一种光纤型激光光束质量优化装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种光纤型激光光束质量优化装置，用于实时控制和提高输出激光的光束质量和亮度，适合在高功率激光领域应用。
【背景技术】
[0002]随着科技发展和经济增长，在工业制造领域，对激光系统的亮度提出越来越高的要求。但是在高功率情况下，各类型激光器都会出现光束质量下降的问题，输出亮度难以得到保证。人们提出多种方案来提升输出激光的光束质量。例如可以设计特殊的传输激光的波导结构来过滤掉高阶模式。但是这种方式会损失掉一部分功率，难以在高功率情况下应用；而且需要已知激光的光束质量，无法做到实时调整环境扰动带来的光束质量劣化。再例如可以使用自适应变形镜来改善输出激光的光束质量。但是自适应变形镜价格昂贵，而且在有限的体积内阵列单元数目有限，难以实现高精度光束质量改善。
【发明内容】
[0003]为了克服上述现有技术存在的问题，本发明提供一种光纤型激光光束质量优化装置，将待优化激光耦合入一根光纤，实时测量输出的光束质量并反馈控制光纤各点的折射率或光程，改变光纤内模式耦合条件，实现激光从高阶模式向低阶模式耦合，从而改善光束质量，具有体积小，效率高，实时优化，稳定可靠的优点。
[0004]本发明技术解决方案如下:
[0005]一种光纤型激光光束质量优化装置，包括耦合单元、无源光纤、准直镜、分光镜、光束质量测量单元、控制单元和光纤调整器；
[0006]待优化激光通过耦合单元耦合进无源光纤，传输后出射，通过准直镜，再经过分光镜分为两光束，第一光束作为输出光，第二光束入射光束质量测量单元中；光束质量测量单元用于测量第二光束的质量信息；控制电路用于根据第二光束的质量信息生成控制信号并传送给光纤调整器；光纤调整器安装于所述无源光纤上，光纤调整器用于在所述控制信号的作用下，改变光纤参数以控制光纤中各个模式的耦合，从而使得能量从高阶模向低阶模耦合，完成光束质量的优化。
[0007]所述的耦合单元在耦合过程中没有光束质量选择的效果，尽量将90%以上的激光耦合进所述无源光纤。所述的无源光纤能够传播光束质量待优化的激光所包含的所有的传播模式。
[0008]所述的分光镜的反射率是从0.01%到99.99%。
[0009]所述的光束质量测量单元可以放置在分光镜的透射方向，也可以放置在分光镜的反射方向，所述的光束质量测量单元可以是但不限于是:电荷耦合元件(CCD)、光束质量测量仪和摄像机等。
[0010]所述的控制单元所实现的算法可以是但不限于:随机并行梯度下降算法、单抖动法、多抖动法、遗传算法和模拟退火算法等。
[0011]所述的参数调整器多点设置在光纤上，可以是但不限于:压电陶瓷(PZT)、半导体制冷器(TEC)、电阻丝、相位调制器和步进电机等。
[0012]准直镜可以是凸透镜，也可以是凸透镜组。
[0013]本发明的技术效果:
[0014]在一段能够允许各种模式传播的光纤中，各种模式之间可能会发生模式耦合。本发明将待优化的激光耦合到装有多个光纤调整器的光纤中，实时测量输出的光束质量，输送给控制单元。控制单元可以解析出各个控制点所需要的控制信号，然后输送给个参数调整器。各个参数调整器改变光纤的折射率或光程等参数以后控制光纤中各个模式的模式耦合，从而使得能量从高阶模向低阶模耦合，实现光束质量的优化。与现有先技术相比，体积小巧，成本低廉，可以实时优化光束质量，系统稳定可靠，适用于各种类型的激光器输出，可以实现高功率激光束的光束质量优化，获得高亮度激光。
【附图说明】
[0015]图1为本发明光纤型激光光束质量优化装置结构图。
【具体实施方式】
[0016]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例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0017]先请参阅图1，图1为光纤型激光光束质量优化装置的一个实施例。一个输出功率为1000W的掺镱光纤激光器，光束质量约为M2= 4。耦合单元I采用熔接的方式将几乎全部激光親合进一根纤芯直径为50 μ m，包层直径为400 μπι，长度为Im的无源光纤2。无源光纤2上等间隔的安上了 20个压电陶瓷作为可以改变无源光纤2局部光程的光纤调整器7。激光从无源光纤输出以后通过一个焦距为40mm的凸透镜3准直成为一个直径约为6mm光束，通过一个反射率为99.9%的分光镜4，99.9%的光反射作为输出光，0.1 %的光透射进入一个高速CCD5的接受面。我们以在直径4_的圆内的光强乘以面积作为评价函数。
