本發(fā)明屬于光纖激光器領(lǐng)域，涉及一種雙包層光纖激光器包層光比例的測(cè)量方法，尤其涉及一種用于測(cè)試大功率光纖激光器包層光比例的測(cè)量方法。

背景技術(shù)：
光纖激光器在光束質(zhì)量、體積、重量、效率、散熱等方面均有明顯優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為激光器領(lǐng)域最熱門的研究方向之一。早期的光纖激光器中常采用單包層增益光纖，這種光纖的特點(diǎn)是泵浦光和信號(hào)光均在纖芯中傳輸，由于纖芯的直徑和數(shù)值孔徑均很小，這使得注入增益光纖的泵浦光總功率受到限制，制約了光纖激光器的功率提升。雙包層增益光纖的結(jié)構(gòu)包括纖芯、內(nèi)包層和外包層，其特點(diǎn)是泵浦光在其內(nèi)包層中傳輸，而信號(hào)光仍在纖芯中傳輸。泵浦光在內(nèi)包層傳輸?shù)倪^(guò)程中會(huì)不斷經(jīng)過(guò)纖芯，進(jìn)而被纖芯中的摻雜粒子吸收并轉(zhuǎn)換為信號(hào)激光。由于雙包層光纖的內(nèi)包層直徑和數(shù)值孔徑遠(yuǎn)大于纖芯的直徑和數(shù)值孔徑，大幅度降低了對(duì)泵浦光數(shù)值孔徑的要求，使得耦合進(jìn)入增益光纖的泵浦光功率大幅度提升，進(jìn)而提高光纖激光器的輸出功率。在雙包層光纖激光器和放大器的輸出光中，通常會(huì)含有一定比例的包層光，這些包層光主要包括：泵浦光波段包層光(未吸收的泵浦光)、信號(hào)光波段包層光(光纖熔接點(diǎn)以及光纖無(wú)源器件的損耗以及光纖彎曲導(dǎo)致的纖芯激光泄露至內(nèi)包層中)。包層光占總輸出光的功率比例是光纖激光器和放大器的重要參數(shù)，過(guò)多的包層光會(huì)破壞光纖無(wú)源器件，影響高功率光纖激光器和放大器的穩(wěn)定運(yùn)行，因此通過(guò)測(cè)量包層光比例，特別是測(cè)量泵浦光波段包層光以及信號(hào)光波段包層光所各自對(duì)應(yīng)的比例，可以直觀了解增益光纖的泵浦吸收狀態(tài)、無(wú)源器件的品質(zhì)、光纖熔接點(diǎn)的質(zhì)量以及光纖盤繞方式的效果，對(duì)于搭建高功率光纖激光器和放大器具有重要的意義。公開(kāi)號(hào)為CN103616165A的中國(guó)專利文獻(xiàn)給出了一種光纖損耗測(cè)量系統(tǒng)，其中包括一種光纖輸出探測(cè)組件的結(jié)構(gòu)圖(參見(jiàn)該專利文獻(xiàn)的附圖3)，其基本原理是基于光電成像法對(duì)雙包層光纖的輸出光的纖芯光場(chǎng)和包層光場(chǎng)進(jìn)行分離。對(duì)于輸出功率較低的情況，該專利文獻(xiàn)采用將輸出光直接匯聚在面陣光電探測(cè)器上，對(duì)于功率較高的水平，先將輸出光場(chǎng)匯聚在漫反射屏上，然后利用面陣光電探測(cè)器收集光斑圖像，最后利用算法對(duì)收集的光斑圖像的強(qiáng)度信息進(jìn)行處理，分離纖芯光場(chǎng)和包層光場(chǎng)，因此可以用于測(cè)試包層光功率占總輸出光功率的比例(包層光比例)。然而這種方法存在缺陷，即測(cè)試精度受制于面陣探測(cè)器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍。實(shí)際上，根據(jù)亮度的定義，可以得出包層光場(chǎng)和纖芯光場(chǎng)的亮度分別為：其中，Pcladding_field和Pcore_field分別為包層光場(chǎng)和纖芯光場(chǎng)的總功率，rcladding和rcore分別為內(nèi)包層內(nèi)切圓直徑和纖芯的直徑，NAcladding和NAcore分別為內(nèi)包層和纖芯的數(shù)值孔徑，因此纖芯光場(chǎng)和包層光場(chǎng)的亮度之比為：對(duì)常見(jiàn)的大模場(chǎng)面積光纖而言，如纖芯直徑20μm，纖芯數(shù)值孔徑0.06，內(nèi)包層直徑400μm，內(nèi)包層數(shù)值孔徑0.46。