CN104330848A - 一种高模场占空比光纤功率合束器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高模场占空比光纤功率合束器，目的是解决现有方案工艺复杂，制作难度大、模场占空比低等问题。本发明包括n根输入光纤、一个光纤合束部和一根输出光纤；光纤合束部一端与n根输入光纤相连，另一端与输出光纤相连；光纤合束部是由n根光纤经熔融拉锥形成的光纤拉锥束，光纤合束部的n根光纤与n根输入光纤具有相同的包层和纤芯直径及相同的排列方式，且与输入光纤的纤芯对准连接；光纤合束部从多根输入光纤连接端向输出光纤连接端逐渐减小，形成近似锥形结构，纤芯和横截面尺寸也随之减小；光纤合束部的输出光纤连接端与输出光纤的纤芯对准熔接。本发明在纤芯占空比无显著增加的条件下实现了高模场占空比的光束合成。

Description

一种高模场占空比光纤功率合束器

技术领域

本发明涉及激光器技术领域。尤其涉及一种兼具高合束能力和高光束质量、且制作工艺简单的高模场占空比光纤功率合束器。

背景技术

光纤激光器具有质量轻、结构紧凑、寿命长、光束质量好、抗干扰能力强等特点，在通信、传感、机械加工、医疗、科研以及国防军事等领域具有广泛的应用。特别是随着近年来光纤激光器功率水平的飞速发展，光纤激光器的应用范围也在不断拓展，受关注的程度也越来越高。尽管光纤激光器的功率水平有了突飞猛进的发展，达到了10kW量级，但是，单根光纤激光器的功率水平进一步提升仍有受到泵浦光源的亮度、非线性效应等因素的限制。而光纤功率合束器有望为突破这一功率极限提供一种有效的解决方案。

光纤功率合束器是一种用于光束合成的光纤器件，它的作用是将多个光纤中传输光束合并到同一根输出光纤的纤芯中。在高功率光纤激光器中，光纤功率合束器的应用主要体现在两个方面：一是将多个高功率光纤激光器的输出光束合并到一根输出光纤中，从而实现总输出功率的提升；二是将多个中等功率、高光束质量的光纤激光器进行光束合成作为高功率光纤激光器的级联泵浦源，从而实现高亮度的泵浦光源。

基于光纤功率合束器的应用，光纤功率合束器的性能主要体现两个方面：一是合束能力，即要使尽可能多的光束耦合到输出光纤的纤芯中；二是合成后光束的光束质量，在相同功率水平条件下，光束质量越高越好。要提升光纤功率合束器的性能，一个重要的手段就是增加合束器的模场占空比，模场占空比是指在合束位置每一个光束模场直径与两个相邻光束中心距离之比，如果光束约束在纤芯中传输(即光束的能量主要约束在纤芯中传输)，那么模场占空比近似等于纤芯占空比(纤芯直径与两相邻纤芯中心距离之比)。模场占空比越高，合束器的合束能力越强，对于相同大小的输出光纤纤芯，能够耦合进的光束就越多；同时，模场占空比越高，越有利于输出光纤中低阶模式的激发，从而有利于光束质量的提升。

现有的光纤合束器均是在光束纤芯传输的基础上构建的，因此对于这些合束器来说，模场占空比就是由纤芯占空比决定的，如发明专利信号光合束器及其制作方法(公开号CN101866032A)，该发明借助熔融拉锥的方式，将多个光束耦合到同一个纤芯中；但是，由于拉锥过程不能显著提升纤芯占空比，也就无法显著提升合束器的模场占空比。为了提升合束器的模场占空比，发明专利光纤功率合束器及其制备方法(公开号CN102116902A)和发明专利高光束质量信号光光纤合束器及其制作方法(公开号CN102778729A)提供了两种方案，两个方案均采用了化学腐蚀和机械研磨的方式来减小光纤内包层的尺寸，提高纤芯占空比，从而提高模场占空比，但这种方法只能使模场占空比提升到0.5，该占空比仍不足以满足光束质量优化的要求。为了进一步提升模场占空比，后者提出了利用加热扩芯的方法，增加合束端纤芯的尺寸，从而增加纤芯占空比和模场占空比。这两个方案的缺点是光纤预处理工艺复杂，制作难度大，特别是内包层的化学腐蚀涉及到强腐蚀液体(如：氟化氢，化学式：HF)操作，且机械研磨的高精度控制难度很大，同时，加热括芯最终形态也很难控制。

