分布式侧面泵浦光纤耦合系数测量方法、系统及装置与流程

本发明涉及光纤耦合系数测量，特别是涉及一种分布式侧面泵浦光纤耦合系数测量方法、系统及装置。

背景技术：

1、在当前激光技术快速发展与大规模应用的背景下，高功率光纤激光基于良好的光束质量、较高的转换效率、丰富的光学性能和便捷的热管理要求等特性，在先进制造、国防安全、医疗技术和科学研究等领域逐渐提升市占率，在整个激光应用市场扮演着越来越重要的角色。随着双包层泵浦技术的提出和无源光纤器件的快速发展，高功率光纤激光器逐渐从空间结构过渡到全光纤化结构。由于空间结构的有限的耦合尺寸，激光器功率的快速增长伴随着功率密度的同步提升，这将使泵浦端面出现热致损伤的概率大幅增加，高功率工作状态下系统稳定性随之降低。相比之下，在全光纤波导系统中，激光不再经过空间耦合组件，始终被约束在光纤内部，因环境等因素引起的扰动对激光运行时的影响可以被显著降低，因而激光器系统更加紧凑、稳定，这无疑进一步拓展了光纤激光器的应用场景和环境适应性。

2、在光纤激光器中，泵浦激光耦合的能力直接决定激光器输出能力的上限。根据激光注入增益光纤内包层时的位置，泵浦耦合方式可分为从光纤横向截面注入的端面泵浦，以及从光纤侧面注入的侧面泵浦两种。前者须使用端面泵浦合束器，由于光纤横截面尺寸极小，在高功率泵浦注入处存在局部功率密度过高，极易出现发热和烧毁等问题，限制了功率提升能力，同时端面泵浦合束器的制备技术和性能也制约着泵浦耦合能力。侧面泵浦中，由于侧面耦合区域面积大幅增加，这一问题从理论上可以得到缓解。作为侧面泵浦方式的一种，分布式侧面耦合包层泵浦（distributed side-coupled cladding-pumped，缩写为dsccp，不同场合也被称作gtwave、复合光纤等）采用多根光纤并束拉丝的制备方法，将耦合区域扩展至整段光纤，有效避免了端面泵浦合束器中难以解决的局域发热问题，同时在非线性控制和热分布上具有更加优异的表现。dsccp激光器在功率拓展水平和结构设计灵活性上提供了更多的思路，近年来在国内外引起了诸多关注，输出功率也实现了一系列里程碑式跨越，表现不亚于传统光纤激光器。其光纤独特的结构在制作工艺上有别于传统方法，多纤并束拉制方案在现有光纤拉制设备上制备时需要克服诸多难题，包括光纤横向尺寸、预制棒相对位置以及材料均匀性等精度控制上难以轻易达到高功率设计要求。

3、目前常用的常规的双包层增益光纤（图1所示）由掺稀土离子石英纤芯、纯石英内包层以及低折射率外包层构成。dsccp则与之不同，其横截面上由一根包含纤芯和内包层的信号光纤与若干根（数量为n且n≥1，当n=0时退化到传统双包层泵浦光纤）多模泵浦光纤组成，其结构示意图如图2-图5所示，其中，a表示信号纤，b表示泵浦纤。

4、在dsccp泵浦中，耦合吸收增益放大过程可以分为两个步骤。第一步是泵浦激光的侧面耦合过程，泵浦光首先通过泵浦纤端面进行注入，随后在泵浦光纤中进行传输，同时以倏逝波的形式在泵浦纤和信号纤内包层之间通过紧密贴合的光纤侧面进行耦合，此过程决定着泵浦光从泵浦纤进入信号纤。第二步是吸收放大过程，耦合进入信号纤内包层中的泵浦光被其中心区域的掺杂纤芯吸收转化，纤芯中的信号光得意实现增益放大，第二步过程与传统双包层增益光纤中的增益放大相似。因此，在dsccp中，与传统双包层增益光纤中物理过程最大的差异来自于第一步中的侧面耦合，由泵浦纤耦合进入信号纤的强度，也即耦合系数大小是后续第二步吸收放大的基础，对整个光纤转换效率起着决定性作用。

5、为了充分理解dsccp中激光转化机制以及定量分析耦合常数相关概念，对于dsccp光纤模型做如下简要表述，此处以（1+1）型光纤为例说明。引入吸收系数α，耦合系数k1、k2（其中k1代表能量从泵浦纤耦合到信号纤内包层内的耦合系数，k2则代表相反过程的耦合系数），实际上由于材料制备中沿着轴向（柱坐标中z向）上浓度分布不均、光纤贴合差异或横向模式不同，α、k1、k2各自均为关于坐标z的函数，但为了简化，这里α、k1、k2假设考虑了所有效果后的等效平均系数，并且在轴向处处相同，也即不再关于z为函数，为一常数值，则其关于泵浦纤中泵浦功率p1和信号纤中泵浦功率p2的关系如下：

