一种在线式光纤光场测量系统及方法与流程

1.本发明属于光纤及激光技术领域，尤其涉及一种在线式光纤光场测量系统及方法。


背景技术：

2.随着光纤激光器功率的提升，受激拉曼散射、受激布里渊散射、热损伤等效应逐渐显著，大模场面积光纤经常被认为是解决非线性效应和光功率损伤的有效手段。然而随着模场面积的增大，光纤中的模式相应增加，模式不稳定现象降低了激光器中的光束质量，因此，同时具有大模场面积和单模传输特性的光纤是提升高功率激光器输出功率的有效途径。实现高光束质量激光输出的大模场面积光纤可以采用模式选择控制和光纤结构设计的方式实现。
3.在高功率高光束质量光纤放大器结构中，常用到突变光波导的结构，例如光纤纤芯直径或者数值孔径不同的两种光纤直接熔接。激光的本征模式经过突变波导后，其模场分布和光纤中的能量分布会发生显著的变化，且无法通过仿真分析进行准确计算。对光纤中的模场和光强分布进行快速和准确的测量，可以有效的指导光纤中的模场控制和输出特性测试，而目前还没有较好的方法对光纤中的模场和光场分布进行在线测量。


技术实现要素：

4.针对以上问题，本发明提供一种在线式光纤光场测量系统及方法，利用设置于光纤包层外的光学纳米粒子对包层泄露光进行采集实现光纤光场的在线测量。
5.为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：
6.一种在线式光纤光场测量系统，包括布置于光纤包层外的光学纳米粒子阵列以及键合到光学纳米粒子附近的纳米粒子探测器阵列。
7.作为本发明实施例技术方案进一步的限定，所述光学纳米粒子通过电子束光刻工艺等间距的制作在波导表面。
8.作为本发明实施例技术方案进一步的限定，所述光学纳米粒子可以为垂直于波导的金属线，也可以为其他与包层折射率不同的光学材料。
9.作为本发明实施例技术方案进一步的限定，所述的光学纳米粒子阵列可以为仅沿轴向的一个阵列，也可以为周期性排列的多个阵列。
10.作为本发明实施例技术方案进一步的限定，每个光学纳米粒子与纳米粒子探测器阵列中的像素点是一一对应的。
11.作为本发明实施例技术方案进一步的限定，所述的纳米粒子探测器阵列可以为仅沿轴向的一个阵列，也可以为周期性排列的多个阵列。
12.作为本发明实施例技术方案进一步的限定，所述光纤可以为单包层光纤，也可以为双包层光纤。
13.作为本发明实施例技术方案进一步的限定，当光纤为双包层光纤时，布置于光纤
的包层外的光学纳米粒子阵列为布置于光纤的内包层外的光学纳米粒子阵列。
14.为实现上述目的，本发明实施例还提供如下技术方案：
15.一种在线式光纤光场测量方法，包括如下步骤：
16.s1.将激光注入光纤纤芯，利用光学纳米粒子阵列对包层泄露光进行采集；
17.s2.利用纳米粒子探测器阵列探测光学纳米粒子阵列采集的光的强度；
18.s3.再经数据处理得到光纤的光场分布。
19.作为本发明实施例技术方案进一步的限定，所述光纤的光场分布包括光纤轴向和/或径向的光场分布。
20.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
21.本发明实施例通过提供一种在线式光纤光场测量系统及方法，通过在光纤包层上制作光学纳米粒子阵列，利用光学纳米粒子的微结构和光敏性，直接探测得到纤芯光场分布，实现了光纤光场的在线测量，相比于传统的通过激光输出光场分布来间接判断光纤中的场分布的方式，本发明可以更加快速和准确获取光纤光场，对光纤激光器进一步的功率提升有重要的应用价值。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例。
23.图1为本发明实施例中测量系统的轴向结构示意图；
24.图2为本发明实施例中测量系统的径向结构示意图；
25.图3为本发明实施例中光纤中光场分布示意图；
26.图4为本发明实施例中光纤包层泄漏光强分布示意图；
27.图5为本发明实施例测量方法流程示意图。
28.其中，1-光纤纤芯、2-光纤包层、3-光学纳米粒子、4-纳米粒子探测器阵列。
具体实施方式
29.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。
30.为解决上述问题，本发明提供一种在线式光纤光场测量系统及方法，利用设置于光纤包层外的光学纳米粒子对包层泄露光进行采集实现光纤光场的在线测量。
