基于后向回光的光纤激光器中模式不稳定观察装置及方法与流程

本发明涉及高功率光纤激光器技术领域，尤其是涉及一种基于后向回光的光纤激光器中模式不稳定观察装置及方法。

背景技术：

光纤激光器中的模式不稳定是指在光纤激光器输出功率超过某一特定的阈值后，光纤激光的输出模式会带有明显的与时间相关的随机变化，主要表现为高阶模功率成分的急剧增加并伴随有输出模式成分的快速振荡，并会导致输出光束质量的严重恶化。因此，对于光纤激光器中的模式不稳定现象进行观察与判定并设法抑制，对于光纤激光器的正常运转有着重要意义。

目前，多是采用光电探测器和示波器结合的形式观察与判定模式不稳定效应是否发生，其原理为：模式不稳定效应伴随着输出光信号的剧烈振荡，经过光电探测器的光-电信号转换后，得到的电信号必然也会带有剧烈的振荡，其可在示波器上产生明显的振荡信号，而没有模式不稳定效应发生时，由于信号不发生振荡，经过光电探测器的光-电信号转换后得到的电信号是没有振荡的直流信号，故可根据示波器上显示的信号形状即可判断模式不稳定效应是否发生。

基于上述原理，文献1(m.m.johansen，m.laurila，m.d.maack，d.noordegraaf，c.jakobsen，t.t.alkeskjold，j.lagsgaard，“frequencyresolvedtransversemodeinstabilityinrodfiberamplifiers”opticexpress，201321(19)，21847-21856)中公开了一种激光器模式不稳定的观察方法，其主要是对空间耦合的棒形结构光纤的光纤激光器进行模式不稳定效应的测量，其通过一个二向色镜分光后，在功率计前再摆设一个分光器，分出的少量光束通过中性密度衰减片和小孔之后进入光电探测器测量，该方法不仅结构复杂，而且因为空间耦合的原因对外界环境的振动极为敏感，同时插入的诸多元件在高功率下的正常运转也是一个极大的挑战，其对于测量的安全性也存在一定的问题。

而为避免采用复杂的结构，公开号为cn104034515b的中国发明专利公开了一种基于散射光探测的高功率光纤激光器中模式不稳定现象在线监测方法，其采用全光纤结构的阶跃折射率分布光纤的光纤激光器进行模式不稳定效应的测量，主要是通过光电探测器直接测量功率计靶面的散射光来观察模式不稳定，其结构较文献1简单，无需插入其他的额外元件，且对外界环境的振动不那么敏感，无论是结构简单还是系统稳定性方面均较文献1有着优越性，但是仍然存在高功率下测量的安全性问题，同时测量散射光时仍然需要多次调整光电探测器的位置才能准确捕捉到散射光信号，这样也增加了整个测试系统的操作复杂性。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述技术不足，提出一种基于后向回光的光纤激光器中模式不稳定观察装置及方法，解决现有技术中光纤激光器中模式不稳定测量时操作复杂、安全性低的技术问题。

为达到上述技术目的，本发明的技术方案提供一种基于后向回光的光纤激光器中模式不稳定观察装置，包括：

光纤激光器，其包括依次连接的半导体激光器、光纤合束器、高反射率光栅、有源掺镱光纤、低反射率耦合输出光栅、包层功率剥离器、光纤端帽，所述光纤合束器的信号臂输入光纤末端端面切割形成一斜面，所述斜面与垂直于信号臂输入光纤的平面之间形成有一切割夹角；

信号处理机构，其包括一正对于切割有斜面的信号臂输入光纤并用于将由斜面反射的的光信号转换为电信号的光电探测器及一用于将所述电信号转换为图像信号的示波器。

同时，本发明还提供一种基于后向回光的光纤激光器中模式不稳定观察方法，包括如下步骤：

s1、获取光纤激光器的光纤端帽反射光的部分回射光信号；

s2、将获取的回射光信号转换为电信号并处理成图像信号；

s3、根据图像信号判断电信号是否为直流电平信号，若是直流电平信号，则该光纤激光器未发生模式不稳定，否则发生模式不稳定。

与现有技术相比，本发明采用全光纤结构，其对外界机械振动的敏感程度较小，激光除了输出全部在光纤波导中传输，其不需要额外的空间耦合器件，降低了观察的复杂性和危险性，且利用回射功率较低的回射光进行观察，调节方便、危险程度低。

