[发明专利]双包层光纤激光器包层光比例的测量方法

说明书

技术领域

本发明属于光纤激光器领域，涉及一种双包层光纤激光器包层光比例的测量方法，尤其涉及一种用于测试大功率光纤激光器包层光比例的测量方法。

背景技术

光纤激光器在光束质量、体积、重量、效率、散热等方面均有明显优势，已经成为激光器领域最热门的研究方向之一。早期的光纤激光器中常采用单包层增益光纤，这种光纤的特点是泵浦光和信号光均在纤芯中传输，由于纤芯的直径和数值孔径均很小，这使得注入增益光纤的泵浦光总功率受到限制，制约了光纤激光器的功率提升。双包层增益光纤的结构包括纤芯、内包层和外包层，其特点是泵浦光在其内包层中传输，而信号光仍在纤芯中传输。泵浦光在内包层传输的过程中会不断经过纤芯，进而被纤芯中的掺杂粒子吸收并转换为信号激光。由于双包层光纤的内包层直径和数值孔径远大于纤芯的直径和数值孔径，大幅度降低了对泵浦光数值孔径的要求，使得耦合进入增益光纤的泵浦光功率大幅度提升，进而提高光纤激光器的输出功率。

在双包层光纤激光器和放大器的输出光中，通常会含有一定比例的包层光，这些包层光主要包括：泵浦光波段包层光(未吸收的泵浦光)、信号光波段包层光(光纤熔接点以及光纤无源器件的损耗以及光纤弯曲导致的纤芯激光泄露至内包层中)。包层光占总输出光的功率比例是光纤激光器和放大器的重要参数，过多的包层光会破坏光纤无源器件，影响高功率光纤激光器和放大器的稳定运行，因此通过测量包层光比例，特别是测量泵浦光波段包层光以及信号光波段包层光所各自对应的比例，可以直观了解增益光纤的泵浦吸收状态、无源器件的品质、光纤熔接点的质量以及光纤盘绕方式的效果，对于搭建高功率光纤激光器和放大器具有重要的意义。

公开号为CN103616165A的中国专利文献给出了一种光纤损耗测量系统，其中包括一种光纤输出探测组件的结构图(参见该专利文献的附图3)，其基本原理是基于光电成像法对双包层光纤的输出光的纤芯光场和包层光场进行分离。对于输出功率较低的情况，该专利文献采用将输出光直接汇聚在面阵光电探测器上，对于功率较高的水平，先将输出光场汇聚在漫反射屏上，然后利用面阵光电探测器收集光斑图像，最后利用算法对收集的光斑图像的强度信息进行处理，分离纤芯光场和包层光场，因此可以用于测试包层光功率占总输出光功率的比例(包层光比例)。

然而这种方法存在缺陷，即测试精度受制于面阵探测器的动态响应范围。实际上，根据亮度的定义，可以得出包层光场和纤芯光场的亮度分别为：

其中，P_{cladding_field}和P_{core_field}分别为包层光场和纤芯光场的总功率，r_cladding和r_core分别为内包层内切圆直径和纤芯的直径，NA_cladding和NA_core分别为内包层和纤芯的数值孔径，因此纤芯光场和包层光场的亮度之比为：

对常见的大模场面积光纤而言，如纤芯直径20μm，纤芯数值孔径0.06，内包层直径400μm，内包层数值孔径0.46。因此，(3)式中的括号内的一项的值为23511，由于该专利文献中给出的单个像元的最大强度分辨能力为1/4096，即纤芯光场和包层光场的亮度比不能高于4096(Ratio≤4096)，因此只有当包层光场总功率不低于纤芯光场总功率的5.74倍时，探测器才能准确的分辨出纤芯光场和包层光场的边界，这对于专利文献CN103616165A所述的方法至关重要。事实上，基于双包层光纤的高功率光纤激光器中，纤芯光的功率必定远大于包层光的功率，因此包层光场的亮度将远小于纤芯光场的亮度，两者的亮度比已经超过面阵探测器的响应范围。这时探测器对包层光场的响应将和探测器自身的噪声相当，这意味着探测器无法探测包层光场以及包层光场的外边界，即无法同时对包层光场和纤芯光场成像。另一方面，由于双包层光纤的纤芯与内包层在数值孔径和横截面积上都相差很大，透镜组不可能在同一位置对纤芯和内包层成清晰的像(像差小于0.5倍波长)，即对于纤芯的像和内包层的像，必有一者边缘模糊，这会导致采用探测器测试的结果的精度下降。因此虽然专利文献CN103616165A在一定条件下可以实现包层光场和纤芯光场的分离，可以用于测试光纤的损耗(纤芯损耗和内包层损耗)，但这种方法的测量范围严重受限于探测器的动态响应范围且精度不理想，不适用于测试高功率光纤激光器输出光的包层光比例。

发明内容