发明内容

本发明要解决的技术问题是解决现有方案光纤预处理工艺复杂，制作难度大、模场占空比低等问题，提出一种新型光纤功率合束器，该合束器的特点是突破了光场纤芯传输的理念，在纤芯占空比无显著增加的条件下，实现了模场占空比的提升，无需内包层腐蚀、机械研磨、加热扩芯等程序，只需要熔融拉锥过程，即可以完成合束器的制作。这里所述纤芯占空比无显著增加，是指除由于熔融拉锥过程导致的纤芯占空比变化外，无其它方法提升纤芯占空比。

为解决所述技术问题，本发明新型光纤功率合束器是一种高模场占空比光纤功率合束器，该合束器包括n根输入光纤、一个光纤合束部和一根输出光纤。n根输入光纤的一端均与光纤合束部的一端相连，光纤合束部的另一端与输出光纤相连。n为自然数，且n大于或等于2。

n根输入光纤具有相同的特性参数，特性参数包括：纤芯直径、纤芯包层比、纤芯数值孔径。输入光纤是单包层光纤或双包层光纤。若输入光纤是单包层光纤，其连接端应去掉光纤的涂敷层，保留光纤纤芯和包层；若输入光纤为双包层光纤，其连接端应去掉光纤的外包层，保留光纤的纤芯和内包层。在下面的描述中，单包层光纤的包层和双包层光纤的内包层(不含外包层)统一用“包层”来表述。

n根输入光纤排列方式不限，但应保证紧密、均匀。优选地，n根输入光纤排列所对应的横截面外接圆(即可以包含所有光纤横截面的最小的圆)的直径最小，如：当输入光纤的数量n＝3时，优选品字型的排列结构；当输入光纤的数量n＝6m+1(m为自然数)时，优选排列结构为：任意相邻三个光纤中心连线均为等边三角形。

光纤合束部是由n根光纤经熔融拉锥形成的光纤拉锥束，光纤合束部的n根光纤结构相同，与n根输入光纤具有相同的包层和纤芯直径以及相同的排列方式，且与输入光纤纤芯对准连接。通过熔融拉锥过程，光纤合束部中的n根光纤形成一个整体，并且，从与输入光纤相连的一端向与输出光纤相连的另一端，横截面逐渐减小，呈近似锥形结构。随着横截面的减小，光纤合束器中的纤芯和包层的直径也逐渐变小，但纤芯占空比不变(这里忽略n根光纤熔融成为一个整体时对纤芯占空比的影响)。优选地，n根输入光纤与光纤合束部一体熔融拉锥完成。

光纤合束部的作用是提升光束的模场占空比，使得各光束以高模场占空比进入到输出光纤中。为了实现提升模场占空比的效果，光束在光纤合束部传输时需经历两个阶段，第一个阶段是模场塌缩阶段，光束的能量主要约束在纤芯中传输，随着纤芯直径逐渐减小，光束的模场直径也随之减小，模场占空比近似由纤芯占空比决定。由于纤芯占空比无显著提升，因此在模场塌缩阶段，模场占空比亦无明显提升，现有技术方案均是基于此传输过程构建。第二个传输阶段是模场拓展阶段，该阶段是提升模场占空比的关键。在模场拓展阶段，光束的能量已经不再约束在纤芯中传输，这主要是因为纤芯的直径过小，以至于无法将光束的能量约束在纤芯中，其结果导致光束的能量向纤芯外区域扩散，而光束能量的扩散也就导致了模场直径的增加，使得模场直径大于纤芯直径；随着纤芯直径的减少，越来越多的能量扩散到纤芯之外，模场直径也进一步增加，光束能量逐渐充满纤芯之间的区域，从而使得在光纤合束部的末端(即与输出光纤相连的光纤合束部的另一端)，模场占空比可以近似等于1。从而在纤芯占空比无显著增加的情况下，实现高模场占空比的光束合成。为了保证光纤合束部具有模场占空比提升，要求光纤合束部末端，纤芯直径(单位为微米)和数值孔径(指纤芯折射率与包层折射率的平方差的平方根，无单位)的乘积数值上不大于0.4。

