级联渐变折射率多模光纤结构及激光光束自清洁装置

本发明属于激光与成像，更具体地，涉及一种级联渐变折射率多模光纤结构及激光光束自清洁装置。

背景技术：

1、随着光纤激光器功率需求的进一步提升，单模光纤激光器已经无法满足要求，拥有更大模场面积的多模光纤现被广泛用于制造高功率光纤激光器。同时，多模光纤在高分辨率光子成像、非线性内窥镜和共聚焦显微镜等方面的研究与应用中也表现出明显优势。但是，更大的模场面积也意味着多模光纤支持更多的空间模式，这将会带来光束质量下降的问题，甚至无法满足实际应用的要求。

2、光束自清洁可以克服光束畸变，显著提升多模光束质量，得到研究人员的广泛关注。光束自清洁现象在不同种类的光纤中、不同的波段以及不同的时间尺度下被研究人员广泛研究。然而，在现有研究中，光纤输出端得到的自清洁光束中仍有显著能量存在高阶模式中，使得多模光束的光束质量虽然已得到明显提升，但仍然不足以满足实际应用的要求。如何进一步将自清洁光束中高阶模式的能量进一步转移到基模中，进一步提升多模光束的光束质量，使其能够满足实际应用的要求成为了一个新的挑战。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种级联渐变折射率多模光纤结构及激光光束自清洁装置，其目的在于解决现有光束自清洁技术中仍有显著能量存在于高阶模式中，导致光束质量难以满足实际应用需求的问题。

2、为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种级联渐变折射率多模光纤结构，包括：n段依次连接的渐变折射率多模光纤，n≥2；各段渐变折射率多模光纤的数值孔径相同且纤芯半径不同，前一级渐变折射率多模光纤的纤芯半径小于后一级渐变折射率多模光纤的纤芯半径；用于在各级渐变折射率多模光纤中逐级激发出能量低于设定值的新的高阶模式，从而对输入所述级联渐变折射率多模光纤结构的多模光束进行级联克尔自清洁。

3、更进一步地，相邻两级渐变折射率多模光纤的纤芯半径之差为1-10微米。

4、更进一步地，n段依次连接的渐变折射率多模光纤中，各段渐变折射率多模光纤的纤芯半径相同且数值孔径不同，前一级渐变折射率多模光纤的数值孔径小于后一级渐变折射率多模光纤的数值孔径；用于在各级渐变折射率多模光纤中逐级激发出能量低于设定值的新的高阶模式，从而对输入所述级联渐变折射率多模光纤结构的多模光束进行级联克尔自清洁。

5、更进一步地，相邻两级渐变折射率多模光纤的数值孔径之差为0.01-0.1。

6、更进一步地，当多模光束输入所述级联渐变折射率多模光纤结构时：第一级渐变折射率多模光纤中，多模光束经过一次克尔自清洁后到达稳定并输出至第二级渐变折射率多模光纤；第n级渐变折射率多模光纤中，能量低于设定值的新的高阶模式被激发，以满足高阶模式吸引子和从中间模式流向基模的能量级联的条件，从而打破输入其中的多模光束的稳定状态，建立新的克尔自清洁过程，并输出第n次克尔自清洁后的多模光束，n∈{2，n}。

7、按照本发明的另一个方面，提供了一种激光光束自清洁装置，包括：透镜以及如上所述的级联渐变折射率多模光纤结构，所述级联渐变折射率多模光纤结构位于所述透镜的输出光路上；所述透镜用于将光束汇聚到所述级联渐变折射率多模光纤结构的输入端纤芯处，以激发形成多模光束；所述级联渐变折射率多模光纤结构用于对所述多模光束进行级联克尔自清洁。

8、更进一步地，所述级联渐变折射率多模光纤结构的输入端面位于所述透镜的后焦面处。

9、更进一步地，所述装置还包括：激光器，所述透镜位于所述激光器的输出光路上；所述激光器用于将其输出光束的功率逐步增加到所述级联渐变折射率多模光纤结构中出现克尔自清洁现象所需要的功率阈值，以使得所述级联渐变折射率多模光纤结构中传输的多模光束发生级联克尔自清洁。

