本發(fā)明主要涉及到光纖激光，尤其是一種基于激光時域調(diào)控的模式不穩(wěn)定抑制方法和裝置。

背景技術：

1、在高功率光纖激光器的開發(fā)與應用過程中，模式不穩(wěn)定現(xiàn)象普遍存在，嚴重威脅了激光器的穩(wěn)定性，降低了輸出激光的光束質量，顯著限制了系統(tǒng)功率的進一步提升。這不僅影響了光纖激光器在工業(yè)加工、生物醫(yī)療、航空航天等關鍵領域的性能表現(xiàn)，也對相關技術的進一步發(fā)展和應用帶來了挑戰(zhàn)。

2、目前，在光纖激光器領域，已經(jīng)有部分公開的模式不穩(wěn)定抑制方法和裝置。公告號為cn?208571223u的專利申請?zhí)岢隽艘环N抑制大功率光纖激光放大器中模式不穩(wěn)定的系統(tǒng)，通過引入偏振調(diào)控系統(tǒng)，以減少沿增益光纖縱向注入和傳輸?shù)母唠A模式比例，從而抑制大功率光纖激光放大器中的模式不穩(wěn)定效應。專利公告號為cn?212485781u的專利申請描述了一種抑制非線性及模式不穩(wěn)定效應的增益光纖組及光纖放大器，通過設計多個弧形增益光纖段的曲率半徑，實現(xiàn)了對光纖激光放大器光束質量的改善和非線性效應的有效抑制。專利公開號為cn?115313138a的專利申請?zhí)岢隽艘环N主動抑制光纖激光模式不穩(wěn)定的系統(tǒng)和方法，通過分束控制高階模和基模之間的頻移量，破壞光纖放大器中的模間干涉，抑制模式不穩(wěn)定效應的產(chǎn)生。公開號為cn?111916984a的專利申請介紹了一種具有模式不穩(wěn)定效應抑制功能的光纖激光系統(tǒng)，采用少模光纖布拉格光柵和高階模濾除器，改變泵浦光波長并適當增加后向泵浦光能量的比例，用以提高光纖激光器模式不穩(wěn)定閾值，提升輸出功率。

3、然而，這些模式不穩(wěn)定抑制方法通常涉及對光纖激光器光學路徑或結構的物理修改，這不僅增加了系統(tǒng)的復雜度和成本，而且在現(xiàn)有光纖激光器上實施起來頗具挑戰(zhàn)。此外，這些方法在實際應用中往往難以適應快速變化的操作條件，導致調(diào)整過程繁瑣且響應速度遲緩，難以精確鎖定最優(yōu)的抑制參數(shù)。

4、隨著激光技術的發(fā)展，對激光器性能的要求日益嚴格，尤其是在光束質量和功率穩(wěn)定性方面。因此，迫切需要既能夠有效抑制模式不穩(wěn)定效應，又能保持成本效益和操作靈活性的新型方法和裝置。

技術實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術存在的技術問題，本發(fā)明提供一種基于激光時域調(diào)控的模式不穩(wěn)定抑制方法和裝置。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案如下：

3、本發(fā)明基于激光時域調(diào)控的模式不穩(wěn)定抑制方法，光纖激光器中包括一個以上的連續(xù)泵浦光源以及一個以上的時域調(diào)制泵浦光源，所述時域調(diào)制泵浦光源用于輸出經(jīng)過時域調(diào)控的脈沖泵浦光序列，通過探測光纖激光器的輸出特性，判斷當前光纖激光器的狀態(tài)以及是否達到模式不穩(wěn)定閾值，若到達模式不穩(wěn)定閾值，則在光纖激光器中注入經(jīng)過時域調(diào)控的脈沖泵浦光序列，基于控制算法不斷改變各時域調(diào)制泵浦光源的泵浦光調(diào)制參數(shù)，時域調(diào)制泵浦光源的泵浦光調(diào)制參數(shù)包括脈沖泵浦光序列的幅度、頻率、占空比、波形或/和調(diào)制深度，并同步探測光纖激光器的輸出特性，直至探測到光纖激光器的激光輸出功率持續(xù)線性增長，時域穩(wěn)定，頻域特征峰只有泵浦調(diào)制對應的重頻及其倍頻，模式不穩(wěn)定現(xiàn)象消失，如此實現(xiàn)有效抑制光纖激光器中的模式不穩(wěn)定效應，進一步提升光纖激光器的輸出功率。