所述输出光纤可为单包层光纤，也可为双包层光纤；输出光纤的纤芯直径应不小于光纤合束部的末端横截面外接圆的直径，且输出光纤的纤芯应与光纤合束部的末端对准熔接。

本发明的技术效果是突破了光场纤芯传输的理念，在纤芯占空比无显著增加的条件下，实现了高模场占空比的光束合成，模场占空比可以达到90％以上，不再需要复杂的光纤预处理过程和加热扩芯过程，极大地简化了光纤预处理工艺和制作难度。

附图说明

图1为本发明光纤功率合束器的结构示意图；

图2为输入光纤数量n＝3时的优选排列方式；

图3为输入光纤数量n＝19时的优选排列方式；

图4为本发明光纤功率合束器一种实施例的结构示意图；

图5为实施例图4中A‐A横截面示意图

图6为实施例图4中B‐B横截面示意图

具体实施方式

图1给出了本发明的基本结构示意图，所述的高模场占空比光纤功率合束器包括n根输入光纤10、一个光纤合束部20和一根输出光纤30。n根输入光纤10的一端与光纤合束部20的一端相连，光纤合束部20的另一端与输出光纤30相连。优选地，n根输入光纤10与光纤合束部20一体熔融拉锥完成。

每一根输入光纤10可以是单包层光纤，也可以是双包层光纤。如果输入光纤10是单包层光纤，它包含第一涂敷层11、第一包层12和第一纤芯13；如果输入光纤10是双包层光纤，它包含第一外包层14、第一内包层15和第一纤芯13。输入光纤10的连接端(右端)需要剥去第一涂敷层11或第一外包层14而露出第一包层12或第一内包层15。该端输入光纤的第一包层12或第一内包层15应紧密、均匀排列，图2和图3给出了输入光纤数量n＝3和n＝19时的两种优选的排列方式。

光纤合束部20是由n根光纤经熔融拉锥形成的光纤拉锥束，光纤合束部20的n根光纤结构相同，与n根输入光纤具有相同的包层和纤芯直径以及相同的排列方式，且与输入光纤10的第一纤芯13对准连接；通过熔融拉锥过程，光纤合束部20中的n根光纤形成一个整体，光纤合束部20从多根输入光纤连接端向输出光纤连接端逐渐减小，形成近似锥形结构，纤芯和横截面尺寸也随之减小。光纤合束部20的输出光纤连接端与输出光纤30的第二纤芯33对准熔接。

输出光纤30可以是单包层光纤，也可以是双包层光纤。如果输出光纤30是单包层光纤，它包含第二涂敷层31、第二包层32和第二纤芯33；如果输出光纤30是双包层光纤，它包含第二外包层34、第二内包层35和第二纤芯33。输出光纤30的连接端(左端)需要剥去第二涂敷层31或第二外包层34而露出第二包层32或第二内包层35。输出光纤30的第二纤芯33的直径应不小于光纤合束部20的输出光纤连接端(右端)横截面外接圆的直径，且输出光纤30的第二纤芯33与光纤合束部20的输出光纤连接端(右端)应对准熔接。

