综合抑制大功率单频光纤激光SBS和TMI的方法

摘要

本发明提出一种综合抑制大功率单频光纤激光SBS和TMI的方法，属于光纤激光技术领域。本发明将大功率单频光纤激光系统中的主放大器增益光纤螺旋弯曲引入弯曲损耗抑制TMI，同时顺着主放大器增益光纤长度方向将其依次划分为多个区段，对各个区段的主放大器增益光纤分别进行不同的温度控制，使得受激布里渊散射增益谱展宽，平均增益降低，实现受激布里渊散射效应的有效抑制。

说明书

技术领域

本发明属于光纤激光技术领域，特别涉及一种综合抑制大功率单频光纤激光SBS和TMI的方法。

背景技术

高功率、高光束质量单频光纤激光在非线性频率变换、引力波探测、相干雷达、光谱合成、相干合成等领域具有强烈应用需求。采用单一激光振荡器直接输出单频光纤激光功率提升能力有限。为有效提升单频光纤激光的输出功率，通常采用种子源主振荡功率放大的技术方案，即使用低功率的光纤激光器作为主振荡种子源，然后采用多级放大器结构进行功率放大。然而，高功率单频光纤激光的功率提升极易受到受激布里渊散射效应(SBS)和模式不稳定效应 (TMI)的双重限制。特别的，单频光纤激光谱功率密度高、非线性效应强的特征使得受激布里渊散射效应(SBS)和模式不稳定效应(TMI)的抑制方法在光纤放大器结构参数(增益光纤纤芯/包层尺寸、泵浦吸收系数、泵浦波长等) 设计方面存在诸多的内在矛盾性，进而导致单频光纤激光的最高输出功率远滞后于常规的宽谱光纤激光。

为了进一步提升单频光纤激光的输出功率，国内外研究人员从光纤放大器增益光纤设计层面出发，相继提出了锥形光纤、多芯光纤、螺旋光纤作为增益介质，权衡受激布里渊散射效应(SBS)和模式不稳定效应(TMI)的技术方案。但是，从光纤放大器结构布局方面设计出适合于高功率单频运转下的受激布里渊散射效应(SBS)和模式不稳定效应(TMI)综合抑制方法和装置还未见报道。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种综合抑制大功率单频光纤激光SBS和TMI的方法。

为实现上述技术目的，本发明提出的技术方案为：

本发明提供一种综合抑制大功率单频光纤激光SBS和TMI的方法，将大功率单频光纤激光系统中的主放大器增益光纤螺旋弯曲引入弯曲损耗抑制TMI，同时顺着主放大器增益光纤长度方向将其依次划分为多个区段，对各个区段的主放大器增益光纤分别进行不同的温度控制，改变主放大器增益光纤其纤芯沿其纵向长度方向的温度分布，使得受激布里渊散射增益谱展宽，平均增益降低，实现受激布里渊散射效应的有效抑制。

进一步地，本发明中：顺着主放大器增益光纤长度方向依次将主放大器增益光纤分为N个区段，顺着主放大器增益光纤长度方向将第一区段至第N个区段的温度控制为呈上升趋势。

进一步地，本发明中：通过各个区段的主放大器增益光纤分别进行不同的温度控制，使得相邻区段间的温度差相等。

进一步地，本发明中：通过各个区段的主放大器增益光纤分别进行不同的温度控制，使得第一区段至第N个区段的温度梯度的变化范围在-20℃到80℃之间。

进一步地，本发明中：主放大器增益光纤的第一区段至第N个区段中，各区段的光纤长度相等。

进一步地，本发明所述主放大器增益光纤设置在温度调制装置上。

进一步地，本发明所述温度调制装置为平板式分区温度调制装置，所述平板式分区温度调制装置，包括平板，所述平板上设置有光纤绕制区域，所述光纤绕制区域上设置有一个以上的螺旋光纤凹槽，所述主放大器增益光纤顺其长度方向依次划分的各区段顺次绕制在所述螺旋光纤凹槽内；所述光纤绕制区域划分为多个温控区域，各个温控区域各自对应一个区段的增益光纤，同时各个温控区域各自对应有独立的温控结构，通过对各温控区域的温度进行独立控制进而独立控制各区段增益光纤的温度。进一步地，所述温控结构为水流温控结构，所述水流温控结构包括换热通道，各温控区域对应的换热通道分别对应连接相应的进水口和出水口，通过控制输入到各温控区域对应的换热通道内的水流温度实现对各温控区域温度的独立控制。

