SeeFiberLaser软件设计环形光束光纤激光器

与工业加工中常用的高斯激光光束相比，环形光束具有能量密度中心低、外侧高，焦点处为环形光斑等特点，在工作时工件表面的能量场与温度场分布更均匀，可改善激光加工中因能量密度过于集中导致的切割断面易产生波浪纹、粗糙度增加等问题。经过长期验证，具有环形光斑的激光器在切割厚板时得到的断面比高斯光斑甚至平顶光斑的激光器更加细腻，粗糙度更低，切割质量更好。因此，在工业加工领域，高功率环形光斑光纤激光器有着极其重要的用途。

与光纤激光放大器相比，光纤激光振荡器具有更为优异的抗反射特性，下面以设计双向泵浦环形光束光纤激光振荡器为例，介绍SeeFiberLaser光纤激光仿真软件如何仿真高功率环形光束光纤激光器。图1为双向泵浦环形光束光纤激光振荡器器的结构图，图2为使用SFL软件搭建的环形光束光纤激光器案例结构图。

图1.双向泵浦环形光束光纤激光振荡器结构结构图。Inputpump:泵浦源；FPSC:前向泵浦/信号合束器；BPSC:后向泵浦/信号合束器；HRFBG：高反射率双包层光纤光栅；OCFBG输出（低反射率）双包层光纤光栅；YDF:掺镱光纤；Output:输出         

图2.SFL仿真双向泵浦环形光束光纤激光振荡器结构图

首先在增益光纤选型时应该选择支持多个激发模式的多模光纤，并采用合适的光纤弯曲盘绕方式，利用不同高阶模的弯曲损耗不同，保证高阶模式激光主要是LP11模式成分，当各模式激光的增益高于光栅反射率与光纤弯曲盘绕所带来的腔内损耗时，LP11和不同模式的激光均可在谐振腔内获得增益放大并叠加。所以，在考虑光纤光栅对各个模式激光反射率一致的情况下，可以通过控制各模式的弯曲损耗实现环形光束激光输出。

仿真中需要在掺镱光纤的参数设置选择“模式参数”中的“光斑形态仿真”，初始激发不同模式占比和高低反光栅对不同模式反馈比例设置如图3(a)和光斑形态如图3(b)所示。

图3.(a)掺镱光纤模式反馈设置;(b)注入光斑形态

该案例部分参数参照文献《双端泵浦5kW环形光束光纤激光振荡器》^[1]中的实验数据，仿真参数如表1所示。         

SFL环形光束光纤激光器案例中泵浦光与信号光功率沿光纤纵向分布仿真结果如图4所示。

图4.泵浦光与信号光功率沿光纤纵向分布         

光纤激光器在光纤端帽处的输出光斑如图5所示，其能量分布呈现中间区低，外围高的特点，符合环形光斑的特征。

图5.光纤激光器输出端光束形态

        将仿真结果与参考文献进行对比。文献中实验部分对双向泵浦下的输出激光特性进行了详细的测试和分析，对不同输出功率下激光的光束质量（M²因子）进行了测量，如图6所示。其中，实验中从焦点处光斑形态可以看出，该光纤振荡器实现输出5kW高功率环形光束激光时，光斑呈现出了标准的环状形态，这与仿真中的模拟结论一致。

图6.不同输出功率下激光光束质量^[1]

经计算，仿真案例中环形光纤振荡器的输出功率为5148.42W，与文献中最大输出功率5080W相比，偏差值为1.35%，表明理论计算与实验值较为符合。此外，可以通过进一步优化光纤，对光纤模式控制及前后向泵浦功率的合理设计，对光束形态、能量分布和受激拉曼散射现象进行调控，以实现更高功率和更高环心能量比的激光输出。

[1]王鹏,杨保来,张汉伟等.双端泵浦5kW环形光束光纤激光振荡器[J].光学学报,2022(005):042.DOI:10.3788/AOS202242.0514004. 

关于软件理论模形、使用说明等详见《基于SeeFiberLaser的光纤激光建模与仿真》书籍（王小林等，北京：科学出版社，2021）。

SeeFiberLaser部分功能的开发得到了国家重点研发计划“光纤激光器用高性能激光光纤”（2022YFB3606000）的支持。

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