4、本發(fā)明中的光纖激光器的類型不限。進一步的，所述光纖激光器包括但不限于光纖激光振蕩器、光纖激光放大器、振蕩放大一體化光纖激光器，以及具有單端輸出或雙端輸出結構的光纖激光器，所述光纖激光器適用于高功率輸出。

5、優(yōu)選地，所述光纖激光器為單端輸出的光纖激光振蕩器，包括第一泵浦信號合束器、第一光纖光柵、第一增益光纖、第二光纖光柵、第二泵浦信號合束器、第一包層光濾除器、第一光纖端帽；所述第一泵浦信號合束器的一根泵浦輸入臂上連接有第一泵浦光源，一根泵浦輸入臂上連接有第二泵浦光源；所述第二泵浦信號合束器的一根泵浦輸入臂上連接有第三泵浦光源，一根泵浦輸入臂上連接有第四泵浦光源，其中第一泵浦光源、第三泵浦光源為連續(xù)泵浦光源，第二泵浦光源和第四泵浦光源為時域調(diào)制泵浦光源，所述時域調(diào)制泵浦光源用于輸出用于時域調(diào)控的脈沖泵浦光序列；

6、第一泵浦信號合束器的泵浦輸出臂、第一光纖光柵、第一增益光纖、第二光纖光柵、第二泵浦信號合束器的泵浦輸出臂依次連接，第二泵浦信號合束器的信號輸出臂、第一包層光濾除器、第一光纖端帽依次連接，第一光纖端帽作為光纖激光器的輸出端，最終輸出激光。

7、優(yōu)選地，所述光纖激光器為雙端輸出的光纖激光振蕩器，包括第一泵浦信號合束器、第一光纖光柵、第一增益光纖、第二光纖光柵、第二泵浦信號合束器、第一包層光濾除器、第一光纖端帽、第二包層光濾除器、第二光纖端帽；所述第一泵浦信號合束器的一根泵浦輸入臂上連接有第一泵浦光源，一根泵浦輸入臂上連接有第二泵浦光源；所述第二泵浦信號合束器的一根泵浦輸入臂上連接有第三泵浦光源，一根泵浦輸入臂上連接有第四泵浦光源，其中第一泵浦光源、第三泵浦光源為連續(xù)泵浦光源，第二泵浦光源和第四泵浦光源為時域調(diào)制泵浦光源，所述時域調(diào)制泵浦光源用于輸出用于時域調(diào)控的脈沖泵浦光序列；

8、第一泵浦信號合束器的泵浦輸出臂、第一光纖光柵、第一增益光纖、第二光纖光柵、第二泵浦信號合束器的泵浦輸出臂依次連接，第二泵浦信號合束器的信號輸出臂、第一包層光濾除器、第一光纖端帽依次連接，第一泵浦信號合束器的信號輸出臂、第二包層光濾除器、第二光纖端帽依次連接，所述第一光纖端帽、第二光纖端帽作為光纖激光器的兩個輸出端，最終輸出激光。

9、優(yōu)選地，所述光纖激光器包括第一泵浦信號合束器、第一光纖光柵、第一增益光纖、第二光纖光柵、第二增益光纖、第二泵浦信號合束器、第一包層光濾除器、第一光纖端帽；所述第一泵浦信號合束器的一根泵浦輸入臂上連接有第一泵浦光源，一根泵浦輸入臂上連接有第二泵浦光源；所述第二泵浦信號合束器的一根泵浦輸入臂上連接有第三泵浦光源，一根泵浦輸入臂上連接有第四泵浦光源，其中第一泵浦光源、第三泵浦光源為連續(xù)泵浦光源，第二泵浦光源和第四泵浦光源為時域調(diào)制泵浦光源；

