Dataray光束質(zhì)量分析儀對(duì)拉曼光纖激光器的M²分析

本研究的創(chuàng)新點(diǎn)是激光泵浦的梯度折射率光纖拉曼激光器的構(gòu)建

對(duì)其功率、光譜、光束質(zhì)量和時(shí)間特性進(jìn)行了研究。通過(guò) 940 納米的激光泵浦，在 974 納米處獲得了最大輸出功率 23.5 瓦，M2 約為 2，并且斜率效率達(dá)到 48.1%

測(cè)試使用的設(shè)備是DataRay WinCamD-LCM

輸出光譜呈現(xiàn)出多個(gè)峰值，并且在出現(xiàn)第二階拉曼斯托克斯峰后，激光器會(huì)周期性地波動(dòng)。此外，建立了光譜變化與光束質(zhì)量之間的相關(guān)性。這種現(xiàn)象在未來(lái)可能被用作評(píng)估激光輸出光束質(zhì)量的有效方法。

測(cè)量裝置如圖所示。端蓋處的激光發(fā)射經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直處理，然后使用一些分束器（M1 - M3）將準(zhǔn)直后的光束分成兩個(gè)方向進(jìn)行單獨(dú)測(cè)量。在干涉濾波器（IF）之后，通過(guò)功率計(jì)測(cè)量輸出功率。輸出光譜通過(guò)光譜儀測(cè)量，光束質(zhì)量通過(guò)光束質(zhì)量分析儀(WinCamD-LCM-1310）測(cè)量。

光束質(zhì)量：

下圖展示了泵浦光的 M2測(cè)量結(jié)果。隨著泵浦功率的增加，高階模式的功率上升，導(dǎo)致泵浦光的光束質(zhì)量略有下降。圖b顯示了一階斯托克斯光的 M2 測(cè)量結(jié)果。觀察到 M2 值從約 23 降至 2，這意味著改善了 11.5 倍，表明通過(guò)拉曼轉(zhuǎn)換過(guò)程實(shí)現(xiàn)了顯著的光束凈化。

一階斯托克斯光的 M2 值在泵浦功率為 36.3W和 49.0W之間顯示出顯著的下降，由于存在高階模式，光束輪廓變得不規(guī)則。這一觀察結(jié)果與光譜測(cè)量結(jié)果密切相關(guān)，其中峰值數(shù)量從一個(gè)增加到四個(gè)。當(dāng)泵浦功率超過(guò) 59.7W時(shí)，M2 在 2.5 到 2.75 之間穩(wěn)定下來(lái)，而光譜峰值仍固定在五個(gè)。這種光譜特征與光束質(zhì)量測(cè)量之間的相關(guān)性確立了光譜峰值計(jì)數(shù)作為評(píng)估輸出光束質(zhì)量的可靠指標(biāo)。這種方法對(duì)于利用常規(guī)光纖布拉格光柵（FBG）的多模激光二極管泵浦拉曼光纖激光器具有廣泛的適用性。

圖b插圖展示了在 79.6W泵浦功率下輸出光束的空間強(qiáng)度分布，該分布是在未進(jìn)行光譜濾波且在二階斯托克斯輻射開(kāi)始之前獲取的�？臻g分布呈現(xiàn)出復(fù)合結(jié)構(gòu)：一個(gè)寬廣的周邊分布對(duì)應(yīng)于泵浦光，疊加著一個(gè)具有第一階斯托克斯光特征的強(qiáng)烈中心峰值。這種空間分布表明，在多模光纖結(jié)構(gòu)中，SRS（受激拉曼散射）傾向于在較低階模式中產(chǎn)生斯托克斯輻射，從而在光束輪廓的中心區(qū)域產(chǎn)生更高的功率密度集中，進(jìn)而增強(qiáng)光束的亮度。

 

拉曼測(cè)試：

梯度折射率多模光纖橫截面內(nèi)的拋物線折射率分布導(dǎo)致光纖核心內(nèi)低階和高階模式的傳播常數(shù)不同。因此，每個(gè)光纖布拉格光柵（FBG）都會(huì)呈現(xiàn)出與不同空間模式相對(duì)應(yīng)的獨(dú)特的光譜反射峰，其中波長(zhǎng)較短的峰對(duì)應(yīng)于高階模式。

圖中所示的結(jié)果表明，在光譜中較短波長(zhǎng)處觀察到的峰數(shù)隨著泵浦功率的增加而增加，這表明在輸出中高階模式的出現(xiàn)率有所提高。這種模式行為可歸因于泵浦源的多模特性。隨著功率的增加，高階模式的拉曼激光依次達(dá)到閾值。這些現(xiàn)象在光譜中體現(xiàn)如下：隨著泵浦功率的升高，長(zhǎng)波長(zhǎng)處的峰值強(qiáng)度會(huì)減弱，而短波長(zhǎng)處則會(huì)出現(xiàn)新的峰值。

 

綜上所述：

在本研究中研制出了一臺(tái)采用全光纖激光器泵浦、基于光纖布拉格光柵腔結(jié)構(gòu)的 974nm波長(zhǎng)的階躍折射率光纖拉曼激光器。對(duì)不同腔長(zhǎng)和輸出配置下的輸出特性進(jìn)行了系統(tǒng)分析。實(shí)驗(yàn)裝置在 974nm波長(zhǎng)下獲得了最大輸出功率 23.5W，斜率效率為 48.1%。輸出光束的 M2 值從約 23 降低到約 2，這表示光束質(zhì)量得到了提升，質(zhì)量提升系數(shù)為 11.5，此外，還研究了常規(guī)光纖布拉格光柵對(duì)輸出的影響，結(jié)果表明光譜出現(xiàn)了多個(gè)峰值。我們建立了光譜變化與輸出光束質(zhì)量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即隨著泵浦功率的增加，光束質(zhì)量變差。這一發(fā)現(xiàn)使得通過(guò)光譜分析能夠有效地評(píng)估多模拉曼激光器的輸出光束質(zhì)量。

Dataray推出的LCM系列光束質(zhì)量分析儀尺寸小巧，配置靈活，并且在價(jià)格上具有性價(jià)比。

WinCamD-LCM系列擁有11.3 x 11.3 mm的有效感光區(qū)域、420萬(wàn)像素及5.5 x 5.5 μm的像素尺寸，支持全局快門(mén)的光學(xué)與電子觸發(fā)，刷新率高達(dá)60Hz以上。該系列相機(jī)特別適用于連續(xù)激光與脈沖激光的光束分析，可用波段涵蓋355-1610nm。

4.2MP超高分辨率（2048x2048）能捕捉精細(xì)光斑細(xì)節(jié)，同時(shí)最高60Hz的幀率能滿足大多數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)需求，信噪比達(dá)到2500:1。
Dataray的軟件可以讓用戶快速便捷的進(jìn)行光束質(zhì)量因子M²的測(cè)量，將LCM安裝到電控導(dǎo)軌中，并將待測(cè)光束對(duì)準(zhǔn)（切記需要進(jìn)行衰減，否則容易損壞光束質(zhì)量分析儀）。然后，通過(guò)軟件的功能，電控導(dǎo)軌會(huì)自動(dòng)進(jìn)行M²因子的測(cè)量，并在測(cè)量結(jié)束之后進(jìn)行計(jì)算。
 

參考文獻(xiàn)

1. Shen H, Jiang H, Zhou J, Yang X, Feng Y. Spectrum, beam quality and temporal stability of a diode pumped GRIN fiber Raman laser. Optical Fiber Technology 2025; 94:104345.