6、

7、p1(z)、p2(z)分别代表泵浦纤和信号纤内包层内坐标为z处的泵浦功率。

8、这里首先考虑吸收系数为零（也即α=0）的情况，那么此时信号纤纤芯也没有增益能力。当从泵浦纤z=0处注入功率为p0的泵浦激光时，信号纤则不注入，也即p1(0)=p0，p2(0)=0，其随z变化的表达式如下：

9、

10、

11、当z趋于无穷大时p1和p2的极限值如下：

12、

13、

14、从该式可以看出，无吸收条件下p1和p2逐渐趋于稳定值，其比值为p1/p2=k2/k1。再定义耦合长度l为耦合功率达到极限值(1-1/e)处的光纤长度，由公式可知(k1+k2)=1/l，联立可得k1和k2具体数值。

15、实际应用中，dsccp光纤的信号纤必定是掺杂具备吸收能力（α≠0），其最终结果必然与上述α=0情形下的结果存在差异，实验测量得到功率曲线为耦合（k1、k2）与吸收（α）的综合效果，无法直接解耦分析，这给研究光纤制备技术带来了极大难题。实际中，由于dsccp光纤中的吸收系数受诸多几何因素影响，如果改变其几何尺寸或结构测量得到α数值不能直接应用于dsccp光纤中，因此直接将相同掺杂预制棒制备成等尺寸双包层增益光纤（即图1中第一个结构）测量得到的α并不能表征dsccp中采用相同预制棒的α值，两者存在差异，不存在准确的参考意义。

16、因而，一个更合理的方法是先制备纤芯中不掺杂的dsccp光纤，即α=0，通过上述方法测量得到k1和k2准确值，将第一步的耦合过程（k1、k2）进行精确测量。然后通过同样拉制工艺制备同尺寸纤芯掺杂的dsccp光纤，在同样的工艺条件下和同样的几何结构以及除纤芯外的材料组分下，可以认为两种情况下的耦合能力相同（即k1、k2在α=0和α≠0两种情形下对应值相同），这样在纤芯掺杂情况中测量得到的结果可以归咎于α的影响，这样实现了两个步骤的解耦。

17、为了准确测量得到k1和k2数值，需要测量泵浦纤和信号纤中的功率随光纤长度的分布，即p1(z)、p2(z)，现有技术是对待测光纤采用截断法，对不同长度z的光纤测量p1、p2即可，如图6所示。具体方法如下：从泵浦纤的一端注入泵浦光，在另一端将信号纤和泵浦纤分开，分别测得泵浦纤和信号纤的功率p1、p2，并记下此时光纤长度l。随后截去一定的长度δl，继续按上述操作测量泵浦纤和信号纤的功率p'1、p'2，记下此时光纤长度l'=l-δl， 重复上述过程直至截断完整根光纤时，则得到了全部数据，分组归类即可得到p1(z)和p2(z)。

18、根据功率耦合曲线图（图7）发现，在不同长度z处，p1(z)和p2(z)的变化率存在较大差异。在z值较大的耦合末端，p1(z)和p2(z)逐渐趋于平缓，变化率较低。而在z值较小的耦合开始端，p1(z)和p2(z)分别以近指数形式快速变化。截断法直接而且具备可操作性，但其在应用于dsccp时存在一定的不完善处。为了准确测量光纤末端输出的p1(z)和p2(z)，需要对光纤末端切割成斜角，而且针对不同z每次测试需要重新切割。但受限于dsccp“二合一”紧贴式的结构以及光纤切割刀切割时对长度的要求（单根光纤长度>25 cm），每次截断测试需要重新剥去光纤较长一段涂覆层，将两根光纤分开，然后清理表面，再将两根石英裸纤各自放入切割刀切割。该过程每次需要重新处理数十厘米光纤，并且一旦切割失败光纤断裂后，将无法对该长度z得到测量结果，只能跳过该采样位置z到下一个截断长度。在耦合末端p1(z)和p2(z)变化缓慢，对结果影响较小，但在耦合开始的指数变化端，短距离内数据采样点少则会对测量结果造成很大偏差。因此该方案中步长大导致采样点少及因光纤断裂导致跳跃采样点的问题使得在功率剧烈变化的区域测量偏差较大，无法高效可靠的通过测量得到精确的耦合系数。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种分布式侧面泵浦光纤耦合系数测量方法、系统及装置，结合实际数据和理论模型计算了光纤的耦合系数，为dsccp的参数设计和测试提供了更加便捷的方法，并解决了实际测量中现有方法在变化剧烈区测量数据采样点过少的问题，可以成倍的提高过渡区测量数据数量，提高功率随长度变化图的精度，提高耦合系数测量的准确性。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、本发明提供一种分布式侧面泵浦光纤耦合系数测量方法，包括以下步骤：

