模式优化装置的制作方法

本发明属于光纤激光器技术领域，具体涉及一种模式优化装置，用于优化激光器输出激光的光束质量。

背景技术：

光纤激光器及其相关技术发展迅猛，输出功率得到极大的提高，可以达到千瓦量级以上平均功率和兆瓦量级的峰值功率，因此受到人们的广泛关注。然而，随着功率的提高，光纤中的光功率密度增大，受激拉曼散射(SRS)等非线性效应变得比较严重，这限制了光纤激光器输出功率的进一步提升。

为解决该问题，大模场光纤被认为是提升面临的非线性效应及光纤损伤等功率增长限制的一种最直接有效的途径。大模场光纤的研究因此成为高功率光纤激光研究领域的热点问题。许多国家的相关研究机构都纷纷开展了大模场光纤的研究，取得了可喜的结果。多种新型结构的大模场光纤相继被提出并应用于实践，使得光纤激光的模场不断扩大，推动着高功率光纤激光的快速发展。也出现了一批新型结构的大模场光纤专利，如发明名称为一种大模场掺镱光纤(CN201510744546.2)，发明名称为高效散热大模场面积中红外光子晶体光纤及其激光器CN201510173601.7)，发明名称为一种全固态大模场光子带隙光纤(CN201310692966.1)，发明名称为一种大模场面积全固体光纤及其制造方法(CN201310419622.3)，发明名称为一种大模场微结构光纤(CN201110356877.0)，发明名称为一种大模场有源光纤及其制备方法(CN201110154320.9)等等公开的中国专利，纵观现有关于大模场技术的专利发明，都是采用大模场面积常规(LMA)光纤或大模场光子晶体光纤(PCF)结构来提高模场，但是，无论是哪个结构的大模场光纤，其都会归结于实现大模场势必需要增大纤芯直径(理论模场直径)，扩大纤芯面积(理论模场面积)，进而降低单位面积上的功率的问题。但其带来的缺点也是激光器所不能容忍的那就是大模场光纤允许高阶横模传输，在光纤激光系统中为多模或少模运转，造成输出激光光束质量不理想。虽然国内外也创新了一些兼顾模场和光束质量的特殊光纤，如专利发明名称为一种具有平坦基模模场分布的大模场面积微结构光纤(CN101424772A)，发明名称为泄漏结构大模场双包层单模掺镱光纤(CN101067671A)和发明名称为掺杂稀土的大模场面积多模混合光纤以及使用其的装置(CN1982929A)等等公开的中国专利，这些发明都在一定程度上在保证光束质量的情况下提升了模场，但都是对增益光纤本身进行处理，导致增益光纤失去本身的如柔软性，或长距离上的增益优势等。同时在增益光纤本身上改进设计提高光束质量受限于当前实际工艺精度，因此大模场的适应性有限。

技术实现要素：

本发明目的在于针对现有大模场光纤激光系统光束质量较差的不足而提供一种具有能够有效减少高阶横模、改善输出激光光束质量的器件，并称之为“模式优化装置”，该模式优化装置能够在大模场光纤激光器系统中优化因模场增大会激发起高阶模致使光纤输出光束质量恶化的缺陷，在不改变原有大模场增益光纤的基础上，以实现对大模场掺镱光纤激光器输出激光的光束质量进行优化。

实现本发明目的采用的技术方案是一种模式优化装置，该装置包括：

模式调控单元，用于滤除激光系统中的高阶模；

匹配光纤，用于将模式调控单元与激光系统前项模场匹配；以及

匹配尾纤，用于将模式调控单元与激光系统后项模场匹配。

作为本发明的一种优选实施方式，所述模式调控单元包括八角形纤芯、围绕在八角形纤芯外的低折射率掺氟包层，低折射率掺氟包层外包围有高折射率掺锗包层，高折射率掺锗包层外包围有纯石英外包层，纯石英外包层外包围有涂覆层。

作为本发明的另一种优选实施方式，所述模式调控单元包括纤芯，纤芯外围绕有由六个变径孔构成的第一包层，第一包层外包围有由十二个均匀小孔构成的第二包层，两包层中孔的孔周期相同且每一包层中的孔都排布呈正六边形；所述纤芯、第一包层和第二包层之间填充有纯石英基质材料，纯石英基质材料外包围有涂覆层。