进一步地，本发明所述温度调制装置为柱式分区温度调制装置，所述柱式分区温度调制装置包括柱状筒，所述柱状筒外壁上沿其长度方向延伸的螺旋光纤凹槽；所述柱状筒沿其长度方向分隔成多个筒体单元，各个筒体单元均设有温控结构，各温控结构能够对各筒体单元温度进行独立控制，所述主放大器增益光纤顺其长度方向依次划分的各区段顺次绕制在各筒体单元筒外壁上的螺旋光纤凹槽，通过对各筒体单元温度进行独立控制进而独立控制各区段增益光纤的温度。进一步地，所述温控结构为水流温控结构，所述水流温控结构包括设置在筒体单元内部的换热通道，各筒体单元的换热通道分别对应连接相应的进水口和出水口，通过控制输入到筒体单元其换热通道内的水流温度实现对各筒体单元温度进行独立控制。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明能够综合抑制大功率单频光纤激光受激布里渊散射和模式不稳定效应。

本发明提出了将述主放大器增益光纤设置在温度调制装置，通过设计温度调制装置实现对主放大器增益光纤螺旋弯曲引入弯曲损耗抑制TMI，同时对主放大器增益光纤中各区段增益光纤温度的独立控制，改变主放大器增益光纤其纤芯沿其纵向长度方向的温度分布，使得受激布里渊散射增益谱展宽，平均增益降低，实现受激布里渊散射效应的有效抑制。

具体地，将主放大器增益光纤顺其长度方向依次划分为多个区段，顺次将各区段增益光纤绕制在温度调制装置中的螺旋光纤凹槽内，通过对各温控区域的温度进行独立控制进而独立控制各区段增益光纤的温度，使得受激布里渊散射增益谱展宽，平均增益降低，达到受激布里渊散射效应的有效抑制；针对模式不稳定，在温度分区控制结构设计时兼顾引入弯曲损耗机理增加高阶模式相对损耗，减弱高阶模式与基模的相互作用，实现模式不稳定效应的同步控制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为一试验中第二个对比例的温度分布图；

图2为一试验中第三个对比例的温度分布图；

图3为一试验中三个对比例的试验结果图；

图4为一实施例中平板式分区温度调制装置的结构示意图；

图5为一实施例中平板式分区温度调制装置的背面结构示意图；

图6为一实施例中平板式分区温度调制装置的结构示意图；

图7为一实施例中平板式分区温度调制装置的背面结构示意图；

图8为一实施例中平板式分区温度调制装置的拆分图；

图9为一实施例中柱式分区温度调制装置的结构示意图；

图10为一实施例中柱式分区温度调制装置的结构示意图；

图11为图10的主视图；

图中标号：

100、平板；200、光纤绕制区域；300、螺旋光纤凹槽；400、安装件；500、主安装面板；501、主进水口；502、主出水口；503、支撑单元；504、安装槽；601、进水口；602、出水口；700、柱状筒；701、筒体单元；7011、第一筒体单元；7012、第二筒体单元；7013、第三筒体单元；7014、第四筒体单元；

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将以附图及详细叙述来清楚说明本发明所揭示内容的精神，任何所属技术领域技术人员在了解本发明内容的实施例后，当可由本发明内容所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本发明内容的精神与范围。本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

在一实施例中，提供一种综合抑制大功率单频光纤激光SBS和TMI的方法，将大功率单频光纤激光系统中的主放大器增益光纤螺旋弯曲引入弯曲损耗抑制TMI，同时顺着主放大器增益光纤长度方向将其依次划分为多个区段，对各个区段的主放大器增益光纤分别进行不同的温度控制，改变主放大器增益光纤其纤芯沿其纵向长度方向的温度分布，使得受激布里渊散射增益谱展宽，平均增益降低，实现受激布里渊散射效应的有效抑制。

