本發明屬于光纖激光器技術領域，具體涉及一種模式優化裝置，用于優化激光器輸出激光的光束質量。

背景技術：

光纖激光器及其相關技術發展迅猛，輸出功率得到極大的提高，可以達到千瓦量級以上平均功率和兆瓦量級的峰值功率，因此受到人們的廣泛關注。然而，隨著功率的提高，光纖中的光功率密度增大，受激拉曼散射(SRS)等非線性效應變得比較嚴重，這限制了光纖激光器輸出功率的進一步提升。

為解決該問題，大模場光纖被認為是提升面臨的非線性效應及光纖損傷等功率增長限制的一種最直接有效的途徑。大模場光纖的研究因此成為高功率光纖激光研究領域的熱點問題。許多國家的相關研究機構都紛紛開展了大模場光纖的研究，取得了可喜的結果。多種新型結構的大模場光纖相繼被提出并應用于實踐，使得光纖激光的模場不斷擴大，推動著高功率光纖激光的快速發展。也出現了一批新型結構的大模場光纖專利，如發明名稱為一種大模場摻鐿光纖(CN201510744546.2)，發明名稱為高效散熱大模場面積中紅外光子晶體光纖及其激光器CN201510173601.7)，發明名稱為一種全固態大模場光子帶隙光纖(CN201310692966.1)，發明名稱為一種大模場面積全固體光纖及其制造方法(CN201310419622.3)，發明名稱為一種大模場微結構光纖(CN201110356877.0)，發明名稱為一種大模場有源光纖及其制備方法(CN201110154320.9)等等公開的中國專利，縱觀現有關于大模場技術的專利發明，都是采用大模場面積常規(LMA)光纖或大模場光子晶體光纖(PCF)結構來提高模場，但是，無論是哪個結構的大模場光纖，其都會歸結于實現大模場勢必需要增大纖芯直徑(理論模場直徑)，擴大纖芯面積(理論模場面積)，進而降低單位面積上的功率的問題。但其帶來的缺點也是激光器所不能容忍的那就是大模場光纖允許高階橫模傳輸，在光纖激光系統中為多模或少模運轉，造成輸出激光光束質量不理想。雖然國內外也創新了一些兼顧模場和光束質量的特殊光纖，如專利發明名稱為一種具有平坦基模模場分布的大模場面積微結構光纖(CN101424772A)，發明名稱為泄漏結構大模場雙包層單模摻鐿光纖(CN101067671A)和發明名稱為摻雜稀土的大模場面積多模混合光纖以及使用其的裝置(CN1982929A)等等公開的中國專利，這些發明都在一定程度上在保證光束質量的情況下提升了模場，但都是對增益光纖本身進行處理，導致增益光纖失去本身的如柔軟性，或長距離上的增益優勢等。同時在增益光纖本身上改進設計提高光束質量受限于當前實際工藝精度，因此大模場的適應性有限。

技術實現要素：

本發明目的在于針對現有大模場光纖激光系統光束質量較差的不足而提供一種具有能夠有效減少高階橫模、改善輸出激光光束質量的器件，并稱之為“模式優化裝置”，該模式優化裝置能夠在大模場光纖激光器系統中優化因模場增大會激發起高階模致使光纖輸出光束質量惡化的缺陷，在不改變原有大模場增益光纖的基礎上，以實現對大模場摻鐿光纖激光器輸出激光的光束質量進行優化。

實現本發明目的采用的技術方案是一種模式優化裝置，該裝置包括：

模式調控單元，用于濾除激光系統中的高階模；

匹配光纖，用于將模式調控單元與激光系統前項模場匹配；以及

匹配尾纖，用于將模式調控單元與激光系統后項模場匹配。

作為本發明的一種優選實施方式，所述模式調控單元包括八角形纖芯、圍繞在八角形纖芯外的低折射率摻氟包層，低折射率摻氟包層外包圍有高折射率摻鍺包層，高折射率摻鍺包層外包圍有純石英外包層，純石英外包層外包圍有涂覆層。

作為本發明的另一種優選實施方式，所述模式調控單元包括纖芯，纖芯外圍繞有由六個變徑孔構成的第一包層，第一包層外包圍有由十二個均勻小孔構成的第二包層，兩包層中孔的孔周期相同且每一包層中的孔都排布呈正六邊形；所述纖芯、第一包層和第二包層之間填充有純石英基質材料，純石英基質材料外包圍有涂覆層。

進一步地，所述的模式優化裝置還包括水冷板，所述模式調控單元安裝于該水冷板上；所述水冷板包括進水口和出水口，進水口進入的冷卻液從水冷板流往出水口，流經水冷板時給模式優化裝置降溫。

