一种主动抑制光纤激光模式不稳定的系统和方法与流程

1.本发明涉及光通信技术领域，更具体地，涉及一种主动抑制光纤激光模式不稳定的系统和方法。


背景技术：

2.光束质量是衡量光纤激光性能的一项重要技术指标。高亮度、高光束质量的高功率光纤激光器已经成为工业加工、基础科学、生物医药领域不可或缺的工具，得益于光纤激光器的紧凑型、高能量转换效率、低成本，基于高功率光纤激光技术的应用快速发展。而传输模式不稳定性成为限制单模单纤光纤激光输出功率进一步提高的主要限制因素之一。模式不稳定表现出的阈值特性与激光放大过程中高阶模式的激发相关。现阶段，被广泛接受的解释是，高阶模式与基模通过热光效应导致光纤内沿光束传输方向形成折射率光栅，从而致使模式之间能量产生交换，最终引起输出光束质量退化。因此，如何找到一种抑制模式不稳定效应，并能使用在光纤激光系统中，就成为业内亟待解决的问题。


技术实现要素：

3.本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种主动抑制光纤激光模式不稳定的系统及方法，解决了现有技术存在的光纤种子激光模式稳定性难以控制的技术问题。
4.根据本发明的第一方面，提供了一种主动抑制光纤激光模式不稳定的系统，包括：光纤激光器、激光分束模块、基模频移模块、高阶模频移模块、模分复用器、光纤放大器和反馈装置，所述光纤激光器与所述激光分束模块连接，用于提供系统种子激光源；所述激光分束模块的两路输出分别与所述基模频移模块和高阶模频移模块连接，用于根据系统种子激光产生抑制模式不稳定的两路激光光束；所述基模频移模块与所述模分复用器的单模输入端连接，用于提供基模种子激光；所述高阶模频移模块与模分复用器的高阶模输入端连接，用于提供抑制模式干涉的高阶模种子激光；所述模分复用器的输出端与所述光纤放大器连接，用于将基模种子激光和高阶模种子激光耦合进入所述光纤放大器中；所述光纤放大器用于放大并输出模式稳定的光纤种子激光；所述反馈装置的输入端连接光纤放大器的输出端、反馈装置的一个输出端连接基模频移模块、反馈装置的另一个输出端连接高阶模频移模块，用于根据光纤放大器输出的光纤种子激光控制所述基模频移模块和高阶模频移模块。
5.在上述技术方案的基础上，本发明还可以作出如下改进。
6.可选的，所述光纤激光器为连续激光器或脉冲激光器。
7.可选的，所述基模频移模块和高阶模频移模块均包括声光调制器、声光移频器或
电光频率调制器中的任意一种，其作用于通过的激光光束使其产生固定的频移。
8.可选的，所述基模频移模块和/或高阶模频移模块还包括预放大器，所述预放大器的输出端与所述模分复用器的输入端连接。
9.可选的，所述模分复用器包括单模光纤拉锥耦合器或少模光纤拉锥耦合器。
10.可选的，所述反馈装置包括频率源以及依次串联的模式检测单元、光电转换单元、电子信号控制单元、直接数字频率综合器和混频器；所述频率源的输出端与所述基模频移模块连接，用于产生固定的射频频移信号；所述模式检测单元的输入端连接所述光纤放大器的输出端，用于采样系统输出的光纤种子激光；所述光电转换单元，用于将采样的光纤种子激光转换为模式反馈电信号；所述电子信号控制单元，用于根据所述模式反馈电信号判断系统输出的光纤种子激光模式是否发生变化，并根据判断结果输出模式控制信号；所述直接数字频率综合器，用于根据所述模式控制信号产生频移量信号；所述混频器的一个输入端连接频率源的输出端、另一个输入端连接所述直接数字频率综合器，混频器的输出端连接所述高阶模频移模块，用于将所述频移量信号叠加到固定的射频频移信号上，以输出频移控制信号。
11.可选的，所述频率源包括压控振荡器、射频信号发生器、波形发生器中的任意一种。
12.可选的，所述模式检测单元包括ccd相机或小孔光电探测器。
13.可选的，所述光纤放大器包括双包层光纤放大器、光子晶体光纤放大器或锥形光纤放大器中的任意一种。
14.根据本发明的第二方面，提供一种主动抑制光纤激光模式不稳定的方法，包括：将系统种子激光源分为两束激光光束，向其中一束激光光束施加固定的射频频移信号，得到基模种子激光；向另一束激光光束施加频移控制信号，得到高阶模种子激光；耦合并放大所述基模种子激光与高阶模种子激光，得到系统输出的光纤种子激光；监测光纤种子激光的模式变化，根据光纤种子激光的模式变化调整所述频移控制信号，使所述光纤种子激光趋于稳定。
