[发明专利]基于散射光探测的光纤激光模式不稳定监测方法

说明书

技术领域

本发明涉及高功率光纤激光器中模式不稳定现象的在线监测，尤其是一种基于散射光探测对高功率光纤激光器中模式不稳定现象进行无扰动在线实时监测方法。

背景技术

近年来，随着高亮度半导体泵浦技术和双包层光纤制造工艺的发展，光纤激光器的输出功率已经迈进万瓦量级的门槛。由于光纤的特殊波导结构，激光能量都被约束在微米级的光纤纤芯内，因此，随着激光器输出功率的提高，光纤纤芯内能量密度极高，极易引起各种破坏性的非线性效应。增大光纤纤芯尺寸、降低纤芯内的功率密度是避免非线性效应产生的有效方法之一。但是，增大光纤纤芯尺寸不可避免的会使光纤支持多个模式，从而导致另一个非线性效应——模式不稳定现象，即输出功率达到某个阈值后，光纤激光的输出模式由稳定的基模变为能量在基模和高阶模之间随时间迅速转移的非稳态模式。模式不稳定现象会导致激光光束质量急剧退化，已经成为高功率光纤激光器功率提升的最大限制因素之一。实时在线监测模式不稳定现象是否出现，是高功率光纤激光器研究的重要问题，也是本领域技术人员关注的技术问题之一。目前实现高功率光纤激光模式不稳定实时测量的方法是采用光学分光器件分光测试法[H.Otto,F.Stutzki,F.Jansen,T.Eidam,C.Jauregui,J.Limpert,A.Tunnerman,“Temporal dynamics of mode instabilities in high power fiber lasers and amplifiers,”Optics Express,2012,1103:15710-15722]。上述方法采用空间结构并需在出射光路上插入光学器件(分光镜等)，增加了系统的复杂性，并对输出激光造成不必要的扰动，影响后续的光束测量。此外，高功率激光对插入激光传输光路器件的抗损伤性提出了挑战。因此，在实际应用中，前面介绍的分光式在线监测高功率光纤激光模式不稳定现象的方法并不适合对高功率光纤激光器中的模式不稳定现象进行实时在线监测。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对现有高功率光纤激光中模式不稳定在线监测方法存在光路复杂，难以应用到高功率光纤激光器中模式不稳定在线监测的不足，发明了一种适用于高功率光纤激光器中模式不稳定在线监测的方法，采用该方法系统可以实现高功率光纤激光放大器中模式不稳定的无扰动实时监测。

本发明的技术原理是：高功率光纤激光传输到漫反射表面，经漫反射表面散射的光信号中包含有目标上的光强分布信息[M.A.Vorontsov,V.Kolosov.“Target-in-the-loop beam control:basic considerations for analysis and wave-front sensing.”J.Opt.Soc.Am.A,2005,22:126-141.]。通过探测散射的光信号，可监测漫反射表面的光强分布有无变化：当没有模式不稳定现象时，漫反射表面的光强分布稳定，探测到得信号为直流信号；当模式不稳定现象出现后，漫反射表面的光强分布会快速变化，探测到的信号为起伏的振荡信号。因此，通过监测散射光信号即可实时监测模式不稳定现象。

具体技术方案如下：

本发明由漫反射表面和光电探测系统组成，其特征在于：所述光电探测系统包括光电探测器和示波器；光电探测器和示波器用同轴电缆相连接；光电探测器放在所述漫反射表面附近，用于收集并探测散射光，并将探测到的信号输入到示波器；示波器用于实时监测和分析前述光电探测器信号；当没有模式不稳定现象时，漫反射表面的光强分布稳定，前述光电探测器信号为直流信号；当模式不稳定现象出现后，漫反射表面的光强分布会快速变化，前述光电探测器信号为起伏的振荡信号。

具体的，本发明中所述光电探测器可以增加透镜等光学器件，用于增强收集散射光能力。

具体的，本发明中所述漫反射表面的尺寸要大于激光光斑的尺寸，可由任意粗糙、漫反射的材料制成。

具体的，本发明中所述漫反射表面为功率计靶面。

具体的，本发明中所述振荡信号特征频率为千赫兹量级。

采用本发明可以达到以下技术效果：

1本发明能对高功率光纤激光器中的模式不稳定进行实时无扰动在线监测，避免了对后续激光应用的影响；

2本发明既能对空间结构的高功率光纤激光器中的模式不稳定进行实时无扰动在线监测，又能对全光纤结构的高功率光纤激光器中的模式不稳定进行实时无扰动在线监测；

3本发明可通过更换不同类型的光电探测器，用于不同波长的高功率光纤激光器中模式不稳定现象监测；