因此，(3)式中的括號(hào)內(nèi)的一項(xiàng)的值為23511，由于該專利文獻(xiàn)中給出的單個(gè)像元的最大強(qiáng)度分辨能力為1/4096，即纖芯光場(chǎng)和包層光場(chǎng)的亮度比不能高于4096(Ratio≤4096)，因此只有當(dāng)包層光場(chǎng)總功率不低于纖芯光場(chǎng)總功率的5.74倍時(shí)，探測(cè)器才能準(zhǔn)確的分辨出纖芯光場(chǎng)和包層光場(chǎng)的邊界，這對(duì)于專利文獻(xiàn)CN103616165A所述的方法至關(guān)重要。事實(shí)上，基于雙包層光纖的高功率光纖激光器中，纖芯光的功率必定遠(yuǎn)大于包層光的功率，因此包層光場(chǎng)的亮度將遠(yuǎn)小于纖芯光場(chǎng)的亮度，兩者的亮度比已經(jīng)超過(guò)面陣探測(cè)器的響應(yīng)范圍。這時(shí)探測(cè)器對(duì)包層光場(chǎng)的響應(yīng)將和探測(cè)器自身的噪聲相當(dāng)，這意味著探測(cè)器無(wú)法探測(cè)包層光場(chǎng)以及包層光場(chǎng)的外邊界，即無(wú)法同時(shí)對(duì)包層光場(chǎng)和纖芯光場(chǎng)成像。另一方面，由于雙包層光纖的纖芯與內(nèi)包層在數(shù)值孔徑和橫截面積上都相差很大，透鏡組不可能在同一位置對(duì)纖芯和內(nèi)包層成清晰的像(像差小于0.5倍波長(zhǎng))，即對(duì)于纖芯的像和內(nèi)包層的像，必有一者邊緣模糊，這會(huì)導(dǎo)致采用探測(cè)器測(cè)試的結(jié)果的精度下降。因此雖然專利文獻(xiàn)CN103616165A在一定條件下可以實(shí)現(xiàn)包層光場(chǎng)和纖芯光場(chǎng)的分離，可以用于測(cè)試光纖的損耗(纖芯損耗和內(nèi)包層損耗)，但這種方法的測(cè)量范圍嚴(yán)重受限于探測(cè)器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍且精度不理想，不適用于測(cè)試高功率光纖激光器輸出光的包層光比例。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種測(cè)量范圍大、測(cè)試精度更高的雙包層光纖激光器包層光比例的測(cè)量方法。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：一種雙包層光纖激光器包層光比例的測(cè)量方法，所述測(cè)量方法包括以下步驟：將雙包層光纖激光器輸出光纖的端面采用透鏡組進(jìn)行等比例放大成像，在所述透鏡組的像面處設(shè)置孔徑可調(diào)的光闌，通過(guò)調(diào)節(jié)所述光闌的孔徑大小使所述雙包層光纖激光器輸出光中的纖芯光全部通過(guò)光闌而包層光被光闌阻擋，測(cè)試光闌前輸出光光斑的功率P1和光闌后纖芯光光斑的功率P2，得到所述雙包層光纖激光器輸出光的包層光比例為(P1－P2)/P1。上述的雙包層光纖激光器包層光比例的測(cè)量方法中，優(yōu)選的，所述雙包層光纖激光器輸出光纖的端面位于所述透鏡組的物面，所述雙包層光纖激光器輸出光的光軸與所述透鏡組的主軸重合。上述的雙包層光纖激光器包層光比例的測(cè)量方法中，優(yōu)選的，所述透鏡組的放大倍率為100倍～200倍。以便將纖芯光光斑外徑放大至毫米量級(jí)，包層光光斑外徑放大至厘米量級(jí)，進(jìn)而采用光闌分離包層光和纖芯光。上述的雙包層光纖激光器包層光比例的測(cè)量方法中，優(yōu)選的，所述透鏡組對(duì)纖芯成像的系統(tǒng)像差小于或等于0.5倍信號(hào)光波長(zhǎng)，以便保證透鏡組對(duì)纖芯成像清晰。上述的雙包層光纖激光器包層光比例的測(cè)量方法中，優(yōu)選的，所述纖芯光的光斑位于所述光闌的中心；所述光闌的孔徑大小為所述光闌上纖芯光光斑直徑的1.5倍～2.5倍。