光纤基模及高阶模弯曲损耗测试方法及系统

摘要

本发明公开了一种光纤基模及高阶模弯曲损耗测定方法及系统，包括测定待测光纤处于平直状态时激光光源的基模功率和高阶模功率，测定待测光纤在各个弯曲半径下的弯曲输出功率；若弯曲输出功率大于或等于基模功率，则根据弯曲输出功率、基模功率以及高阶模功率，确定待测光纤的高阶模弯曲损耗；弯曲输出功率小于基模功率，则根据弯曲输出功率和基模功率，确定待测光纤的基模弯曲损耗。本发明基于光纤中基模弯曲损耗和高阶模弯曲损耗占据主导半径范围不同，分别计算待测光纤在不同弯曲半径对应的基模弯曲损耗或高阶模弯曲损耗，为光纤弯曲参数的确定提供准确的理论指导，更好地实现非线性效应抑制技术提高大功率光纤激光器中的输出光束质量。

权利要求

1.一种光纤基模及高阶模弯曲损耗测试方法，其特征在于，包括：S10、控制待测光纤处于平直状态并输入光源，以测定所述光源的基模功率和高阶模功率；

S20、使所述待测光纤弯曲成不同半径并输入光源，测定所述待测光纤在各个弯曲半径下的弯曲输出功率；

S30、若所述弯曲输出功率大于或等于所述基模功率，则根据所述弯曲输出功率、所述基模功率以及所述高阶模功率，由以下公式计算确定所述弯曲半径下所述待测光纤的高阶模弯曲损耗；

其中， 为高阶模弯曲损耗，为待测光纤弯曲的长度， 为弯曲输出功率，为激光光源基模功率， 为激光光源高阶模功率；

S40、所述弯曲输出功率小于所述基模功率，则根据所述弯曲输出功率和所述基模功率，由以下公式计算确定所述弯曲半径下所述待测光纤的基模弯曲损耗；

其中， 为基模弯曲损耗。

2.根据权利要求1所述的光纤基模及高阶模弯曲损耗测试方法，其特征在于，步骤S10包括：在所述待测光纤的两端制备CPS以滤除包层光；

控制所述待测光纤处于平直状态，对所述待测光纤输入激光光源，并测定所述激光光源的基模功率和高阶模功率。

3.根据权利要求2所述的光纤基模及高阶模弯曲损耗测试方法，其特征在于，所述激光光源包括基模和高阶模成分。

4.根据权利要求1所述的光纤基模及高阶模弯曲损耗测试方法，其特征在于，步骤S20包括：将所述待测光纤置于不同弯曲半径的装置中并输入激光光源，测定所述待测光纤的光功率值，作为所述待测光纤在各个弯曲半径下的弯曲输出功率。

5.根据权利要求1所述的光纤基模及高阶模弯曲损耗测试方法，其特征在于，所述方法还包括：根据所述待测光纤在各个弯曲半径下的弯曲损耗，确定合适的弯曲半径用于抑制所述待测光纤的非线性效应。

6.一种光纤基模及高阶模弯曲损耗测定系统，其特征在于，包括：基准功率测定模块，用于测定待测光纤处于平直状态时激光光源的基模功率和高阶模功率；

弯曲输出功率测定模块，用于测定所述待测光纤在各个弯曲半径下的弯曲输出功率；

以及

弯曲损耗计算模块，用于根据所述基模功率、所述高阶模功率、所述弯曲输出功率以及权利要求1所述公式方法计算确定所述待测光纤在各个弯曲半径下的弯曲损耗。

7.根据权利要求6所述的光纤基模及高阶模弯曲损耗测定系统，其特征在于， 所述基准功率测定模块和所述弯曲输出功率测定模块均采用激光光源作为输入光源，其中，所述激光光源包括基模和高阶模成分。

8.根据权利要求6所述的光纤基模及高阶模弯曲损耗测定系统，其特征在于，所述弯曲损耗计算模块包括高阶模弯曲损耗计算模块，用于在所述弯曲输出功率大于或等于所述基模功率时，根据所述弯曲输出功率、所述基模功率以及所述高阶模功率，计算确定所述弯曲半径下所述待测光纤的高阶模弯曲损耗；以及基模弯曲损耗计算模块，用于在所述弯曲输出功率小于所述基模功率时，根据所述弯曲输出功率和所述基模功率，计算确定所述弯曲半径下所述待测光纤的基模弯曲损耗。