10、第一泵浦信號合束器的泵浦輸出臂、第一光纖光柵、第一增益光纖、第二光纖光柵、第二增益光纖、第二泵浦信號合束器的泵浦輸出臂依次連接，第二泵浦信號合束器的信號輸出臂、第一包層光濾除器、第一光纖端帽依次連接，所述第一光纖端帽作為光纖激光器的輸出端，最終輸出激光。

11、優(yōu)選地，所述光纖激光器包括第一泵浦信號合束器、第一光纖光柵、第一增益光纖、第二光纖光柵、第二包層光濾除器、第二泵浦信號合束器、第二增益光纖、第三泵浦信號合束器、第一包層光濾除器、第一光纖端帽；

12、所述第一泵浦信號合束器的一根泵浦輸入臂上連接有第一泵浦光源，一根泵浦輸入臂上連接有第二泵浦光源；所述第二泵浦信號合束器的一根泵浦輸入臂上連接有第四泵浦光源，所述第三泵浦信號合束器一根泵浦輸入臂上連接有第三泵浦光源，其中第二泵浦光源為時域調(diào)制泵浦光源，第一泵浦光源、第三泵浦光源、第四泵浦光源均為連續(xù)泵浦光源；

13、第一泵浦信號合束器的泵浦輸出臂、第一光纖光柵、第一增益光纖、第二光纖光柵、第二包層光濾除器、第二泵浦信號合束器的信號輸出臂、第二增益光纖、第三泵浦信號合束器的泵浦輸出臂依次連接，第三泵浦信號合束器的信號輸出臂、第一包層光濾除器、第一光纖端帽依次連接，所述第一光纖端帽作為光纖激光器的輸出端，最終輸出激光。

14、優(yōu)選地，所述光纖激光器包括第一泵浦信號合束器、第一光纖光柵、第一增益光纖、第二光纖光柵、第二泵浦信號合束器、第一包層光濾除器、第一光纖端帽、第二包層光濾除器、第一相位調(diào)制器、第二相位調(diào)制器、偏振合束器；所述第一泵浦信號合束器的一根泵浦輸入臂上連接有第一泵浦光源，一根泵浦輸入臂上連接有第二泵浦光源；所述第二泵浦信號合束器的一根泵浦輸入臂上連接有第三泵浦光源，一根泵浦輸入臂上連接有第四泵浦光源，其中第一泵浦光源、第三泵浦光源為連續(xù)泵浦光源，第二泵浦光源和第四泵浦光源為時域調(diào)制泵浦光源；

15、第一泵浦信號合束器的泵浦輸出臂、第一光纖光柵、第一增益光纖、第二光纖光柵、第二泵浦信號合束器的泵浦輸出臂依次連接，第二泵浦信號合束器的信號輸出臂、第一包層光濾除器、第二相位調(diào)制器的輸入端依次連接，第一泵浦信號合束器的信號輸出臂、第二包層光濾除器、第一相位調(diào)制器的輸入端依次連接；第一相位調(diào)制器的輸出端和第二相位調(diào)制器的輸出端均與偏振合束器連接，偏振合束器連接第一光纖端帽，所述第一光纖端帽作為光纖激光器的輸出端，最終輸出激光。

16、另一方面，本發(fā)明提出一種基于激光時域調(diào)控的模式不穩(wěn)定抑制裝置，包括光纖激光器、模式不穩(wěn)定探測模塊以及控制模塊；

17、光纖激光器中包括一個以上的連續(xù)泵浦光源以及一個以上的時域調(diào)制泵浦光源，所述時域調(diào)制泵浦光源用于輸出經(jīng)過時域調(diào)控的脈沖泵浦光序列；

