CN104035166A - 基于多芯光纤的高功率激光合束器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于多芯光纤的高功率激光合束器，包括多芯输入光纤、输出光纤、散热封装壳体、光纤传输***，其特征在于：所述的多芯输入光纤的一端通过拉锥形成一段多芯锥形光纤，多芯锥形光纤一端切平与输出光纤熔接在一起，并封装在散热封装壳体上，散热封装壳体内部进行水冷散热，多路激光输入信号进入多芯输入光纤，在多芯锥形光纤内合束，并经传输光纤及光纤传输***输出功率。本发明通过使用多芯光纤的方式，使得多路输入激光在多芯锥形光纤内合束，最后与传输光纤熔接。该发明在保证耦合效率、可靠性的同时，能够实现超高光束质量的激光合束，对于高功率激光合束有着重要意义。
Description
技术领域
本发明属于光纤激光器技术领域，涉及一种高功率激光合束器，用于将多路输入激光，合成为一个输出，达到提高光纤激光器输出功率、同时保证光束质量的目的。
技术背景
光纤激光器是继传统气体激光器和固体激光器后的第三代新型激光器，具有结构紧凑、寿命长、免维护、光束质量好、节能环保等优点，已成功应用于机械加工、医疗、汽车制造及军事等领域。随着其应用领域的不断拓展，如汽车制造、船舶制造等行业中厚金属板的激光器切割和焊接，希望光纤激光器的输出功率达到数千瓦至数十千瓦。
虽然目前单根光纤的输出功率已经突破2000W，但仅限于实验室水平，且由于掺杂光纤内的非线性效应以及热损伤等物理机制的限制，单根光纤输出功率的进一步提升将非常困难，目前成熟的单个光纤激光器功率单元一般功率在1500W左右。
为提高光纤激光器的输出功率，这就需要将多个光纤激光器功率单元合为一束输出，主要有相干合成和非相干合成两种方法。光纤激光器的相干合成结构较为复杂，稳定性不佳，目前国内外报道实现最高功率仅为数千瓦。光纤激光器的非相干合成，也是已经商用的合成技术是功率合成，其通过把数根激光束通过熔融拉锥，成为一束，再与单根光纤熔接，该方法简单可靠，也能实现高功率输出，但是无法保证较高的光束质量。
发明内容
本发明的目的为了克服现有技术存在的缺陷和问题，提供一种基于多芯光纤的高功率激光合束器，用于光纤激光器功率合成，本发明的输入端为多路激光信号，可以为光纤输入，也可以为半导体芯片，经过光束整形以后空间输入；激光耦合入多芯光纤以后，经过一段多芯锥形光纤，最后与输出光纤熔接输出。本发明，在保证耦合效率、可靠性的同时，能够实现超高光束质量的激光合束，对于高功率激光合束有着重要意义。
一种基于多芯光纤的高功率激光合束器，包括多芯输入光纤、输出光纤、散热封装壳体、光纤传输***，其特征在于：所述的多芯输入光纤的一端通过拉锥形成一段多芯锥形光纤，多芯锥形光纤一端切平与输出光纤熔接在一起或所述多芯输入光纤直接与输出光纤熔接，并封装在散热封装壳体上，散热封装壳体内部进行水冷散热，多路激光输入信号进入多芯输入光纤，在多芯锥形光纤或多芯输入光纤内合束，并经传输光纤及光纤传输***输出功率。
所述多路激光输入信号为全光纤输入信号或者半导体芯片输入信号，经过光束整形以后，空间输入。
所述多芯输入光纤的光纤纤芯数量大于或等于2。
所述多芯输入光纤的纤芯为无源非参杂或有源参杂；光纤外包层是圆形或多边形。
所述多芯输入光纤的纤芯排布是对称或非对称；多芯光纤各个纤芯形状相同或不相同。
所述多芯输入光纤的纤芯以外的包层是单层或多层；包层外面的涂覆层是单层或多层。
所述多芯输入光纤的一段多芯锥形光纤内，多路输入激光发生相干合成组束或发生非相干组束。
所述的散热封装壳体的散热基座材料为金属氧化物材料。
所述所述多芯输入光纤的一段多芯锥形光纤输出端切平，直接熔接一段镀膜端帽，输出空间激光。
本发明客服了现有相干合成功率不高、稳定性差，功率合成光束质量差等缺陷问题，实现了多束激光，高功率、高光束质量合成。
附图说明
图1是本发明实施例提供的的主视图。
图2是一种多芯输入光纤折射率分布示意图。
图3是另一种多芯输入光纤折射率分布示意图。
图4是一种多芯六边形光纤截面示意图。
图5a、图5b、图5c分别是3芯、4芯、19芯光纤截面示意图。
图6是多芯锥形光纤与端帽直接熔接示意图。
图7是多芯锥形光纤通光后端面激光分布示意图。
具体实施方式
结合附图对发明进行详细的说明：
