本发明属于强激光技术领域，特别是涉及一种离焦补偿型大功率窄线宽、线偏振光纤激光产生系统。
背景技术：
大功率窄线宽、线偏振光纤激光在相干合成、光谱合成、非线性频率变换、地球科学、原子分子物理等诸多应用领域具有广泛的应用需求。
通常，大功率窄线宽、线偏振光纤激光直接采用种子伺服全保偏级联放大器实现。在全保偏级联放大链路中，由于保偏光纤中受激布里渊散射增益比非保偏光纤高，因此，受激布里渊散射效应成为限制其向大功率发展的主要受限因素之一。
此外，现有实验结果表明保偏放大器中模式不稳定阈值明显低于同类型非保偏放大器。受激布里渊散射和模式不稳定效应的双重制约严重限制了大功率窄线宽、线偏振光纤激光的发展。
为了克服上述技术瓶颈，国内外研究人员提出了主动偏振控制技术，即利用非保偏放大器进行功率提升，进而采用偏振控制器和主动控制算法对非保偏放大器偏振度进行优化，实现大功率窄线宽、线偏振光纤激光输出。然而，传统基于主动偏振控制技术的大功率窄线宽、线偏振光纤激光其偏振与光信号提取模块结构复杂，集成度不高，极不利于其在相干合成、光谱合成等领域的应用。此外，当大功率窄线宽、线偏振光纤激光用于相干合成、光谱合成等领域时，高功率密度辐照下扩束准直系统、合成元件等均会产生不同程度的离焦像差。离焦像差会对导致合成系统合成效率降低、合成后激光光束质量下降。在非线性频率变换领域，离焦像差同样会对非线性频率变换效率产生重要影响。
基于上述考虑，急需在大功率窄线宽、线偏振光纤激光系统设计时引入离焦像差补偿技术。总体而言，设计一种具有离焦补偿功能的紧凑型大功率窄线宽、线偏振光纤激光系统具有迫切的现实意义。
技术实现要素：
本发明目的在于提供一种离焦补偿型大功率窄线宽、线偏振光纤激光产生系统，该系统可同时实现大功率窄线宽、线偏振、低像差光纤激光输出，为相干合成、光谱合成、非线性频率变换等领域提供性能可靠、结构紧凑的高性能光纤光源设计方案，推动大功率窄线宽、线偏振光纤激光的整体性能提升和应用领域的进一步发展。
为实现本发明之目的，采用以下技术方案予以实现：
一种离焦补偿型大功率窄线宽、线偏振光纤激光产生系统，包括窄线宽线偏振光纤种子源、偏振控制模块、非保偏级联光纤放大器、离焦补偿型扩束准直系统、一体化偏振与光信号提取模块以及主动偏振控制系统。
从窄线宽线偏振光纤种子源输出的激光依次经过偏振控制模块、非保偏级联光纤放大器、离焦补偿型扩束准直系统后进入一体化偏振与光信号提取模块，一体化偏振与光信号提取模块包括偏振分束器、高反镜、锥形废光收集器、衰减系统和光电探测模块，经离焦补偿型扩束准直系统准直输出的激光光束入射到偏振分束器上，由偏振分束器将入射激光光束分为s偏振光束和p偏振光束两路光束，p偏振光束作为主激光输出到自由空间，s偏振光束入射到高反镜，s偏振光束经高反镜后，大部分s偏振光束被高反镜反射到锥形废光收集器而被锥形废光收集器收集，一小部分s偏振光束从高反镜透射到衰减系统；经衰减系统衰减后的激光光束注入到光电探测模块；光电探测模块将入射到光电探测模块的激光光束的光信号转换为电信号，并将转换后的电信号输送给主动偏振控制系统；主动偏振控制系统对光电探测模块反馈的电信号进行处理，获取偏振控制信号，并将偏振控制信号施加到偏振控制模块，实现整个系统的闭环控制。其中：从窄线宽线偏振光纤种子源输出的激光经过偏振控制模块进行偏振转换后注入到非保偏级联光纤放大器中进行放大，放大后的激光光束入射到离焦补偿型扩束准直系统，通过离焦补偿型扩束准直系统中的扩束准直透镜对其进行准直和像差矫正。
