本發(fā)明屬于光纖激光，尤其涉及基于波前整形的高功率多模光纖激光放大器。

背景技術(shù)：

1、高功率光纖激光放大器在先進制造業(yè)、國防軍工等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用需求。高功率光纖放大器的關(guān)鍵挑戰(zhàn)是非線性光學(xué)效應(yīng)和橫向模式不穩(wěn)定效應(yīng)。為了保持較好的光束質(zhì)量，目前用于抑制非線性和橫向模式不穩(wěn)定效應(yīng)的技術(shù)基本局限于使用單?；蛏倌Ｔ鲆婀饫w，包括彎曲光纖、采用部分增益摻雜光纖、特殊設(shè)計的折射率分布光纖、3c光纖等，其主要思路均為通過增大高階模損耗或減小高階模增益以抑制高階模光纖中的傳輸，實現(xiàn)激光在大模場面積的少模光纖中以基模傳輸和放大。多模增益光纖具有更多的模式數(shù)目和更大的模場面積，更大的模場面積可顯著提高非線性效應(yīng)閾值，同時最近的理論研究表明，在高度多模光纖中激發(fā)多橫模，進行多橫模傳輸和放大可提高橫模調(diào)制不穩(wěn)定和受激布里淵散射閾值至少一個數(shù)量級，這使其高功率光纖激光放大器未來極具潛力的發(fā)展方向。然而，由于多模光纖中橫模間隨機耦合以及模間干涉，多模激光傳輸和放大過程變得復(fù)雜，輸出激光光束質(zhì)量較差。因此，利用多模光纖實現(xiàn)光纖激光高功率、高光束質(zhì)量的放大是具有挑戰(zhàn)性的，成為高功率光纖激光所面臨的問題。

2、使用小數(shù)值孔徑的增益光纖限制高階模的激發(fā)和設(shè)計光纖結(jié)構(gòu)增加高階模損耗，都可以通過抑制高階模生成保證放大輸出高質(zhì)量的激光光斑。但這兩種方法對光纖的設(shè)計和拉制工藝要求較高，降低了系統(tǒng)的普適性和經(jīng)濟性，且目前的大量研究結(jié)果表明，這些方法都難以使單纖高光束質(zhì)量光纖激光實現(xiàn)輸出功率數(shù)量級的提升?；诓ㄇ罢蔚纳⑸涔饩劢辜夹g(shù)為解決上述問題提供了一種思路。

3、目前基于波前整形的光聚焦技術(shù)主要有傳輸矩陣法、光學(xué)相位共軛法和反饋型迭代優(yōu)化法。傳輸矩陣方法提供了研究散射介質(zhì)中光傳輸和聚焦機理的理論工具，但傳輸矩陣階數(shù)提升導(dǎo)致測量次數(shù)成倍增長，需要大量測量時間。相位共軛方法需要精確的相位測量，對系統(tǒng)穩(wěn)定性要求高。反饋型迭代優(yōu)化法能夠適應(yīng)復(fù)雜優(yōu)化場景和動態(tài)散射介質(zhì)，抗環(huán)境干擾能力強，而且可以通過不同的優(yōu)化算法和反饋信號適應(yīng)不同的整形要求。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明提供基于波前整形的高功率多模光纖激光放大器。

2、為實現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明采用的具體技術(shù)方案如下：

3、本發(fā)明提供基于波前整形的高功率多模光纖激光放大器包括種子光波前控制單元、多模增益光纖放大單元、輸出光斑探測和反饋單元；

4、所述種子光波前控制單元，包括偏振種子激光器和空間光調(diào)制器，利用加載有相位圖的空間光調(diào)制器對偏振種子激光器輸出的種子光進行波前調(diào)制，輸出波前調(diào)制后的種子光；

5、所述多模增益光纖放大單元，用于對種子光波前控制系統(tǒng)輸出的輸出波前調(diào)制后的種子光進行功率放大；

6、所述輸出光斑探測和反饋單元，用于將所述多模增益光纖放大系統(tǒng)絕大部分功率的激光輸出，同時采集其余小部分功率的激光用于遠(yuǎn)場光斑信息探測，基于探測到的遠(yuǎn)場光斑信息計算對應(yīng)的遠(yuǎn)場桶中功率，并以遠(yuǎn)場桶中功率作為評價函數(shù)運行優(yōu)化算法生成最優(yōu)的相位圖，并加載在空間光調(diào)制器上，實現(xiàn)閉環(huán)反饋控制。

7、進一步地，所述種子光波前控制單元包括種子激光器、空間光調(diào)制器、第三透鏡、偏振分束器、第一反射鏡、第二反射鏡、二向色鏡、第四透鏡；

8、偏振種子激光器輸出種子光經(jīng)第三透鏡射入偏振分束器，偏振分束器輸出的一路種子光經(jīng)第一反射鏡調(diào)整光路后射入空間光調(diào)制器，空間光調(diào)制器輸出波前調(diào)制后的種子光經(jīng)第二反射鏡調(diào)整光路后射入二向色鏡，二向色鏡輸出濾除前向殘光后的種子光經(jīng)第四透鏡耦合進多模增益光纖放大系統(tǒng)。

9、進一步地，所述多模增益光纖放大單元包括多模無源光纖、多模增益光纖、泵浦信號合束器、泵浦源；各泵浦源連接在所述泵浦信號合束器的泵浦臂上，泵浦源輸出的泵浦光經(jīng)泵浦信號合束器進入多模增益光纖；

10、所述種子光波前控制單元輸出的種子光耦合進多模無源光纖，種子光經(jīng)多模無源光纖進入多模增益光纖實現(xiàn)功率放大，泵浦信號合束器輸出功率放大后的激光。