图4给出了本发明的一个实施例，该实施例选用的输入光纤10是双包层光纤，第一纤芯13的直径是15微米，数值孔径为0.1，第一内包层15的直径为130微米，第一内包层15排列方式选用如图2所示的排列方式，光束为1.064微米的基模光束。光纤合束部20通过与输入光纤10一体熔融拉锥的方式实现，三根输入光纤10的第一内包层15在熔融拉锥的过程相互熔合成为一体(见图5和图6)，且光纤合束部末端的纤芯直径与数值孔径的乘积为0.2。图5和图6分别给出了A位置(模场塌缩阶段)和B位置(模场拓展阶段)的截面图以及光束模场16的分布情况，从图5中可以看出，光束主要约束在第一纤芯13中，光束模场16的直径与第一纤芯13的直径近似相等；但是，从图6中可以看出：光束模场16的直径较第一纤芯13直径有了显著增加，相应的，模场占空比也大幅提升，可以达到90％。输出光纤30是双包层光纤，第二纤芯31的直径为40，数值孔径为0.12，将输出光纤30的第二纤芯31与光纤合束部20的右端进行对准熔接，即可得到3x1光纤功率合束器。该光纤功率合束器的***损耗平均在0.1dB左右。

Claims (7)

1.一种高模场占空比光纤功率合束器，其特征在于高模场占空比光纤功率合束器包括n根输入光纤(10)、一个光纤合束部(20)和一根输出光纤(30)；n根输入光纤(10)的一端与光纤合束部(20)的一端相连，光纤合束部(20)的另一端与输出光纤(30)相连；n为大于或等于2的自然数；光纤合束部是由n根光纤经熔融拉锥形成的光纤拉锥束，光纤合束部的n根光纤结构相同，与n根输入光纤具有相同的包层和纤芯直径以及相同的排列方式，且与输入光纤(10)的第一纤芯(13)对准连接；通过熔融拉锥过程，光纤合束器中的n根光纤形成一个整体，光纤合束部(20)从多根输入光纤连接端向输出光纤连接端逐渐减小，形成近似锥形结构，纤芯和横截面尺寸也随之减小；光纤合束部(20)的输出光纤连接端与输出光纤(30)的第二纤芯(33)对准熔接；光纤合束部(20)的输出光纤连接端的纤芯直径和数值孔径的乘积不大于0.4，所述输出光纤连接端的纤芯直径的单位为微米。

2.如权利要求1所述的高模场占空比光纤功率合束器，其特征在于每一根输入光纤(10)是单包层光纤或双包层光纤；如果输入光纤(10)是单包层光纤，它包含第一涂敷层(11)、第一包层(12)和第一纤芯(13)；如果输入光纤(10)是双包层光纤，它包含第一外包层(14)、第一内包层(15)和第一纤芯(13)；输入光纤(10)的连接端需要剥去第一涂敷层(11)或第一外包层(14)而露出第一包层(12)或第一内包层(15)；该端输入光纤的第一包层(12)或第一内包层(15)紧密、均匀排列。

3.如权利要求2所述的高模场占空比光纤功率合束器，其特征在于n根输入光纤排列所对应的横截面外接圆的直径最小，横截面外接圆指可以包含所有光纤横截面的最小的圆。

4.如权利要求3所述的高模场占空比光纤功率合束器，其特征在于当输入光纤的数量n＝6m+1时，m为自然数，输入光纤的排列结构为：任意相邻三个光纤中心连线均为等边三角形。

5.如权利要求4所述的高模场占空比光纤功率合束器，其特征在于当输入光纤的数量n＝3时，输入光纤排列成品字型。

6.如权利要求1所述的高模场占空比光纤功率合束器，其特征在于n根输入光纤(10)与光纤合束部(20)一体熔融拉锥完成。

7.如权利要求1所述的高模场占空比光纤功率合束器，其特征在于输出光纤(30)是单包层光纤或双包层光纤；如果输出光纤(30)是单包层光纤，它包含第二涂敷层(31)、第二包层(32)和第二纤芯(33)；如果输出光纤(30)是双包层光纤，它包含第二外包层(34)、第二内包层(35)和第二纤芯(33)；输出光纤(30)的连接端需要剥去第二涂敷层(31)或第二外包层(34)而露出第二包层(32)或第二内包层(35)；输出光纤(30)的第二纤芯(33)的直径不小于光纤合束部(20)的输出光纤连接端横截面外接圆的直径，且输出光纤(30)的第二纤芯(33)与光纤合束部(20)的输出光纤连接端对准熔接。