10、更进一步地，所述装置还包括：ccd相机，位于所述级联渐变折射率多模光纤结构的输出光路上，用于对所述级联渐变折射率多模光纤结构输出的级联克尔自清洁光束进行成像。

11、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

12、(1)提供一种级联渐变折射率多模光纤结构，将多段数值孔径相同但纤芯半径不同的渐变折射率多模光纤按照纤芯半径递增的顺序熔接在一起形成级联渐变折射率多模光纤结构，或者，将多段纤芯半径相同但数值孔径不同的渐变折射率多模光纤按照数值孔径递增的顺序熔接在一起形成级联渐变折射率多模光纤结构，使得一定数量的能量可以忽略的新的高阶模式被逐级激发，从而使得级联光束自清洁的发生所需的高阶模式吸引子和从中间模式流向基模的能量级联条件得以满足，从而产生级联自清洁光束；

13、(2)相对于常规研究观点(光纤中激发的模式数量越多，多模光束质量越差)，本结构采用反常研究思路，通过级联渐变折射率多模光纤结构逐级引入一定数量的能量可忽略的新的高阶模式，逐级建立新的自清洁过程，实现了多模光束质量的级联提升，有效解决了当前单根渐变折射率多模光纤结构中自清洁光束的光束质量难以进一步提升的问题，具有研究角度独特、适用性广、结构简单、制作成本低、易与其他光纤器件兼容等优点；

14、(3)将相邻两级渐变折射率多模光纤的纤芯半径之差或数值孔径之差限定在一个较小的范围内，可以进一步提高光纤输出端基模的能量，进一步提高级联光束自清洁的效率。

技术特征：

1.一种级联渐变折射率多模光纤结构，其特征在于，包括：n段依次连接的渐变折射率多模光纤，n≥2；

2.如权利要求1所述的级联渐变折射率多模光纤结构，其特征在于，相邻两级渐变折射率多模光纤的纤芯半径之差为1-10微米。

3.如权利要求1所述的级联渐变折射率多模光纤结构，其特征在于，n段依次连接的渐变折射率多模光纤中，各段渐变折射率多模光纤的纤芯半径相同且数值孔径不同，前一级渐变折射率多模光纤的数值孔径小于后一级渐变折射率多模光纤的数值孔径；

4.如权利要求3所述的级联渐变折射率多模光纤结构，其特征在于，相邻两级渐变折射率多模光纤的数值孔径之差为0.01-0.1。

5.如权利要求1-4任一项所述的级联渐变折射率多模光纤结构，其特征在于，当多模光束输入所述级联渐变折射率多模光纤结构时：

6.一种激光光束自清洁装置，其特征在于，包括：透镜以及如权利要求1-5任一项所述的级联渐变折射率多模光纤结构，所述级联渐变折射率多模光纤结构位于所述透镜的输出光路上；

7.如权利要求6所述的激光光束自清洁装置，其特征在于，所述级联渐变折射率多模光纤结构的输入端面位于所述透镜的后焦面处。

8.如权利要求6所述的激光光束自清洁装置，其特征在于，所述装置还包括：激光器，所述透镜位于所述激光器的输出光路上；

9.如权利要求6所述的激光光束自清洁装置，其特征在于，所述装置还包括：

技术总结
本发明公开了一种级联渐变折射率多模光纤结构及激光光束自清洁装置，属于激光与成像技术领域，级联渐变折射率多模光纤结构包括N段依次连接的渐变折射率多模光纤，N≥2；各段渐变折射率多模光纤的数值孔径相同且纤芯半径不同，前一级渐变折射率多模光纤的纤芯半径小于后一级渐变折射率多模光纤的纤芯半径；用于在各级渐变折射率多模光纤中逐级激发出能量低于设定值的新的高阶模式，从而对输入级联渐变折射率多模光纤结构的多模光束进行级联克尔自清洁。有效解决了当前单根多模光纤结构中自清洁光束的光束质量难以进一步提升的问题。

技术研发人员：张庆斌,何伟涛,彭双喜,胡飞龙,王志浩,李政言,陆培祥
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/8