进一步地，所述的模式优化装置还包括水冷板，所述模式调控单元安装于该水冷板上；所述水冷板包括进水口和出水口，进水口进入的冷却液从水冷板流往出水口，流经水冷板时给模式优化装置降温。

进一步地，所述进水口位于所述出水口的下方，且出水口流出的冷却液回流至进水口。

作为本发明的另一种优选实施方式，所述的模式优化装置还包括散热片，所述模式调控单元安装于所述散热片上，所述散热片四周装有风扇。

本发明具有以下优点：

1、在不改变原有激光器有源光纤特性的前提下，对激光器系统模式进行调控优化；

2、可根据激光系统进行多种优化单元尺寸设计和制造，具有广泛的实用性；

3、所采用冷却装置可共用光纤激光器系统自身冷却水供应装置，不额外增加系统。

本发明模式优化装置能够在多种大模场面积光纤的激光应用系统中进行匹配使用，优化大模场面积光纤激光系统输出光束质量，实现稳定单模运转，解决高功率光纤激光器非线性效应、光学损伤及光束质量恶化等问题。

附图说明

图1为本发明模式优化装置安装于水冷装置上的结构示意图。

图2为本发明模式优化装置安装于风冷装置上的结构示意图。

图3为本发明模式优化装置中模式调控单元结构示意图。

图4为本发明模式优化装置中模式调控单元结构示意图。

图5为本发明模式优化装置用于光纤激光系统装置示意图。

图6为本发明模式优化装置对模式调控时光强分布图。

图7为本发明模式优化装置用于激光放大系统中结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施案例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实例提供的模式优化装置示意图，包括模式优化装置箱1、模式调控单元2、匹配光纤3、匹配尾纤4、基板5、水冷入口管6、水冷出口管7。

匹配光纤3和模式调控单元2通过低损耗熔接相连，模式调控单元2和匹配尾纤4采用低损耗熔接相连。

匹配光纤3、模式调控单元2和匹配尾纤4都放置在作为水冷板的基板5的冷却通道中，并用散热胶覆盖保护。

基板5表面上刻有连续的散热凹槽用于放置和固定匹配光纤3、模式调控单元2和匹配尾纤4。内部有用于冷却水流通的水冷通道。

水冷入口6和水冷出口7固定在基板5上，与基板中的水冷通道相连，使冷却水从入口6流进，经过基板内水冷通道最终从水冷出口7流出。

本发明所用模式调控单元2包括以下两种结构，下面分别以两个实施例进行说明。

实施例1

本实施例模式调控单元2的结构如图3所示，其中包括八角形(有源)纤芯301，围绕八角形(有源)纤芯301的低折射率掺氟包层302，低折射率掺氟包层302外包围的高折射率掺锗包层303，高折射率掺锗包层303外包围的纯石英外包层304，纯石英外包层304外包围的涂覆层305。

模式调控单元2由八角形(有源)纤芯301和三层包层(302、303、304)构成，其中八角形(有源)纤芯301为大芯径八角形掺稀土纤芯，最远离纤芯301的包层纯石英外包层304为石英基质；高折射率掺锗包层303为中间层掺锗，其折射率与纤芯301折射率相同或更高；最邻近纤芯301的包层低折射率掺氟包层302与石英基质的折射率相同或更低，即包层含有低折射率下陷层(低折射率掺氟包层302)和高折射率谐振环(高折射率掺锗包层303)。纤芯301的八角形设计能够有效地减少纤芯存在的模式数量，低折射率掺氟包层302形成的低折射率环的能够降低纤芯中基模的弯曲损耗，高折射率掺锗包层303形成的高折射率环能够使纤芯中高阶模产生离域效应并有效增大其弯曲损耗。根据需要通过调整低折射率下陷层和高折射率谐振环的宽度和折射率，能够同时达到大模场面积、单模运转、抗弯的目的。

本实施例中设计模式调控单元2中各层的参数为：纯石英外包层304的直径为d₀≥125μm，折射率为n₀；八角形纤芯301等效直径d₁为10～30μm，折射率为n₁，满足2×10^-4≤n₁-n₀≤2×10^-3；低折射率掺氟包层302宽t为1～12μm，折射率为n₂，满足n₀≥n₂；高折射率掺锗包层303的宽d₂为2～8μm，折射率为n₃，满足n₃≥n₁。

