低數(shù)值孔徑大模場(chǎng)面積光纖激光光束質(zhì)量評(píng)價(jià)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及低數(shù)值孔徑大模場(chǎng)面積光纖激光光束質(zhì)量的評(píng)價(jià)方法，尤其是一種利 用修正后的M2因子定義式來評(píng)價(jià)低數(shù)值孔徑大模場(chǎng)面積光纖激光光束質(zhì)量的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]光束質(zhì)量是激光應(yīng)用技術(shù)中極為重要的參數(shù)，它是從質(zhì)的方面評(píng)價(jià)激光特性的性 能指標(biāo)，對(duì)激光器的設(shè)計(jì)、制造、檢測(cè)和應(yīng)用等均具有十分重要的指導(dǎo)意義。目前已經(jīng)有很 多的方法對(duì)激光的光束質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，如M 2因子、桶中功率、斯特列爾比等[馮國英，周壽 桓，"激光光束質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)的探討，"中國激光，2009，36，1643-1653]，其中M 2因子定義為 實(shí)際光束的光斑半徑與其遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角的乘積與理想高斯基模光束的相應(yīng)乘積之比，桶中功 率為遠(yuǎn)場(chǎng)平面內(nèi)實(shí)際光束在某一固定半徑的桶內(nèi)的功率與該光源總功率的比值，斯特列爾 比定義為實(shí)際光束峰值功率與理想光束峰值功率的比值。目前，對(duì)于高功率光纖激光光束 質(zhì)量的評(píng)價(jià)方法，科研人員和高功率光纖激光器生產(chǎn)廠商廣泛采用A. E. Siegman提出的 M2因子進(jìn)行評(píng)價(jià)[A. E. Siegman, "How to (Maybe) Measure Laser Beam Quality"， Proc. of Diode Pumped Solid State Lasers, 1998，17:184-199]:當(dāng)M2因子越接近 1， 研究人員認(rèn)為輸出光束的模式成分越接近基模、光束質(zhì)量越好。
[0003]在低數(shù)值孔徑大模場(chǎng)面積光纖中，光纖支持多個(gè)模式，而且第一個(gè)高階模式(LPn 模式）很難完全剝除[S. ffielandy, "Implications of higher-order mode content in large mode area fibers with good beam quality," Optics Express 2007, 15(23), 15402-15409]，因此，高功率光纖激光通常會(huì)出現(xiàn)基模與高階模共存的情況，此時(shí)利用M2因 子評(píng)價(jià)光纖激光光束質(zhì)量時(shí)發(fā)現(xiàn)，M 2因子與模式間的相對(duì)相位有關(guān):在相同的高階模式比 例時(shí)，M2因子的具體數(shù)值隨模式間的相對(duì)相位不同而變化，如圖1所示。此外，即使高階模比 例高達(dá)0.35,當(dāng)模式間相對(duì)相位為0時(shí)，M 2因子仍不超過1.1，如圖2所示。然而，理論研究表 明，光束的傳輸特性僅與光束中高階模的成分有關(guān)，與模式間的相對(duì)相位無關(guān)[Rumao Tao， Long Huang, Pu Zhou, Lei Si , and Zejin Liu, "Propagation of high-power fiber laser with high-order-mode content," Photonics Research 2015, 3(4), 192-199]。 因此，傳統(tǒng)M2因子難以反映低數(shù)值孔徑大模場(chǎng)面積光纖出射激光的光束質(zhì)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是:提供一種低數(shù)值孔徑大模場(chǎng)面積光纖激光光束質(zhì)量 的評(píng)價(jià)方法，采用該方法可以消除模間相對(duì)相位對(duì)M 2因子的影響，得到與模間相對(duì)相位無 關(guān)、僅與模式間功率比例有關(guān)的M2因子，采用該方法修正的M 2因子可準(zhǔn)確反映低數(shù)值孔徑大 模場(chǎng)面積光纖激光的模式成分和光束質(zhì)量。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案是： M2因子的計(jì)算公式為：
J(X, X, 2)._和:_4 (:辦為分別為傳輸距離Z后光強(qiáng)分布和初始出射平面上的光強(qiáng)分布，:: 分別為發(fā)射面的橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)。