15.可选的，所述监测光纤种子激光的模式变化，根据光纤种子激光的模式变化调整所述频移控制信号，包括：采样系统输出的光纤种子激光并进行光电转换，得到表征光纤种子激光当前模式的模式反馈电信号；根据所述模式反馈电信号判断系统输出的光纤种子激光模式是否发生变化，并根据判断结果输出模式控制信号，根据所述模式控制信号产生频移量信号δf；将所述频移量信号δf叠加到固定的射频频移信号f上，以输出频移控制信号f δf；循环上述步骤，直到判断所述光纤种子激光的模式稳定。
16.本发明提供的一种主动抑制光纤激光模式不稳定的系统及方法，通过实时探测系
统输出的光纤种子激光以反馈其光束模式分布变化，在光束质量退化前不产生驱动所述高阶模频移模块的频移控制信号，只产生固定频率为f的驱动信号控制基模频移模块工作；当模式不稳定的状况发生时，所述反馈装置探测到光束模式分布发生变化，此时反馈装置产生频率为f δf的频移控制信号，作用于所述高阶频移模块，驱动高阶模种子激光发生频移，从而破坏系统输出的光纤种子激光中基模和高阶模式之间的干涉，抑制模式不稳定的产生；由于在系统输出光纤种子激光的同时对其实时监测，当激光输出功率继续增加，再次出现模式不稳定时，反馈装置更新频移量信号δf，产生新的频移控制信号作用于高阶模频移模块，从而继续破坏系统输出的光纤种子激光中基模和高阶模式之间的干涉；反馈装置将循环检测和控制高阶模频移模块，稳定系统的输出模式。本发明通过控制高阶模和基模之间的频移量，破坏光纤放大器中的模式间干涉，减小模式间干涉诱导的热致折射率光栅，抑制模式不稳定效应的产生，提高光纤激光系统输出功率。
附图说明
17.图1为本发明提供的一种主动抑制光纤激光模式不稳定的系统组成框图；图2为本发明提供的某一实施例的系统组成示意图；图3为本发明提供的反馈装置结构组成框图；图4为本发明提供的一种主动抑制光纤激光模式不稳定的方法流程图。
18.附图中，各标号所代表的部件列表如下：1、光纤激光器，2、激光分束模块，3、基模频移模块，301、第一声光移频器，302、第一预放大器，4、高阶模频移模块，401、第二声光移频器，402、第二预放大器，5、模分复用器，6、光纤放大器，7、反馈装置，701、模式检测单元，702、频率源，703、光电转换单元，704、电子信号控制单元，705、直接数字频率综合器，706、混频器。
具体实施方式
19.下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
20.如图1所示为本实施例提供的一种主动抑制光纤激光模式不稳定的系统组成框图。如图1所示，一种主动抑制光纤激光模式不稳定的系统，包括：光纤激光器1、激光分束模块2、基模频移模块3、高阶模频移模块4、模分复用器5、光纤放大器6和反馈装置7；所述光纤激光器1与所述激光分束模块2连接，用于提供系统种子激光源；所述激光分束模块2的两路输出分别与所述基模频移模块3和高阶模频移模块4连接，用于将系统种子激光分束为抑制模式不稳定的两路激光光束；其中一束激光光束用于产生基模种子激光，另一束激光光束用于产生高阶模种子激光；所述基模频移模块3与所述模分复用器5的单模输入端连接，用于提供基模种子激光；具体的，基模频移模块3为激光分束模块2分束的一束激光提供固定的射频频移信号f，使其输出为稳定的基模种子激光；所述高阶模频移模块4与模分复用器5的高阶模输入端连接，用于提供抑制模式干涉的高阶模种子激光；具体的，当系统输出的光纤种子激光稳定时，高阶模频移模块4不工作，当光纤种子激光不稳定时，高阶模频移模块4向激光分束模块2分束出的另一束激光提
