CN210924014U - 一种激光合束器 - Google Patents

Abstract

一种激光合束器，包括N根输入光纤、与输入光纤熔接的N根过渡光纤、过渡光纤和毛细管熔融成整体拉锥束以及与拉锥束熔接的输出光纤，输入光纤、过渡光纤以及输出光纤分别包括中间的纤芯以及包裹纤芯的包层，N根输入光纤与N根过渡光纤熔接第一熔接点，并对输入光纤和过渡光纤进行模式剥除处理，N根过渡光纤按照一定排列穿过特定的毛细管中，通过熔融拉锥方式形成光纤与毛细管整体拉锥束，拉锥的直径要与输出光纤包层直径相近，从中间切割，与输出光纤熔接于第二熔接点，输出光纤包层要进行模式剥除处理。该激光合束器可实现多个光纤激光器功率合成，耦合效率高，光束质量良好，极好的抗包层回光能力和纤芯回光能力，可靠性稳定。

Description

一种激光合束器

技术领域

本实用新型涉及光纤激光器技术领域，尤其涉及兼有高耦合效率，良好光束质量，高的抗包层和纤芯回返光能力，可靠性稳定的一种激光合束器器。

背景技术

光纤激光器由于其转化效率高、优质光束质量、质量轻、结构紧凑、易维护、成本低等优点，逐渐取代传统激光器，在市场的多个方面广泛应用，比如通信、医疗、机械加工、3D打印、船舶制造，航空制造等。

由于市场应用需求的不断提升，对光纤激光器的功率的需求也在不断提升。近单模的光纤激光器受限于光纤的非线性效应及热损伤等物理机制，很难达到数千瓦以及万瓦以上激光输出。而激光合束器的提出，使得光纤激光器的超高功率输出成为可能。

为了获得超高功率的光纤激光输出，多个中等功率光纤激光合成是一种有效的手段。激光合成的方法主要有两种，分为相干合成和非相干合成。相干合成是通过相位控制技术对具有相同光谱成分的激光进行远场相干叠加，远场的功率密度正比与输入的激光路数的平方，实现高功率密度合成。但是该方法要求对各路激光的相位必须有确定的相位关系，对相位控制有严格的要求，相位控制受外界环境影响又很大，很难达到精确控制，也就很难应用到实际当中。而非相干合成就不需要相位调制，受环境因素影响小。非相干合成主要包括光谱合成，自适应光学元件合成以及熔融拉锥光纤耦合合成等，空间结构的非相干合成需要对光路进行调节，不灵活，结构复杂，而全光纤的熔融拉锥合成就避免了上述情况，激光功率的提升仅取决于合束器本身，已经成为高功率合成的有效方法。

实用新型内容

为了解决上述现有技术中存在的问题，本实用新型提供一种激光合束器。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种激光合束器，包括N(N≥2)根输入光纤(10)、与输入光纤熔接的N根过渡光纤(20)、过渡光纤和毛细管熔融成整体拉锥束(31)以及与拉锥束熔接的输出光纤(40)，输入光纤(10)、过渡光纤(20)以及输出光纤(40)分别包括中间的纤芯以及包裹纤芯的包层，N根输入光纤(10)与N根过渡光纤(20)熔接于第一熔接点(13)，并对输入光纤包层(12)和过渡光纤包层(21)进行包层光模式剥除处理，N根过渡光纤(20)剥去涂覆层，用酒精清洁包层，N根过渡光纤包层(21)按照一定的排列穿过特定的毛细管(30)中，N 根过渡光纤(20)与毛细管(30)用UV胶(24)固定，通过熔融拉锥方式形成光纤与毛细管整体拉锥束(31)，使得等腰区(32)的拉锥的直径要与输出光纤包层(41)直径相近，然后从中间切割，与输出光纤熔接于第二熔接点(33)，同时输出光纤包层(41)要进行包层光模式剥除处理。

