[发明专利]低数值孔径大模场面积光纤激光光束质量评价方法

说明书

技术领域

本发明涉及低数值孔径大模场面积光纤激光光束质量的评价方法，尤其是一种利用修正后的M²因子定义式来评价低数值孔径大模场面积光纤激光光束质量的方法。

背景技术

光束质量是激光应用技术中极为重要的参数，它是从质的方面评价激光特性的性能指标，对激光器的设计、制造、检测和应用等均具有十分重要的指导意义。目前已经有很多的方法对激光的光束质量进行评价，如M²因子、桶中功率、斯特列尔比等[冯国英，周寿桓，“激光光束质量综合评价的探讨，”中国激光,2009，36，1643-1653]，其中M²因子定义为实际光束的光斑半径与其远场发散角的乘积与理想高斯基模光束的相应乘积之比，桶中功率为远场平面内实际光束在某一固定半径的桶内的功率与该光源总功率的比值，斯特列尔比定义为实际光束峰值功率与理想光束峰值功率的比值。目前，对于高功率光纤激光光束质量的评价方法，科研人员和高功率光纤激光器生产厂商广泛采用A.E.Siegman提出的M²因子进行评价[A.E.Siegman,“How to(Maybe)Measure Laser Beam Quality”,Proc.of Diode Pumped Solid State Lasers,1998,17:184-199]：当M²因子越接近1，研究人员认为输出光束的模式成分越接近基模、光束质量越好。

在低数值孔径大模场面积光纤中，光纤支持多个模式，而且第一个高阶模式(LP₁₁模式)很难完全剥除[S.Wielandy,“Implications of higher-order mode content in large mode area fibers with good beam quality,”Optics Express 2007,15(23),15402-15409]，因此，高功率光纤激光通常会出现基模与高阶模共存的情况，此时利用M²因子评价光纤激光光束质量时发现，M²因子与模式间的相对相位有关：在相同的高阶模式比例时，M²因子的具体数值随模式间的相对相位不同而变化，如图1所示。此外，即使高阶模比例高达0.35，当模式间相对相位为0时，M²因子仍不超过1.1，如图2所示。然而，理论研究表明，光束的传输特性仅与光束中高阶模的成分有关，与模式间的相对相位无关[Rumao Tao,Long Huang,Pu Zhou,Lei Si,and Zejin Liu,“Propagation of high-power fiber laser with high-order-mode content,”Photonics Research 2015,3(4),192-199]。因此，传统M²因子难以反映低数值孔径大模场面积光纤出射激光的光束质量。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种低数值孔径大模场面积光纤激光光束质量的评价方法，采用该方法可以消除模间相对相位对M²因子的影响，得到与模间相对相位无关、仅与模式间功率比例有关的M²因子，采用该方法修正的M²因子可准确反映低数值孔径大模场面积光纤激光的模式成分和光束质量。

本发明的技术方案是：

M²因子的计算公式为：

其中λ为波长，z为传输距离，w为光束尺寸

w_x＝2σ_x，w_y＝2σ_y，w_0x＝2σ_0x，w_0y＝2σ_0y(2a)

I(x,y,z)和I₀(x,y)分别为传输距离z后光强分布和初始出射平面上的光强分布，x、y分别为发射面的横坐标、纵坐标。

低数值孔径大模场面积光纤输出的高功率激光光场可以表示为