31.具体的，如图1-2所示，一种在线式光纤光场测量系统，包括布置于光纤包层2外的光学纳米粒子阵列以及键合到光学纳米粒子3附近的纳米粒子探测器阵列4，具体地说就是通过一定的作用力，使得与光学纳米粒子3尺寸和间隔相匹配的纳米粒子探测器阵列4有微小间距的结合在一起；传能光纤可以传输高能量的激光，光学纳米粒子3具有结构小和对光敏感的特质，激光在光纤纤芯1中传输时，对应的光场分布如图3所示，会有倏逝波从光纤包层2泄露出去，泄露的光强分布示意图如图4所示，极窄的纳米结构会引起波导折射率跃迁，使得倏逝波能够沿垂直于界面方向传播，纤芯中光场越强，泄露到包层外的光越强，相应部
位的光学纳米粒子耦合出来的倏逝波越强，光学纳米粒子3得到光沿轴向和/或径向的光强度分布，纳米粒子探测器阵列4具有探测每个光学纳米粒子的散射光强度的功能，经过数据处理，可以得到光纤轴向和/或径向的光场分布。
32.优选的，所述光学纳米粒子3通过电子束光刻工艺等间距的制作在波导表面。进一步优选的，所述光学纳米粒子3通过电子束诱导表面沉淀工艺等间距的制作在波导表面，电子束诱导表面沉淀工艺利用电子束曝光工艺直接在波导表面产生纳米微结构。
33.优选的，所述光学纳米粒子3可以为垂直于波导的金属线，也可以为其他与包层折射率不同的光学材料，具体选用材料取决于光纤包层的折射率，一般采用金属光学纳米粒子。
34.优选的，所述的光学纳米粒子阵列可以为仅沿轴向的一个阵列，也可以为周期性排列的多个阵列。所述光学纳米粒子3的数量和间隔是可以根据测量要求和精度进行设计的，例如，在一根10cm的光纤上，植入100个光学纳米粒子3测得数据与植入1000个光学纳米粒子3测得数据精度差会在10倍。进一步优选的，每个光学纳米粒子3与纳米粒子探测器阵列4中的像素点是一一对应的，每个纳米粒子探测器像素点只检测一个光学纳米粒子3的光强度，在进行综合数据处理时可以把异常数据进行去除。更进一步优选的，所述的纳米粒子探测器阵列4可以为仅沿轴向的一个阵列，也可以为周期性排列的多个阵列。具体地说就是轴向测量时，一个纳米粒子探测器阵列4就可以精准的测量光学纳米粒子3的光强度，径向测量时光学纳米粒子3的周期性排列，使得多个纳米粒子探测器阵列4可以精确测量光学纳米粒子3的光强度。
35.优选的，所述光纤可以为单包层光纤，也可以为双包层光纤。进一步优选的，选择单包层光纤在测量前仅需要去掉光纤的涂覆层；选择双包层光纤，在测量前要去掉光纤的涂覆层和外包层；当光纤为双包层光纤时，布置于光纤的包层外的光学纳米粒子阵列为布置于光纤的内包层外的光学纳米粒子阵列。
36.具体的，如图5所示，本发明还提供一种利用上述测量系统的在线式光纤光场测量方法，包括如下步骤：
37.s1.将激光注入光纤纤芯1，利用光学纳米粒子阵列对光纤包层2泄露光进行采集；
38.s2.利用纳米粒子探测器阵列4探测光学纳米粒子阵列采集的光的强度；
39.s3.再经数据处理得到光纤的包括轴向和/或径向的光场分布。
40.实施例1
41.如图1-2所示，一种在线式光纤光场测量系统，包括：
42.布置于光纤包层2外的周期性排列的多个光学纳米粒子阵列，
43.键合到光学纳米粒子3附近的周期性排列的多个纳米粒子探测器阵列4；
44.在光纤上通过电子束光刻工艺等间距的布置100个/cm的光学纳米粒子3，光学纳米粒子3为垂直于波导的金属线，每个光学纳米粒子3与纳米粒子探测器阵列4中的像素点是一一对应的，每个纳米粒子探测器像素点只检测一个光学纳米粒子3的光强度；所述光纤为单包层光纤，仅需要去掉单包层光纤的涂覆层。
45.如图5所示，本实施例还提供了一种在线式光纤光场测量方法，包括如下步骤：
46.s1.将激光注入光纤纤芯1，利用光学纳米粒子阵列对光纤包层2泄露光进行采集；
47.s2.利用纳米粒子探测器阵列4探测光学纳米粒子阵列采集的光的强度；
48.s3.再经数据处理得到光纤的轴向的光场分布。
49.所述激光传输的激光类型为基模或高阶模时情况一致，最后得到轴向的光场分布。
50.实施例2
51.如图1-2所示，一种在线式光纤光场测量系统，包括：
52.布置于光纤包层2外的周期性排列的多个光学纳米粒子阵列，
53.键合到光学纳米粒子3附近的周期性排列的多个纳米粒子探测器阵列4；
54.在光纤上通过电子束光刻工艺等间距的布置100个/cm的光学纳米粒子3，光学纳米粒子3为垂直于波导的金属线，每个光学纳米粒子3与纳米粒子探测器阵列4中的像素点是一一对应的，每个纳米粒子探测器像素点只检测一个光学纳米粒子3的光强度；所述光纤为单包层光纤，仅需要去掉单包层光纤的涂覆层。