本实用新型和现有技术相比，其优点在于：第一，输入光纤(10)可以选择多种纤芯规格，只要保证输入光纤的纤芯(9)直径小于或等于过渡光纤纤芯(19)，输入光纤的纤芯的数值孔径NA要小于过渡光纤纤芯的数值孔径NA，就可以用这种方法制作，简单方便；第二，通过毛细管尺寸的选择，可以使得合束等腰区(32)的直径和输出光纤的包层(41)直径相近，可以保证产品良好的可靠性；第三，由于输入光纤纤芯(9)，过渡光纤纤芯(19) 以及输出光纤纤芯(39)直径逐渐变大，可以保证很好的耦合效率和光束质量；第四，由于从输入光纤(10)到输出光纤(40)，每种光纤包层上面都做了包层光剥除处理，无论是对正向包层光还是反向包层光都有良好的剥除效果；第五，由于输出光纤纤芯(39)，过渡光纤纤芯(19)以及输入光纤纤芯(9)直径逐渐变小，那么从纤芯返回的光会被逐步转化成包层光，从而被剥除，实现很好的抗纤芯回返光能力，可以很好的保护输入的激光***。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的激光合束器的具体结构示意图。

图2为输入光纤(10)的横截面结构图，包括纤芯(9)，包层(12)，涂覆层(11)；

图3为过渡光纤(20)的横截面结构图，包括纤芯(19)，包层(21)，涂覆层(22)；

图4为输出光纤(40)的横截面结构图，包括纤芯(39)，包层(41)，涂覆层(42)；

图5为输入光纤包层(12)，过渡光纤包层(21)以及输出光纤包层(41)的包层光模式剥除处理(16)，(23)，(45)具体示意图，并将端面切平；

图6为纯石英毛细管(30)，内径(301)，外径(302)；

图7为本实用新型激光合束器一种实施例的(33)熔接点左侧等腰区(32)的横截面，输入光纤数量N＝3的横截面示意图；

图8为本实用新型激光合束器一种实施例的(33)熔接点左侧等腰区(32)的横截面，输入光纤数量N＝7的横截面示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本实用新型公开的示例性实施例，这些实施例是为了能够更透彻地理解本实用新型，并且能够将本实用新型公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。虽然附图中显示了本实用新型公开的示例性实施例，然而应当理解，本实用新型而不应被这里阐述的实施例所限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。同时，在本实用新型的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电性连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

激光合束器由N根输入光纤(10)，N根过渡光纤(20)，毛细管(30)，光纤与毛细管合束整体锥区(31)和等腰区(32)，以及输出光纤(40)组成。其中N是≥2的自然数。

N根输入光纤(10)具有相同的光纤特征参数，也可以具有不同光纤特征参数，但是基本结构相似，光纤横截面结构如图2，包括纤芯直径(9)、包层直径(11)、涂覆层直径(12)、数值孔径NA。该光纤可以是单包层光纤，也可以是双包层光纤，同时要做包层光模式剥除处理(16)。

N根过渡光纤(20)，具有相同的光纤特征参数，也可以具有不同光纤特征参数，但是基本结构相似，光纤横截面结构图如图3，包括纤芯直径(19)、包层直径(21)、涂覆层直径(22)、数值孔径NA。该光纤可以是单包层光纤，也可以是双包层光纤，同时要做包层光模式剥除处理(23)。

输入光纤纤芯(9)直径要小于等于过渡光纤纤芯直径(19)，输入光纤的纤芯的数值孔径NA要小于过渡光纤纤芯的数值孔径NA。

毛细管选择为纯石英毛细管，具体毛细管尺寸的选择，对于不同N(比如N＝2，3，4，7，19)根过渡光纤(20)，通过比例计算，毛细管需要选择特定的内径和外径，内径取决于按照一定方式排列N根过渡光纤包层(21)的最小外接圆，外径取决于输出光纤的包层(41) 直径，要使过渡光纤(20)和毛细管(30)整体拉锥束(31)的等腰区(32)最终直径和输出光纤包层(41)直径相近。