本发明中：离焦补偿型扩束准直系统包括两个扩束准直模块，入射到离焦补偿型扩束准直系统的激光光束首先由第一个扩束准直模块中的扩束准直透镜对其进行初步准直，初步准直后的激光光束通过第二个扩束准直模块中的扩束准直透镜对其进行二次准直和像差矫正后输出。其中：扩束准直模块包括筒形内壳、筒形外壳、导热模块和扩束准直透镜，所述扩束准直透镜竖直安装在内壳内，所述内壳套设在外壳内，内壳和外壳之间设置有用于导出扩束准直模块产生的废热的导热模块；两个扩束准直模块通过旋转套件水平连接在一起，旋转套件的两端分别与两个扩束准直模块的外壳螺纹连接，通过旋转调节旋转套件，便可调节两个扩束准直透镜之间的间距。所述导热模块包括进水孔、出水孔以及水冷管路，外部的冷水经进水孔进入到导热模块中的水冷管路，对扩束准直模块进行强制水冷后经出水孔流出。本发明通过旋转调节旋转套件，便可调节两个扩束准直透镜之间的间距，实现高功率下的离焦补偿。为了实现高精度、大范围离焦补偿，需通过精确设计旋转套件上的螺纹间距和螺纹范围确保旋转套件的调节精度和调节范围。本发明中导热模块用于导出扩束准直模块产生的废热，防止热积累，对透镜等器件造成热损伤。导热模块嵌入在每一个扩束准直模块的内外壳之间。导热模块内部设置有水冷管路，水冷管路包括进水管路和出水管路。导热模块材料可以是铝合金、铜等导热材料。当光纤激光运行在大功率时，进水孔和出水孔将与外界水冷系统连接，对离焦补偿型扩束准直系统进行强制水冷。
本发明中将两个扩束准直模块分别设为第一扩束准直模块和第二扩束准直模块，第一扩束准直模块中的内壳伸入到第二扩束准直模块的内壳与外壳之间，第二扩束准直模块的外壳外侧设置有一锁定顶丝，锁定顶丝经外壳上的穿孔从外壳的外侧伸入到外壳内侧将第一扩束准直模块的内壳的伸入位置锁定，所述第一扩束准直模块的内壳上开设有与锁定顶丝配合的锁定孔，锁定顶丝插入相应的锁定孔实现锁定。进一步地。锁定顶丝还可以依次穿过旋转套件、第二扩束准直模块的外壳后插入第一扩束准直模块内壳上相应的锁定孔内实现锁定，这样锁定顶丝可以将旋转套件固定在最优位置。在旋转套件、第一扩束准直模块内壳或/和第二扩束准直模块的外壳上开设有多个供锁定顶丝穿插的锁定孔，便于根据实际情况调整锁定顶丝锁定的位置。在实际应用系统中，当离焦补偿效果达到预期目标后，可通过调节锁定顶丝锁定第一扩束准直模块和第二扩束准直模块之间的相对位置，即实现两个扩束准直透镜之间间距的锁定。
本发明的一体化偏振与光信号提取模块设置在旋转台上，旋转台能够实现一体化偏振与光信号提取模块的360度可旋转。进一步地，所述旋转台还包括固定件，固定件能够实现旋转台与第二扩束准直模块之间位置的锁定。旋转台上的固定件也为一个锁定顶丝。第二扩束准直模块的内壳伸向旋转台，第二扩束准直模块的内壳与旋转台之间能够通过锁定顶丝锁定连接。通过调节锁定顶丝，能够实现一体化偏振与光信号提取模块与离焦补偿型扩束准直系统之间的位置锁定。在实际操作中，当调节旋转台使得系统输出主激光功率达到最大时，便可通过固定件锁定旋转台。
一体化偏振与光信号提取模块中，为了减小系统的热畸变，一体化偏振与光信号提取模块中的偏振分束器和高反镜分别装配在水冷式制冷套件上。一体化偏振与光信号提取模块设置有水冷管路，水冷管路包覆在一体化偏振与光信号提取模块的外侧，偏振分束器和高反镜的水冷式制冷套件分别与一体化偏振与光信号提取模块上的水冷管路相互联通，一体化偏振与光信号提取模块的水冷管路上设有与外界水冷系统连接的进水孔和出水孔，外界水冷系统中的冷水经进水孔进入水冷管路后分别给安装在水冷式制冷套件上的偏振分束器和高反镜进行强制水冷。运行在大功率时，进水孔和出水孔将与外界水冷系统连接，对一体化偏振与光信号提取模块进行强制水冷，确保系统性能稳定。
