一种基于声光装置的模式控制系统的制作方法

1.本发明涉及高阶模式控制系统技术领域，尤其涉及一种基于声光装置的模式控制系统。


背景技术：

2.选择性激发横向模式是实现模分复用技术的重要手段之一，它指的是对于系统的输出模场中含有的不同模式，可以选择一个特定的比例，按照比例的不同，选择性激发横向模式可以分为完全激发某一特定模式和激发混合模式，对于前者的研究较为完备，可实现的方法有特种光纤法、相位板法、长周期光栅法等，对于后者，可实现的方法有数字全息法、模式分解法、耦合器法等，而现有对完全激发某一特定模式的研究方法均无法生成混合模式，对于激发混合模式的实现方法中数字全息法的计算复杂度高，计算量大，模式分解法需要一个特殊的电控偏振控制器，在实际运用中不易实现，耦合器法对不同的比例需要不同耦合比的耦合器，成本太高，由此可见完全激发某一特定模式和激发混合模式的实现方法互不相通，不利于模分复用技术的发展；
3.因此，本发明提出一种基于声光装置的模式控制系统以解决现有技术中存在的问题。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明的目的在于提出一种基于声光装置的模式控制系统，该基于声光装置的模式控制系统加入了非线性光纤环路提高了激光器的输出功率，实现了高功率的锁模脉冲输出，通过声光装置实现模式的选择性激发以及输出模式/混合模式的动态切换，光学成像装置可以将声光装置输出端口的模场放大，并准确投射在面阵激光光束分析仪的镜头上，使得分析模斑更为便捷。
5.为实现本发明的目的，本发明通过以下技术方案实现：一种基于声光装置的模式控制系统，包括高功率脉冲产生装置、声光装置、光学成像装置和数据分析工具，所述高功率脉冲产生装置包括第一单模耦合器、第二单模耦合器、掺镱光纤泵浦光源、合束器、掺镱光纤、第一偏振控制器、第二偏振控制器和单模光纤，所述声光装置包括铝制圆锥、压电陶瓷片、电压放大器、信号发生器、第三偏振控制器和少模光纤，所述光学成像装置包括第一双胶合透镜、第二双胶合透镜、平面分束镜、偏振相关分束立方和面阵激光光束分析仪，所述数据分析工具包括示波器、功率计和计算机。
6.进一步改进在于：所述第一单模耦合器设有第一单模耦合器第一端口、第一单模耦合器第二端口和第一单模耦合器第三端口，所述第一单模耦合器第一端口和所述第一单模耦合器第二端口连接形成环路；所述第二单模耦合器设有第二单模耦合器第一端口、第二单模耦合器第二端口、第二单模耦合器第三端口和第二单模耦合器第四端口，所述第二单模耦合器第三端口和所述第二单模耦合器第四端口连接形成环路，所述高功率脉冲产生装置的输出端口为所述第二单模耦合器第二端口。
7.进一步改进在于：所述合束器设有合束器第一端口、合束器第二端口和合束器第三端口；所述增益光纤设有增益光纤第一端口和增益光纤第二端口；所述增益光纤泵浦光源与所述合束器第一端口连接，所述第一单模耦合器第三端口与所述合束器第二端口连接，所述增益光纤第一端口与所述合束器第三端口连接，所述增益光纤第二端口与所述第二单模耦合器第一端口连接。
8.进一步改进在于：所述第一偏振控制器和所述第二偏振控制器设置在所述第二单模耦合器的第三端口和所述第二单模耦合器第四端口之间。
9.进一步改进在于：所述少模光纤设有少模光纤第一端口、少模光纤第二端口和少模光纤中间部分，所述少模光纤中间部分为去涂覆层部分；所述第二单模耦合器第二端口与所述少模光纤第一端口连接，所述第三偏振控制器设置在靠近所述少模光纤第二端口一侧。
10.进一步改进在于：所述声光装置的输入端口为所述少模光纤第一端口，所述声光装置的输出端口为所述少模光纤第二端口。
11.进一步改进在于：所述铝制圆锥、所述压电陶瓷片、所述电压放大器和所述信号发生器顺次连接，所述铝制圆锥的锥尖固定于所述少模光纤中间部分和所述少模光纤中第一端口的交界处。
12.进一步改进在于：所述少模光纤第二端口、所述第一双胶合透镜、所述平面分束镜、所述第二双胶合透镜、所述偏振相关分束立方和所述面阵激光光束分析仪顺次共轴放置。
13.进一步改进在于：所述平面分束镜用于对所述声光装置生成的模斑强度进行衰减，所述偏振相关分束立方用于使同一偏振方向的光投射于所述面阵激光光束分析仪，其透射光为p-偏振光，反射光为s-偏振光。
14.本发明的有益效果为：本发明在高功率脉冲产生装置中加入了非线性光纤环路，使孤子锁模脉冲将演化为耗散孤子共振脉冲，提高了激光器的输出功率，实现了高功率的锁模脉冲输出，加入了声光装置，改变射频信号的频率，实现了模式的选择性激发以及输出模式/混合模式的动态切换，加入的光学成像装置可以将声光装置输出端口的模场放大，并准确投射在面阵激光光束分析仪的镜头上，使得分析模斑更为便捷，同时本系统成本较低，适合推广。