不同温度分区控制下，大功率单频光纤激光系统其主放大器增益光纤的受激布里渊散射阈值特性分析模型如下：

其中，P

布里渊增益系数g

其中，g

温度改变引起的布里渊增益谱的平移量与主放大器增益光纤中的温度变化对应关系为：

Δν

其中，c

△T包含两部分，可表示为：

ΔT(r,z)＝ΔT

其中，△T

△T

η＝(λ

其中，a和b分别代表主放大器增益光纤其纤芯和包层的直径，k为热导率， H为热转换系数。

由上述过程可得，通过在主放大器增益光纤纵向长度上引入外部温度调制，可以灵活的改变主放大器增益光纤纤芯沿纵向长度方向的温度分布△T

在一实施例中，顺着主放大器增益光纤长度方向依次将主放大器增益光纤分为N个区段，各区段的光纤长度相等，顺着主放大器增益光纤长度方向将第一区段至第N个区段的温度控制为呈上升趋势。

在一实施例中，通过各个区段的主放大器增益光纤分别进行不同的温度控制，使得相邻区段间的温度差相等。

在一实施例中，通过各个区段的主放大器增益光纤分别进行不同的温度控制，使得第一区段至第N个区段的温度梯度的变化范围在-20℃到80℃之间。

为验证本发明提供的综合抑制大功率单频光纤激光SBS和TMI的方法的有效性，本发明进行了对比实验。

大功率单频光纤激光系统中的主放大器增益光纤长度为M米，将主放大器增益光纤螺旋弯曲，将主放大器增益光纤顺着其长度方向依次划分为N个区段，各区段对应的增益光纤的长度约为M/N米，N个区段的温度分别控制为T

一实施例中，将所述主放大器增益光纤设置在温度调制装置上，通过设计温度调制装置实现主放大器增益光纤的螺旋弯曲以及分区段温度控制。

参照图4，一实施例，提供一种平板式分区温度调制装置，包括平板100，所述平板100上设置有光纤绕制区域200，所述光纤绕制区域200上设置有一个以上的螺旋光纤凹槽300，光纤能够螺旋绕设于所述螺旋光纤凹槽300内；所述光纤绕制区域200划分为多个温控区域，各个温控区域各自对应独立的温控结构，通过温控结构能够对各温控区域的温度进行独立控制。应用时，顺着各螺旋光纤凹槽300的延伸方向将增益光纤弯曲绕制在所述螺旋光纤凹槽300 内，由于螺旋光纤凹槽300所在的光纤绕制区域200划分为多个温控区域，那么绕制在所述螺旋光纤凹槽300内的增益光纤的不同区段在不同的温控区域内，结合受激布里渊散射效应(SBS)增益系数与光纤纵向温度梯度的依赖关系，可以利用对增益光纤的不同区段进行温度分区控制技术，实现SBS效应的高效抑制。同时，光纤螺旋弯曲绕制在所述螺旋光纤凹槽300内，通过弯曲光纤引入高阶模式选择损耗机理，可以兼顾实现TMI效应的抑制。

本发明所述温控结构的实现方式不限，如采用流体换热结构或者电温控结构均可。

在一优选实施例中，温控结构为流体换热结构，具体为水流温控结构。在各温控区域正下方的平板内部或者平板内侧壁上设有换热通道，各个温控区域分别对应一个独立的换热通道，各温控区域对应的换热通道分别连接各自对应的进水口601和出水口602，通过控制输入到各换热通道内的水流温度实现对各温控区域的温度进行独立控制。所述各温控区域的换热通道的形式不限。不失一般性，如根据各温控区域的界线利用分隔板将光纤绕制区域对应的平板内部分隔成多个独立的温控空间，各温控空间即换热通道，在平板(如平板下侧板)上设有与各温控空间连接的进水口601和出水口602。或者，各温控区域正下方的平板内侧壁上分别布设有独立的换热管，换热管呈S形或者其他形状排布，各温控区域对应的换热管两端分别连接各自对应的进水口601和出水口 602，进水口601和出水口602设置在平板(如平板下侧板)上。进水口601 和出水口602的设置如图5所示，图5中设有四组进水口601和出水口602，对应四个温控区域。