输出光纤(40)要做包层光模式剥除处理(45)。

一种激光合束器的制作方法，其特征在于按照以下步骤进行：

步骤1，将N根输入光纤(10)的涂覆层(11)剥去一定长度，用酒精清洁包层(12)，清洁干净，在包层(12)上面做一定长度的包层光模式剥除处理(16)，并用切割刀将N根光纤端面切平。

步骤2，将N根过渡光纤(20)的涂覆层(22)剥去一定的长度，用酒精清洁包层(21)，清洁干净，在包层(21)上面做一定长度的包层光模式剥除处理(23)，用切割刀将N根过渡光纤端面切平。

步骤3，将步骤1和步骤2已经处理好的N根输入光纤(10)和N根过渡光纤(20) 利用光纤熔接机，无损耗地熔接在熔接点(13)处。

步骤4，根据过渡光纤(20)的数量和输出光纤的包层(41)直径，选择特定内径和外径的毛细管(30)，并用超声波清洗干净。

步骤5，将N根过渡光纤的另一端剥去一定长度的涂覆层(22)，清洁干净包层(21)，将这N根过渡光纤包层(21)按照一定的排列方式穿入选定好的毛细管(30)内孔中，毛细管左端用UV胶(24)将毛细管(30)和过渡光纤(20)粘合成一个整体，UV胶保证涂覆过渡光纤包层(21)一定的长度。

步骤6，将步骤5中毛细管(30)和过渡光纤(20)粘合的整体，固定到光纤拉锥机台面上，调节参数，进行熔融拉锥，拉成锥型(31)，最终等腰区(32)的直径近似等于输出光纤的包层(41)直径，从中间切割，清洁端面，同时保证等腰区N根过渡光纤(20)的纤芯(19)最小外接圆的直径要小于输出光纤(40)纤芯(39)的直径。

步骤7，输出光纤(40)剥除一定长度的涂覆层(42)，用酒精清洁干净包层(41)，并在包层(41)上面做包层光模式剥除处理(45)，利用切割刀将其端面切平，酒精清洁干净输出光纤端面。

步骤8，将步骤6制作好的锥区(31，32)，利用光纤熔接机，和输出光纤(40)熔接于熔接点(33)处，激光合束器制备完成。

图1为该实用新型的结构示意图，是将N根输入光纤纤芯的激光耦合到大纤芯的输出光纤中，包括N根输入光纤(10)，N根过渡光纤(20)，毛细管(30)，光纤与毛细管合束整体锥区(31)和等腰区(32)，以及输出光纤(40)组成。其中N是≥2的自然数。

如图2-图4所示，输入光纤(10)纤芯(9)直径，过渡光纤(20)的纤芯(19)直径，输出光纤(40)的纤芯(39)直径，逐渐变大。

如图2所示，输入光纤(10)包括纤芯(9)，包层(12)以及涂覆层(11)，纤芯(9) 较细，包层(12)和涂覆层(11)较粗，本实例中应用的光纤为纤芯(9)直径为20um，包层(12)直径为400um，涂覆层(11)直径为650um，纤芯NA＝0.065。

如图3所示，过渡光纤(20)包括纤芯(19)，包层(21)以及涂覆层(22)。本实例中应用的光纤为纤芯(19)直径为40um，包层(21)直径为100um，涂覆层(22)直径为250um，纤芯NA＝0.22。

如图4所示，输出光纤包括纤芯(39)，包层(41)以及涂覆层(42)。本实例中应用的光纤为纤芯(39)直径为100um，包层(41)直径为360um，涂覆层(42)直径为650um，纤芯NA＝0.22。

实施案例1

以输入光纤数量N＝3的激光合束器为例，此合束器的具体结构图如图1，具体制备过程如下:

第一步，准备3根如图2所示输入光纤，纤芯/包层/涂覆层为20/400/530um将输入光纤一端的涂覆层(11)剥去一定长度，用酒精清洁包层(12)，清洁干净，在包层(12)上面做一定长度的包层光模式剥除处理(16)，并用切割刀将3根光纤端面切平，如图5。

