光纤器件在线工艺优化方法及装置

本发明属于光纤器件制备，尤其是一种光纤器件在线工艺优化方法及装置。

背景技术：

1、基于全光纤结构的高功率光纤激光器近年来在功率提升和国防工业应用方面取得了长足进步，这很大程度上得益于全光纤结构的广泛应用。在全光纤结构的激光系统中，少模增益光纤、传能光纤和光纤器件的组合使用使得系统整体结构紧凑，抗干扰性强。其中，较为关键且应用最为广泛的几类光纤器件包括泵浦合束器(信号-泵浦合束器)、功率合束器、模场适配器、包层光滤除器、光纤端帽等。

2、由于光纤器件通常涉及不同光纤之间的集成或光纤结构的机械/光学处理，伴随着波导结构的变化，激光在其中的传输极易发生模式耦合，从而导致严重的模式退化，此问题在中高功率输出水平下尤为突出。例如，光纤合束器通常由不少于两种类型的少(多)模光纤集束而成，光纤之间的模式耦合情形复杂，输入光纤和输出光纤之间的模式匹配受到前级激光模式成分和预处理工艺等多个因素影响，目前尚缺乏有效的模式成分测量和在线工艺优化手段。现有方法中，通常基于输出端功率测量或输出光斑图样直接采集来主观地评估器件制作质量，难以将器件关键制备工艺和模式保持特性建立“点对点”量化关系。此外，直接功率监测获得的数据指标与器件的模式相关特性无直接对应关系，不足以间接表征器件的光束质量保持特性。输出光斑图样虽然隐含模式含量信息，但是模式成分和光斑强度分布存在多对一情形，容易造成对光纤器件模式退化情形的错误判读。通过直接光束质量测量的方法来评估光纤器件的模式保持效果，测试过程效率较低，且光束质量m2和光纤器件的内部模式演化无直接对应关系。因此，要想真正厘清光纤器件内部模式退化的主要诱因、量化模式含量变化规律、探求工艺参数和内部模式状态的对应关系，需要开发新的光纤器件内部模式耦合测量工具。

3、例如，光纤端帽通常采用将传能光纤和熔融石英块熔接的方式制作，用来降低激光器输出功率密度，熔接质量的好坏对输出光束质量的影响显著，有必要开展在线模式耦合分析来量化、优化熔接工艺，实现高光束质量激光的模式特性保持。针对合束器、模场适配器等包含拉锥工艺的器件制备，虽然工艺过程客观地满足绝热拉锥条件，但是关键工艺参数仍显著影响模式传输特性，导致输出光束质量发生退化。一方面，对于制备完成的光纤器件，除了需要对器件的整体传输效率进行测试外，还需要针对器件的光束质量保持特性进行内部模式耦合特性的良率筛选。另一方面，对于光纤器件的在线制备，有必要开发在线模式测量方法，探寻工艺参数对光纤器件模式耦合特性的影响，指导在线工艺优化，提升器件的光束质量保持能力。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提出了一种光纤器件在线工艺优化方法及装置，本发明能够对光纤器件的模式耦合状态、输出模式成分进行定量测量。

2、为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案是：

3、一方面，提供一种光纤器件在线工艺优化方法，包括：

4、s1.确定光纤器件需优化的n个工艺参数；

5、s2.采用控制变量法，每次优化其中的一个工艺参数，直至完成n个工艺参数的优化，光纤器件输出状态达到目标效果，其中第n个工艺参数的优化过程如下：

6、s2.1在当前工艺参数下，将探测激光注入制作过程中的光纤器件的输入信号光纤；

7、s2.2探测激光从输入信号光纤出发，经过光纤器件工艺处理区，受光纤器件制作过程中外加工艺处理参数的影响，光纤器件内部存在非理想模式退化，探测激光的纤芯传输模式在工艺处理区发生改变，受到调制的探测激光以新的模式状态传输至光纤器件输出信号尾纤；

8、s2.3采集光纤器件输出信号尾纤输出的光场信息并解析模场特性，获取当前工艺参数下所述光纤器件内部传输时由于模式耦合诱导产生的模式数量、高阶模类型和相对含量；

9、s2.4保持其他工艺参数不变，改变第n个工艺参数，重复步骤s2.1至s2.4，直至当前工艺参数下所述光纤器件内部传输时由于模式耦合诱导产生的高阶模含量最低，当前对应的第n个工艺参数即为第n个工艺参数的最优值。

10、进一步地，本发明步骤s2中，所述探测激光为扫频激光；

11、所述光纤器件随着注入扫频激光波长的变化，各个纤芯模式在所述光纤器件的输出信号尾纤输出端产生周期性干涉光场，所述周期性干涉光场包含多个特征频率，频率大小为不同模式之间的差分模式群时延；

12、采集输出信号尾纤输出的不同波长下周期性干涉光场的强度信息，提取不同波长下二维空间上所有位置处的强度数据，对二维空间上所有位置处强度数据作傅里叶变换，基于傅里叶变换结果获取探测激光在所述光纤器件内部传输时由于模式耦合诱导产生的模式数量、高阶模类型和相对含量。

