基于复振幅重构的高功率光纤激光器光束质量因子动态测量理论及技术研究

The beam quality and modal weights of different eigenmodes, are key parameters in application and research of high power fiber laser. The method, which is based on ISO standard, can measure the beam quality of the laser accurately. However, the method cannot measure the laser dynamically. And the modal deformation cannot be realized by the ISO standard based method. In this proposal, the theory and technology of the measurement, which is based on wave-front analysis, of the beam quality and modal deformation of high power fiber laser would be studied. The complex amplitude of the testing laser is determined by the interferograms taken by the quadriwave lateral shearing interferometer. Based on the angular spectrum and modal deformation theory, the beam quality, the weight and relative phase gap of different eigenemodes would be calculated accurately. In this proposal, the influences of the interferogram with small signal area and CCD blooming would be suppressed by the method of stitching multiple interferograms or using a infrared CCD camera with high bit depth. The thermally-induced aberrations would be suppressed by the method of using a dynamic interferometer and angular spectrum theory. And the matching problem of the measured complex amplitude and the complex amplitude of different eigenmodes would be solved by the method of coupling white light to the tested laser.

高功率光纤激光器的光束质量与模式成分直接决定激光的作用与传播效果，是激光应用及研发中重要的参数指标。基于ISO11146标准的测量方法可以比较准确的测量出激光的光束质量，但难以实现高功率激光的动态测量和模式分解。本项目研究基于复振幅重构的高功率光纤激光器光束质量动态测量及模式分解的理论与技术。通过四波剪切干涉法获取待测激光的复振幅信息，利用角谱理论求出激光在自由空间中的传播强度分布，并结合模式分解理论，实现动态精确求解光束质量因子和各本征模的比例及相对相位差。本申请提出了双通道高低能量场干涉条纹正交拼接法和大位深近红外四波剪切干涉法，解决干涉小信号区域和CCD垂直光晕现象影响复振幅解调的问题；提出了动态干涉实时测量法，结合角谱理论，解决系统中像差（元件本身像差、热致像差）影响复振幅重构的问题；通过在激光器中导入白光，将测得复振幅信息与光纤激光器本征模信息的空间位置匹配，提高模式分解精度。

本项目开展了基于复振幅重构的高功率光纤激光器光束质量因子动态测量理论及技术研究。建立了基于复振幅重构的高功率光纤激光器光束质量及模式分解动态测量系统理论模型及实验装置。研究了高功率激光衰减技术及热像差校正技术，基于泽尼克多项式和M^2因子计算模型研究了前三阶不同像差的大小与激光M^2因子变化的关系，并指出像差的阶次越高其对M^2因子的影响程度越大。建立了激光热致像差的理论模型，利用该模型揭示了激光热致像差的主要成分为离焦和不同阶次的球差，研究了热致像差对M^2因子的影响，指出热致像差的峰谷（PV）值小于0.077μm时其对M2的影响小于5%。研究了将四波剪切干涉技术应用于近红外光纤激光领域的光强及相位信息的精确解调问题。针对四波横向剪切干涉图中弱干涉条纹影响测量结果的问题，提出了多次曝光干涉图拼接法抑制其影响。硅材质基底CCD在测量近红外激光时易产生垂直光晕效应，通过研究CCD垂直光晕效应的产生机理，分析了CCD垂直光晕效应对M^2因子测量的影响，建立了相应的物理模型，并提出了大曝光低能量场法对该影响进行抑制。研究了模式分解技术，攻克了对待测激光模式分解时测量复振幅与待分解理想复振幅不匹配的难题。研究了基于多光斑迭代运算的复振幅重构方法，建立了基于变位置及变焦距光斑迭代的复振幅重构模型，从仿真和实验上验证了多光斑迭代算法对单模和多模激光复振幅重构的准确性，重构光斑与实际光斑的光强相似度均值为96%，光斑直径误差均值为11%。研究了基于光纤偏振点衍射干涉的单次曝光无透镜光纤模式分解技术。采集SMF-28e光纤在10个模式运行下的干涉图，模式分解前后复原的光强相似度达97%以上，300*300像素下的干涉图的模式分解时间仅需0.064s。此外对矢量光纤激光的单次曝光完全偏振模式分解技术进行研究，构建了单次曝光的四偏振通道远场离轴全息装置，实现光纤激光矢量光束的全偏振态下的模式分解。本项目可为高功率光纤激光光束质量及模式分解测量等应用领域提供一定的理论基础和实验依据。