【技术实现步骤摘要】
本专利技术主要涉及到光纤激光，尤其是一种评估单频光纤激光器横向模式不稳定效应的方法及装置。
技术介绍
1、单频激光只具有一个纵模，即只有单一频率，因此具有出色的时间相干性。而光纤激光器具有低噪声、高光束质量和高稳定性等优势，因此利用光纤作为载体实现单频激光输出被认为是获取高功率高性能单频激光的优秀方案。近年来，单频光纤激光器得到了迅猛的发展，并在高功率光束合成，引力波探测，激光雷达，频率转换，精密光谱检测等前沿科学领域得到了深入应用。但是，在高功率单频光纤激光器中，伴随着输出功率的提升，光纤中热效应的影响越来越显著。热效应的影响主要表现为热致横向模式不稳定（tmi）效应，它会在光纤激光系统达一定功率后会引起基模和高阶模式之间的能量耦合，从而降低输出激光的光束质量。当系统存在高阶模滤除作用时，例如高阶模的弯曲损耗，严重的tmi效应还会限制单频光纤激光器输出功率的进一步提升，甚至损坏激光放大系统。因此，为保证系统稳定运行在高光束质量状态，需要确保系统工作在一定的功率水平下，这个功率水平即称为横向模式不稳定效应阈值。
2、传统评估横向模式不稳定效应阈值的方法主要包括监测输出激光的时序波动、监测输出激光的时域信号傅里叶变换谱、监测输出激光的光束质量等。其中监测输出激光的时序波动的方法，主要是通过小孔采集输出激光的单点时序强度起伏，并利用强度起伏的归一化标准差来判断tmi阈值。
3、如图1所示，图1是利用输出激光的时序波动来判定tmi阈值的典型示例图，输出功率为500 w时，输出激光时域波动的归一化标准差（nsd）
4、监测输出激光的时域信号傅里叶变换谱的方法主要是观测时域信号的傅里叶变换谱中0-10 khz频率范围内是否出现了特征频率峰来判断是否发生了tmi效应，具体实例如图2所示，图2是利用输出激光时序的傅里叶变化频谱来判定tmi阈值的典型示例图。未出现tmi效应时，输出激光的傅里叶变化频谱平坦，未见特征峰；当出现tmi效应后，输出激光的傅里叶变化频谱在0-10 khz出现明显特征峰，由此判断此放大器的tmi阈值为523 w。
5、监测输出激光光束质量的方法，主要是通过检测输出激光光束质量的退化来判定tmi效应，如图3所示，图3是利用输出激光的光束质量退化来判定tmi阈值的典型示例图，其中图3(a)为未出现tmi效应时输出激光的焦点光斑示例图，此时，输出激光的功率为500w，光束质量稳定在1.23；图3(b)为出现tmi效应时输出激光的焦点光斑示例图，当出现tmi效应后输出激光的焦点光斑中出现大量高阶模成分，光束质量迅速退化到1.82，由此判断此放大器的tmi阈值为523 w。
6、尽管传统方法从时域、频域和空域等多角度去定义了高功率光纤激光系统的tmi效应阈值，但是tmi效应的发生同时还包含了大量的不稳定的模式相位信息和模式频率信息，这是传统方法所不能够捕获的。
7、基于目前探测方法存在的局限，提供一种从相位和频率角度出发去定义横向模式不稳定效应阈值的方法，对深入理解横向模式不稳定效应的物理过程具有重要意义，对于丰富横向模式不稳定效应的阈值评估方法也具有现实意义。
技术实现思路
1、针对现有技术存在的技术问题，本专利技术提出一种评估单频光纤激光器横向模式不稳定效应的方法及装置。
2、为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
3、一方面，本专利技术提供一种评估单频光纤激光器横向模式不稳定效应的方法，包括：
4、在单频光纤激光器所输出单频激光的输出功率提升过程中，实时监测单频光纤激光器所输出单频激光的频率噪声或相位噪声，其中频率噪声与相位噪声的关系为；
5、基于单频激光的频率噪声或相位噪声的变化幅度评估单频光纤激光器模式不稳定效应以及模式不稳定效应阈值的情况，包括：
6、当单频光纤激光器所输出单频激光的输出功率提升到一定程度，若单频光纤激光器所输出单频激光的频率噪声或相位噪声相对于单频光纤激光器中注入的种子激光的频率噪声或相位噪声在整个频率范围出现退化，则说明单频光纤激光器存在横向模式不稳定效应；
7、初次出现单频光纤激光器所输出单频激光的频率噪声或相位噪声相对于单频光纤激光器中注入的种子激光的频率噪声或相位噪声在整个频率范围出现退化且平均差异大于3 db时对应的单频激光的输出功率即为tmi阈值。
