抑制光纤放大器中模式不稳定的光纤包层设计方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种能够抑制光纤放大器中模式不稳定的特殊光纤结构设计方法及系统。方法包括S100，搭建模场分布模型，包括基模和高阶模的模场分布模型；S200，根据所述模场分布模型，分别计算出纤芯与包层中的基模和高阶模的功率；S300，在光纤包层中引入与干涉光场周期一致的光栅，并通过计算将所述光栅设置在相应的位置并予以放置；S400，通过所述光栅之后，光纤包层中所述基模与高阶模的能量全部实现相互转化，高阶模与基模成分占比与功率发生变化，实现能量从高阶模向基模的流动；S500，基于所述能量流动，根据模式的能量分布规则，包层中基模能量进入纤芯，纤芯中基模能量增加，实现纤芯中能量从高阶模向基模的流动。现纤芯中能量从高阶模向基模的流动。现纤芯中能量从高阶模向基模的流动。

【技术实现步骤摘要】
抑制光纤放大器中模式不稳定的光纤包层设计方法及系统


[0001]本专利技术属于光纤包层设计领域，更具体地，涉及抑制光纤放大器中模式不稳定的光纤包层设计方法及系统。

技术介绍

[0002]高功率光纤激光器由于具有功率高、光束质量好、体积小、易散热等优势，受到行业重视发展迅速，目前已经在高端制造、国防安全、信息探测等领域发挥了巨大作用。但随着其性能指标不断提升，超高的功率密度使得高功率光纤激光器中出现非线性效应、模式不稳定效应等不利现象。模式不稳定效应是指在一些情况下，基模能量突然和高阶模能量持续互换，这种互换杂乱无章，会导致激光输出不能得以利用，从而阻碍了光纤传输功率的提升，并限制了高功率光纤激光器的进一步发展。
[0003]为了抑制模式不稳定（MI）效应，会采用弯曲选模的方法，将光纤设置成弯曲状，由于高阶模的弯曲损耗大于基模，通过设计合适的弯曲半径可以此在光纤传输在足够距离后达到滤去高阶模的目的。此外，申请号为CN115566518B的专利提出一种将磁致伸缩材料包裹光纤置于强磁场，并根据光纤结构参数、信号光和泵浦光的功率、光场分布等确定强磁场的强度和方向等，使得磁致伸缩材料引起的包裹光纤折射率变化量减弱或抵消热致折射率变化，抑制光纤激光器中模式不稳定。
[0004]针对研究人员提出的上述一系列方法，都存在一定的缺陷。其中，弯曲选模技术目前已经接近瓶颈，难以继续提升；增加介质尺寸的方案会导致非线性效应增强；使用低NA光纤的方法，受限于目前工艺水平，不能完全实现。这些方法只能在一定程度上抑制了模式不稳定效应以提高输出激光功率。为了推动高功率固体激光器的发展，需要新的高效的抑制MI的方法，以实现能量从高阶模向基模的转化，达到保障增强光束能量之效果。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供抑制光纤放大器中模式不稳定的光纤包层设计方法及系统，通过在光纤包层中引入特定的光栅结构，使包层中高阶模向基模转化，转化后的基模进入光纤纤芯，达到降低光纤中高阶模含量的效果，实现抑制光纤中模式不稳定的目的。
[0006]为了实现上述目的，按照本专利技术的第一方面，提供一种抑制光纤放大器中模式不稳定的光纤包层设计方法，包括以下步骤：S100，搭建模场分布模型，包括基模和高阶模的模场分布模型；S200，根据所述模场分布模型，分别计算出纤芯与包层中的基模和高阶模的功率；S300，在光纤包层中引入与干涉光场周期一致的光栅，并通过计算将所述光栅设置在相应的位置并予以放置；S400，通过所述光栅之后，光纤包层中所述基模与高阶模的能量全部实现相互转化，高阶模与基模成分占比与功率发生变化，实现能量从高阶模向基模的流动；
S500，基于所述能量流动，根据模式的能量分布规则，包层中基模能量进入纤芯，纤芯中基模能量增加，实现纤芯中能量从高阶模向基模的流动。
[0007]进一步地，步骤S100中，根据贝塞尔函数构建基模和高阶模的模场分布模型：所述基模的模场分布模型为：，所述高阶模的模场分布模型为：，其中，代表第一类贝塞尔函数，代表第二类贝塞尔函数，U是归一化横向相位参数，r是光纤半径方向，a是纤芯直径，是指光纤径向角度，表示基模LP01模场分布归一化因子,表示高阶模LP11模场分布归一化因子,n是光纤纤芯折射率，c是光速，是介电常数。
[0008]进一步地，步骤S200中，根据所述模场分布模型，分别计算出纤芯与包层中的基模和高阶模的功率，具体如下：所述纤芯中基模的功率:，所述包层中基模的功率为:。
[0009]进一步地，步骤S200中，所述纤芯中高阶模的功率:，所述包层中高阶模的功率为:。
[0010]进一步地，步骤S300中，在光纤包层中引入与干涉光场周期一致的光栅，光栅呈现分段式结构，分布位置通过计算设计使满足分布在包层中基模含量少高阶模含量多的轴向位置，使得高阶模能量全部或者大部分转换为基模，则设定具有相同周期的包层光栅的位置的公式为：，其中，是基模和高阶模的传播常数差，z和x分别代表光纤轴向和径向位置；获得光纤中能量流动周期S，当光栅长度是流动周期一半或者流动周期整数倍余半个周期时，通过该光栅实现高阶模与基模成分占比互换，根据光纤中能量流动周期设置
光栅长度L为：或者，其中，n为正整数。