11、進一步地，所述輸出光斑探測和反饋單元包括第一透鏡、第二透鏡、可調(diào)衰減器、大分?jǐn)?shù)比分束器、光功率計、相機、可調(diào)光闌、計算機；

12、所述多模增益光纖放大單元輸出的激光入射至第一透鏡，第一透鏡輸出光束穿過可調(diào)光闌射入大分?jǐn)?shù)比分束器，大分?jǐn)?shù)比分束器將入射光分為兩部分，其中大分?jǐn)?shù)比分束器將入射光的絕大部分功率光束作為放大器輸出光束輸出，并由光功率計進行輸出光束的功率測量；將其余小部分功率的激光輸出至可調(diào)衰減器，經(jīng)可調(diào)衰減器進一步功率衰減后由第二透鏡射入相機，用于遠(yuǎn)場光斑信息探測，相機將探測到的遠(yuǎn)場光斑信息傳輸給計算機，實現(xiàn)閉環(huán)反饋控制。

13、進一步地，所述第一透鏡和第二透鏡具有不同的焦距，使光束在相機上形成等比例放大的光纖輸出端面強度分布。

14、進一步地，所述閉環(huán)反饋控制實現(xiàn)具體包括：

15、s1、開啟偏振種子激光器和泵浦源，使基于波前整形的高功率多模光纖激光放大器處于目標(biāo)的輸出功率；

16、s2、計算機隨機產(chǎn)生多張相位圖作為優(yōu)化算法第一代中的所有個體；

17、s3、空間光調(diào)制器依次加載當(dāng)前代各個體對應(yīng)的相位圖，利用相機檢測每張相位圖對應(yīng)的遠(yuǎn)場光斑信息，基于各遠(yuǎn)場光斑信息計算各相位圖對應(yīng)的遠(yuǎn)場桶中功率，將遠(yuǎn)場桶中功率作為評價函數(shù)，尋找當(dāng)前代所有個體中的最佳評價函數(shù)；

18、s4、評估當(dāng)前代所有個體中的最佳評價函數(shù)是否滿足評估標(biāo)準(zhǔn)，若當(dāng)前代所有個體中的最佳評價函數(shù)滿足評估標(biāo)準(zhǔn)，則轉(zhuǎn)s6，若當(dāng)前代所有個體中的最佳評價函數(shù)不滿足評估標(biāo)準(zhǔn)，則轉(zhuǎn)s5；

19、s5、在當(dāng)前代所有個體中選擇部分個體對應(yīng)的相位圖，進行交錯和變異，作為新的一代個體對應(yīng)的相位圖，轉(zhuǎn)s3；

20、s6、計算機將最佳評價函數(shù)對應(yīng)的相位圖加載到空間光調(diào)制器。

21、進一步地，所述優(yōu)化算法包括遺傳算法、模擬退火算法、粒子群優(yōu)化算法、蟻群算法。

22、進一步地，s3中，尋找當(dāng)前代所有個體中的最佳評價函數(shù)，包括：

23、對當(dāng)前代所有個體的評價函數(shù)按大小進行排序，選取當(dāng)前代所有個體的評價函數(shù)中最大的評價函數(shù)作為當(dāng)前代所有個體中的最佳評價函數(shù)。

24、進一步地，s4中，評估當(dāng)前代所有個體中的最佳評價函數(shù)是否滿足評估標(biāo)準(zhǔn)，方法包括：

25、設(shè)置評價函數(shù)參考值；

26、將當(dāng)前代所有個體中的最佳評價函數(shù)與評價函數(shù)參考值比較，若當(dāng)前代所有個體中的最佳評價函數(shù)高于評價函數(shù)參考值則判定為滿足評估標(biāo)準(zhǔn)，若當(dāng)前代所有個體中的最佳評價函數(shù)低于評價函數(shù)參考值則判定為不滿足評估標(biāo)準(zhǔn)。

27、進一步地，s5中，在當(dāng)前代所有個體中選擇部分個體對應(yīng)的相位圖的方法包括：

28、對當(dāng)前代所有個體的評價函數(shù)按大小進行排序，選取當(dāng)前代所有個體的評價函數(shù)中排序在前a%的評價函數(shù)，以前a%的評價函數(shù)對應(yīng)的相位圖作為部分個體對應(yīng)的相位圖；a%的取值范圍為20%~50%。

29、相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有的有益技術(shù)效果如下：

30、本發(fā)明提供的基于波前整形的高功率多模光纖激光放大器允許高階模在增益光纖中傳輸和放大，在保證激光放大效率和高輸出功率的前提下，利用波前整形技術(shù)對多模光纖輸出光場進行調(diào)控，從而顯著提高輸出的高功率激光的光束質(zhì)量，解決了高質(zhì)量光束光纖激光輸出功率受限問題。

31、本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，通過計算機將相機、空間光調(diào)制器連接起來，形成閉環(huán)控制，且保持相機的持續(xù)運行，使其持續(xù)監(jiān)測遠(yuǎn)場光斑信息并由計算機計算對應(yīng)的評價函數(shù)，并在評價函數(shù)低于設(shè)定值時自動啟動優(yōu)化算法進行優(yōu)化；且本發(fā)明采用遠(yuǎn)場桶中功率作為評價函數(shù)，使本發(fā)明能夠準(zhǔn)確對存在背景干擾的光束質(zhì)量進行評價。因此，本發(fā)明能夠適應(yīng)復(fù)雜的動態(tài)環(huán)境，抗環(huán)境干擾能力強；而且，本發(fā)明可以通過不同的優(yōu)化算法、反饋方式和評價函數(shù)適應(yīng)不同的需求。