加，因此可以同時(shí)達(dá)到大模場(chǎng)面積、單模運(yùn)轉(zhuǎn)、抗彎的目的。

下面以一個(gè)具體的模式調(diào)控單元實(shí)例來(lái)說(shuō)明其模式優(yōu)化的效果：

三類(lèi)孔由摻雜的石英材料構(gòu)成且折射率為1.454。第一包層孔周期為30μm，第二包層的孔周期與第一包層相等；孔403直徑為25μm；孔404直徑為10μm；孔405直徑為10μm；有源實(shí)心纖芯402直徑為25μm，折射率為1.4575。

將該模式調(diào)控單元2用于圖7所示的50W激光光纖放大系統(tǒng)中的模式優(yōu)化。該光纖放大與模式優(yōu)化裝置都采用風(fēng)冷方式，當(dāng)工作波長(zhǎng)為1040nm時(shí)，該直光纖的基模模場(chǎng)面積可達(dá)約800μm²，且基模泄漏損耗小于0.01dB/m，高階模損耗大于50dB/m，能夠保證光纖在平直狀態(tài)下對(duì)基模和高階模有較高的損耗區(qū)分，即實(shí)現(xiàn)對(duì)基模的限制損耗很小，而對(duì)高階模泄漏損耗很大，達(dá)到改善光纖激光系統(tǒng)輸出光束質(zhì)量的目的。

本發(fā)明調(diào)控單元從光纖的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出發(fā)，在保證纖芯直徑情況下，通過(guò)設(shè)計(jì)光纖包層的一系列結(jié)構(gòu)參數(shù)達(dá)到基模與高階模盡可能大的損耗區(qū)分，即兩種調(diào)控單元2的結(jié)構(gòu)都能使基模的損耗<0.1dB/m，高階模的損耗>40dB/m，即高階模與基模的損耗比超過(guò)400，因此實(shí)現(xiàn)良好的模式優(yōu)化效果。