55.如图5所示，本实施例还提供了一种在线式光纤光场测量方法，包括如下步骤：
56.s1.将激光注入光纤纤芯1，利用光学纳米粒子阵列对光纤包层2泄露光进行采集；
57.s2.利用纳米粒子探测器阵列4探测光学纳米粒子阵列采集的光的强度；
58.s3.再经数据处理得到光纤的径向的光场分布。
59.测量径向光场分布时会与光纤中传输的激光类型有关，当激光为基模时，测得的光场分布强度会一致，得到径向的光场分布；当激光为高阶模时，测得的光场分布强度会出现大的差异，得到径向的光场分布。
60.实施例3
61.如图1-2所示，一种在线式光纤光场测量系统，包括：
62.布置于光纤包层2外的周期性排列的多个光学纳米粒子阵列，
63.键合到光学纳米粒子3附近的周期性排列的多个纳米粒子探测器阵列4；
64.在光纤上通过电子束光刻工艺等间距的布置50个/cm的光学纳米粒子3，光学纳米粒子3为垂直于波导的金属线，每个光学纳米粒子3与纳米粒子探测器阵列4中的像素点是一一对应的，每个纳米粒子探测器像素点只检测一个光学纳米粒子3的光强度；所述光纤为双包层光纤，需要去掉双包层光纤的涂覆层和外包层。
65.如图5所示，本实施例还提供了一种在线式光纤光场测量方法，包括如下步骤：
66.s1.将激光注入光纤纤芯1，利用光学纳米粒子阵列对光纤包层2泄露光进行采集；
67.s2.利用纳米粒子探测器阵列4探测光学纳米粒子阵列采集的光的强度；
68.s3.再经数据处理得到光纤的包括轴向和/或径向的光场分布。
69.实施例4
70.如图1-2所示，一种在线式光纤光场测量系统，包括：
71.布置于光纤包层2外的周期性排列的多个光学纳米粒子阵列，
72.键合到光学纳米粒子3附近的周期性排列的多个纳米粒子探测器阵列4；
73.在光纤上通过电子束光刻工艺等间距的布置150个/cm的光学纳米粒子3，光学纳米粒子3为垂直于波导的金属线，每个光学纳米粒子3与纳米粒子探测器阵列4中的像素点是一一对应的，每个纳米粒子探测器像素点只检测一个光学纳米粒子3的光强度；所述光纤为双包层光纤，需要去掉双包层光纤的涂覆层和外包层。
74.如图5所示，本实施例还提供了一种在线式光纤光场测量方法，包括如下步骤：
75.s1.将激光注入光纤纤芯1，利用光学纳米粒子阵列对光纤包层2泄露光进行采集；
76.s2.利用纳米粒子探测器阵列4探测光学纳米粒子阵列采集的光的强度；
77.s3.再经数据处理得到光纤的包括轴向和/或径向的光场分布。
78.实施例5
79.如图1-2所示，一种在线式光纤光场测量系统，包括：
80.布置于光纤包层2外的周期性排列的多个光学纳米粒子阵列，
81.键合到光学纳米粒子3附近的周期性排列的多个纳米粒子探测器阵列4，具体地说就是通过一定的作用力，使得与光学纳米粒子3尺寸和间隔相匹配的纳米粒子探测器阵列4有微小间距的结合在一起；
82.在光纤上通过电子束光刻工艺等间距的布置100个/cm的光学纳米粒子3，具体地说就是通过电子束诱导表面沉淀技术，电子束诱导表面沉淀技术利用电子束曝光技术直接在波导表面产生纳米微结构；光学纳米粒子3为垂直于波导的金属线，每个光学纳米粒子3与纳米粒子探测器阵列4中的像素点是一一对应的，每个纳米粒子探测器像素点只检测一个光学纳米粒子3的光强度；所述光纤为单包层光纤，仅需要去掉单包层光纤的涂覆层。
83.如图5所示，本实施例还提供了一种在线式光纤光场测量方法，包括如下步骤：
84.s1.将激光注入光纤纤芯1，利用光学纳米粒子阵列对光纤包层2泄露光进行采集；
85.s2.利用纳米粒子探测器阵列4探测光学纳米粒子阵列采集的光的强度；
86.s3.再经数据处理得到光纤的包括轴向和/或径向的光场分布。
87.本发明实施例通过在光纤包层上制作光学纳米粒子阵列，利用光学纳米粒子的微结构和光敏性，直接探测得到纤芯光场分布，实现了光纤光场的在线测量，相比于传统的通过激光输出光场分布来间接判断光纤中的场分布的方式，本发明可以更加快速和准确获取光纤光场，对光纤激光器进一步的功率提升有重要的应用价值。
88.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
89.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
90.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。