一种纤芯直径折射率纵向变化增益光纤的盘绕方法及系统与流程

本发明涉及光纤盘绕，特别是涉及一种纤芯直径折射率纵向变化增益光纤的盘绕方法及系统。

背景技术：

1、高功率光纤激光的功率提升受到多种物理机制的限制，其中主要包括受激布里渊散射（stimulated brillouin scattering，sbs）、受激拉曼散射（stimulated ramanscattering，srs）、自相位调制（self-phase modulation，spm）和四波混频（four-wavemixing，fwm）等非线性效应以及由于光纤中量子亏损引起的热致模式不稳定（transversemode instability，tmi）效应。

2、tmi出现后会导致光束质量退化。该现象具有阈值特性，与激光器输出平均功率有密切关系，在阈值以下tmi不会出现，输出激光以基模运转（270w状态），在阈值以上时输出激光不再保持基模运转（275w状态），能量从基模转移到高阶模式，随后再次耦合回到基模，循环往复地基模和高阶模之间以动态耦合方式进行振荡，振荡时间尺度为毫秒级。tmi的出现会导致激光光斑出现变化，激光能量不再稳定集中，进而导致激光模式退化，激光亮度降低，该现象对于高功率高亮度激光器是非常不利的，因此在激光器研究中是应该极力避免的。

3、目前针对tmi问题的解决方法有多种，通过改变纤芯/包层尺寸、纤芯数值孔径（na）、信号光模式/功率、泵浦波长、泵浦方式和信号光时域特性等因素，都可以提升tmi阈值从而改善输出激光光束质量。在所有方案中，将掺镱增益光纤（ydf）弯曲到一定半径，通过基模与高阶模不同的弯曲损耗来抑制高阶模式增益是最简单有效的方法。但同时，必须强调的是，弯曲半径并非越小越好。弯曲半径降低时，基模的损耗也会迅速增加，因此弯曲半径过小会导致基模损耗严重，高阶模和基模同时被大量损耗，输出效率显著降低。同时光纤受机械因素限制，弯曲过小也会导致光纤断裂，因此对于某个给定的光纤尺寸配置通常具有最佳的弯曲半径范围来使得tmi抑制效果最好。

4、由于弯曲损耗的理论计算与ydf纤芯直径和纤芯数值孔径na有关，对于常规折射率阶跃型等芯径ydf，其芯径与包层在任意位置都等于常数值，最合适的弯曲半径对于整段ydf各个位置都始终为常数，因此最适合的盘绕方式是使得ydf处处弯曲曲率相同。在最初的激光器设计中，光纤通常被盘绕在一个铝制的热沉板上，光纤被弯曲在半径大小不同的环形跑道中，该方案有2个问题，一是内外环形弯曲半径大小不同，尤其是光纤长度较长跑道圈数较多时，外圈半径可能达到内圈半径一倍以上，外侧的高阶模式抑制效果较差；二是为了集成方便，弯曲部分之间会插入直道，直道部分无法抑制高阶模式增益，因此总体而言对于高阶模抑制能力并不够，容易出现tmi阈值较低的问题。

5、在随后，出现了三维的柱形盘绕，将ydf不再置于冷板上而是围绕在一个半径匹配ydf最佳盘绕尺寸的铝制柱体外侧，这样使得整根ydf始终保持在相同弯曲半径来更好地避免环形跑道带来的弊端，tmi阈值得到大幅改善。

6、对于普通阶跃型等芯径ydf，上述柱形方案在千瓦级功率下可以非常有效地解决tmi抑制的问题，使得光纤激光输出光束质量大幅改善。然而，在数千瓦乃至数万瓦功率级光纤激光器中，由于受其他非线性效应限制，普通阶跃型等芯径ydf不再满足实验要求，更多新型ydf逐渐被研究和应用，其中最为典型的是ydf纤芯参数不再处处保持相同而是随着光纤长度纵向变化的类型，根据参数变化类型可以分为纤芯折射率纵向变化、纤芯尺寸纵向变化、纤芯折射率和尺寸纵向同时变化三种，然而目前，折射率纵向变化的光纤制备工艺难度较高，精度难以控制应用较少，实验研究主要集中在尺寸纵向变化类型的光纤上，长锥形变芯径光纤所示，其纤芯折射率在不同纵向位置始终保持相同，该系列光纤对srs、sbs等非线性效应和tmi各自具有独特的效果，因此在不同领域中各自具有其优势。