上述的雙包層光纖激光器包層光比例的測(cè)量方法中，優(yōu)選的，所述測(cè)量方法還包括所述輸出光的信號(hào)光波段中信號(hào)光波段包層光比例的測(cè)量，具體過(guò)程如下：在所述透鏡組與所述光闌之間設(shè)置二色鏡和楔形鏡，所述二色鏡將所述透鏡組放大成像后的輸出光中的泵浦光波段包層光濾除，并將所述輸出光中的信號(hào)光波段包層光和纖芯光反射至所述楔形鏡，所述楔形鏡將所述二色鏡反射的信號(hào)光波段包層光和纖芯光反射至所述光闌，通過(guò)調(diào)節(jié)所述光闌的孔徑大小使所述纖芯光全部通過(guò)光闌而所述信號(hào)光波段包層光被光闌阻擋，測(cè)試光闌前信號(hào)光波段包層光與纖芯光組成的光斑的功率P3和光闌后纖芯光光斑的功率P2，得到所述雙包層光纖激光器輸出光的信號(hào)光波段中信號(hào)光波段包層光的比例為(P3－P2)/P3。上述的雙包層光纖激光器包層光比例的測(cè)量方法中，優(yōu)選的，測(cè)量所述輸出光中信號(hào)光波段包層光的比例時(shí)，所述信號(hào)光波段包層光和纖芯光組成的光射于所述楔形鏡的楔面中心，入射角為5°～10°，所述楔形鏡的反射率不超過(guò)4％。上述的雙包層光纖激光器包層光比例的測(cè)量方法中，優(yōu)選的，所述楔形鏡的后方設(shè)有廢光收集器。上述的雙包層光纖激光器包層光比例的測(cè)量方法中，優(yōu)選的，測(cè)量所述輸出光中信號(hào)光波段包層光的比例時(shí)，所述輸出光射于所述二色鏡的中心，經(jīng)二色鏡反射的信號(hào)光波段包層光和纖芯光組成的光射于所述楔形鏡的中心。(輸出光是依次經(jīng)過(guò)透鏡組、二色鏡、楔形鏡的)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：1.本發(fā)明的測(cè)量方法采用透鏡組對(duì)輸出光纖端面等比例放大成像，且對(duì)纖芯成像清晰，再結(jié)合孔徑可調(diào)光闌分離纖芯光和包層光，與專利CN103616165A相比，本發(fā)明避免了測(cè)量范圍受限于探測(cè)器動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍，測(cè)量范圍更大。2.本發(fā)明采用功率計(jì)分別測(cè)量纖芯光斑功率以及纖芯光和包層光組成的光斑的功率，對(duì)比兩者即可獲得包層光比例。由于像差不影響功率測(cè)試精度，因此本發(fā)明只需要對(duì)纖芯清晰成像，而不需要對(duì)內(nèi)包層清晰成像，與專利CN103616165A相比，這避免了因無(wú)法在同一位置同時(shí)對(duì)纖芯和內(nèi)包層清晰成像而導(dǎo)致的測(cè)量精度降低。3.本發(fā)明的測(cè)量方法采用空間光結(jié)構(gòu)測(cè)量包層光比例，所用器件可承受高功率激光，可以用于測(cè)試高功率光纖激光器輸出光的包層光比例。4.本發(fā)明的測(cè)量方法可測(cè)量泵浦光波段包層光以及信號(hào)光波段包層光所各自對(duì)應(yīng)的比例，直觀了解增益光纖的泵浦吸收狀態(tài)、無(wú)源器件的品質(zhì)、光纖熔接點(diǎn)的質(zhì)量以及光纖盤繞方式的效果，對(duì)于搭建高功率光纖激光器和放大器具有重要的意義。附圖說(shuō)明圖1為本發(fā)明實(shí)施例1的測(cè)量方法原理示意圖。圖2為本發(fā)明實(shí)施例1的透鏡組像面處收集到的清晰的像。圖3為本發(fā)明實(shí)施例1在光闌后用面陣探測(cè)器收集得到的圖像。圖4為本發(fā)明實(shí)施例2的測(cè)量方法原理示意圖。圖5為采用實(shí)施例2的方法測(cè)試高功率光纖放大器的包層光比例所得的結(jié)果。圖例說(shuō)明：1、光纖夾持器；2、輸出光纖；3、透鏡組；4、纖芯光；41、纖芯光斑的邊緣；5、包層光；51、泵浦光波段包層光；52、信號(hào)光波段包層光；6、二色鏡；7、廢光收集器；8、楔形鏡；9、光闌；91、光闌邊緣；10、功率計(jì)。具體實(shí)施方式以下結(jié)合說(shuō)明書(shū)附圖和具體優(yōu)選的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述，但并不因此而限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。