本发明中所述窄线宽线偏振光纤种子源实现方式不限，可以是单频线偏振光纤种子源、单频线偏振光纤种子经相位调制方法产生的窄线宽激光源、直接振荡腔产生的窄线宽线偏振光纤种子源、超荧光光源滤波产生的窄线宽线偏振光纤种子源、随机激光滤波产生的窄线宽线偏振光纤激光种子源等。窄线宽线偏振光纤种子源的中心波长不限，可以是1微米波段(1030nm～1100nm)、长波波段(1100nm～1150nm)、2微米波段之内的任意波长。窄线宽线偏振光纤种子源时域特性不限，可以是连续激光或脉冲激光。
本发明中所述的偏振控制模块为可将输入偏振光转换为期望偏振光输出的电控偏振控制器件，其类型不限，可以是方位角型偏振控制模块、延迟量型偏振控制模块、方位角-延迟量型偏振控制模块等，其响应波长、控制精度、响应速度根据实际控制系统参数确定。
本发明中所述的非保偏级联光纤放大器将种子功率通过多级非保偏光纤放大器提高到预期水平，其放大级数根据输出功率水平确定，增益光纤掺杂离子根据种子波长确定。光纤参数、泵浦结构可根据放大功率水平有多种选择。
本发明中所述离焦补偿型扩束准直系统由两个扩束准直模块构成，每个扩束准直模块包含一个扩束准直透镜，两个扩束准直透镜的焦距根据扩束后光斑和像差的大小确定。透镜的材料选择多样，可以是融石英、znse、caf2等，增透膜镀膜方式选择多样，可以是单层镀膜或多层镀。
本发明中，偏振分束器设置在旋转台上。通过调节旋转台，便可选择出入射到偏振分束器上的最佳入射角度，实现最大功率的纯线偏振激光输出。偏振分束器将离焦补偿型扩束准直系统注入的光束分为两束，其实现方式多样，可以是偏振分束片、格兰棱镜、布鲁斯特窗等。所述的偏振分束器材料不限，可以是石英、k9、钒酸钇、方解石、偏硼酸钡等不同的晶体材料。
本发明中，一体化偏振与光信号提取模块中的高反镜用于改变光路，其构成材料不限，可根据输出激光功率密度有多种选择。反射波长范围由窄线宽线偏振光纤种子源中心波长确定。锥形废光收集器用于收集偏振控制后剩余的废光，衰减系统用于对高反镜透射的激光强度进行衰减，防止光电探测模块发生饱和。光电探测模块将光信号转换为电信号，其响应波长由窄线宽线偏振光纤种子源中心波长确定。固定件用于一体化偏振与光信号提取模块与离焦补偿型扩束准直系统之间的固定。
主动偏振控制系统对一体化偏振与光信号提取模块中光电探测模块探测的电信号进行算法处理，获取偏振控制信号，进而施加到偏振控制模块，实现整个系统的闭环控制。主动偏振控制系统算法实现方式多样，可以是随机并行梯度下降算法、爬山法等。
从窄线宽线偏振光纤种子源输出的激光首先经过偏振控制模块后注入到非保偏级联光纤放大器中进行放大。放大后的激光经过离焦补偿型扩束准直系统注入到一体化偏振与光信号提取模块。离焦补偿型扩束准直系统基于双透镜组合实现光束准直。双透镜之间的距离设计为可调节，实现离焦像差补偿。一体化偏振与光信号提取模块实现光束起偏、废光收集、光信号提取等功能。经过偏振与光信号提取模块，主激光直接输出到自由空间，提取到的光信号转换为电信号，注入到主动偏振控制系统。主动偏振控制系统对电信号进行算法处理，将控制信号施加到偏振控制模块，实现整个系统的闭环控制。相对于现有技术，本发明产生了以下有益技术效果：
1、本发明可同时实现大功率窄线宽、线偏振、低像差光纤激光输出。