附图说明
15.图1为本发明系统结构示意图。
16.图2为本发明高功率脉冲产生装置输出脉冲时域图。
17.图3为本发明光学成像装置捕获的模斑图。
18.其中：1、第一单模耦合器；2、第二单模耦合器；3、掺镱光纤泵浦光源；4、合束器；5、掺镱光纤；6、第一偏振控制器；7、第二偏振控制器；8、铝制圆锥；9、压电陶瓷片；10、电压放大器；11、信号发生器；12、第三偏振控制器；13、少模光纤；14、第一双胶合透镜；15、第二双胶合透镜；16、平面分束镜；17、偏振相关分束立方；18、面阵激光光束分析仪；19、示波器；20、功率计；21、计算机；22、高功率脉冲产生装置；23、声光装置；24、光学成像装置；25、数据分析工具。
具体实施方式
19.为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明做进一步详述，本实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
20.实施例1
21.根据图1、2所示，本实施例提供了一种基于声光装置的模式控制系统，包括高功率脉冲产生装置22、声光装置23、光学成像装置24和数据分析工具25，所述高功率脉冲产生装置22包括第一单模耦合器1、第二单模耦合器2、掺镱光纤泵浦光源3、合束器4、掺镱光纤5、第一偏振控制器6、第二偏振控制器7和单模光纤，所述声光装置23包括铝制圆锥8、压电陶瓷片9、电压放大器10、信号发生器11、第三偏振控制器12和少模光纤13，改变射频信号的频率，实现模式的选择性激发以及输出模式/混合模式的动态切换，所述光学成像装置24包括第一双胶合透镜14、第二双胶合透镜15、平面分束镜16、偏振相关分束立方17和面阵激光光束分析仪18，所述数据分析工具25包括示波器19、功率计20和计算机21。
22.所述掺镱光纤泵浦光源3与所述合束器4的第一端口4-1连接，所述第一单模耦合器1的第三端口1-3与所述合束器4的第二端口4-2连接，所述合束器4的第三端口4-3与所述掺镱光纤5的第一端口5-1连接，所述掺镱光纤5的第二端口5-2与所述第二单模耦合器2的第一端口2-1连接，所述第一偏振控制器6和所述第二偏振控制器7设置在所述第二单模耦合器2的第三端口2-3和第四端口2-4之间，所述第二单模耦合器2的第二端口2-2与所述少模光纤13的第一端口13-1连接，所述第三偏振控制器12设置在所述少模光纤13的第二端口13-2一侧。
23.所述高功率脉冲产生装置22的输出端口为所述第二单模耦合器2的第二端口2-2，所述声光装置23的输入端口为所述少模光纤13的第一端口，所述第二单模耦合器2的第二端口2-2与所述少模光纤13的第一端口连接，所述少模光纤13的第二端口共轴放置在所述第一双胶合透镜14的前方。
24.所述掺镱光纤泵浦光源3经过所述合束器4后被所述掺镱光纤5吸收产生受激辐射，辐射出的光子经过由所述第一单模耦合器1和所述第二单模耦合器2构成的线性腔内震荡，进而输出激光，所述高功率脉冲产生装置22中第一单模耦合器1、第二单模耦合器2、合束器4、掺镱光纤5、第一偏振控制器6和第二偏振控制器7之间均通过所述单模光纤连接，所述掺镱光纤泵浦光源3为976nm半导体激光器。
25.所述第一单模耦合器1的分光比为50:50，端口数量为2
×
1，所述第一单模耦合器1的第一端口1-1与第二端口1-2连接形成环路；所述第二单模耦合器2的分光比为10:90，端口数量为2
×
2，所述第二单模耦合器2的第三端口2-3和第四端口2-4连接形成环路，长度为20～40m。
26.所述第二单模耦合器2用于累计所述掺镱光纤泵浦光源3腔内的非线性效应，使所述掺镱光纤泵浦光源3处于锁模状态，令孤子锁模脉冲演化为耗散孤子共振脉冲，提高了激光器的输出功率，实现了高功率的锁模脉冲输出，所述第一偏振控制器6和所述第二偏振控制器7用于调节所述掺镱光纤泵浦光源3腔内的偏振状态，便于累积非线性效应，所述第三偏振控制器12用于调整所述声光装置23生成模斑的偏振状态，使之能更好地成像于所述面阵激光光束分析仪18。
27.所述声光装置23由铝制圆锥8、压电陶瓷片9、电压放大器10和信号发生器11顺次
通过所述少模光纤13连接，所述声光装置23的模式转换中心波长与所述高功率脉冲产生装置22产生的工作波段相同均位于0.5-1.5μm之间，所述声光装置23的模式转换中心波长由相位匹配条件决定，所述相位匹配条件表示为
28.lb＝λ
[0029][0030]
其中lb为lp
01
模和lp
11
模之间的拍长，λ为所述声光装置23的周期，r为所述少模光纤13的半径，c
ext