進一步地，所述進水口位于所述出水口的下方，且出水口流出的冷卻液回流至進水口。

作為本發明的另一種優選實施方式，所述的模式優化裝置還包括散熱片，所述模式調控單元安裝于所述散熱片上，所述散熱片四周裝有風扇。

本發明具有以下優點：

1、在不改變原有激光器有源光纖特性的前提下，對激光器系統模式進行調控優化；

2、可根據激光系統進行多種優化單元尺寸設計和制造，具有廣泛的實用性；

3、所采用冷卻裝置可共用光纖激光器系統自身冷卻水供應裝置，不額外增加系統。

本發明模式優化裝置能夠在多種大模場面積光纖的激光應用系統中進行匹配使用，優化大模場面積光纖激光系統輸出光束質量，實現穩定單模運轉，解決高功率光纖激光器非線性效應、光學損傷及光束質量惡化等問題。

附圖說明

圖1為本發明模式優化裝置安裝于水冷裝置上的結構示意圖。

圖2為本發明模式優化裝置安裝于風冷裝置上的結構示意圖。

圖3為本發明模式優化裝置中模式調控單元結構示意圖。

圖4為本發明模式優化裝置中模式調控單元結構示意圖。

圖5為本發明模式優化裝置用于光纖激光系統裝置示意圖。

圖6為本發明模式優化裝置對模式調控時光強分布圖。

圖7為本發明模式優化裝置用于激光放大系統中結構示意圖。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施案例僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。

如圖1所示，本發明實例提供的模式優化裝置示意圖，包括模式優化裝置箱1、模式調控單元2、匹配光纖3、匹配尾纖4、基板5、水冷入口管6、水冷出口管7。

匹配光纖3和模式調控單元2通過低損耗熔接相連，模式調控單元2和匹配尾纖4采用低損耗熔接相連。

匹配光纖3、模式調控單元2和匹配尾纖4都放置在作為水冷板的基板5的冷卻通道中，并用散熱膠覆蓋保護。

基板5表面上刻有連續的散熱凹槽用于放置和固定匹配光纖3、模式調控單元2和匹配尾纖4。內部有用于冷卻水流通的水冷通道。

水冷入口6和水冷出口7固定在基板5上，與基板中的水冷通道相連，使冷卻水從入口6流進，經過基板內水冷通道最終從水冷出口7流出。

本發明所用模式調控單元2包括以下兩種結構，下面分別以兩個實施例進行說明。

實施例1

本實施例模式調控單元2的結構如圖3所示，其中包括八角形(有源)纖芯301，圍繞八角形(有源)纖芯301的低折射率摻氟包層302，低折射率摻氟包層302外包圍的高折射率摻鍺包層303，高折射率摻鍺包層303外包圍的純石英外包層304，純石英外包層304外包圍的涂覆層305。

模式調控單元2由八角形(有源)纖芯301和三層包層(302、303、304)構成，其中八角形(有源)纖芯301為大芯徑八角形摻稀土纖芯，最遠離纖芯301的包層純石英外包層304為石英基質；高折射率摻鍺包層303為中間層摻鍺，其折射率與纖芯301折射率相同或更高；最鄰近纖芯301的包層低折射率摻氟包層302與石英基質的折射率相同或更低，即包層含有低折射率下陷層(低折射率摻氟包層302)和高折射率諧振環(高折射率摻鍺包層303)。纖芯301的八角形設計能夠有效地減少纖芯存在的模式數量，低折射率摻氟包層302形成的低折射率環的能夠降低纖芯中基模的彎曲損耗，高折射率摻鍺包層303形成的高折射率環能夠使纖芯中高階模產生離域效應并有效增大其彎曲損耗。根據需要通過調整低折射率下陷層和高折射率諧振環的寬度和折射率，能夠同時達到大模場面積、單模運轉、抗彎的目的。

本實施例中設計模式調控單元2中各層的參數為：純石英外包層304的直徑為d₀≥125μm，折射率為n₀；八角形纖芯301等效直徑d₁為10～30μm，折射率為n₁，滿足2×10^-4≤n₁-n₀≤2×10^-3；低折射率摻氟包層302寬t為1～12μm，折射率為n₂，滿足n₀≥n₂；高折射率摻鍺包層303的寬d₂為2～8μm，折射率為n₃，滿足n₃≥n₁。