以下實(shí)施例中，所采用的材料和儀器均為市售。實(shí)施例1：一種本發(fā)明的雙包層光纖激光器包層光比例的測(cè)量方法，如圖1所示，該方法具體包括以下步驟：首先將雙包層光纖激光器的輸出光纖2用光纖夾持器1夾持，打開(kāi)激光器出光，調(diào)整其輸出功率至瓦量級(jí)，調(diào)節(jié)輸出光纖2的端面位置，使其位于透鏡組3的物面。本實(shí)施例采用的透鏡組放大倍率為100倍，物面位置位于距透鏡組前表面2cm處，像面位于距透鏡組后表面4m光程處，透鏡組3對(duì)纖芯成像的系統(tǒng)像差小于或等于0.5倍信號(hào)光波長(zhǎng)。進(jìn)一步調(diào)節(jié)光纖夾持器1，反復(fù)調(diào)節(jié)輸出光纖2的三維空間位置、俯仰及搖擺，直至輸出光的光軸與透鏡組3的主軸重合，可以在透鏡組3的像面觀測(cè)到等比例放大后的像，如圖2所示。這時(shí)從透鏡組3后表面出射的光包括纖芯光4和包層光5(包括泵浦光波段包層光51和信號(hào)光波段包層光52)，在透鏡組3的像面處設(shè)置孔徑可調(diào)的光闌9，在光闌9后設(shè)置面陣探測(cè)器。面陣探測(cè)器主要用于監(jiān)測(cè)透過(guò)光闌9的光斑，根據(jù)監(jiān)測(cè)光斑的形態(tài)調(diào)節(jié)光闌9的位置。調(diào)節(jié)光闌9的空間位置、俯仰及搖擺，使得纖芯光4的光斑位于光闌9的中央；調(diào)節(jié)光闌9的孔徑大小，使得纖芯光4全部通過(guò)光闌9，以實(shí)現(xiàn)包層光5與纖芯光4的分離，且光闌9的孔徑為光闌9上纖芯光光斑直徑的1.5倍～2.5倍，透過(guò)光闌9后的光斑如圖3所示，纖芯光4已完全透過(guò)光闌9，而大部分包層光5已被阻擋，圖中標(biāo)出了纖芯光斑的邊緣41與光闌邊緣91。調(diào)節(jié)完畢后，移去面陣探測(cè)器，將功率計(jì)10置于光闌9之后，將激光器調(diào)至正常輸出功率，測(cè)得光闌9后纖芯光光斑功率P2，然后將功率計(jì)10移至光闌9之前，測(cè)得光闌9前輸出光光斑功率P1。據(jù)此可得出激光器輸出光功率的包層光比例為：(P1－P2)/P1。實(shí)施例2：為了將纖芯光、信號(hào)光波段包層光以及泵浦光波段包層光(即剩余泵浦光)分離，以獲得信號(hào)光波段包層光的比例，圖4示出了本發(fā)明的高功率雙包層光纖激光器信號(hào)光波段包層光比例的測(cè)量方法，包括以下步驟：本實(shí)施例采用的透鏡組3的放大倍率為100倍，物面在透鏡組3前表面2cm處，像面距透鏡組3后表面4m光程。首先將雙包層光纖激光器的輸出光纖2用光纖夾持器1夾持，打開(kāi)激光器出光，調(diào)整其輸出功率至瓦量級(jí)，調(diào)節(jié)輸出光纖2的端面位置，使其位于透鏡組3的物面。進(jìn)一步調(diào)節(jié)光纖夾持器1，反復(fù)調(diào)節(jié)輸出光纖2的空間位置、俯仰及搖擺，直至輸出光的光軸與透鏡組3的主軸重合。這時(shí)從透鏡組3后表面出射的光包括：纖芯光4(即信號(hào)光波段纖芯光)、信號(hào)光波段包層光52和泵浦光波段包層光51，其中信號(hào)光波段中心波長(zhǎng)位于1080nm，3dB帶寬為0.1nm，泵浦光波段中心波長(zhǎng)位于976nm，3dB帶寬約1.5nm。在距透鏡組3后表面1.5m處加入二色鏡6，二色鏡6的楔面為前表面，調(diào)節(jié)二色鏡6的位置，使得纖芯光4的光斑位于二色鏡6中心，二色鏡6對(duì)于泵浦光波段高透，對(duì)于信號(hào)光波段(1080nm)附近高反，二色鏡6可以實(shí)現(xiàn)將泵浦光波段包層光51濾出，在二色鏡6的后表面(沿透射光方向)加入功率計(jì)10，可以測(cè)試透射的泵浦光波段包層光51的功率P4。這時(shí)，二色鏡6的反射光只包含纖芯光4和信號(hào)光波段包層光52。