4、（1）将光纤两端去除涂覆层，并将两端裸纤表面清理干净；

5、（2）在光纤注入端侧：将泵浦纤和信号纤裸纤分开，将泵浦纤末端切成平角，将匹配的光源激光器的输出纤末端切割成平角，然后与泵浦纤末端熔接在一起，将信号纤末端切成斜角，使用收光筒对准信号纤末端面以收集杂散光；

6、（3）在光纤输出端侧：将泵浦纤和信号纤裸纤分开，分别将两裸纤末端切割成斜角，将两台功率计光敏面中心分别对准泵浦纤和信号纤裸纤端面，功率计量程要与光源激光器最大输出功率匹配；

7、（4）测量此时光纤涂覆层完整区域的长度，将其记为l，l即为当前状态下的有效耦合长度；

8、（5）开启光源激光器的弱光，调节光纤输出端两根裸纤位置和对应功率计位置，使得光斑中心与功率计光敏面中心重合；

9、（6）将光源激光器开启至预置功率p，待功率计示数稳定后记下此时泵浦纤对应的功率计读数p'1，信号纤对应的功率计读数p'2，然后关闭光源激光器；

10、（7）记录数据（l，p'1，p'2）为一组测量数据；

11、（8）在光纤输出端：将涂覆层完整处与裸纤的交界处，破坏掉长度为δl的涂覆层，使得在δl段内泵浦纤与信号纤能够自然分离；

12、（9）记录此时光纤涂覆层完整区域的有效长度l1；

13、（10）重复步骤（6），记录对应功率数据分别为p''1，p''2；

14、（11）此时记录数据（l1，p''1，p''2），得到第二组数据；

15、（12）连续重复步骤（8）至步骤（11），得到若干组数据，将其绘制在以有效耦合长度z为横坐标，功率p为纵坐标的坐标系中，得到p1(z)和p2(z)分布关系曲线图，p1(z)、p2(z)分别代表泵浦纤和信号纤内包层内坐标为z处的泵浦功率；

16、（13）根据p1(z)和p2(z)分布曲线图，结合公式计算出泵浦纤与信号纤两者之间的耦合系数k1和k2。

17、优选地，步骤（1）中，光纤两端去除涂覆层形成的裸纤长度为20~30cm；步骤（5）中，光斑大小占据光敏面60%~80%面积。

18、优选地，步骤（8）中，δl长度为1~5cm；步骤（12）中，在重复操作的任意两次测量中，δl相同或不同。

19、本发明还提供一种分布式侧面泵浦光纤耦合系数测量系统，包括光源分系统、光纤处理系统、中枢控制系统、第一功率探测器和第二功率探测器，所述光源分系统用于输出激光至待测光纤输入端的泵浦纤，所述光纤处理系统用于根据待测光纤有效耦合长度对待测光纤进行截断法处理或分离法处理，所述分离法为以上所述的分布式侧面泵浦光纤耦合系数测量方法中所采用的处理方法，所述第一功率探测器和所述第二功率探测器分别用于探测光纤输出端泵浦纤与信号纤的功率，所述中枢控制系统分别连接所述光源分系统、所述光纤处理系统、所述第一功率探测器和所述第二功率探测器，用于数据获取与分析处理。

20、优选地，所述光纤处理系统初始采用截断法处理长度为l的光纤，其截断步长设置为l/10，并自动获取所述第一功率探测器和所述第二功率探测器的探测数据p1和p2，计算两者比值因子f=p1/p2，以fm，fn，fp标记为任意连续三次依次测量得到的三个比值因子数据，当满足以下任意条件之一时：

21、i）条件1：光纤有效耦合长度le < 0.3l；

22、ii）条件2：fp> fn>fm 且 fp- fm > 1.5fn；

23、所述光纤处理系统自动切换到分离法进行小步长δl分离处理光纤，小步长δl设置为当前光纤有效耦合长度的1/10，当δl < 5cm时，之后δl都固定取5cm；对整段光纤处理完毕后，所述中枢控制系统通过内部预置计算程序自动计算出泵浦纤与信号纤两者之间的耦合系数k1和k2。