为了便于将平板100与其他安装面或者安装架组装在一起，所述平板100 上设置有安装件400，所述安装件400结构形式不限，安装板、安装孔等均可。

参照图6、图7和图8，一实施例中的平板式分区温度调制装置，包括平板 100和主安装面板500，所述平板100安装在所述主安装面板500上。所述主安装面板500为水冷板，所述主安装面板500内设置有主水冷通道(图中未示出主安装面板的内部结构)，主安装面板500上设置有连通所述主水冷通道的主进水口501和主出水口502。

平板100的结构设计与前述实施例中相同，在此不再赘述。

主安装面板500底部可以设置支撑单元503，如支撑杆、支撑座、支撑架等，形式不限。

平板100在主安装面板500上的安装位置和安装方式不限。在图2和图3 所示实施例中，在主安装面板500中间开设有安装槽504，平板100通过其安装件400安装在该安装槽504内。

一实施例中，提供一种综合抑制大功率单频光纤激光SBS和TMI的装置，包括大功率单频光纤激光系统和上述任一种平板式分区温度调制装置，所述大功率单频光纤激光系统包括放大器增益光纤，所述激光系统中的中的主放大器增益光纤顺其长度方向依次划分为多个区段，顺次将各区段主放大器增益光纤螺旋绕设于所述平板式分区温度调制装置中的螺旋光纤凹槽300内。通过对各温控区域的温度进行独立控制进而对各个区段的主放大器增益光纤分别进行不同的温度控制，使得受激布里渊散射增益谱展宽，平均增益降低，达到受激布里渊散射效应的有效抑制。针对模式不稳定，在温度分区控制结构设计的同时，顺着各螺旋光纤凹槽的延伸方向将主放大器增益光纤弯曲绕制在所述螺旋光纤凹槽内，通过弯曲主放大器增益光纤这样兼顾引入弯曲损耗机理增加高阶模式相对损耗，减弱高阶模式与基模的相互作用，实现模式不稳定效应的同步控制。

一实施例中，平板式分区温度调制装置的结构图如图6、图7和图8所示，所述平板式分区温度调制装置包括平板100和主安装面板500，所述平板100 安装在所述主安装面板500上。所述大功率单频光纤激光系统中除放大器增益光纤外的其他光学组成器件安装在所述主安装面板500上。在主安装面板500 上可以设置用于支撑安装各种光学组成器件的支撑单元。

所述主安装面板500同样设置有独立的温控结构，用于对安装在主安装面板500上的各光学组成器件进行温度控制，如冷却降温。所述主安装面板500 的温控结构的实现方式不限，如采用流体换热结构或者电温控结构均可。

在一优选实施例中，所述主安装面板500为水冷板，所述主安装面板500 内设置有主水冷通道，主安装面板500上设置有连通所述主水冷通道的主进水口501和主出水口502，通过控制输入到主安装面板500内主水冷通道中的水流温度实现对主安装面板温度进行独立控制。

参照图9，一实施例提供一种柱式分区温度调制装置，包括柱状筒700，所述柱状筒外壁上设置有沿其长度方向延伸的螺旋光纤凹槽300；所述柱状筒700 沿其长度方向分隔成多个筒体单元701，各个筒体单元701均设有温控结构，各温控结构能够对各筒体单元701温度进行独立控制。图9中包括4个筒体单元701，分别为第一筒体单元7011、第二筒体单元7012、第三筒体单元7013 和第四筒体单元7014。应用时，结合受激布里渊散射效应(SBS)增益系数与光纤纵向温度梯度的依赖关系，顺着螺旋光纤凹槽的螺旋延伸方向将放大器增益光纤螺旋弯曲绕制在所述螺旋光纤凹槽300内，可以利用温度分区控制技术，实现SBS效应的高效抑制。同时，放大器增益光纤螺旋弯曲绕制在所述螺旋光纤凹槽300内，通过弯曲光纤引入高阶模式选择损耗机理，可以兼顾实现TMI 效应的抑制。