下面以一個具體的模式調控單元實例來說明其模式優化的效果：

采用八角形(有源)纖芯301等效直徑為20μm，折射率為1.4588；低折射率摻氟包層302寬為5μm，折射率為1.4561；高折射率摻鍺包層303寬為3.5μm，折射率為1.459；純石英外包層304直徑為400μm，折射率為1.4575。

將該模式優化裝置用于圖5所示的500W光纖激光器系統中的模式優化，將該模式優化裝置插入如圖5所示的一直腔式光纖激光器中使用，實現了模式優化。圖6為模式調控單元2在激光器系統中的模式優化效果。其中在1080nm工作波長下，且有源光纖盤繞半徑為6cm時各個模式的光強分布圖，圖6中的各個模式按照彎曲損耗由小到大排列。根據圖6，損耗最小的高階模的損耗系數為40.5dB/m，LP_11o模和LP_11e模的損耗系數分別是47.8dB/m和82.3dB/m。不僅如此，這三個高階模與纖芯的重疊因子都比較低，分別是10.14％，23.90％和38.26％，主要能量都分布在高折射率諧振環中，因此這三個高階模無法有效提取到纖芯中的增益。另外，基模與纖芯的重疊因子高達95.02％，基膜的能量依然集中在纖芯中，并且幾乎不受彎曲影響(損耗系數小于0.1dB/m)。綜上所述，以該八角芯光纖為核心的模式調控單元能夠有效濾除激光器系統中存在的高階模，應用在一般商用大模場光纖激光系統中可以大幅提升輸出光束質量。

實施例2

本實施例所用模式調控單元2的結構如圖4所示，其中包括純石英基質材料401，有源實心纖芯402，圍繞有源實心纖芯402的為六個變徑孔(403、404)構成的第一包層，十二個均勻小孔405構成的第二包層，有源實心纖芯402、第一包層和第二包層之間填充有純石英基質材料401，純石英基質材料401外包圍有低折射率涂覆層406。其中，兩層孔的孔周期相同且每一包層中的孔都呈正六邊形排布，即如圖4所示，第一包層的變徑孔403、404包圍在纖芯402的外圍構成正六邊形，第二包層的十二個小孔405包圍在第一包層的變徑孔403、404的外圍，且十二個小孔405構成正六邊形。

本實施例中設計模式調控單元2中各層的參數為：純石英外包層的直徑為d₀≥400μm，折射率為n₀；第一包層和第二包層中的小孔由摻雜的石英材料構成且折射率都為n_stick；第一包層孔周期為Λ，第二包層的孔周期與第一包層相等，也為Λ，且n₀-n_stick>0.003；第一包層中相鄰三個孔的直徑為d₃，滿足關系d₃/Λ≥0.6；第一包層中另外相鄰三個孔直徑為d₄，滿足關系d₄/Λ<0.6；第二包層中孔的直徑為d₅，滿足關系d₅/Λ≤0.5，且滿足d₃>d₄≥d₅；纖芯直徑d_core≥25μm，折射率為n_core＝n₀≥n_stick。

通過設計幾類孔的尺寸和折射率能夠保證光纖在平直狀態下對基模和高階模有較高的損耗區分，把第一層包層中隨機相鄰的三個低折射率孔的尺寸加大，能夠保證光纖在彎曲時的工作性能，即能夠有效地防止基模泄漏損耗增加，因此可以同時達到大模場面積、單模運轉、抗彎的目的。

下面以一個具體的模式調控單元實例來說明其模式優化的效果：

三類孔由摻雜的石英材料構成且折射率為1.454。第一包層孔周期為30μm，第二包層的孔周期與第一包層相等；孔403直徑為25μm；孔404直徑為10μm；孔405直徑為10μm；有源實心纖芯402直徑為25μm，折射率為1.4575。

將該模式調控單元2用于圖7所示的50W激光光纖放大系統中的模式優化。該光纖放大與模式優化裝置都采用風冷方式，當工作波長為1040nm時，該直光纖的基模模場面積可達約800μm²，且基模泄漏損耗小于0.01dB/m，高階模損耗大于50dB/m，能夠保證光纖在平直狀態下對基模和高階模有較高的損耗區分，即實現對基模的限制損耗很小，而對高階模泄漏損耗很大，達到改善光纖激光系統輸出光束質量的目的。

本發明調控單元從光纖的結構設計出發，在保證纖芯直徑情況下，通過設計光纖包層的一系列結構參數達到基模與高階模盡可能大的損耗區分，即兩種調控單元2的結構都能使基模的損耗<0.1dB/m，高階模的損耗>40dB/m，即高階模與基模的損耗比超過400，因此實現良好的模式優化效果。