[0006]低數(shù)值孔徑大模場(chǎng)面積光纖輸出的高功率激光光場(chǎng)可以表不為
其中中迅（^,0):和少壞分別為基模和第一個(gè)高階模的電場(chǎng)分布，Pll為輸出 光束中高階模的功率比例，Α為輸出光束中基模的功率比例，i位虛部，克為廣播的傳播常 數(shù)，a j為接收面的橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)，I為-工，Λ4為基模和高階模之間的相對(duì)相位。在 真空中傳輸距離ζ后電場(chǎng)分布為
根據(jù)廣義惠更斯-菲涅爾原理，發(fā)射面的光場(chǎng)和傳輸距離Ζ后的光場(chǎng)有如下關(guān)系
根據(jù)基模和高階模電場(chǎng)分布，基模電場(chǎng)分布是偶函數(shù)而第一個(gè)高階模的電場(chǎng)分布是奇 函數(shù)。假設(shè)第一個(gè)高階模是X方向的奇函數(shù)，則有
將公式(8a)代入公式(7a)、公式(8b)代入公式(7b)中可得
利用（11 a-g)式結(jié)果分析（12 a、b)式發(fā)現(xiàn)，模式間相對(duì)相位對(duì)第一項(xiàng)和第二項(xiàng)無影 響，僅對(duì)第三項(xiàng)產(chǎn)生影響，導(dǎo)致利用（1 a、b)式計(jì)算的M2因子受相對(duì)相位影響。若不考慮重 心坐標(biāo)，則（12 a、b)式可以寫成
利用（11 a-g)式結(jié)果分析（13 a、b)式發(fā)現(xiàn)，模式間相對(duì)相位對(duì)(13 a、b)式無影響，因 此，利用（13 a、b)式計(jì)算的M2因子不受相對(duì)相位影響，即相對(duì)相位對(duì)M2因子的影響消除，M2 因子只與模式比例有關(guān)，因此，修正后的M2因子(簡(jiǎn)稱修正M2因子)可以用于評(píng)價(jià)輸出光束的 模式成分，即可以準(zhǔn)確評(píng)價(jià)輸出光束的光束質(zhì)量。
[0007]具體技術(shù)方案如下： 利用光電探測(cè)器探測(cè)出射面處的光強(qiáng)分布= 〇)，利用下式計(jì)算出射面處光束 尺寸
然后，利用光電探測(cè)器探測(cè)距離出射面z處的光強(qiáng)分，利用下式計(jì)算距離 出射面z處光束尺寸
使用該因子對(duì)低數(shù)值孔徑大模場(chǎng)面積光纖激光光源的光束質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，該值越接近 1，說明光束質(zhì)量越好。當(dāng)WX和wy為遠(yuǎn)場(chǎng)光束尺寸時(shí)，可以用下式求修正M2因子
采用本發(fā)明可以達(dá)到以下技術(shù)效果： 1.消除了模間相對(duì)相位對(duì)光束質(zhì)量因子影響，解決了M2因子難以評(píng)價(jià)低數(shù)值孔徑大 模場(chǎng)面積光纖激光光束質(zhì)量的不足。
[0008] 2.修正Μ2因子僅與光束中的模式成分有關(guān)，可以反映光纖激光輸出光束的模式 成分。
[0009] 3.修正Μ2因子測(cè)量方法上僅需將原有系統(tǒng)的軟件的計(jì)算方法進(jìn)行修改，無需測(cè) 量方法及硬件上的改變，實(shí)際中應(yīng)用方便。
【附圖說明】
[0010]圖1為Μ2因子隨模間相對(duì)相位的變化， 圖2為模間相對(duì)相位0時(shí)，Μ2因子隨高階模比例的變化， 圖3為修正Μ2因子隨模間相對(duì)相位的變化， 圖4為修正Μ2因子隨高階模比例的變化， 圖5為模式非相干疊加時(shí)，Μ2因子和修正Μ2因子隨高階模比例的變化， 圖6為修正Μ2因子測(cè)量實(shí)例一示意圖。1 -激光束;2-準(zhǔn)直系統(tǒng)；3-出射平面;4-傳輸后 平面;5-數(shù)據(jù)傳輸線;6-計(jì)算機(jī);7-CXD， 圖7為修正Μ2因子測(cè)量實(shí)例二示意圖。1-激光束;2 -準(zhǔn)直系統(tǒng);73-高反鏡;74-反射光 束;75-透射光束;76-聚焦系統(tǒng);7-CCD; 5-數(shù)據(jù)傳輸線;6-計(jì)算機(jī)。
【具體實(shí)施方式】
[0011]下面給出本發(fā)明的一個(gè)計(jì)算實(shí)例來對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述： 首先，利用（14a、b)式計(jì)算初始平面光場(chǎng)分布的光束尺寸;然后利用角譜傳輸法，通過 數(shù)值模擬求得傳輸一定距離后的光強(qiáng)分布，利用（15 a、b)式計(jì)算傳輸后的光束尺寸;最后 利用（16a、b)式計(jì)算光束不同方向的M2因子。對(duì)于纖芯直徑30微米，纖芯數(shù)值孔徑0.065,激 光波長(zhǎng)為l〇64nm時(shí)，計(jì)算的修正M 2因子隨相對(duì)相位的變化如圖3所示。從圖3中可以看出，修 正M2因子與相對(duì)相位無關(guān)，即修正M 2因子消除了相對(duì)相位對(duì)光束質(zhì)量評(píng)價(jià)的影響。
