一种光纤激光模式动态调控系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及光纤激光器技术领域，涉及一种光纤激光模式动态调控系统及方法，系统包括种子源模块、功率放大模块与输出模块；种子源模块由波长、功率可调的光纤激光振荡器构成；功率放大模块由少模增益光纤与泵浦源构成，并实现种子光的功率放大；放大后的激光经过输出模块输出并用于工业加工；少模增益光纤内部可发生热致横向模式不稳定效应TMI。本发明专利技术成本低，稳定性强，操作简便，同时，可实现大功率范围内的模式调控。的模式调控。的模式调控。

【技术实现步骤摘要】
一种光纤激光模式动态调控系统及方法


[0001]本专利技术涉及光纤激光器
，具体地说，涉及一种光纤激光模式动态调控系统及方法。

技术介绍

[0002]光纤激光器具有光束质量好、转换效率高、热管理方便、结构紧凑等优点，在工业应用中具有无可比拟的优势，特别是在金属材料的加工中，光纤激光器的优势更加明显。但是，由于光纤激光能量密度高，固态金属吸收激光能量后会产生大量金属蒸汽，气态金属会带出液态金属而产生大量金属飞溅。飞溅产生的颗粒物一部分附着在工件表面，改变工件的表面粗糙度，从而影响加工质量；同时另一部分会附着在加工探头的光学元件上，引起光学元件的表面污染，严重时会导致光学元器件与光纤激光系统的损毁，。因此飞溅控制已经成为激光加工工艺中不可或缺的一环。
[0003]现有飞溅控制技术一般通过模式转换控制系统改变输出激光光斑能量分布，避免金属材料局部温度过高，有效地减少气态金属的产生，从而抑制飞溅。根据其工作原理和方式，现有模式转换主要分为两种方式。一种是利用空间光路对空间光场进行调制，并激发光纤中的高阶模，从而改变激光模式。另一种是利用光纤模式耦合器对激光模式进行转化，比如光纤光栅、多包层环形光纤等。
[0004]空间光路调制的方法对系统的耦合精度要求较高，难度大、模式转换效率易受到环境因素的干扰。而模式耦合器的制作工艺难度大，成本高，模式转换效率受到制作工艺的影响。