在距二色鏡6前表面1.5m處加入楔形鏡8，楔形鏡8的反射率不超過(guò)4％，楔形鏡8的楔面為前表面，調(diào)整楔形鏡8的位置和二色鏡6的俯仰搖擺，使得二色鏡6的反射光的光斑位于楔形鏡8的楔面中心，入射角為5°～10°。楔形鏡8后方設(shè)有廢光收集器7以收集楔形鏡8的透射光。最后，在距離楔形鏡8的前表面1m處(透鏡組的像面)放置光闌9，調(diào)整光闌9的位置和楔形鏡8的俯仰搖擺，使得楔形鏡8的反射光光斑的中心位于光闌9的小孔。在光闌9后加入面陣探測(cè)器，進(jìn)一步微調(diào)光闌9的位置和二色鏡8的俯仰搖擺，使得纖芯光光斑的中心位于光闌9的中心，調(diào)節(jié)光闌9的大小，使得纖芯光4全部通過(guò)光闌9。調(diào)節(jié)完畢后，移去面陣探測(cè)器，將功率計(jì)10置于光闌9之后，將激光器調(diào)至正常輸出功率，測(cè)得光闌9后纖芯光光斑功率P2，然后將功率計(jì)10移至光闌9之前，測(cè)得光闌9前信號(hào)光波段包層光52與纖芯光4組成的光斑功率P3。據(jù)此，得出激光器輸出光的信號(hào)光波段中信號(hào)光波段包層光52的比例為：(P3－P2)/P3。實(shí)施例3：圖5為采用本發(fā)明實(shí)施例2的方法(圖4原理所示)對(duì)高功率光纖激光器輸出光信號(hào)光波段包層光比例測(cè)試的結(jié)果，輸出光纖2的纖芯/包層的直徑為20/400μm，數(shù)值孔徑分別為0.06/0.46。橫坐標(biāo)為放大器的泵浦功率，左側(cè)縱坐標(biāo)為信號(hào)光波段包層光占輸出光的信號(hào)光波段的比例，右側(cè)縱坐標(biāo)代表總輸出功率(即P1)。黑色方塊曲線代表了總輸出功率隨放大器泵譜功率的變化，空心菱形曲線代表剩余泵浦光波段包層光功率P4隨泵譜功率的變化。圖5中分別展示了使用不同光闌孔徑的測(cè)試結(jié)果，以及用包層光濾除器估算得到的結(jié)果，估算方法為：首先測(cè)得沒(méi)有包層光濾除時(shí)的總功率P1，剩余泵浦光功率P4(泵浦光波段包層光)，然后再加入包層光濾除器，測(cè)試輸出光(纖芯光)功率P2。因此包層光總量為P1-P2(即泵浦光波段包層光+信號(hào)光波段包層光)，減去剩余泵浦光進(jìn)而求得信號(hào)光波段包層光P1-P2-P4。因此信號(hào)光波段包層光占輸出光的信號(hào)光波段比例為(P1-P2-P4)/(P1-P4)。這是常規(guī)估算方法，但不能直接測(cè)試得到信號(hào)光波段包層光比例。對(duì)比本發(fā)明的測(cè)試方法與包層光濾除器測(cè)試方法的結(jié)果，可以看出，在泵浦功率較低的情況下，兩種不同方法的信號(hào)光波段包層光占輸出光的信號(hào)光波段比例測(cè)試結(jié)果高度吻合；而在高功率輸出的情況下(泵浦功率大于130W)，由于局部溫度過(guò)高，包層光濾除器的濾除效果(即估算得到的信號(hào)光波段包層光比例)明顯下降；另一方面，本發(fā)明采用不同孔徑光闌測(cè)得的包層光比例的一致性非常好，說(shuō)明這時(shí)包層光場(chǎng)亮度遠(yuǎn)低于纖芯光場(chǎng)亮度，這意味著本發(fā)明的方法對(duì)于包層光場(chǎng)亮度遠(yuǎn)低于纖芯光場(chǎng)亮度的情況仍舊可以保持較高的精度。由此可見(jiàn)，相比于包層光濾除器以及專利CN103616165A中所述方法，本發(fā)明的方法在測(cè)量信號(hào)光波段包層光比例時(shí)更加穩(wěn)定，且測(cè)量結(jié)果可信度更高。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅局限于上述實(shí)施例。凡屬于本發(fā)明思路下的技術(shù)方案均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。應(yīng)該指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下的改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。