为所述压电陶瓷片9产生的振动在所述少模光纤13的纤芯内部传输速度，f为所述信号发生器11产生的射频信号的频率。
[0031]
所述光学成像装置24由第一双胶合透镜14、平面分束镜16、第二双胶合透镜15、偏振相关分束立方17和面阵激光光束分析仪18顺次共轴放置组成，所述第一双胶合透镜14焦距为7.5mm，所述第二双胶合透镜15焦距为30mm。
[0032]
所述平面分束镜16用于对所述声光装置23生成的模斑强度进行衰减，保护所述面阵激光光束分析仪18，其透射反射比为20:80，所述偏振相关分束立方17用于使同一偏振方向的光投射于所述面阵激光光束分析仪18，其透射光为p-偏振光，反射光为s-偏振光，可以将声光装置输出端口的模场放大，并准确投射在面阵激光光束分析仪的镜头上，使得分析模斑更为便捷。
[0033]
实施例2
[0034]
根据图1、2、3所示，本实施例提供了一种基于声光装置的模式控制系统，所述信号发生器11产生的射频信号经过所述电压放大器10放大后加载到所述压电陶瓷片9，所述压电陶瓷片9产生的振动经过所述铝制圆锥8放大后加载到所述少模光纤13的纤芯中，并在所述少模光纤13的纤芯中传输(此部分的所述少模光纤13的涂覆层应剥除)，引起声致光栅效应，实现lp
01
模到lp
11
模的转换。
[0035]
所述少模光纤13纤芯的非正圆性可以引起纤芯内部的双折射效应，使得lp
11
模发生退简并，进而实现lp
01
模到lp
11a
/lp
11b
模的转换。
[0036]
所述声光装置的周期可以通过所述信号发生器产生的射频信号的频率来改变，以此影响模式间的拍长，使得基模(lp
01
模)发生完全/不完全转换，进而实现模式/混合模式的切换。
[0037]
所述声光装置23的输出端口(光纤端面)、所述第一双胶合透镜14、所述第二双胶合透镜15和所述面阵激光光束分析仪18两两之间的距离应满足所述光学成像装置24的成像条件。
[0038]
系统运行时掺镱光纤泵浦光源从合束器的第一端口进入激光器腔内，被掺镱光纤吸收，形成受激辐射，辐射出的光子在由第一单模耦合器和第二单模耦合6构成的线性腔内振荡，进而产生基模激光(lp
01
模)。此时，调整第一偏振控制器和第二偏振控制器，腔内的偏振状态发生改变，即腔内的非线性效应发生改变，当掺镱光纤泵浦光源的输出功率达到一定阈值时，激光器便会进入锁模工作状态，产生的耗散孤子共振脉冲从第二单模耦合器的第二端口输出，进入少模光纤的第一端口。另外，在进入少模光纤的第一端口之前，为了验证产生的光束是否为耗散孤子共振脉冲，可以将示波器连接在第二单模耦合器的第二端
口，观察光束的时域波形，验证完毕后断开连接，将功率计放置在第二单模耦合器的第二端口的正前方并间隔一小段距离，测得该端口的最大输出功率为1.94w，随后再将第二单模耦合器的第二端口和少模光纤的第一端口重新连接，基模光束会通过声光装置。通过改变信号发生器产生的射频信号的频率，lp
01
模会被转换为lp
11a
/lp
11b
模或者部分转换为lp
11a
/lp
11b
模，并由少模光纤的第二端口输出，输出前由第三偏振控制器对模斑的偏振状态进行了微调。接着，输出的光束会顺次经过第一双胶合透镜、平面分束镜、第二双胶合透镜以及偏振相关分束立方，投射于面阵激光光束分析仪，捕获的图像可以通过安装在计算机中相应的软件进行观察和分析，其中，分析模斑中不同成分的算法选用的是随机并行梯度下降算法。
[0039]
说明书附图3模斑图像由计算机23中相应的软件得到。图中(a)-(e)分别是在信号发生器产生不同频率的射频信号的情况下得到的：(a)为463.8khz、(b)为464.2khz、(c)为470.3khz、(d)为476.1khz、(e)为477.5khz。其中，(a)、(c)、(e)分别为lp
11a
模、lp
01
模、lp
11b
模；(b)为lp
11a
模和lp
01
模的混合模，(d)为lp
11b
模和lp
01
模的混合模，因此对应的模斑都呈“一”字型。将(b)和(d)中的模斑送入随机并行梯度下降算法进行分析，便可以得到所含两种模式的成分占比，结果如下：(b)中lp
01
:lp
11a
＝0.67:0.33；(d)中lp
01
:lp
11b
＝0.63:0.37。由此，不同的模式占比可以由信号发生器产生的介于463.8khz和477.5khz之间的不同频率值得到，实现了高阶模式的选择性激发(比例可控)。另外，将信号发生器的射频信号产生模式改为频移键控模式，并输入两个在上述范围内的频率值，便可实现在对应的两种模式之间的动态切换
[0040]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。