2、本发明通过设计离焦补偿型扩束准直系统，基于旋转套件实现双透镜组之间间距的高精度、大范围可调节，进而对高功率下光纤激光的离焦像差进行补偿。
3、本发明提供了一体化偏振与光信号提取模块，采用紧凑结构可实现光束取样、废光处理、光电信号转换等功能。
4、本发明具备通用性：从时域特性而言，该系统可用于连续光纤激光或纳秒、皮秒、飞秒等脉冲光纤激光；从频域特性而言，该系统可用于1微米、长波、2微米等不同波段分布的激光。
5、本发明中，窄线宽线偏振光纤种子源实现方式多样；偏振控制模块类型选择多样；扩束准直透镜、偏振分束器、高反镜等器件的材料选取、镀膜方式选择多样；主动偏振控制系统控制算法实现方式多样。
综上，本发明在强激光技术领域，特别是大功率窄线宽、线偏振光纤激光及其应用领域具有重大的应用价值。
附图说明
图1为本发明的结构原理示意图。
图中包括：窄线宽线偏振光纤种子源1、偏振控制模块2、非保偏级联光纤放大器3、离焦补偿型扩束准直系统4、一体化偏振与光信号提取模块5、主动偏振控制系统6。
其中，离焦补偿型扩束准直系统4中包含两个扩束准直模块和一个固定件47和一个旋转套件48：第一扩束准直模块包含第一扩束准直透镜41-1、第一扩束准直模块内壳42-1、第一扩束准直模块外壳43-1、第一导热模块44-1、第一进水孔45-1、第一出水孔46-1；第二扩束准直模块包括第二扩束准直透镜41-2、第二扩束准直模块内壳42-2、第二扩束准直模块外壳43-2、第二导热模块44-2、第二进水孔45-2、第二出水孔46-2。
一体化偏振与光信号提取模块5包含：旋转台51、偏振分束器52、高反镜53、锥形废光收集器54、衰减系统55、光电探测模块56、偏振分束器制冷套件57-1、高反镜制冷套件57-2、进水孔58-1、出水孔58-2、旋转台固定件59。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例图中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，做进一步详细说明，但本发明的实施方式不仅限于此。
参照图1，本发明提供一种离焦补偿型大功率窄线宽、线偏振光纤激光产生系统，包括窄线宽线偏振光纤种子源1、偏振控制模块2、非保偏级联光纤放大器3、离焦补偿型扩束准直系统4、一体化偏振与光信号提取模块5以及主动偏振控制系统6。
从窄线宽线偏振光纤种子源1输出的激光经过偏振控制模块2进行偏振转换后注入到非保偏级联光纤放大器3中进行放大，放大后的激光光束入射到离焦补偿型扩束准直系统4，通过离焦补偿型扩束准直系统4中的扩束准直透镜对其进行准直和像差矫正。
本实施例中：离焦补偿型扩束准直系统4包括包含两个扩束准直模块和一个旋转套件48。两个扩束准直模块分别为第一扩束准直模块和第二扩束准直模块。第一扩束准直模块包含第一扩束准直透镜41-1、第一扩束准直模块内壳42-1、第一扩束准直模块外壳43-1、第一导热模块44-1、第一进水孔45-1、第一出水孔46-1；第一扩束准直透镜41-1竖直安装在第一扩束准直模块内壳42-1中，第一扩束准直模块内壳42-1套设在第一扩束准直模块外壳43-1内，第一扩束准直模块内壳42-1和第一扩束准直模块外壳43-1之间设置有用于导出扩束准直模块产生的废热的第一导热模块44-1。所述第一导热模块44-1包括第一进水孔45-1、第一出水孔46-1以及水冷管路，外部的冷水经第一进水孔45-1进入到第一导热模块44-1中的水冷管路，对扩束准直模块进行强制水冷后经第一出水孔46-1流出。第二扩束准直模块包括第二扩束准直透镜41-2、第二扩束准直模块内壳42-2、第二扩束准直模块外壳43-2、第二导热模块44-2、第二进水孔45-2、第二出水孔46-2。第二扩束准直模块的各组成部件及其连接关系与第一扩束准直模块相同，在此不再赘述。两个扩束准直模块通过旋转套件48水平连接在一起，旋转套件48的两端分别与两个扩束准直模块的外壳螺纹连接，通过旋转调节旋转套件48，便可调节两个扩束准直透镜之间的间距。