技术实现思路

[0005]本专利技术的内容是提供一种光纤激光模式动态调控系统及方法，其能够克服现有技术的某种或某些缺陷。
[0006]根据本专利技术的一种光纤激光模式动态调控系统，其包括种子源模块、功率放大模块与输出模块；种子源模块由波长、功率可调的光纤激光振荡器构成；功率放大模块由少模增益光纤与泵浦源构成，并实现种子光的功率放大；放大后的激光经过输出模块输出并用于工业加工；少模增益光纤内部可发生热致横向模式不稳定效应TMI。
[0007]本专利技术提供了一种光纤激光模式动态调控方法，其采用上述的一种光纤激光模式动态调控系统，并包括：通过调控种子光的波长或功率或两者结合来控制发生热致横向模式不稳定效应TMI的阈值来动态调控激光的光斑形貌。
[0008]作为优选，通过功率来动态调控激光的光斑形貌的方法为：当输出功率低于TMI阈值时，输出激光为激光基模LP01模式，光斑形貌稳定，当输出功率超过阈值时，发生TMI效应，光斑能量会在激光基模LP01与高阶模LP11之间来回耦合。
[0009]作为优选，来回耦合的方式为：相应光斑中心的光强发生波动，激光器会进行模式
转换，当处于波峰时，激光器以LP01模运转，当处于波谷时，激光器以LP11模运转。
[0010]作为优选，模式转换的周期为ms量级。
[0011]作为优选，当发生TMI效应时，光斑形貌等效为LP01模与LP11模的非相干叠加。
[0012]作为优选，当发生TMI效应时，相应的光斑能量分布由调控前的高斯型分布转换为调控后的马鞍形分布，光斑能量得到匀滑，用于控制激光加工中的飞溅效应。
[0013]本专利技术基于少模光纤中热致横向模式不稳定效应导致激光模式动态转换的原理，设计了一种基于热致模式不稳定效应的光纤激光模式动态调控系统。与现有的模式转换系统相比，本专利技术提供的方法不需要增加额外的器件或者控制系统，成本低，稳定性强，操作简便，同时，可实现大功率范围内的模式调控。
附图说明
[0014]图1为实施例1中一种光纤激光模式动态调控系统示意图；图2(a)为实施例1中发生横向模式不稳定效应时模式耦合过程示意图；图2(b)为实施例1中发生横向模式不稳定效应时光斑中心光强随时间变化示意图；图2(c)为实施例1中发生横向模式不稳定效应时等效光斑形貌示意图；图2(d)为实施例1中发生横向模式不稳定效应时调控前后光强分布示意图；图3(a)为实施例1中横向模式不稳定效应的阈值随种子光功率的变化示意图；图3(b)为实施例1中横向模式不稳定效应的阈值随种子光波长的变化示意图。
具体实施方式
[0015]为进一步了解本专利技术的内容，结合附图和实施例对本专利技术作详细描述。应当理解的是，实施例仅仅是对本专利技术进行解释而并非限定。
[0016]实施例1目前已有的全光纤模式转换系统主要利用模式转换器，基于模式耦合理论，实现基模与高阶模之间的模式转换。模式转换结果主要取决于模式转换器件的结构特性，无法实现简单有效的动态调控。本实施例基于少模光纤中热致横向模式不稳定效应导致横向模式动态转换的原理，设计了一种基于热致模式不稳定效应的光纤激光模式动态调控系统。系统示意图如图1所示，整个系统包括种子源模块、功率放大模块与输出模块。其中种子源模块由波长、功率可调的光纤激光振荡器构成；功率放大模块由少模增益光纤与泵浦源构成，并实现种子光的功率放大；放大后的激光经过输出模块输出并用于工业加工。
[0017]在增益光纤中，激光基模(LP01)与高阶模(LP11)会在光纤纤芯沿纵向方向产生干涉条纹，干涉条纹会使得增益光纤纤芯产生周期性的折射率变化——热致长周期折射率光栅，热致折射率光栅会导致LP01模与LP11模发生能量耦合，从而产生新的干涉条纹，新的干涉条纹又会产生新的热致折射率光栅，如此反复，光斑能量会在LP01与高LP11之间来回耦合，即增益光纤内部发生了热致横向模式不稳定效应（TMI）。当输出功率低于TMI阈值时，输出激光为纯LP01模式，光斑形貌稳定，当输出功率超过阈值时，由于发生了TMI效应，光斑能量会在LP01与LP11之间来回耦合，如图2(a)所示。相应光斑中心的光强会发生如图2(b)所示的波动，当处于波峰时，激光器以LP01模式运转，当处于波谷时，激光器以LP11模式运转。
这种模式转换的周期一般为ms量级，相应地，当发生热致横向模式不稳定效应时，光斑形貌可等效为LP01模与LP11模的非相干叠加，如图2(c)所示；相应的光斑能量分布由调控前的高斯型分布转换为调控后的马鞍形分布，如图2(d)所示，光斑能量得到匀滑，从而控制激光加工中的飞溅效应。
[0018]考虑到实际的工业加工中，激光器的输出功率需要根据加工要求实时可调，因此实现激光模式大功率范围的调控既能满足激光加工对激光功率的要求，也能满足对光斑形貌的要求。本专利技术可通过调控种子光的波长与功率来控制发生热致横向模式不稳定效应的阈值，从而实现这一功能。如图3(a)所示，种子光功率由10 W增加到300 W，横向模式不稳定效应的阈值均可实现大范围的调控；同样如图3(b)所示，当种子光波长由1018 nm 增加到1080 nm时，横向模式不稳定效应的阈值也可实现大范围的调控。除了种子光波长与功率的单一调控外，通过同时控制种子光的波长与功率，可实现更大功率范围内的模式调控。
[0019]相比于已有的全光纤模式转换系统，这种新型模式转换系统：1.不依赖于模式转换器，结构更为简洁，系统搭建成本更低；2.可根据加工要求在任意功率水平实现模式调控，调控方法简洁灵敏，适用范围广。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光纤激光模式动态调控系统，其特征在于：包括种子源模块、功率放大模块与输出模块；种子源模块由波长、功率可调的光纤激光振荡器构成；功率放大模块由少模增益光纤与泵浦源构成，并实现种子光的功率放大；放大后的激光经过输出模块输出并用于工业加工；少模增益光纤内部可发生热致横向模式不稳定效应TMI。2.一种光纤激光模式动态调控方法，其特征在于：其采用如权利要求1所述的一种光纤激光模式动态调控系统，并包括：通过调控种子光的波长或功率或两者结合来控制发生热致横向模式不稳定效应TMI的阈值来动态调控激光的光斑形貌。3.根据权利要求2所述的一种光纤激光模式动态调控方法，其特征在于：通过功率来动态调控激光的光斑形貌的方法为：当输出功率低于TMI阈值时，输出激光为激光基...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶汝茂，谢亮华，张春，李昊坤，李敏，冯曦，沈本剑，温静，李富全，黄智蒙，林宏奂，王建军，李海，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院激光聚变研究中心，
类型：发明
国别省市：