[發(fā)明專利]低數值孔徑大模場面積光纖激光光束質量評價方法

有效

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• 申請日: 2015-12-14
• 公開（公告）號: CN105571826B
• 公開（公告）日: 2017-12-22
• 發(fā)明（設計）人: 陶汝茂;支冬;馬閻星;冷進勇;馬鵬飛;王小林;周樸;司磊;許曉軍;陳金寶;劉澤金
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科學技術大學
• 主分類號: G01M11/02
• 分類號: G01M11/02
• 代理公司: 湖南省國防科技工業(yè)局專利中心43102
• 代理人: 馮青

技術領域

本發(fā)明涉及低數值孔徑大模場面積光纖激光光束質量的評價方法，尤其是一種利用修正后的M²因子定義式來評價低數值孔徑大模場面積光纖激光光束質量的方法。

背景技術

光束質量是激光應用技術中極為重要的參數，它是從質的方面評價激光特性的性能指標，對激光器的設計、制造、檢測和應用等均具有十分重要的指導意義。目前已經有很多的方法對激光的光束質量進行評價，如M²因子、桶中功率、斯特列爾比等[馮國英，周壽桓，“激光光束質量綜合評價的探討，”中國激光,2009，36，1643-1653]，其中M²因子定義為實際光束的光斑半徑與其遠場發(fā)散角的乘積與理想高斯基模光束的相應乘積之比，桶中功率為遠場平面內實際光束在某一固定半徑的桶內的功率與該光源總功率的比值，斯特列爾比定義為實際光束峰值功率與理想光束峰值功率的比值。目前，對于高功率光纖激光光束質量的評價方法，科研人員和高功率光纖激光器生產廠商廣泛采用A.E.Siegman提出的M²因子進行評價[A.E.Siegman,“How to(Maybe)Measure Laser Beam Quality”,Proc.of Diode Pumped Solid State Lasers,1998,17:184-199]：當M²因子越接近1，研究人員認為輸出光束的模式成分越接近基模、光束質量越好。

在低數值孔徑大模場面積光纖中，光纖支持多個模式，而且第一個高階模式(LP₁₁模式)很難完全剝除[S.Wielandy,“Implications of higher-order mode content in large mode area fibers with good beam quality,”O(jiān)ptics Express 2007,15(23),15402-15409]，因此，高功率光纖激光通常會出現基模與高階模共存的情況，此時利用M²因子評價光纖激光光束質量時發(fā)現，M²因子與模式間的相對相位有關：在相同的高階模式比例時，M²因子的具體數值隨模式間的相對相位不同而變化，如圖1所示。此外，即使高階模比例高達0.35，當模式間相對相位為0時，M²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，與模式間的相對相位無關[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M²因子難以反映低數值孔徑大模場面積光纖出射激光的光束質量。

發(fā)明內容

本發(fā)明要解決的技術問題是：提供一種低數值孔徑大模場面積光纖激光光束質量的評價方法，采用該方法可以消除模間相對相位對M²因子的影響，得到與模間相對相位無關、僅與模式間功率比例有關的M²因子，采用該方法修正的M²因子可準確反映低數值孔徑大模場面積光纖激光的模式成分和光束質量。

本發(fā)明的技術方案是：

M²因子的計算公式為：

其中λ為波長，z為傳輸距離，w為光束尺寸

w_x＝2σ_x，w_y＝2σ_y，w_0x＝2σ_0x，w_0y＝2σ_0y(2a)

I(x,y,z)和I₀(x,y)分別為傳輸距離z后光強分布和初始出射平面上的光強分布，x、y分別為發(fā)射面的橫坐標、縱坐標。

低數值孔徑大模場面積光纖輸出的高功率激光光場可以表示為