经非保偏级联光纤放大器3放大后的激光光束入射至第一扩束准直模块中的第一扩束准直透镜41-1，由第一扩束准直透镜41-1对其进行初步准直，初步准直后的激光光速随后入射至第二扩束准直模块中，第二扩束准直模块中的第二扩束准直透镜41-2对入射激光光束进行二次准直和像差矫正。
第一扩束准直透镜41-1和第二扩束准直透镜41-2之间的距离通过旋转套件48实现可调节。第一扩束准直模块与第二扩束准直模块之间通过旋转套件48水平连接。第一扩束准直模块与旋转套件48之间、第二扩束准直模块与旋转套件48之间均通过螺纹连接，通过旋转调节旋转套件48，便可调节第一扩束准直模块中的第一扩束准直透镜41-1和第二扩束准直模块中的扩束准直透镜41-2之间的间距，实现高功率下的离焦补偿。第一扩束准直透镜41-1和第二扩束准直透镜41-2之间最终调整的间距是根据非保偏级联光纤放大器3的纤芯尺寸、离焦像差的大小和准直后光斑尺寸的大小共同确定的。为了实现高精度、大范围离焦补偿，需通过精确设计旋转套件48上的螺纹间距和螺纹范围确保旋转套件48的调节精度和调节范围。
第一扩束准直模块内壳42-1延伸至第二扩束准直模块外壳43-2内。第二扩束准直模块外壳43-2外侧设置有一固定件47，固定件47为一个锁定顶丝。第一扩束准直模块内壳42-1在固定件47锁定范围内。具体地，锁定顶丝经第二扩束准直模块外壳43-2上的穿孔从第二扩束准直模块外壳43-2的外侧伸入到外壳内侧将第一扩束准直模块内壳42-1的伸入位置锁定。所述第一扩束准直模块内壳42-1上开设有与锁定顶丝配合的锁定孔，锁定顶丝插入相应的锁定孔实现位置锁定。进一步地，固定件47用于将旋转套件48固定在最优位置。锁定顶丝还可以依次穿过旋转套件48、第二扩束准直模块外壳43-2后插入第一扩束准直模块内壳42-1上相应的锁定孔内实现锁定，这样锁定顶丝可以将旋转套件48固定在最优位置。在旋转套件、第一扩束准直模块内壳或/和第二扩束准直模块外壳上开设有多个供锁定顶丝穿插的锁定孔，便于根据实际情况调整锁定顶丝锁定的位置。在实际应用系统中，当离焦补偿效果达到预期目标后，可通过调节固定件47锁定第一扩束准直模块和第二扩束准直模块之间的相对位置，即实现扩束准直透镜41-1和41-2之间间距的锁定。
离焦补偿型扩束准直系统4中的导热模块用于导出离焦补偿型扩束准直系统产生的废热，防止热积累。第一导热模块44-1嵌入在第一扩束准直模块内壳42-1和第一扩束准直模块外壳43-1之间，第二导热模块44-2嵌入在第二扩束准直模块内壳42-2和第二扩束准直模块外壳43-2之间。第一导热模块44-1和第二导热模块44-2内部设置有水冷管路。第一导热模块44-1的水冷管路由第一进水孔45-1和第一出水孔46-1联通，第二导热模块44-2的水冷管路由第二进水孔45-2和第二出水孔46-2联通。第一导热模块44-1和第二导热模块44-2用于导出整个离焦补偿型扩束准直系统4中的废热，防止产生热积累，影响系统性能，其材料可以是铝合金、铜等导热材料。当光纤激光运行在大功率时，第一进水孔45-1、第一进水孔45-2和第二出水孔46-1、第二出水孔46-2将与外界水冷系统连接，对离焦补偿型扩束准直系统4进行强制水冷。