7、由于纤芯尺寸纵向变化光纤其结构和尺寸变化较为复杂，在研究中通常较为简单仍采取内外径不同的环形跑道，或者根据其某一关键位置设计最优盘绕半径的柱形跑道来进行弯曲，并没有像阶跃等芯径ydf那样有系统的弯曲参数设计方案。然而，实际上在芯径变化区域，其尺寸是连续变化，因而其最为合适的弯曲半径也应该连续变化，而非固定值；此外，不同区域的等芯径部分，如单锥形的s区和l区弯曲尺寸内部相等但s区和l区不同，为抑制高阶模式，各个位置应该单独设计最佳弯曲半径。

8、综上，需要提供一种保证ydf在任意位置都保持最佳的高阶模抑制效果，提升tmi阈值的芯直径折射率纵向变化增益光纤的盘绕的方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种纤芯直径折射率纵向变化增益光纤的盘绕方法及系统，使得ydf在任意位置都保持最佳的高阶模抑制效果，提升了tmi阈值。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种纤芯直径折射率纵向变化增益光纤的盘绕方法，包括：

4、获取目标光纤的直径函数和孔径函数；所述目标光纤为待盘绕的纤芯直径折射率纵向变化增益光纤，直径函数为纤芯直径关于纵向位置的函数，孔径函数为纤芯数值孔径关于纵向位置的函数；

5、将所述目标光纤的纵向位置离散化，得到多个位置离散点；

6、将任一位置离散点确定为当前离散点；

7、基于所述直径函数，确定所述当前离散点对应的纤芯直径为当前直径，基于所述孔径函数，确定所述当前离散点对应的纤芯数值孔径为当前数值孔径，将所述当前直径和所述当前数值孔径确定为当前光纤参数；

8、利用弯曲损耗计算模型，计算所述目标光纤在所述当前光纤参数下的弯曲损耗曲线；所述弯曲损耗计算模型包括：基模弯曲损耗计算模型和高阶模弯曲损耗计算模型，所述弯曲损耗曲线包括：基模的弯曲损耗曲线和高阶模的模弯曲损耗曲线；

9、利用弯曲半径区间计算模型，基于所述目标光纤在所述当前光纤参数下的弯曲损耗曲线，确定所述当前离散点对应的弯曲半径区间；

10、利用最优弯曲半径计算模型，基于所述当前离散点对应的弯曲半径区间，确定所述当前离散点对应的最优弯曲半径。

11、可选地，在利用最优弯曲半径计算模型，基于所述当前离散点对应的弯曲半径区间，确定所述当前离散点对应的最优弯曲半径之后，还包括：

12、基于各位置离散点对应的最优弯曲半径对所述目标光纤进行盘绕。

13、可选地，所述基模弯曲损耗计算模型为：

14、；

15、其中，l1为基模弯曲损耗；u为径向归一化相位常数，，n1为纤芯折射率，k=2π/λ，λ为真空中波长；e为自然常数；w为径向归一化衰减常数，，β为导模轴向传播常数，n2为包层折射率，a为纤芯半径；r6为弯曲半径；v为归一化频率，v=2πana/λ，na为纤芯数值孔径；k-1(·)为-1阶第二类修正贝塞尔函数；k1(·)为1阶第二类修正贝塞尔函数。

16、可选地，所述高阶模弯曲损耗计算模型为：

17、；

18、其中，l2为高阶模弯曲损耗；u为径向归一化相位常数，，n1为纤芯折射率，k=2π/λ，λ为真空中波长；e为自然常数；w为径向归一化衰减常数，，β为导模轴向传播常数，n2为包层折射率，a为纤芯半径；r6为弯曲半径；v为归一化频率，v=2πana/λ，na为纤芯数值孔径；k0(·)为0阶第二类修正贝塞尔函数；k2(·)为2阶第二类修正贝塞尔函数。