本发明所述温控结构的实现方式不限，如采用流体换热结构或者电温控结构均可。

参照图9，所述温控结构为水流温控结构。所述水流温控结构包括设置在筒体单元701内部的换热通道，各筒体单元701的换热通道分别对应连接相应的进水口601和出水口602，通过控制输入到各筒体单元其换热通道内的水流温度实现对各筒体单元温度进行独立控制。所述各筒体单元701的换热通道的形式不限。不失一般性，各筒体单元701的换热通道可以是螺旋盘绕在各筒体单元内壁上，柱状筒700的两端设置有各筒体单元701的进水口601和出水口 602，各筒体单元701的换热通道的两端分别连接对应的进水口601和出水口602。或者所述柱状筒700为环形筒体，这样各筒体单元701均为环形腔体，环形腔体内空间即各筒体单元701的换热通道。柱状筒700的两端设置有各筒体单元701的进水口601和出水口602，各环形腔体通过进水管和出水管分别连接对应的进水口601和出水口602。图9中柱状筒700的一端壁上设置有四个进水口601，另一端壁上设置有四个出水口602，所述第一筒体单元7011、第二筒体单元7012、第三筒体单元7013和第四筒体单元7014分别对应一个进水口601和一个出水口602。

为了便于将柱状筒700与其他安装面或者安装架组装在一起，所述柱状筒 700的两端设置有安装件400，所述安装件400的结构形式不限，安装板、安装孔等均可。

参照图10和图11，一实施例中的柱式分区温度调制装置，包括柱状筒700 和主安装面板500，所述柱状筒700安装在所述主安装面板500上。所述主安装面板500为水冷板，所述主安装面板500内设置有主水冷通道，主安装面板 500上设置有连通所述主水冷通道的主进水口501和主出水口502。

柱状筒700的结构设计与前述实施例中相同，在此不再赘述。

主安装面板500底部可以设置支撑单元503，如支撑杆、支撑座、支撑架等，形式不限。

柱状筒700在主安装面板500上的安装位置不限。在图10和图11所示实施例中，在主安装面板500上开设有安装槽504，柱状筒700的两端通过其安装件400安装在该安装槽504内，具体的安装高度根据需求确定。

一实施例中，提供一种综合抑制大功率单频光纤激光SBS和TMI的装置，包括大功率单频光纤激光系统和上述任一种柱式分区温度调制装置，所述大功率单频光纤激光系统包括放大器增益光纤，主放大器增益光纤沿其长度方向依次划分为多个区段，顺次将各区段增益光纤螺旋弯曲绕制在各筒体单元筒外壁上的螺旋光纤凹槽内，对各个区段的主放大器增益光纤分别进行不同的温度控制，使得受激布里渊散射增益谱展宽，平均增益降低，达到受激布里渊散射效应的有效抑制。针对模式不稳定，在温度分区控制结构设计时通过将主放大器增益光纤螺旋绕制在所述螺旋延伸的螺旋光纤凹槽内，通过弯曲主放大器增益光纤这样兼顾引入弯曲损耗机理增加高阶模式相对损耗，减弱高阶模式与基模的相互作用，实现模式不稳定效应的同步控制。

柱式分区温度调制装置的结构图如图10和图11所示，所述柱式分区温度调制装置包括柱状筒700和主安装面板500，所述柱状筒700安装在所述主安装面板500上，所述大功率单频光纤激光系统中除放大器增益光纤外的其他光学组成器件安装在所述主安装面板500上。在主安装面板500上可以设置用于支撑安装各种光学组成器件的支撑结构。

所述主安装面板500同样设置有独立的温控结构，用于对安装在主安装面板上的各光学组成器件进行温度控制，如冷却降温。所述主安装面板的温控结构的实现方式不限，如采用流体换热结构或者电温控结构均可。

在一优选实施例中，所述主安装面板500为水冷板，所述主安装面板500 内设置有主水冷通道，主安装面板上设置有连通所述主水冷通道的主进水口 501和主出水口502，通过控制输入到主安装面板500内主水冷通道中的水流温度实现对主安装面板温度进行独立控制。

以上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。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，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，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。