24、本发明还提供一种分布式侧面泵浦光纤耦合系数测量装置，包括若干个激光器、激光器驱动电源系统、光纤装载部、光纤传输导向组件、涂覆层破坏刀具、两个涂覆层清除组件、第三功率探测器、第四功率探测器、机械传动控制系统和控制中心，所述光纤装载部用于装载待测光纤，各所述激光器用于输出激光至待测光纤输入端的泵浦纤，所述激光器驱动电源系统用于控制各所述激光器的输出波长，所述光纤传输导向组件用于对光纤的输出端进行传输并导向至所述涂覆层破坏刀具，所述机械传动控制系统用于控制所述光纤装载部和所述光纤传输导向组件的运行，所述涂覆层破坏刀具用于切开光纤前进长度的涂覆层，使泵浦纤与信号纤分离，一个所述涂覆层清除组件用于去除分离后的泵浦纤上的涂覆层，并切割泵浦纤的输出端，所述第三功率探测器用于探测泵浦纤切割后端面的激光输出功率，另一个所述涂覆层清除组件用于去除分离后的信号纤上的涂覆层，并切割信号纤的输出端，所述第四功率探测器用于探测信号纤切割后端面的激光输出功率，所述控制中心分别连接所述激光器驱动电源系统、所述机械传动控制系统、所述第三功率探测器和所述第四功率探测器。

25、优选地，所述光纤装载部为光纤装载盘，所述光纤传输导向组件包括转动轮盘和两个传动带式夹具，所述传动带式夹具包括两个滚轮和传动连接两个所述滚轮的传动带，两个所述传动带式夹具分别设置于光纤两侧，用于通过两个所述传动带夹紧输送并导向光纤，所述转动轮盘设置于所述传动带式夹具与所述光纤装载盘之间，用于将所述光纤装载盘上的光纤输送并导入至两个所述传动带式夹具之间。

26、优选地，所述涂覆层清除组件包括两个环形夹具和设置于两个所述环形夹具之间的筒状涂覆层清除器；所述环形夹具包括环形外圈，所述环形外圈内沿周向均匀设有多个弧形夹紧片，各所述弧形夹紧片的靠近中心的一端围绕形成夹紧通孔，所述夹紧通孔内用于夹紧待处理光纤，通过调整所述弧形夹紧片能够调节所述夹紧通孔的大小；所述筒状涂覆层清除器包括环形外筒、环形涂覆层剥离刀和切割刀，所述环形涂覆层剥离刀沿轴向滑动设置于所述环形外筒内，所述环形涂覆层剥离刀包括刀片安装环形圈，所述刀片安装环形圈内沿周向均匀设有多个弧形刀片，各所述弧形刀片的靠近中心的一端具有弧形刀刃，各所述弧形刀刃围绕形成剥离孔，通过调整所述弧形刀片能够调节所述剥离孔的大小；所述切割刀设置于所述环形外筒内远离所述涂覆层破坏刀具的一端，所述切割刀沿所述环形外筒径向设置并由第一伸缩驱动装置驱动径向移动。

27、优选地，所述第三功率探测器和所述第四功率探测器分别设置于两个所述涂覆层清除组件远离所述涂覆层破坏刀具的一侧，所述第三功率探测器和所述第四功率探测器分别与两个第二伸缩驱动装置连接，通过各所述第二伸缩驱动装置能够驱动所述第三功率探测器和所述第四功率探测器沿所述涂覆层清除组件的径向移动以对准光纤切割后的端面；所述第三功率探测器和所述第四功率探测器远离所述涂覆层清除组件的一侧各设有一个废纤收集盒，分别用于收集切割下的泵浦纤废纤和信号纤废纤。

28、优选地，各所述激光器的输出端通过光纤合束器将激光输入至待测光纤输入端的泵浦纤；所述涂覆层破坏刀具上设有刻度线，用于测量涂覆层破坏区域的光纤前进长度。

29、本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

30、本发明基于dsccp光纤中的耦合理论模型提出了一种更加实用、容错率更好和灵敏度更高的新型分离法测量方法，同时将分离法和截断法结合提出了一种在不同长度下自适应的测量系统，提升了测量精度，最后根据该系统设计了一种可以快速自动测量耦合系数的测量装置，具备较强的适应性和多种方案下的应用价值，在工程上具有可行性和广泛的应用前景，解决了实际测量中现有方法在变化剧烈区测量数据采样点过少的问题，可以成倍的提高过渡区测量数据数量，提高功率随长度变化图的精度，提高耦合系数测量的准确性。