供频移控制信号，以控制其产生与基模种子激光不同的频移，破坏基模与高阶模式之间的干涉形成；高阶模频移模块4对应的高阶模种子激光受后文提及的反馈装置7控制；所述模分复用器5的输出端与所述光纤放大器6连接，用于将基模种子激光和高阶模种子激光耦合进入所述光纤放大器6中；所述光纤放大器6用于放大耦合得到的光纤种子激光，并输出模式稳定的光纤种子激光；所述反馈装置7的输入端连接光纤放大器6的输出端，用于采样系统输出的光纤种子激光；反馈装置7的一个输出端连接基模频移模块3、反馈装置7的另一个输出端连接高阶模频移模块4，用于根据光纤放大器6输出的光纤种子激光控制所述基模频移模块3和高阶模频移模块4。更具体的，根据实时采样系统输出的光纤种子激光判断系统输出的光纤种子激光模式是否稳定，若是稳定，则继续控制基模频移模块3输出固定的射频频移信号f、高阶模频移模块4不工作，此时高阶模频移模块4不输出高阶模种子激光；若是不稳定，则在控制基模频移模块3输出固定射频频移信号f的同时，反馈装置7还向高阶模频移模块4输出频移控制信号，控制高阶模种子激光发生频移，从而减小光纤种子激光的模式干涉。
21.可以理解的是，根据模式不稳定理论，模式不稳定有明显的阈值特性，并且该阈值与光纤激光系统的输出功率成正比，其起因是输出功率增加时激发出的高阶模式和基模产生模间干涉，在热光效应下诱导出折射率光栅。本实施例利用这一特性，在发生模式不稳定时，主动注入高阶模式激光，并调制其频率，产生与基模激光不同的频移，破坏模式间的干涉形成，从而抑制模式不稳定，提高其阈值。
22.本发明提供的一种主动抑制光纤激光模式不稳定的系统，通过实时探测系统输出的光纤种子激光以反馈其光束模式分布变化，在光束质量退化前不产生驱动所述高阶模频移模块4的频移控制信号，只产生固定频率为f的驱动信号控制基模频移模块3工作；当模式不稳定的状况发生时，所述反馈装置7探测到光束模式分布发生变化，此时反馈装置7产生频率为f δf的频移控制信号，作用于所述高阶频移模块，驱动高阶模种子激光发生频移，从而破坏系统输出的光纤种子激光中基模和高阶模式之间的干涉，抑制模式不稳定的产生；由于在系统输出光纤种子激光的同时对其实时监测，当激光输出功率继续增加，再次出现模式不稳定时，反馈装置7更新频移量信号δf，产生新的频移控制信号作用于高阶模频移模块4，从而继续破坏系统输出的光纤种子激光中基模和高阶模式之间的干涉；反馈装置7将循环检测和控制高阶模频移模块4，稳定系统的输出模式。本发明通过控制高阶模和基模之间的频移量，破坏光纤放大器6中的模式间干涉，减小模式间干涉诱导的热致折射率光栅，抑制模式不稳定效应的产生，提高光纤激光系统输出功率。
23.在一种可能的实施例方式中，所述光纤激光器1可采用连续激光器或脉冲激光器，当然还可采用其他能输出稳定激光的激光器，为系统提供种子激光源。
24.在一种可能的实施例方式中，所述模分复用器5包括单模光纤拉锥耦合器或少模光纤拉锥耦合器。当然，在前述各实施例的基础上，模分复用器5还可使用不限于单模光纤拉锥耦合器或少模光纤拉锥耦合器的其余耦合器。
25.在一种可能的实施例方式中，所述基模频移模块3和高阶模频移模块4均包括声光调制器、声光移频器或电光频率调制器中的任意一种，其作用于通过的激光光束使其产生固定的频移。
26.可以理解的是，基模频移模块3向其输入激光提供固定的射频频移信号f，使该束激光作为基模种子激光。本实施例中，以声光移频器进行举例说明。例如，基模频移模块3包括如图2所示的第一声光移频器301，高阶模频移模块4包括如图2所示的第二声光移频器401。
27.在一种可能的实施例方式中，所述基模频移模块3和/或高阶模频移模块4还包括预放大器，所述预放大器的输出端与所述模分复用器5的输入端连接。
28.更具体的，如图2所示，基模频移模块3中还包括第一预放大器302，第一预放大器302的输入端连接第一声光移频器301、其输出端连接模分复用器5的单模输入端，第一预放大器302用于将第一声光移频器301输出的基模种子激光进行放大并输入模分复用器5，以补偿第一声光移频器301导致的损耗。高阶模频移模块4中还包括第二预放大器402，第二预放大器402的输入端连接第二声光移频器401、其输出端连接模分复用器5的高阶模输入端，第二预放大器402用于将第二声光移频器401输出的高阶模种子激光进行放大并输入模分复用器5，以补偿第二声光移频器401导致的损耗。
29.为了更清楚地表达本发明的思想，现以如图2所示的某一具体实施例中对一种主动抑制光纤激光模式不稳定的系统设计方案进行了详细描述。