下面以一个具体的模式调控单元实例来说明其模式优化的效果：

采用八角形(有源)纤芯301等效直径为20μm，折射率为1.4588；低折射率掺氟包层302宽为5μm，折射率为1.4561；高折射率掺锗包层303宽为3.5μm，折射率为1.459；纯石英外包层304直径为400μm，折射率为1.4575。

将该模式优化装置用于图5所示的500W光纤激光器系统中的模式优化，将该模式优化装置插入如图5所示的一直腔式光纤激光器中使用，实现了模式优化。图6为模式调控单元2在激光器系统中的模式优化效果。其中在1080nm工作波长下，且有源光纤盘绕半径为6cm时各个模式的光强分布图，图6中的各个模式按照弯曲损耗由小到大排列。根据图6，损耗最小的高阶模的损耗系数为40.5dB/m，LP_11o模和LP_11e模的损耗系数分别是47.8dB/m和82.3dB/m。不仅如此，这三个高阶模与纤芯的重叠因子都比较低，分别是10.14％，23.90％和38.26％，主要能量都分布在高折射率谐振环中，因此这三个高阶模无法有效提取到纤芯中的增益。另外，基模与纤芯的重叠因子高达95.02％，基膜的能量依然集中在纤芯中，并且几乎不受弯曲影响(损耗系数小于0.1dB/m)。综上所述，以该八角芯光纤为核心的模式调控单元能够有效滤除激光器系统中存在的高阶模，应用在一般商用大模场光纤激光系统中可以大幅提升输出光束质量。

实施例2

本实施例所用模式调控单元2的结构如图4所示，其中包括纯石英基质材料401，有源实心纤芯402，围绕有源实心纤芯402的为六个变径孔(403、404)构成的第一包层，十二个均匀小孔405构成的第二包层，有源实心纤芯402、第一包层和第二包层之间填充有纯石英基质材料401，纯石英基质材料401外包围有低折射率涂覆层406。其中，两层孔的孔周期相同且每一包层中的孔都呈正六边形排布，即如图4所示，第一包层的变径孔403、404包围在纤芯402的外围构成正六边形，第二包层的十二个小孔405包围在第一包层的变径孔403、404的外围，且十二个小孔405构成正六边形。

本实施例中设计模式调控单元2中各层的参数为：纯石英外包层的直径为d₀≥400μm，折射率为n₀；第一包层和第二包层中的小孔由掺杂的石英材料构成且折射率都为n_stick；第一包层孔周期为Λ，第二包层的孔周期与第一包层相等，也为Λ，且n₀-n_stick>0.003；第一包层中相邻三个孔的直径为d₃，满足关系d₃/Λ≥0.6；第一包层中另外相邻三个孔直径为d₄，满足关系d₄/Λ<0.6；第二包层中孔的直径为d₅，满足关系d₅/Λ≤0.5，且满足d₃>d₄≥d₅；纤芯直径d_core≥25μm，折射率为n_core＝n₀≥n_stick。

通过设计几类孔的尺寸和折射率能够保证光纤在平直状态下对基模和高阶模有较高的损耗区分，把第一层包层中随机相邻的三个低折射率孔的尺寸加大，能够保证光纤在弯曲时的工作性能，即能够有效地防止基模泄漏损耗增加，因此可以同时达到大模场面积、单模运转、抗弯的目的。

下面以一个具体的模式调控单元实例来说明其模式优化的效果：

三类孔由掺杂的石英材料构成且折射率为1.454。第一包层孔周期为30μm，第二包层的孔周期与第一包层相等；孔403直径为25μm；孔404直径为10μm；孔405直径为10μm；有源实心纤芯402直径为25μm，折射率为1.4575。

将该模式调控单元2用于图7所示的50W激光光纤放大系统中的模式优化。该光纤放大与模式优化装置都采用风冷方式，当工作波长为1040nm时，该直光纤的基模模场面积可达约800μm²，且基模泄漏损耗小于0.01dB/m，高阶模损耗大于50dB/m，能够保证光纤在平直状态下对基模和高阶模有较高的损耗区分，即实现对基模的限制损耗很小，而对高阶模泄漏损耗很大，达到改善光纤激光系统输出光束质量的目的。

本发明调控单元从光纤的结构设计出发，在保证纤芯直径情况下，通过设计光纤包层的一系列结构参数达到基模与高阶模尽可能大的损耗区分，即两种调控单元2的结构都能使基模的损耗<0.1dB/m，高阶模的损耗>40dB/m，即高阶模与基模的损耗比超过400，因此实现良好的模式优化效果。