附图说明

图1是本发明的基于后向回光的光纤激光器中模式不稳定观察装置的连接结构示意图；

图2是本发明的光纤合束器的信号臂输入光纤的切削示意图；

图3是未发生模式不稳定时示波器的图像输出信号；

图4是发生模式不稳定时示波器的图像输出信号。

具体实施方式

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。

请参阅图1，本发明提供了一种基于后向回光的光纤激光器中模式不稳定观察装置，其包括光纤激光器1和信号处理机构2。

如图1、图2所示，本实施例的光纤激光器1包括依次连接的半导体激光器11、光纤合束器12、高反射率光栅13、有源掺镱光纤14、低反射率耦合输出光栅15、包层功率剥离器16、光纤端帽17，所述光纤合束器12的输入光纤121末端边缘沿输入光纤121外径增大方向切削有一回射光穿透面121a；半导体激光器11与光纤合束器12的输入光纤121连接，而其输出光纤122则与高反射率光栅13连接，有源掺镱光纤14两端分别与高反射率光栅13和低反射率耦合输出光栅15连接，低反射率耦合输出光栅15的输出端则通过无源传能光纤与包层功率剥离器16连接，光纤端帽17则与包层功率剥离器16采用常规方式连接，其构成一直腔振荡型光纤激光器1。

如图2所示，所述光纤合束器12的信号臂输入光纤121末端端面切割形成一斜面121a，所述斜面121a与垂直于信号臂输入光纤121的平面之间形成有一切割夹角ф，上述切割夹角ф可抑制向后回射光的强度，进而避免后续测量设备的损坏，该切割夹角ф一般为0～8°，其具有更好的回射光强度抑制效果，其中本实施例的切割夹角ф优选采用3°。

上述光纤激光器1具体作用时，百瓦级输出功率的半导体激光器11输出的光信号依次经过光纤合束器12、高反射率光栅13、有源掺镱光纤14、低反射率耦合输出光栅15、包层功率剥离器16，并在光纤端帽17上发生镜面反射，反射后的光信号经过包层功率剥离器16、低反射率耦合输出光栅15、有源掺镱光纤14、高反射率光栅13，其中部分光信号进入光纤合束器12的信号臂输入光纤121并由上述斜面121a反射而出。其中，本实施例的高反射率光栅13是指反射率为99％以上的反射光栅，低反射率耦合输出光栅15的则是指反射率为10％左右的反射光栅，例如9％、10％及11％。

信号处理机构2包括其包括一正对于切割有斜面121a的信号臂输入光纤121并用于将由斜面121a反射的的光信号转换为电信号的光电探测器21及一用于将所述电信号转换为图像信号的示波器22，其可通过光电探测器21接收由斜面121a穿出的功率较低的回射光信号，并将其转换电信号输入示波器22，以进行是否发生模式不稳定判断。如图3所示，当示波器22显示的为直流电平信号，则该光纤激光器1未发生模式不稳定，如图4所示，当示波器22显示的为剧烈抖动的振荡信号时，则说明该光纤激光器1发生了模式不稳定。其中，当示波器22显示的信号发生小幅度振荡时，其为光纤激光器1本身的噪音导致，可忽略不计。而且，当光纤激光器1发生了模式不稳定时，其信号振荡的周期为毫秒量级。其中，本实施例的光电探测器21与信号臂输入光纤121正对指的是光电探测器21的信号接收孔与信号臂输入光纤121对齐或偏移较小角度，即信号接收孔与信号臂输入光纤121的延长方向同轴或具有较小夹角，以便于接收由斜面121a反射的部分回射光为佳，其可最小化获取具有较低强度的回射光，进而避免光电探测器21损坏。

为了避免回射光的功率较高而导致器件损坏，本实施例所述信号处理机构2还包括一设置于所述光纤合束器12与光电探测器21之间的分光器23，其可减少直接射入光电探测器21的光功率。其中，所述光电探测器21的带宽位于兆赫兹量级。

本实施例所述光纤合束器12优选采用(6+1)*1结构，其通过六根多模光纤和一根单模光纤熔融拉锥后与一根双包层光纤熔接在一起构成。本实施例所述有源掺镱光纤14的长度为10～30m。

同时，本发明还提供一种基于后向回光的光纤激光器1中模式不稳定观察方法，包括如下步骤：

s1、获取光纤激光器1的光纤端帽17反射光的部分回射光信号，其具体可采用现有的常规方法，也可采用本实施例前文描述的方式；

s2、将获取的回射光信号转换为电信号并处理成图像信号；

s3、根据图像信号判断电信号是否为直流电平信号，若是直流电平信号，则该光纤激光器1未发生模式不稳定，否则发生模式不稳定。

如图3所示，当示波器22显示的为直流电平信号，则该光纤激光器1未发生模式不稳定，如图4所示，当示波器22显示的为剧烈抖动的振荡信号时，则说明该光纤激光器1发生了模式不稳定。其中，当示波器22显示的信号发生小幅度振荡时，其为光纤激光器1本身的噪音导致，可认为其为直流电平信号。

与现有技术相比，本发明采用全光纤结构，其对外界机械振动的敏感程度较小，激光除了输出全部在光纤波导中传输，其不需要额外的空间耦合器件，降低了观察的复杂性和危险性，且利用回射功率较低的回射光进行观察，调节方便、危险程度低。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。