19、可选地，所述弯曲半径区间计算模型，包括：

20、基模的损耗小于第一损耗阈值，高阶模的损耗高于第二损耗阈值。

21、可选地，所述第一损耗阈值为0.1db/m，所述第二损耗阈值为10db/m。

22、可选地，所述最优弯曲半径计算模型，包括：

23、r=（r1+r2）/2；

24、其中，r为最优弯曲半径；r1为弯曲半径区间的下限；r2为弯曲半径区间的上限。

25、一种纤芯直径折射率纵向变化增益光纤的盘绕系统，包括：

26、函数获取模块，用于获取目标光纤的直径函数和孔径函数；所述目标光纤为待盘绕的纤芯直径折射率纵向变化增益光纤，直径函数为纤芯直径关于纵向位置的函数，孔径函数为纤芯数值孔径关于纵向位置的函数；

27、离散化模块，用于将所述目标光纤的纵向位置离散化，得到多个位置离散点；

28、当前离散点确定模块，用于将任一位置离散点确定为当前离散点；

29、当前光纤参数确定模块，用于基于所述直径函数，确定所述当前离散点对应的纤芯直径为当前直径，基于所述孔径函数，确定所述当前离散点对应的纤芯数值孔径为当前数值孔径，将所述当前直径和所述当前数值孔径确定为当前光纤参数；

30、弯曲损耗曲线确定模块，用于利用弯曲损耗计算模型，计算所述目标光纤在所述当前光纤参数下的弯曲损耗曲线；所述弯曲损耗计算模型包括：基模弯曲损耗计算模型和高阶模弯曲损耗计算模型，所述弯曲损耗曲线包括：基模的弯曲损耗曲线和高阶模的模弯曲损耗曲线；

31、弯曲半径区间确定模块，用于利用弯曲半径区间计算模型，基于所述目标光纤在所述当前光纤参数下的弯曲损耗曲线，确定所述当前离散点对应的弯曲半径区间；

32、最优弯曲半径确定模块，用于利用最优弯曲半径计算模型，基于所述当前离散点对应的弯曲半径区间，确定所述当前离散点对应的最优弯曲半径。

33、根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

34、本发明公开了一种纤芯直径折射率纵向变化增益光纤的盘绕方法及系统，首先，获取目标光纤的直径函数和孔径函数；直径函数为纤芯直径关于纵向位置的函数，孔径函数为纤芯数值孔径关于纵向位置的函数；其次，将目标光纤的纵向位置离散化，得到多个位置离散点；将任一位置离散点确定为当前离散点；基于直径函数，确定当前离散点对应的纤芯直径为当前直径，基于孔径函数，确定当前离散点对应的纤芯数值孔径为当前数值孔径，将当前直径和当前数值孔径确定为当前光纤参数；再次，利用弯曲损耗计算模型，计算目标光纤在当前光纤参数下的弯曲损耗曲线；弯曲损耗计算模型包括：基模弯曲损耗计算模型和高阶模弯曲损耗计算模型，弯曲损耗曲线包括：基模的弯曲损耗曲线和高阶模的模弯曲损耗曲线；利用弯曲半径区间计算模型，基于目标光纤在当前光纤参数下的弯曲损耗曲线，确定当前离散点对应的弯曲半径区间；最后，利用最优弯曲半径计算模型，基于当前离散点对应的弯曲半径区间，确定当前离散点对应的最优弯曲半径。本发明将纤芯直径与纵向位置、纤芯数值孔径与纵向位置之间的关系设置为函数关系进行各纵向位置处最优弯曲半径的确定，使得弯曲半径不再为单一数值，而是根据光纤在纵向位置的纤芯、折射率参数相应变化，保证了任意ydf在任意纵向位置都保持最佳的高阶模抑制效果，提升了tmi阈值。