Dataray光束質(zhì)量分析儀對拉曼光纖激光器的M²分析

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

對其功率、光譜、光束質(zhì)量和時間特性進行了研究。通過 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，并且斜率效率達到 48.1%

測試使用的設(shè)備是DataRay WinCamD-LCM

輸出光譜呈現(xiàn)出多個峰值，并且在出現(xiàn)第二階拉曼斯托克斯峰后，激光器會周期性地波動。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)象在未來可能被用作評估激光輸出光束質(zhì)量的有效方法。

測量裝置如圖所示。端蓋處的激光發(fā)射經(jīng)過準直處理，然后使用一些分束器（M1 - M3）將準直后的光束分成兩個方向進行單獨測量。在干涉濾波器（IF）之后，通過功率計測量輸出功率。輸出光譜通過光譜儀測量，光束質(zhì)量通過光束質(zhì)量分析儀(WinCamD-LCM-1310）測量。

光束質(zhì)量：

下圖展示了泵浦光的 M2測量結(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，表明通過拉曼轉(zhuǎn)換過程實現(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)果與光譜測量結(jié)果密切相關(guān)，其中峰值數(shù)量從一個增加到四個。當(dāng)泵浦功率超過 59.7W時，M2 在 2.5 到 2.75 之間穩(wěn)定下來，而光譜峰值仍固定在五個。這種光譜特征與光束質(zhì)量測量之間的相關(guān)性確立了光譜峰值計數(shù)作為評估輸出光束質(zhì)量的可靠指標。這種方法對于利用常規(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度分布，該分布是在未進行光譜濾波且在二階斯托克斯輻射開始之前獲取的。空間分布呈現(xiàn)出復(fù)合結(jié)構(gòu)：一個寬廣的周邊分布對應(yīng)于泵浦光，疊加著一個具有第一階斯托克斯光特征的強烈中心峰值。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，進而增強光束的亮度。

 

拉曼測試：

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，每個光纖布拉格光柵（FBG）都會呈現(xiàn)出與不同空間模式相對應(yīng)的獨特的光譜反射峰，其中波長較短的峰對應(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，長波長處的峰值強度會減弱，而短波長處則會出現(xiàn)新的峰值。

 

綜上所述：

在本研究中研制出了一臺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波長的階躍折射率光纖拉曼激光器。對不同腔長和輸出配置下的輸出特性進行了系統(tǒng)分析。實驗裝置在 974nm波長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)光纖布拉格光柵對輸出的影響，結(jié)果表明光譜出現(xiàn)了多個峰值。我們建立了光譜變化與輸出光束質(zhì)量之間的對應(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)使得通過光譜分析能夠有效地評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，并且在價格上具有性價比。

WinCamD-LCM系列擁有11.3 x 11.3 mm的有效感光區(qū)域、420萬像素及5.5 x 5.5 μm的像素尺寸，支持全局快門的光學(xué)與電子觸發(fā)，刷新率高達60Hz以上。該系列相機特別適用于連續(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）能捕捉精細光斑細節(jié)，同時最高60Hz的幀率能滿足大多數(shù)實時監(jiān)測需求，信噪比達到2500:1。
Dataray的軟件可以讓用戶快速便捷的進行光束質(zhì)量因子M²的測量，將LCM安裝到電控導(dǎo)軌中，并將待測光束對準（切記需要進行衰減，否則容易損壞光束質(zhì)量分析儀）。然后，通過軟件的功能，電控導(dǎo)軌會自動進行M²因子的測量，并在測量結(jié)束之后進行計算。
 

參考文獻

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.