经离焦补偿型扩束准直系统4准直输出的激光光束注入到一体化偏振与光信号提取模块5。一体化偏振与光信号提取模块5设置在旋转台51上，旋转台51实现一体化偏振与光信号提取模块5的360度可旋转。旋转台固定件59能够实现旋转台与第二扩束准直模块之间位置的锁定，旋转台固定件59为一个锁定顶丝，第二扩束准直模块内壳42-2伸向旋转台并嵌入在旋转台51中间，第二扩束准直模块内壳42-2在旋转台固定件59锁定范围内，第二扩束准直模块内壳42-2与旋转台51之间能够通过锁定顶丝锁定连接。通过调节旋转台固定件59，能够实现一体化偏振与光信号提取模块5与离焦补偿型扩束准直系统4之间的锁定。在实际操作中，当调节旋转台51使得系统输出主激光功率达到最大时，便可通过旋转台固定件59锁定旋转台51。
一体化偏振与光信号提取模块5包括偏振分束器52、高反镜53、锥形废光收集器54、衰减系统55和光电探测模块56。偏振分束器52设置在旋转台51上。通过调节旋转台51，便可选择出入射到偏振分束器52上的最佳入射角度，实现最大功率的纯线偏振激光输出。经离焦补偿型扩束准直系统4准直输出的激光光束入射到偏振分束器52上，由偏振分束器52将入射激光光束分为s偏振光束和p偏振光束两路光束，p偏振光束作为主激光输出到自由空间，s偏振光束入射到高反镜53，s偏振光束经高反镜53后，大部分光束被锥形废光收集器54收集，一小部分光束入射到衰减系统55；衰减系统55用于对高反镜透射的激光强度进行衰减，防止光电探测模块发生饱和；经衰减系统55后的激光光束注入到光电探测模块56；光电探测模块56将入射激光光束的光信号转换为电信号，并将转换后的电信号输送给主动偏振控制系统6。主动偏振控制系统6对一体化偏振与光信号提取模块中光电探测模块探测的电信号进行算法处理，获取偏振控制信号，进而施加到偏振控制模块，实现整个系统的闭环控制。主动偏振控制系统算法实现方式多样，可以是随机并行梯度下降算法、爬山法等。
在一体化偏振与光信号提取模块5中，为了减小系统的热畸变，偏振分束器52和高反镜53分别装配在偏振分束器制冷套件57-1和高反镜制冷套件57-2上。制冷套件的具体结构根据偏振分束器52和高反镜53的形状和类型确定。对于片状结构，制冷套件一般为外部具有进出水孔、内部设有联通进出水孔的水冷管路的长方体制冷机械件，且该机械件上设置有用于安装偏振分束器52或高反镜53的安装架、安装孔等安装结构。
本发明中，一体化偏振与光信号提取模块5同样设置有水冷管路，水冷管路包覆在一体化偏振与光信号提取模块5的外侧并与偏振分束器制冷套件57-1、高反镜制冷套件57-2联通，一体化偏振与光信号提取模块5的水冷管路上设有与外界水冷系统连接的进水孔58-1、出水孔58-2。当运行在大功率时，进水孔58-1和出水孔58-2将与外界水冷系统连接，对一体化偏振与光信号提取模块5进行强制水冷，确保系统性能稳定。
本发明中，一体化偏振与光信号提取模块5中的高反镜用于改变光路，其构成材料不限，可根据输出激光功率密度有多种选择。反射波长范围由窄线宽线偏振光纤种子源中心波长确定。锥形废光收集器用于收集偏振控制后剩余的废光，衰减系统用于对高反镜透射的激光强度进行衰减，防止光电探测模块发生饱和。光电探测模块将光信号转换为电信号，其响应波长由窄线宽线偏振光纤种子源中心波长确定。导热层用于导出系统产生的废热，防止热积累，固定件用于一体化偏振与光信号提取模块的固定。