说明书

光纤基模及高阶模弯曲损耗测试方法及系统

技术领域

[0001] 本发明涉及光纤检测技术领域，尤其涉及一种光纤基模及高阶模弯曲损耗测试方法及系统。

背景技术

[0002] 光纤激光器具有结构简单、转换效率高、光束质量好、环境适应性强等优点，大功率光纤激光器在各个领域得到了广泛的应用。对于大芯径多模双包层光纤激光器，为抑制高功率双层光纤激光器中的非线性效应、实现基模输出，通常采用适当弯曲的方法进行选模，使双包层光纤激光器获得单模激光输出。为了选择合适的弯曲半径抑制高阶模增益、提高输出光束质量，需要对弯曲光纤特性进行分析，并确定具体的弯曲参数，。

[0003] 《掺镱多模双包层光纤激光器弯曲选模研究》一文中研究了弯曲损耗对大纤芯多模双包层光纤激光器输出光场的影响, 对影响弯曲损耗的各种因素进行了理论模拟，以LP01和LP11模为例计算了弯曲对模式损耗的影响。该文章通过弯曲选模实验获得了大芯径多模双包层光纤激光器的基横模输出，然而并没有通过试验测试出基模与高阶模的弯曲损耗。一种光纤弯曲损耗测试工装的专利公开了一种测试装置，包括底板，光纤槽等结构，该专利通过压紧块固定，实现对光纤多次弯曲，实现光纤在不同弯曲次数下的弯曲疲劳状态的弯曲损耗测试。该测试装置单一地测量光纤中所有模式的弯曲损耗，没有区分不同模式的弯曲损耗。

[0004] 现有技术中已有理论分析光纤中高阶模弯曲损耗，但相关研究人员的理论模型的仿真结果与实验结果也存在明显差异，目前弯曲损耗实验测试针对光纤中所有模式，并未严格区分基模和高阶模。

发明内容

[0005] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种光纤基模及高阶模弯曲损耗测试方法及系统，基于光纤的基模和高阶模在不同弯曲半径下弯曲损耗的特性，分别计算光纤基模和高阶模弯曲损耗。

[0006] 为达此目的，本发明采用以下技术方案：

[0007] 作为本发明的一个方面，提供一种光纤基模及高阶模弯曲损耗测试方法，包括：

[0008] S10、控制待测光纤处于平直状态并输入光源，以测定所述光源的基模功率和高阶模功率；

[0009] S20、使所述待测光纤弯曲成不同半径并输入光源，测定所述待测光纤在各个弯曲半径下的弯曲输出功率；

[0010] S30、若所述弯曲输出功率大于或等于所述基模功率，则根据所述弯曲输出功率、所述基模功率以及所述高阶模功率，计算确定所述弯曲半径下所述待测光纤的高阶模弯曲损耗；

[0011] S40、所述弯曲输出功率小于所述基模功率，则根据所述弯曲输出功率和所述基模功率，计算确定所述弯曲半径下所述待测光纤的基模弯曲损耗。

[0012] 进一步地，步骤S10包括：

[0013] 在所述待测光纤的两端制备CPS以滤除包层光，其中，CPS即包层光功率滤除器；

[0014] 控制所述待测光纤处于平直状态，对所述待测光纤输入激光光源，并测定所述激光光源的基模功率和高阶模功率。

[0015] 进一步地，所述激光光源包括基模和高阶模成分。

[0016] 进一步地，步骤S20包括：

[0017] 将所述待测光纤置于不同弯曲半径的装置中并输入激光光源，测定所述待测光纤的光功率值，作为所述待测光纤在各个弯曲半径下的弯曲输出功率。

[0018] 进一步地，步骤S30中高阶模弯曲损耗的计算包括：

[0019] ；

[0020] 其中， 为高阶模弯曲损耗，为待测光纤弯曲的长度， 为弯曲输出功率， 为激光光源基模功率， 为激光光源高阶模功率。

[0021] 进一步地，步骤S40中基模弯曲损耗的计算包括：

[0022] ；

[0023] 其中， 为基模弯曲损耗。

[0024] 进一步地，所述方法还包括：

[0025] 根据所述待测光纤在各个弯曲半径下的弯曲损耗，确定合适的弯曲半径用于抑制所述待测光纤的非线性效应。

[0026] 作为本发明的另一个方面，提供一种光纤基模及高阶模弯曲损耗测定系统，包括：

[0027] 基准功率测定模块，用于测定待测光纤处于平直状态时激光光源的基模功率和高阶模功率；

[0028] 弯曲输出功率测定模块，用于测定所述待测光纤在各个弯曲半径下的弯曲输出功率；以及

[0029] 弯曲损耗计算模块，用于根据所述基模功率、所述高阶模功率以及所述弯曲输出功率计算确定所述待测光纤在各个弯曲半径下的弯曲损耗。

[0030] 进一步地，所述基准功率测定模块和所述弯曲输出功率测定模块均采用激光光源作为输入光源，其中，所述激光光源包括基模和高阶模成分。

[0031] 进一步地，所述弯曲损耗计算模块包括

[0032] 高阶模弯曲损耗计算模块，用于在所述弯曲输出功率大于或等于所述基模功率时，根据所述弯曲输出功率、所述基模功率以及所述高阶模功率，计算确定所述弯曲半径下所述待测光纤的高阶模弯曲损耗；以及