30.如图2所示，本实施例所展示的一种主动抑制光纤激光模式不稳定的系统，包括：光纤激光器1、光纤耦合器、光纤耦合第一声光移频器301和光纤耦合第二声光移频器401、第一预放大器302和第二预放大器402、模分复用器5、大模场面积双包层光纤放大器6以及反馈装置7。
31.光纤激光器1与作为激光分束模块2的1
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2光纤耦合器直接熔接，用于提供系统种子激光；光纤耦合器作为激光分束模块2，将其入射激光分成两束，分别与光纤耦合第一声光移频器301和光纤耦合第二声光移频器401直接熔接，其中光纤耦合第一声光移频作为基模频移器的组成部分，在系统运行时始终保持工作状态，用于为整个激光系统提供基模种子激光，在系统输出稳定的状况下，由于未额外施加用于抑制模式的高阶模种子激光，该基模种子激光作为系统输出的光纤种子激光；光纤耦合第二声光移频作为高阶移频模块的组成部分，产生抑制模式不稳定性的激光光束（高阶模种子激光）；两个移频器分别通过第一预放大器302和第二预放大器402进行放大，以补偿其前端的声光移频器导致的损耗；第一预放大器302输出的基模激光和模分复用器5的单模输入端连接，用于提供基模种子激光；第二预放大器402输出的高阶模激光与模分复用器5的高阶模输入端连接，用于提供抑制模式干涉的高阶模种子激光；模分复用器5的输出端与大模场面积双包层光纤放大器6连接，用于将基模和高阶模耦合进入大模场面积双包层光纤放大器6中放大；大模场面积双包层光纤放大器6用于放大种子激光，输出模式稳定的光纤种子激光，其并与所述反馈装置7连接，以反馈系统输出的激光信号；所述反馈装置7用于将系统输出的光信号转换为电信号并经过处理后控制所述光纤耦合第一声光移频器301和光纤耦合第二声光移频器401。
32.在图1和图2的各实施例展示的主动抑制光纤激光模式不稳定的系统中，实现基模和高阶模频移工作状态和频率控制的反馈装置7是抑制模式不稳定的关键环节，因此在下一实施例中对反馈装置7结构进行详细描述。
33.如图3的反馈装置7结构图所示，所述反馈装置7包括频率源702以及依次串联的模式检测单元701、光电转换单元703、电子信号控制单元704、直接数字频率综合器705和混频
器706；所述频率源702的输出端与所述基模频移模块3连接，用于产生固定的射频频移信号f；所述模式检测单元701的输入端连接所述光纤放大器6的输出端，用于采样系统输出的光纤种子激光；所述光电转换单元703，用于将采样的光纤种子激光转换为模式反馈电信号；所述电子信号控制单元704，用于根据所述模式反馈电信号判断系统输出的光纤种子激光模式是否发生变化，并根据判断结果输出模式控制信号；所述直接数字频率综合器705，用于根据所述模式控制信号产生频移量信号δf；所述混频器706的一个输入端连接频率源702的输出端、其另一个输入端连接所述直接数字频率综合器705，混频器706的输出端连接所述高阶模频移模块4，用于将所述频移量信号δf叠加到固定的射频频移信号f上，以输出频移控制信号f δf。
34.在一种可能的实施方式中，所述频率源702包括压控振荡器、射频信号发生器、波形发生器中的任意一种。
35.在一种可能的实施方式中，所述模式检测单元701包括ccd相机或小孔光电探测器。
36.在一种可能的实施方式中，所述光纤放大器6包括双包层光纤放大器6、光子晶体光纤放大器或锥形光纤放大器中的任意一种。
37.在系统进行工作时，模式检测单元701、光电信号转换单元和频率源702在系统启动后处于全程工作状态；频率源702输出固定频率信号，一部分驱动基模频移模块3产生频移为f的激光光束，另一部分进入混频器706；模式检测单元701与光电信号转换单元连接，模式检测单元701用于监测系统输出光纤种子激光光束的模式变化情况，实时发送采样的光信号至光电信号转换单元；光电信号转换单元与电子信号控制单元704连接；电子信号控制单元704与直接数字频率综合器705连接。当模式不稳定的状况出现时，电子信号控制单元704发送模式控制信号至直接数字频率综合器705，直接数字频率综合器705发送频移量信号δf至混频器706，与频率源702输出的固定的射频频率信号f混频产生f δf的频移控制信号，以驱动高阶模频移模块4，控制高阶模式频移量。