第二步，准备3根如图3所示过渡光纤，纤芯/包层/涂覆层为40/100/250um，将过渡光纤一端的涂覆层(22)剥去一定长度，用酒精清洁包层(21)，清洁干净，在包层(21)上面做一定长度的包层光模式剥除处理(23)，用切割刀将3根过渡光纤端面切平，如图5。

第三步，将第一步和第二步已经处理好的3根输入光纤(10)和3根过渡光纤(20)利用光纤熔接机，无损耗地熔接在熔接点(13)处。

第四步，根据过渡光纤(20)的根数和输出光纤的包层(41)直径，选择特定内径和外径的毛细管(30)，本案例选择的毛细管(30)，内径(301)为225um，外径(302)为560um，并用超声波将毛细管清洗干净。

第五步，将3根过渡光纤的另一端剥去一定长度的涂覆层(22)，清洁干净包层(21)，将这3根过渡光纤包层(21)按照一定的排列方式穿入选定好的毛细管(30)内孔中，毛细管左端用UV胶(24)将毛细管(30)和过渡光纤(20)粘合成一个整体，UV胶保证涂覆过渡光纤包层(21)一定的长度。

第六步，将步骤5中毛细管(30)和过渡光纤(20)粘合的整体，固定到光纤拉锥机台面上，调节参数，进行熔融拉锥，拉成锥型(31)，最终等腰区(32)的直径(350-360um) 等于或略小于输出光纤的包层(41)360um直径，从中间切割，清洁端面，端面的横截面如图7所示，同时保证等腰区3根过渡光纤(20)的纤芯最小外接圆(50)(如图7)的直径要小于输出光纤纤芯(39)的直径100um。

第七步，准备1根如图4的输出光纤，纤芯/包层/涂覆层为100/360/650um，输出光纤 (40)剥除一定长度的涂覆层(42)，用酒精清洁干净包层(41)，并在包层(41)上面做包层光模式剥除处理(45)，利用切割刀将其端面切平，如图5所示，酒精清洁干净输出光纤端面。

第八步，将第六步制作好的锥区(31，32)，利用光纤熔接机，和输出光纤(40)熔接于熔接点(33)处，激光合束器制备完成。

实施案例2

以输入光纤数量N＝7的激光合束器为例，此合束器的具体结构图如图1，具体制备过程如下:

第一步，准备7根如图2所示输入光纤，纤芯/包层/涂覆层为20/400/530um将输入光纤一端的涂覆层(11)剥去一定长度，用酒精清洁包层(12)，清洁干净，在包层(12)上面做一定长度的包层光模式剥除处理(16)，并用切割刀将7根光纤端面切平，如图5。

第二步，准备7根如图3所示过渡光纤，纤芯/包层/涂覆层为40/100/250um，将过渡光纤一端的涂覆层(22)剥去一定长度，用酒精清洁包层(21)，清洁干净，在包层(21)上面做一定长度的包层光模式剥除处理(23)，用切割刀将7根过渡光纤端面切平，如图5。

第三步，将第一步和第二步已经处理好的7根输入光纤(10)和7根过渡光纤(20)利用光纤熔接机，无损耗地熔接在熔接点(13)处。

第四步，根据过渡光纤(20)的根数和输出光纤的包层(41)直径，选择特定内径和外径的毛细管(30)，本案例选择的毛细管(30)，内径(301)为310um，外径(302)为880um，并用超声波将毛细管清洗干净。

第五步，将7根过渡光纤的另一端剥去一定长度的涂覆层(22)，清洁干净包层(21)，将这7根过渡光纤包层(21)按照一定的排列方式穿入选定好的毛细管(30)内孔中，毛细管左端用UV胶(24)将毛细管(30)和过渡光纤(20)粘合成一个整体，UV胶保证涂覆过渡光纤包层(21)一定的长度。

第六步，将步骤5中毛细管(30)和过渡光纤(20)粘合的整体，固定到光纤拉锥机台面上，调节参数，进行熔融拉锥，拉成锥型(31)，最终等腰区(32)的直径(350-360um) 等于或略小于输出光纤的包层(41)360um直径，从中间切割，清洁端面，端面的横截面如图8所示，同时保证等腰区7根过渡光纤(20)的纤芯最小外接圆(51)(如图8)的直径要小于输出光纤纤芯(39)的直径100um。