13、进一步地，本发明步骤s2中，基于傅里叶变换结果获取探测激光在所述光纤器件内部传输时由于模式耦合诱导产生的模式数量、高阶模类型和相对含量，方法如下：

14、所述光纤器件的所有输出信号光纤若为两模光纤，则傅里叶变换结果中的峰值依次为基模lp01特征峰、第一高阶模lp11特征峰；

15、所述光纤器件的所有输出信号光纤若为支持更多模式的光纤，则傅里叶变换结果中的峰值依次为基模lp01特征峰、第一高阶模lp11特征峰、第二高阶模lp21特征峰，以此类推，高阶模特峰的排序以当前模式和光纤基模的相对差分时延大小决定，差分时延越小，排序越靠前；

16、在所述光纤器件的输出总功率一定的前提下，傅里叶变换结果中的峰值强度越大，表明相应模式的含量越高，以此获取探测激光在所述光纤器件内部传输时由于模式耦合诱导产生的模式数量、高阶模类型和相对含量。

17、一方面，提供一种光纤器件在线工艺优化装置，包括：

18、探测激光注入单元，用于产生探测激光，并将探测激光注入所述光纤器件的输入信号光纤；

19、所述光纤器件，至少包含输入信号光纤和输出信号尾纤两个端口；探测激光从输入信号光纤出发经所述光纤器件传输后，经过光纤器件工艺处理区，受光纤器件制作过程中外加工艺处理参数的影响，探测激光的纤芯传输模式在工艺处理区发生改变，受到调制的探测激光以新的模式状态传输至光纤器件输出信号尾纤；

20、图像采集和模式成分分析单元，用于采集输出信号尾纤输出的光场信息并解析模场特性，获取当前工艺参数下所述光纤器件内部传输时由于模式耦合诱导产生的模式数量、高阶模类型和相对含量；

21、控制单元，控制工艺参数，根据模式成分分析结果实时评估光纤器件性能，将模式分析结果作为反馈参数控制工艺设备步进调整器件加工参数，迭代优化确定最优工艺参数。

22、进一步地，本发明所述控制单元根据当前工艺参数下所述光纤器件内部传输时由于模式耦合诱导产生的模式数量、高阶模类型和相对含量，判定所述光纤器件在模式保持和光束质量方面的优劣，其中高阶模数量越少，相对含量越低，表面当前工艺参数下所述光纤器件在模式保持和光束质量方面具有更优的特性。

23、进一步地，本发明中：所述探测激光注入单元包含可调谐激光器和单模跳线，所述探测激光为扫频激光，扫频激光经可调谐激光器和单模跳线输出后，注入所述光纤器件的输入信号光纤。

24、进一步地，本发明中：所述可调谐激光器具有波长调谐范围、波长调谐分辨率、波长调谐速度三个参量可控的特点，其中可调谐激光器的最小波长调谐范围不小于5nm、最小波长调谐间隔不大于0.5nm、最快波长调谐速度不小于0.1nm/s。

25、进一步地，本发明中：所述单模跳线的截止波长不大于器件应用的工作波长，在工作波长下数值孔径na不大于0.1，在截止波长以及数值孔径na的可选范围内，单模跳线的截止波长和数值孔径na的取值越小越好。

26、进一步地，本发明中：所述光纤器件为任意一种具有激光传输用途的光纤器件，所述光纤器件存在外加工艺处理区，外加工艺处理区域内部存在诱导光纤纤芯模式状态发生耦合的外加处理因素或存在机械、化学、光学处理工艺导致的纤芯模式状态耦合诱导因素。

27、进一步地，本发明中：所述图像采集和模式成分分析单元包含成像光学组件、高帧率相机和模式干涉光场处理组件；

28、成像光学组件将输出信号尾纤输出的模式干涉光场传输至高帧率相机；

29、高帧率相机记录模式干涉光场的强度数据；

30、模式干涉光场处理组件对模式干涉光场的强度数据作傅里叶变换，基于傅里叶变换结果获取探测激光在所述光纤器件内部传输时由于模式耦合诱导产生的模式数量、高阶模类型和相对含量。

31、相对于现有技术，本发明能够产生的有益技术效果是：

32、本发明能够对制备完成的待检光纤器件的模式耦合状态、输出模式成分进行定量测量。具体地，对于制备完成的所述光纤器件，将探测激光注入所述光纤器件的输入信号光纤，探测激光从输入信号光纤出发，经过光纤器件的波导结构变化区域，受光纤器件制作过程中外加工艺处理参数的影响，光纤器件的内部波导结构偏离非理想状态，光纤熔接时存在模式失配，探测激光的纤芯传输模式在相应区域发生变化，受到调制的探测激光以新的模式状态传输至光纤器件的输出信号尾纤，采集光纤器件输出光场信息并解析模场特性，获取当前器件内部传输光场到达输出端时的模式数量和相对含量，根据模式成分分析光纤器件模式保持特性的优劣。

33、本发明通过对光纤器件内部的模式耦合状态进行精确测量，一方面可以评估已制备完成光纤器件的模式保持性能；另一方面量化光纤器件在不同工艺参数下的内部模式成分，有利于有针对性的优化器件制备工艺，进而有效提升光纤器件的模式保持性能，优化输出光束质量。

34、本发明立足于光纤器件内部模式耦合的现有测试结果，对于光纤器件在线制备的工艺参数优化，可采用优化关键工艺参数的方式改善内部模式耦合状态，保证器件输出端具有尽可能少的模式退化。优化关键工艺参数的方式包括但不限于优化烧蚀参数、优化拉锥比例、优化模场匹配、增加中继光纤等。本发明可实现光纤器件制备过程中模式成分的在线检测和关键工艺参数的实时优化，实现光纤器件的有效模式保持，避免发生光束质量局部退化。