38.上述各实施例展示的主动抑制光纤激光模式不稳定的系统中，各个组成部分的操作方式和控制顺序对实现本发明的技术方法，解决本发明所涉及的技术问题，获得本发明预期的效果都有极为重要的影响。因此，在下述实施例中对上述实施例中系统的工作流程做详细说明。结合上述各实施例展示的主动抑制光纤激光模式不稳定的系统，本实施例还提供一种主动抑制光纤激光模式不稳定的方法，包括：将系统种子激光源分为两束激光光束，向其中一束激光光束施加固定的射频频率信号f，得到基模种子激光；向另一束激光光束施加频移控制信号f δf，得到高阶模种子激光；耦合并放大所述基模种子激光与高阶模种子激光，得到系统输出的光纤种子激光；监测光纤种子激光的模式变化，根据光纤种子激光的模式变化调整所述频移控制信号f δf，使所述光纤种子激光趋于稳定。
39.本实施例中，通过采样最终输出的所述光纤种子激光，实现输出所述光纤种子激光的模式监测，根据监测结果实现光纤种子激光的模式闭环控制。
40.在一种可能的实施例方式中，所述监测光纤种子激光的模式变化，根据光纤种子激光的模式变化调整所述频移控制信号，包括：采样系统输出的光纤种子激光并进行光电转换，得到表征光纤种子激光当前模式的模式反馈电信号；根据所述模式反馈电信号判断系统输出的光纤种子激光模式是否发生变化，并根据判断结果输出模式控制信号，根据所述模式控制信号产生频移量信号δf；将所述频移量信号δf叠加到固定的射频频率信号f上，以输出频移控制信号f δf；循环上述步骤，直到判断所述光纤种子激光的模式稳定。
41.如图4所示，是本实施例一种主动抑制光纤激光模式不稳定方法的步骤流程图。所述方法可以由前述任一系统实施例进行实现，由于使用前述的系统实现主动抑制光纤激光模式不稳定方法的步骤及原理相似，因此本实施例仅以其中一个具体实施例进行举例说明。
42.如图4所示的一种主动抑制光纤激光模式不稳定的方法，在实际操作时，主要包括以下操作步骤：s1：系统启动，发送信号至系统各个组成模块。
43.s2：接受系统启动指令后启动频率源702，频率源702输出基模频移器工作频率f驱动基模频移器输出种子激光，随后打开光纤放大器6，获得激光输出。
44.s3：系统启动后反馈装置7工作，实时监测输出的光纤种子激光模式变化，当模式未发生变化时，直接数字频率综合器705处于待命状态；当模式不稳定出现时，电子信号控制单元704输出模式控制信号，驱动直接数字频率综合器705工作，输出频率量信号δf；若模式不稳定状态停止，直接数字频率综合器705保持状态，如果模式不稳定状况依然存在，则继续更新频率量信号δf输出，例如增加输出频率量信号δf的值。
45.本发明提供的一种主动抑制光纤激光模式不稳定的系统及方法，通过实时探测系统输出的光纤种子激光以反馈其光束模式分布变化，在光束质量退化前不产生驱动所述高阶模频移模块4的频移控制信号，只产生固定频率为f的驱动信号控制基模频移模块3工作；当模式不稳定的状况发生时，所述反馈装置7探测到光束模式分布发生变化，此时反馈装置7产生频率为f δf的频移控制信号，作用于所述高阶频移模块，驱动高阶模种子激光发生频移，从而破坏系统输出的光纤种子激光中基模和高阶模式之间的干涉，抑制模式不稳定的产生；由于在系统输出光纤种子激光的同时对其实时监测，当激光输出功率继续增加，再次出现模式不稳定时，反馈装置7更新频移量信号δf，产生新的频移控制信号作用于高阶模频移模块4，从而继续破坏系统输出的光纤种子激光中基模和高阶模式之间的干涉；反馈装置7将循环检测和控制高阶模频移模块4，稳定系统的输出模式。本发明通过控制高阶模和基模之间的频移量，破坏光纤放大器6中的模式间干涉，减小模式间干涉诱导的热致折射率光栅，抑制模式不稳定效应的产生，提高光纤激光系统输出功率。
46.需要说明的是，在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
47.尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
48.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。