第七步，准备1根如图4的输出光纤，纤芯/包层/涂覆层为100/360/650um，输出光纤 (40)剥除一定长度的涂覆层(42)，用酒精清洁干净包层(41)，并在包层(41)上面做包层光模式剥除处理(45)，利用切割刀将其端面切平，如图5所示，酒精清洁干净输出光纤端面。

第八步，将第六步制作好的锥区(31，32)，利用光纤熔接机，和输出光纤(40)熔接于熔接点(33)处，激光合束器制备完成。

以上的实施案例只是该实用新型的个别案例，根据输入光纤数量的不同有不同的制作方式，输入光纤的根数N是≥2的自然数，比如2，3，4，7，19等，都可以用这用方法制作，都属于该实用新型的保护范畴。

该实用新型中输入光纤(10)和过渡光纤(20)可以是同种光纤，也可以是不同种光纤，但是要确保输入光纤纤芯(9)直径小于或等于过渡光纤纤芯(19)直径，输入光纤的纤芯的数值孔径NA要小于过渡光纤纤芯的数值孔径NA，这样可以制做多种类的激光合束器，简单方便。

经过测试结果表明，该类型的激光合束器耦合效率可以达到98％以上，良好的光束质量M²，单臂可以承受2000w以上，可以抗500w包层回返光和200w纤芯回返光。

尽管已经对上述各实施例进行了描述，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改，所以以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利保护范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围之内。

Claims (7)

1.一种激光合束器，其特征在于，包括N根输入光纤(10)、与输入光纤熔接的N根过渡光纤(20)、过渡光纤和毛细管熔融成整体拉锥束(31)以及与拉锥束熔接的输出光纤(40)，输入光纤(10)、过渡光纤(20)以及输出光纤(40)分别包括中间的纤芯以及包裹纤芯的包层，N根输入光纤(10)与N根过渡光纤(20)熔接于第一熔接点(13)，并对输入光纤包层(12)和过渡光纤包层(21)进行包层光模式剥除处理，N根过渡光纤(20)剥去涂覆层；N根过渡光纤包层(21)排列穿过特定的毛细管(30)中，N根过渡光纤(20)与毛细管(30)用UV胶(24)固定，通过熔融拉锥方式形成光纤与毛细管整体拉锥束(31)，使得等腰区(32)的拉锥的直径要与输出光纤包层(41)直径相近，从中间切割，与输出光纤熔接于第二熔接点(33)，同时输出光纤包层(41)要进行包层光模式剥除处理。

2.如权利要求1所述的激光合束器，其特征在于，所述输入光纤(10)为近单模或少模光纤；所述输入光纤(10)为单包层光纤或双包层光纤；所述输入光纤(10)为同类型光纤或不同类型光纤。

3.如权利要求1所述的激光合束器，其特征在于，所述过渡光纤(20)为单包层光纤或双包层光纤；所述过渡光纤(20)为同类型光纤或不同类型光纤。

4.如权利要求1所述的激光合束器，其特征在于，所述毛细管(30)为纯石英毛细管，折射率与过渡光纤包层(21)的折射率相同。

5.如权利要求1所述的激光合束器，其特征在于，所述毛细管(30)的内径取决于按照一定方式排列N根过渡光纤包层(21)的最小外接圆，所述毛细管(30)的外径取决于输出光纤的包层(41)直径，使得过渡光纤(20)和所述毛细管(30)整体拉锥束的等腰区(32)直径和输出光纤包层(41)直径相近。

6.如权利要求1所述的激光合束器，其特征在于，所述UV胶(24)为高折射UV胶。

7.如权利要求1所述的激光合束器，其特征在于，N根所述过渡光纤包层(21)排列穿入毛细管(30)，用UV胶(24)将毛细管和光纤粘合成一体，熔融拉锥切割后，N根过渡光纤(20)的纤芯(19)最小外接圆的直径小于输出光纤(40)的纤芯直径(39)。

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