[0012] 修正M2因子隨高階模功率比例的變化如圖4所示。計(jì)算結(jié)果表明，隨著高階模比例 減小，修正M2因子線性減小，即修正M 2因子越接近1，高階模含量約小，輸出光束光束質(zhì)量越 好。當(dāng)光場(chǎng)非相干疊加時(shí)，分別計(jì)算基模和高階模光場(chǎng)的傳輸，然后將光強(qiáng)疊加，計(jì)算修正 M2因子，結(jié)果如圖5所示。計(jì)算結(jié)果表明，隨著高階模比例增加，修正M2因子線性增加，即修正 M2因子越接近1，高階模含量約小，輸出光束光束質(zhì)量越好。因此，本發(fā)明可以用于準(zhǔn)確評(píng)價(jià) 低數(shù)值孔徑大模場(chǎng)面積光纖激光的光束質(zhì)量。
[0013] 下面給出本發(fā)明的兩個(gè)實(shí)施例： 實(shí)施例一 參見附圖6所示，從低數(shù)值孔徑大模場(chǎng)面積光纖輸出的激光束1經(jīng)準(zhǔn)直系統(tǒng)2準(zhǔn)直后繼 續(xù)傳輸。在激光輸出平面3處由CCD相機(jī)7測(cè)量近場(chǎng)光強(qiáng)分布，并用計(jì)算機(jī)6記錄和處理光斑 數(shù)據(jù)。激光傳輸距離z后，在平面4處利用CCD相機(jī)7探測(cè)傳輸后光束的光強(qiáng)分布，并測(cè)量平面 4距準(zhǔn)直系統(tǒng)的距離。將(XD相機(jī)7在平面3和4處探測(cè)到的光強(qiáng)分布代入（14 a、b)和（15 a、 b)式，計(jì)算光束尺寸。將初始平面的光束尺寸和傳輸距離z后的光束尺寸代入(16 a、b)式即 可獲得修正M2因子，對(duì)輸出激光的光束質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。
[0014] 實(shí)施例二 參見附圖7所示，從低數(shù)值孔徑大模場(chǎng)面積光纖輸出的激光1經(jīng)準(zhǔn)直系統(tǒng)2后被高反鏡 73分成兩部分，反射后的大部分激光即反射光束74用于測(cè)試激光功率，透射的小部分激光 即透射光束75先在CCD相機(jī)7上成像，利用計(jì)算機(jī)6記錄測(cè)量的近場(chǎng)光斑，然后透射光束75經(jīng) 聚焦光學(xué)系統(tǒng)76后聚焦到CCD相機(jī)7上測(cè)量遠(yuǎn)場(chǎng)光斑。CCD相機(jī)7測(cè)量的光斑利用（14 a、b)和 (15 a、b)式計(jì)算近場(chǎng)后遠(yuǎn)場(chǎng)光斑尺寸，最后將計(jì)算的光斑尺寸和聚焦系統(tǒng)的焦距f (z=f) 代入公式(17 a、b)中即可獲得修正Μ2因子，對(duì)輸出激光的光束質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.低數(shù)值孔徑大模場(chǎng)面積光纖激光光束質(zhì)量評(píng)價(jià)方法，其特征在于，具體步驟如下： 利用光電探測(cè)器探測(cè)出射面處的光強(qiáng)分布乂E =巧，利用下式計(jì)算出射面處光束 尺寸然后，利用光電探測(cè)器探測(cè)距離出射面Z處的光強(qiáng)分布/(Z，乂Z)，利用下式計(jì)算距離出 射面Z處光束尺寸使用該因子對(duì)低數(shù)值孔徑大模場(chǎng)面積光纖激光光源的光束質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，該值越接近 1，說明光束質(zhì)量越好，當(dāng)Wx和Wy為遠(yuǎn)場(chǎng)光束尺寸時(shí)，可W用下式求修正M2因子其中λ為波長(zhǎng)，Z為傳輸距離，W為光束尺寸，J:、X分別為發(fā)射面的橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)。
【專利摘要】本發(fā)明涉及低數(shù)值孔徑大模場(chǎng)面積光纖激光光束質(zhì)量評(píng)價(jià)方法。采用本發(fā)明提出的光束質(zhì)量評(píng)價(jià)方法可以消除模間相對(duì)相位對(duì)M2因子的影響，得到與模間相對(duì)相位無關(guān)、僅與模式間功率比例有關(guān)的M2因子，采用該方法修正的M2因子可準(zhǔn)確反映低數(shù)值孔徑大模場(chǎng)面積光纖激光的模式成分和光束質(zhì)量。修正M2因子的數(shù)值越接近1，說明光束質(zhì)量越好。本方法消除了模間相對(duì)相位對(duì)光束質(zhì)量的影響，解決了M2因子難以評(píng)價(jià)低數(shù)值孔徑大模場(chǎng)面積光纖激光光束質(zhì)量的不足。
【IPC分類】G01M11/02
【公開號(hào)】CN105571826
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510925037
【發(fā)明人】陶汝茂, 支冬, 馬閻星, 冷進(jìn)勇, 馬鵬飛, 王小林, 周樸, 司磊, 許曉軍, 陳金寶, 劉澤金
【申請(qǐng)人】中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【公開日】2016年5月11日
【申請(qǐng)日】2015年12月14日