[0011]进一步地，步骤S400中，光束通过所述光栅后，在光纤包层中基模与高阶模的能量全部实现相互转化，从而实现了能量从高阶模向基模的流动；此时所述包层中基模的功率为，所述光纤中的基模总功率计算公式为：。
[0012]进一步地，所述包层中高阶模的功率为，所述光纤中的高阶模总功率计算公式为：。
[0013]进一步地，步骤S500中，模式能量从高阶模向基模流动后，根据模式的能量分布规则，包层中基模能量进入纤芯，使得纤芯中基模能量增加，纤芯中高阶模能量进入包层，高阶模能量减少；包层中基模能量进入纤芯，纤芯中基模能量增加，具体计算公式如下：；进一步地，步骤S500中，纤芯中高阶模能量进入包层，纤芯中高阶模能量减少，具体计算公式如下：。
[0014]按照本专利技术的第二方面，提供一种抑制光纤放大器中模式不稳定的光纤包层设计系统，包括：模型建立模块，用于搭建模场分布模型，包括基模和高阶模的模场分布模型；功率计算模块，用于根据所述模场分布模型，分别计算出纤芯与包层中的基模和高阶模的功率；光栅引入模块，用于在光纤包层中引入与干涉光场周期一致的光栅，并通过计算将所述光栅设置在相应的位置并予以放置；能量转化模块，用于通过所述光栅之后，光纤包层中所述基模与高阶模的能量全部实现相互转化，高阶模与基模成分占比与功率发生变化，实现能量从高阶模向基模的流
动；以及能量流动模块，用于基于所述能量流动，根据模式的能量分布规则，包层中基模能量进入纤芯，纤芯中基模能量增加，实现纤芯中能量从高阶模向基模的流动。
[0015]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：1.本专利技术的在光纤包层中引入特定的光栅结构，使包层中高阶模向基模转化，转化后的基模进入光纤纤芯，达到降低光纤中高阶模含量的效果，实现抑制光纤中模式不稳定的目的；2.本专利技术实现抑制模式不稳定效应的光纤既可以应用到增益光纤也可以是应用到传输光纤，能够实现效果的光纤的选材十分广泛，可以是石英基质、磷酸盐基质、硼酸盐基质等基质光纤，也可以是玻璃基质、陶瓷基质或者晶体基质光纤；3.本专利技术引入的光栅结构根据光纤参数和光场情况计算设计，以使得经过光栅的高阶模全部或者大部分转换成基模，使得包层中基模进入纤芯，达到抑制模式不稳定的效果。
附图说明
[0016]图1为本专利技术实施例一种使用扭矩扳子拧紧直角管接件的连接器的结构示意图；图2为本专利技术在包层中引入光栅结构以后的光纤结构；图3为本专利技术在包层光栅作用下包层中的高阶模向基模转化。
[0017]在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1
‑
是光纤包层，2
‑
是光纤纤芯，3
‑...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.抑制光纤放大器中模式不稳定的光纤包层设计方法，其特征在于，包括以下步骤：S100，搭建模场分布模型，包括基模和高阶模的模场分布模型；S200，根据所述模场分布模型，分别计算出纤芯与包层中的基模和高阶模的功率；S300，在光纤包层中引入与干涉光场周期一致的光栅，并通过计算将所述光栅设置在相应的位置并予以放置；S400，通过所述光栅之后，光纤包层中所述基模与高阶模的能量全部实现相互转化，高阶模与基模成分占比与功率发生变化，实现能量从高阶模向基模的流动；S500，基于所述能量流动，根据模式的能量分布规则，包层中基模能量进入纤芯，纤芯中基模能量增加，实现纤芯中能量从高阶模向基模的流动。2.根据权利要求1所述的抑制光纤放大器中模式不稳定的光纤包层设计方法，其特征在于，步骤S100中，根据贝塞尔函数构建基模和高阶模的模场分布模型：所述基模的模场分布模型为：，所述高阶模的模场分布模型为：，其中，代表第一类贝塞尔函数，代表第二类贝塞尔函数，U是归一化横向相位参数，r是光纤半径方向，a是纤芯直径，是指光纤径向角度，表示基模LP01模场分布归一化因子, 表示高阶模LP11模场分布归一化因子,n是光纤纤芯折射率，c是光速，是介电常数。3.根据权利要求1所述抑制光纤放大器中模式不稳定的光纤包层设计方法，其特征在于，步骤S200中，根据所述模场分布模型，分别计算出纤芯与包层中的基模和高阶模的功率，具体如下：所述纤芯中基模的功率:，所述包层中基模的功率为:。4.根据权利要求3所述抑制光纤放大器中模式不稳定的光纤包层设计方法，其特征在于，步骤S200中，所述纤芯中高阶模的功率:，所述包层中高阶模的功率为:。
5.根据权利要求1所述抑制光纤放大器中模式不稳定的光纤包层设计方法，其特征在于，步骤S300中，在光纤包层中引入与干涉光场周期一致的光栅，光栅呈现分段式结构，分布位置通过计算设计使满足分布在包层中基模含量少高阶模含量多的轴向位置，使得高阶模能量全部或者大部分转换为基模，则设定具有相同周期的包层光栅的位置的公式为：，其中，是基模和高阶模的传播常数差，z和x分别代表光纤轴向和径向位置；...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈诗静，胡金萌，雷敏，李强，姜永亮，胡黎明，刘厚康，徐旭光，
申请(专利权)人：中国航天三江集团有限公司，
类型：发明
国别省市：