[0018]在本实施例中，控制电路单元6采用随机并行梯度下降方法，过程如下:
[0019]I)、首先随机设置一个初始控制电压Uw= (U11U2,……,u20} (0)o分别输出20个压电陶瓷上；
[0020]2)、然后通过高速(XD5采集到的信息快速计算出评价函数J(m);
[0021]3)、再生成随机扰动电压δ,= {5uxl, 5Uyl, δ ux2, SUy2}w并保存；
[0022]4)、将扰动电压δ u(m)与控制电压u (m)输出到压电陶瓷7上；
[0023]5)、测量扰动后的评价函数J+(m);
[0024]6)、将随机扰动电压δ u(m)取反并与控制电压u (m)累加后上输出至压电陶瓷7 ;
[0025]7)、获取扰动后的评价函数J_(m);
[0026]8)、计算评价函数的变化量Δ Jw = J +W-J_W ；
[0027]9)、按照公式u(m+1)= u ω+γ δ u(m) Λ Jw更新控制电压输出至压电陶瓷7，进行第m+1次迭代；
[0028]10)、转入第3)步，继续进行电压控制，直至系统停机。
[0029]当算法实现收敛以后，CCD5所采集到的评价函数J稳定在最大值。此时，光束质量达到最优化的效果，实现了 M2= 1.2，输出功率为998W。
[0030]该实施例表明，本发明具有体积小巧，成本低廉，能够实时优化光束质量，系统稳定可靠等优点。适用于各种类型的激光器输出，可以实现高功率激光束的光束质量优化，获得高亮度激光。
[0031]本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种光纤型激光光束质量优化装置，其特征在于，包括耦合单元(I)、无源光纤(2)、准直镜(3)、分光镜(4)、光束质量测量单元(5)、控制单元(6)和光纤调整器(7); 待优化激光通过耦合单元(I)耦合进无源光纤(2)，传输后出射，通过准直镜(3)，再经过分光镜(4)分为两光束，第一光束作为输出光，第二光束入射光束质量测量单元(5)中；光束质量测量单元(5)用于测量第二光束的质量信息；控制电路(6)用于根据第二光束的质量信息生成控制信号并传送给光纤调整器；光纤调整器(7)安装于所述无源光纤(2)上，光纤调整器(7)用于在所述控制信号的作用下，改变光纤参数以控制光纤中各个模式的耦合，从而使得能量从高阶模向低阶模耦合，完成光束质量的优化。2.根据权利要求1中所述的光纤型激光光束质量优化装置，其特征在于:所述的光束质量测量单元(5)放置在分光镜的透射方向，或放置在分光镜的反射方向，所述的光束质量测量单元(5)为电荷耦合元件、光束质量测量仪或摄像机。3.根据权利要求1中所述的光纤型激光光束质量优化装置，其特征在于:所述的光纤调整器(7)为压电陶瓷、半导体制冷器、电阻丝、相位调制器或步进电机。
【专利摘要】本发明提供了一种光纤型激光光束质量优化装置，该装置包含一根带耦合装置和多个光纤调整器的无源光纤、准直镜、分光镜、光束质量测量单元和控制单元。光束质量测量单元实时测量输出的光束质量，输送给控制单元；控制单元解析出各个控制点所需要的控制信号，然后输送给参数调整器。各个参数调整器改变光纤的折射率或光程等参数以后控制光纤中各个模式的模式耦合，从而使得能量从高阶模向低阶模耦合，实现光束质量的优化。本发明具有体积小巧，效率高，输出功率损失小，稳定可靠，可实时优化光束质量，抗干扰能力强的优点。
【IPC分类】G02B27/09, H01S3/10
【公开号】CN104917044
【申请号】CN201510309730
【发明人】武春风, 刘厚康, 李强, 姜永亮, 吕亮, 戴玉芬, 赵朋飞, 宋祥, 唐仕旺
【申请人】湖北航天技术研究院总体设计所
【公开日】2015年9月16日
【申请日】2015年6月8日