如图1所示，一种基于多芯光纤的高功率激光合束器，包括多芯输入光纤1、输出光纤4、散热封装壳体9、光纤传输***5，其特征在于：所述的多芯输入光纤1的一端通过拉锥形成一段多芯锥形光纤2，多芯锥形光纤2一端部3切平与输出光纤4熔接在一起，熔接点8使用固化胶水12封装在散热封装壳体9上，散热封装壳体9内部进行水冷散热，6为进水口，7为出水口，多路激光输入信号进入多芯输入光纤1，在多芯锥形光纤2内合束，并经传输光纤4及光纤传输***5输出功率。光纤传输***5和水冷散热均为现有结构。
以7芯光纤为例，其制备方法如下：
1、如图2所示，7芯光纤，每个纤芯11直径10um，纤芯参杂Ge，呈阶跃折射率分布，NA＝0.08；
中间纤芯中心距边缘6个纤芯中心100um，包层10材料为纯石英材料；光纤包层外径2200um；包层外面涂覆折射率<1.36的低折射率胶水。
亦可使用如图3所示多包层光纤，其第二包层折射率较第一包层要高。
2、剥除多芯光纤的涂覆层材料，清洗干净以后，使用AFL LZM100CO2拉锥机进行拉锥，拉锥长度100mm，拉锥后外径约为300um。
3、使用输出为40um,包层400um，NA＝0.10的双包层光纤作为输出光纤，直接与多芯锥形光纤熔接；
4、把熔接区域封装在硅化铝材料上，封装材料下面通水散热。
5、如图6所示，亦可把多芯输入光纤直接做成5米长的锥形光纤，锥形光纤输入端2200um，输出端300um，锥形光纤表面涂覆一层3000um的涂覆层，使用金属铠装做成光缆，光缆弯曲半径大于0.5m，在锥形光纤尾部熔接一段直径15mm，长度30mm的端帽，端帽端面镀1064nm AR膜，端帽水冷封装在金属散热壳体内。7路激光输出光斑，如图7所示。
基于该方法，我们实现了7束500W激光，耦合入单根40‐400光纤输出功率大于3400W，效率大于99.5％，光束质量M2<3.8。
采用同样的方式，采用多芯有源6边型光纤，如图4所示，通过MOPA方式，直接泵浦多芯有源光纤，亦可以实现高功率、高光束质量合束。
采用同样的方式，如图5a、图5b、图5c所示，可以实现3、4、19路光信号合束。
基于该方案，我们使用1x8单模耦合器，使用1064nm，单模光源，产生7路相干光源，同时耦合入多芯光纤内，，输出光纤采用30‐250光纤，耦合效率大于98％，光束质量M2<2。
综上所述，该方案可以以全光纤形式，解决高功率、高光束质量部分相干与非相干合束。
Claims (9)
1.一种基于多芯光纤的高功率激光合束器，包括多芯输入光纤、输出光纤、散热封装壳体、光纤传输***，其特征在于：所述的多芯输入光纤的一端通过拉锥形成一段多芯锥形光纤，多芯锥形光纤一端切平与输出光纤熔接在一起或所述多芯输入光纤直接与输出光纤熔接，并封装在散热封装壳体上，散热封装壳体内部进行水冷散热，多路激光输入信号进入多芯输入光纤，在多芯锥形光纤或多芯输入光纤内合束，并经传输光纤及光纤传输***输出功率。
2.如权利要求1所述的基于多芯光纤的高功率激光合束器，其特征在于：所述多路激光输入信号为全光纤输入信号或者半导体芯片输入信号，经过光束整形以后，空间输入。
3.如权利要求1所述的多芯光纤的高功率激光合束器，其特征在于：所述多芯输入光纤的光纤纤芯数量大于或等于2。
4.如权利要求1所述的基于多芯光纤的高功率激光合束器，其特征在于：所述多芯输入光纤的纤芯为无源非参杂或有源参杂；光纤外包层是圆形或多边形。
5.如权利要求1所述的基于多芯光纤的高功率激光合束器，其特征在于：所述多芯输入光纤的纤芯排布是对称或非对称；多芯光纤各个纤芯形状相同或不相同。
6.如权利要求1所述的基于多芯光纤的高功率激光合束器，其特征在于：所述多芯输入光纤的纤芯以外的包层是单层或多层；包层外面的涂覆层是单层或多层。
7.如权利要求1所述的基于多芯光纤的高功率激光合束器，其特征在于：所述多芯输入光纤的一段多芯锥形光纤内，多路输入激光发生相干合成组束或发生非相干组束。
8.如权利要求1所述的基于多芯光纤的高功率激光合束器，其特征在于：所述的散热封装壳体的散热基座材料为金属氧化物材料。
9.如权利要求1所述的基于多芯光纤的高功率激光合束器，其特征在于：所述所述多芯输入光纤的一段多芯锥形光纤输出端切平，直接熔接一段镀膜端帽，输出空间激光。
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