[0033] 基模弯曲损耗计算模块，用于在所述弯曲输出功率小于所述基模功率时，根据所述弯曲输出功率和所述基模功率，计算确定所述弯曲半径下所述待测光纤的基模弯曲损耗。

[0034] 本发明的有益效果：

[0035] 本发明提供一种光纤基模及高阶模弯曲损耗测定方法及系统，包括测定待测光纤处于平直状态时激光光源的基模功率和高阶模功率，测定待测光纤在各个弯曲半径下的弯曲输出功率；若弯曲输出功率大于或等于基模功率，则根据弯曲输出功率、基模功率以及高阶模功率，计算确定在该弯曲半径下待测光纤的高阶模弯曲损耗；弯曲输出功率小于基模功率，则根据弯曲输出功率和基模功率，计算确定在该弯曲半径下待测光纤的基模弯曲损耗。

[0036] 本发明基于光纤中基模弯曲损耗和高阶模弯曲损耗占据主导半径范围不同，分别计算待测光纤在不同弯曲半径对应的基模弯曲损耗或高阶模弯曲损耗，为光纤弯曲参数的确定提供准确的理论指导，更好地实现非线性效应抑制技术提高大功率光纤激光器中的输出光束质量。

[0037] 本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

[0038] 本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

[0039] 图1是本发明实施例中光纤基模及高阶模弯曲损耗测定方法的流程图；

[0040] 图2是本发明实施例中待测光纤及两端CPS的示意图；

[0041] 图3是本发明实施例中某一光纤的弯曲输出功率随弯曲半径变化曲线图；

[0042] 图4是本发明光纤基模、高阶模的弯曲损耗实测值与理论值随半径变化曲线图；

[0043] 图5是本发明实施例中光纤基模及高阶模弯曲损耗测定系统的示意图。

具体实施方式

[0044] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

[0045] 本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像本申请实施例中一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

[0046] 本申请实施例提供一种光纤基模及高阶模弯曲损耗测定方法及系统。

[0047] 实施例1

[0048] 本实施例提供一种光纤基模及高阶模弯曲损耗测试方法，该测试方法的流程图如图1所示，包括步骤S10‑S40。

[0049] 大功率双包层光纤激光器中，光纤内包层中存在泵浦光，光纤熔接偏差、弯曲等因素也会导致信号光泄露到光纤内包层中，这些包层光累积到一定量会严重影响激光的光束质量和激光器的稳定性，需要及时滤除。本实施例中，在待测光纤的两端制备CPS以滤除包层光，获得更准确的计算结果。CPS即包层光功率滤除器，它是通过破坏内包层与外包层的边界条件或破坏波导结构来剥离包层光，以避免包层光对激光器输出光束质量的影响。

[0050] 对处于笔直状态的光纤进行激光输入时，通常认为此时的光纤没有弯曲损耗。光纤弯曲后，其弯曲输出功率随着弯曲程度加深而降低。其中，在弯曲前期，光纤的弯曲损耗以高阶模弯曲损耗为主，此阶段的基模弯曲损耗小；当光纤弯曲至某一弯曲半径时，光纤的弯曲损耗中高阶模损耗很大，而基模弯曲损耗很小，测量的弯曲输出功率接近基模功率；此后，光纤的弯曲半径继续减小，光纤中基模损耗迅速增加。基于光纤弯曲损耗的特性，本实施例中以包括基模和高阶模成分的激光光源作为输入光源，对光纤不同弯曲半径下的弯曲输出功率进行测定，并计算各个弯曲半径对应的弯曲损耗。

[0051] S10、控制待测光纤处于平直状态并输入光源，以测定光源的基模功率和高阶模功率。

[0052] 如图2所示，首先在待测光纤的两端制备CPS以滤除包层光，形成待测光纤系统，采用激光光源作为该待测光纤系统的输入光源，其中，该激光光源包括基模和高阶模成分。进一步地，控制待测光纤处于平直状态，对待测光纤输入激光光源，通过功率计检测此时的输出功率，以测定激光光源的基模功率和高阶模功率。