8、在单频光纤激光器所输出单频激光的输出功率提升过程中，若单频光纤激光器所输出单频激光的频率噪声或相位噪声相对于单频光纤激光器中注入的种子激光的频率噪声或相位噪声在整个频率范围均保持一致、未出现退化，则说明单频光纤激光器尚未发生横向模式不稳定效应。
9、另一方面，提供一种评估单频光纤激光器横向模式不稳定效应的装置，包括：
10、监测装置，用于在单频光纤激光器所输出单频激光的输出功率提升过程中，实时监测单频光纤激光器所输出单频激光的频率噪声或相位噪声，其中频率噪声与相位噪声的关系为；
11、评估单元，用于基于单频激光的频率噪声或相位噪声的变化幅度评估单频光纤激光器模式不稳定效应以及模式不稳定效应阈值的情况，包括：
12、当单频光纤激光器所输出单频激光的输出功率提升到一定程度，若单频光纤激光器所输出单频激光的频率噪声或相位噪声相对于单频光纤激光器中注入的种子激光的频率噪声或相位噪声在整个频率范围出现退化，则说明单频光纤激光器存在横向模式不稳定效应；
13、初次出现单频光纤激光器所输出单频激光的频率噪声或相位噪声相对于单频光纤激光器中注入的种子激光的频率噪声或相位噪声在整个频率范围出现退化且平均差异大于3db时对应的单频激光的输出功率即为tmi阈值。
14、相比现有技术，本专利技术的技术效果：
15、本专利技术阐述的评估单频光纤激光器横向模式不稳定效应的方法与传统的横向模式不稳定效应阈值评估方法具有兼容性，可以同时应用于高功率单频光纤激光器。
16、本专利技术具有通用性，可以广泛应用于各种类型单频光纤激光器（如单频光纤激光放大器）中横向模式不稳定效应及阈值的评估。
17、本专利技术从单频激光的频率噪声或相位噪声信息维度对高功率单频光纤激光器中横向模式不稳定效应阈值进行评估，这对噪声敏感的应用领域具有重要参考意义。
18、本专利技术提供的评估方法对tmi效应具有较高的灵敏度，不需要单频放大器工作在强横向模式不稳定效应下，能够更好地保护系统安全和稳定运行。
19、综上，本专利技术在强激光领域，特别是用于高功率单频光纤激光放大器的横向模式不稳定效应阈值评估和本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.评估单频光纤激光器横向模式不稳定效应的方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的评估单频光纤激光器横向模式不稳定效应的方法，其特征在于，在单频光纤激光器所输出单频激光的输出功率提升过程中，若单频光纤激光器所输出单频激光的频率噪声或相位噪声相对于单频光纤激光器中注入的种子激光的频率噪声或相位噪声在整个频率范围均保持一致、未出现退化，则说明单频光纤激光器尚未发生横向模式不稳定效应。
3.评估单频光纤激光器横向模式不稳定效应的装置，其特征在于，包括：
4.根据权利要求3所述的评估单频光纤激光器横向模式不稳定效应的装置，其特征在于，用于实时监测单频光纤激光器所输出单频激光的频率噪声或相位噪声的监测装置，包括单频光纤激光器、高功率反射镜、功率计、聚焦透镜、单模光纤、环形器、3×3耦合器、延迟光纤、2个法拉第旋光镜、3个光电探测器；
5.根据权利要求3或4所述的评估单频光纤激光器横向模式不稳定效应的装置，其特征在于，所述评估单元用于基于单频激光的频率噪声或相位噪声的变化幅度评估单频光纤激光器模式不稳定效应以及模式不稳定效应阈值的情况
...【技术特征摘要】
1.评估单频光纤激光器横向模式不稳定效应的方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的评估单频光纤激光器横向模式不稳定效应的方法，其特征在于，在单频光纤激光器所输出单频激光的输出功率提升过程中，若单频光纤激光器所输出单频激光的频率噪声或相位噪声相对于单频光纤激光器中注入的种子激光的频率噪声或相位噪声在整个频率范围均保持一致、未出现退化，则说明单频光纤激光器尚未发生横向模式不稳定效应。
3.评估单频光纤激光器横向模式不稳定效应的装置，其特征在于，包括：
4.根据权利要求3所述的评估单频光纤激光器横向模式不稳定效应的装置，其特征在于，用于实时监测单频光纤激光器所输出单频激光的频率...
【专利技术属性】
技术研发人员：马鹏飞，李魏，刘伟，杨欢，杜赫庭，陈益沙，陈子伦，司磊，王泽锋，陈金宝，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：
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