18、模式不穩(wěn)定探測模塊用于實時探測光纖激光器的輸出特性；

19、所述控制模塊基于探測到的輸出特性，判斷當前光纖激光器的狀態(tài)以及是否達到模式不穩(wěn)定閾值，若到達模式不穩(wěn)定閾值，則在光纖激光器中注入經(jīng)過時域調(diào)控的脈沖泵浦光序列，基于控制算法不斷改變各時域調(diào)制泵浦光源的泵浦光調(diào)制參數(shù)，時域調(diào)制泵浦光源的泵浦光調(diào)制參數(shù)包括脈沖泵浦光序列的幅度、頻率、占空比、波形或/和調(diào)制深度，并同步探測光纖激光器的輸出特性，直至探測到光纖激光器的激光輸出功率持續(xù)線性增長，時域穩(wěn)定，頻域特征峰只有泵浦調(diào)制對應的重頻及其倍頻，模式不穩(wěn)定現(xiàn)象消失，如此實現(xiàn)有效抑制光纖激光器中的模式不穩(wěn)定效應，進一步提升光纖激光器的輸出功率。

20、本發(fā)明中的光纖激光器的類型不限。進一步的，所述光纖激光器包括但不限于光纖激光振蕩器、光纖激光放大器、振蕩放大一體化光纖激光器，以及具有單端輸出或雙端輸出結構的光纖激光器，所述光纖激光器適用于高功率輸出。

21、進一步地，所述模式不穩(wěn)定探測模塊用于實時對模式不穩(wěn)定導致的激光輸出特性進行探測，所述模式不穩(wěn)定探測模塊探測的輸出激光特性包括但不限于：功率、時域、模式占比、光束質量；

22、所述控制模塊包括性能評價子模塊、反饋控制子模塊、泵浦控制子模塊，模式不穩(wěn)定探測模塊探測到的輸出激光特性輸入性能評價子模塊進行分析處理，性能評價子模塊基于模式不穩(wěn)定探測模塊探測得到的激光輸出特性變化數(shù)據(jù)判斷當前光纖激光器的狀態(tài)以及是否達到模式不穩(wěn)定閾值出現(xiàn)模式不穩(wěn)定，當前光纖激光器達到模式不穩(wěn)定閾值出現(xiàn)模式不穩(wěn)定后的激光特性變化包括：具有khz特征頻率的時域功率起伏、激光功率滯漲或下降、激光模式動態(tài)耦合、光束質量迅速下降；

23、當性能評價子模塊判斷當前光纖激光器達到模式不穩(wěn)定閾值出現(xiàn)模式不穩(wěn)定后，由反饋控制子模塊運行的控制算法不斷改變各時域調(diào)制泵浦光源的泵浦光調(diào)制參數(shù)并傳輸給泵浦控制子模塊，使各時域調(diào)制泵浦光源在光纖激光器中注入經(jīng)過時域調(diào)控的脈沖泵浦光序列，其中所述反饋控制子模塊中運行的控制算法是線性的或非線性的，包括但不限于：隨機并行梯度下降算法、爬山法、遺傳算法、模擬退火算法、蟻群算法、自抗擾控制算法、pid控制算法、模糊控制算法、神經(jīng)網(wǎng)絡控制算法。

24、采用本發(fā)明的方法，可以達到以下技術效果：

25、1)本發(fā)明通過探測光纖激光器的輸出特性，判斷當前光纖激光器是否達到模式不穩(wěn)定閾值，若到達模式不穩(wěn)定閾值，則在光纖激光器中注入經(jīng)過時域調(diào)控的脈沖泵浦光序列，可有效抑制光纖激光器的模式不穩(wěn)定效應，從而提高模式不穩(wěn)定閾值，使得激光器能夠在更高的功率水平下穩(wěn)定工作，滿足對高功率激光應用的需求，如材料加工、激光切割和焊接等。

26、2)本發(fā)明有助于優(yōu)化高功率下輸出激光的光束質量，減小光束發(fā)散角，提高光束亮度，這對于精密加工、生物醫(yī)療和科學研究等領域尤為重要。

27、3)本發(fā)明所述的模式不穩(wěn)定探測模塊以及控制模塊設計為光纖激光器的外接電路，與現(xiàn)有的光纖激光器結構兼容，無需對光學路徑進行改造，避免了昂貴的光學元件更換和復雜的機械調(diào)整，使得升級和維護更加便捷。同時，該方法的可調(diào)節(jié)性允許激光器適應不同的工作條件和應用需求。