[0053] S20、使待测光纤弯曲成不同半径并输入光源，测定待测光纤在各个弯曲半径下的弯曲输出功率。

[0054] 进一步地，将待测光纤置于不同弯曲半径的装置中并输入激光光源，测定待测光纤的光功率值，作为待测光纤在各个弯曲半径下的弯曲输出功率。具体而言，将待测光纤两端CPS之间的光纤弯曲盘绕于特定的装置，例如圆柱或圆盘，使得待测光纤可以弯曲成不同半径，利用功率计检测记录不同弯曲半径下的弯曲输出功率。

[0055] S30、若弯曲输出功率大于或等于基模功率，则根据弯曲输出功率、基模功率以及高阶模功率，计算确定弯曲半径下待测光纤的高阶模弯曲损耗。

[0056] 当弯曲输出功率大于或等于基模功率时，损失的功率为高阶模功率，此时计算的弯曲损耗为高阶模弯曲损耗，计算公式为：

[0057] ；

[0058] 其中， 为高阶模弯曲损耗，为待测光纤弯曲的长度， 为弯曲输出功率， 为激光光源基模功率， 为激光光源高阶模功率。

[0059] S40、弯曲输出功率小于基模功率，则根据弯曲输出功率和基模功率，计算确定弯曲半径下待测光纤的基模弯曲损耗。

[0060] 当弯曲输出功率小于基模功率时，损失的功率为基模功率，此时计算的弯曲损耗为基模弯曲损耗，计算公式为：

[0061] ；

[0062] 其中， 为基模弯曲损耗。

[0063] 通过上述步骤S10‑S40的测定方法进行试验，获得某一光纤在各个弯曲半径下的弯曲输出功率如图3所示，当弯曲半径为8cm以上时，弯曲输出功率几乎保持不变，随着弯曲半径减小，弯曲输出功率逐渐降低，由90W减小至80W，在弯曲半径为4‑5cm时，输出功率不再继续减小，稳定在80W，此时高阶模损耗很大，而基模损耗很小。当弯曲半径小于4cm时，输出功率随弯曲半径减小而迅速降低，此阶段损耗的功率为基模功率，只存在基模弯曲损耗。

[0064] 进一步地，本实施例中的测定方法还包括：根据待测光纤在各个弯曲半径下的弯曲损耗，确定合适的弯曲半径用于抑制待测光纤的非线性效应。可以理解的是，为提高大功率光纤激光器光束质量、抑制非线性效应，需要通过弯曲实现基模输出。本实施例中通过步骤S10‑S40可以获取待测光纤各个弯曲半径下的弯曲损耗，通过数据分析可以确定光纤弯曲输出功率的突变点，选取该突变点附近区间的弯曲半径作为有效抑制待测光纤的非线性效应的弯曲半径。本实施例中，还可以通过选取弯曲输出功率近似基模功率的弯曲半径作为有效抑制待测光纤的非线性效应的弯曲半径。

[0065] 以测试的一根纤芯25um，包层400um，数值孔径0.054的光纤为例，如图4所示，为该待测光纤基模、高阶模的弯曲损耗实测值与理论值随半径变化曲线图。由测试结果可以看出，实验测试结果符合模拟仿真计算结果，其测试结果具有可信度，多次测试重复性好。

[0066] 实施例2

[0067] 本实施例提供一种光纤基模及高阶模弯曲损耗测定系统，该测定系统的示意图如图5所示，该测定系统包括基准功率测定模块、弯曲输出功率测定模块以及弯曲损耗测定模块。

[0068] 其中，基准功率测定模块用于测定待测光纤处于平直状态时激光光源的基模功率和高阶模功率。弯曲输出功率测定模块用于测定待测光纤在各个弯曲半径下的弯曲输出功率。基准功率测定模块和弯曲输出功率测定模块均采用激光光源作为输入光源，其中，激光光源包括基模和高阶模成分。

[0069] 弯曲损耗计算模块用于根据基模功率、所诉高阶模功率以及弯曲输出功率计算确定待测光纤在各个弯曲半径下的弯曲损耗。弯曲损耗计算模块包括高阶模弯曲损耗计算模块和基模弯曲损耗计算模块，其中，高阶模弯曲损耗计算模块用于在弯曲输出功率大于或等于基模功率时，根据弯曲输出功率、基模功率以及高阶模功率，计算确定弯曲半径下待测光纤的高阶模弯曲损耗。基模弯曲损耗计算模块用于在弯曲输出功率小于基模功率时，根据弯曲输出功率和基模功率，计算确定弯曲半径下待测光纤的基模弯曲损耗。

[0070] 应该理解的是，虽然附图的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，其可以以其他的顺序执行。而且，附图的流程图中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，其执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其他步骤或者其他步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

[0071] 以上所述仅是本申请的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。