CN111352249B - 实现平顶光束的侧泵信号合束器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种实现平顶光束的侧泵信号合束器及其制备方法，属于激光光束整形技术领域。主信号光纤至少有两层波导结构，位于内层波导结构的折射率高于位于外层波导结构的折射率，主信号光纤对于传输波长的激光为多模光纤，对侧臂输入光纤进行熔融拉锥处理使其贴合在主信号光纤最内层波导结构之外的波导结构内，侧臂输入光纤的融合长度L为:0mm<L≤200mm；融合深度H为：0μm<H≤500μm；融合区域直径D为：5μm≤D≤500μm，通过控制侧臂输入光纤拉锥融合长度、直径和深度，改变侧臂输入光纤中信号光进入主信号光纤的光波导模式，从而在主信号光纤中实现平顶模式光斑的输出。

Description

实现平顶光束的侧泵信号合束器及其制备方法

技术领域

本发明涉及激光光束整形技术领域，尤其涉及一种实现平顶光束的侧泵信号合束器及其制备方法。

背景技术

激光光束一般为高斯光束，高斯光束是中间强度高，径向方向强度沿高斯轮廓逐渐下降。平顶光束概念是具备光强均匀分布的激光光束。在高功率和高能量体系中，高斯光束的能量大部分集中在中心部分，容易将光学器件损坏，同时，高斯光束将会给器件带来非均匀受热，影响光束质量。在实际应用中，高斯光束由于中心光强十分高，极容易打穿物质，利用平顶光束在激光雕刻时，光强均匀，不容易对物质产生损伤，而；同时平顶光束在激光焊接时，焊接的缝隙比高斯光束更加均匀光滑。所以如何将高斯光束整形成平顶光束成为了一种迫切需要的技术手段。

传统的光束整形方式多是利用空间光学整形。方法包括但不限于以下：光阑法，多透镜阵列，二元光学元件，长焦深整形，液晶空间光调制器，双折射透镜组和非球面透镜组等等。

在光纤波导领域内，平顶光的产生方式有以下几种。

柱矢量光束聚焦整形：柱矢量光束是光纤激光器中的线偏模LP01下的四种精确模式，包括角向柱矢量偏振光，径向柱矢量偏振光和混合态柱矢量偏振光。不同于传统的线偏振光束或者椭圆偏振光束这类偏振均匀分布光束，柱矢量光束是非均匀偏振光束，在光束横截面上偏振态满足轴对称分布，每一处的偏振态和所处的位置相关。在强聚焦情况下，柱矢量光束在焦平面处可以实现光强均匀分布。在对径向柱矢量光束进行强聚焦时，在焦平面将会产生一个很强的纵向分量和一个具备环形分布的径向分量，而角向偏振光在这种情况下将只产生环形分布的角向分量。混合态柱矢量偏振光由于可以看作是前面两种柱矢量的叠加，因此在强聚焦后，会产生三种偏振方向的分量。通过控制径向柱矢量光束和角向柱矢量光束的比例，可以在焦平面出构造一个平顶光束。[文献“Focus shaping usingcylindrical vector beams”]

涡旋光束聚焦整形：涡旋光束是一种携带一定轨道角动量的光束，在光束截面上位相是非均匀分布的。涡旋光束表达式中带有位相因子exp(ilθ)，其中1为涡旋光束的轨道角量子数。研究人员发现对l＝－1的涡旋光束进行强聚焦时，可以产生纵向的实心光强分布和横向的环形分布。由于两种分量相互独立，可以进行光强的直接叠加，从而得到平顶光束。[文献“基于圆偏振涡旋光束强聚焦的平顶光束的构成”]

以上两种聚焦整形优点在于能量利用率高，缺点在于只能在焦平面上形成平顶光束，实际使用不方便操作，对于空间的整形不利于全光纤化的集成，在高功率的光纤激光器的工业应用中无法普及。

通过改变光纤结构来获得平顶模式：在普通两层阶跃光纤的基础上，在纤芯中心引入一个凹陷部分，并使该部分折射率不同于其他部分折射率，且通过理论计算得出对于凹陷部分取不同的折射率，得到不同的平顶基模模场分布。[文献“Design of WaveguideRefractive Index Profile to Obtain Flat Modal Field”]此后，国内外也都对平顶模场光纤结构进行不同的优化设计。然而对于不同模式的光导入光纤之后，想要得到平顶的光斑能量分布，需要特定的折射率分布，同一光纤对不同的入射光不具有普适性，另外制备出折射率特定分布切连续变化的光纤预制棒，要求的工艺和成本都较高。

目前，光纤侧边耦合的方案已经有提出，但是目前都是用来光纤激光器中的泵浦光传输，主信号光纤中传输信号光，侧臂输入光纤中传输泵浦光，对侧臂进入主信号纤的光束能量分布没有要求。

发明内容

针对以上问题，本发明的目的在于提供一种侧泵信号合束器及其制备方法，通过控制侧臂输入光纤拉锥融合的长度、直径和深度，改变侧臂输入光纤中信号光进入主信号光纤的光波导模式，从而在主信号光纤中实现平顶模式光斑的输出。

一种实现平顶光束的侧泵信号合束器，包括一根主信号光纤和至少一根侧臂输入光纤，主信号光纤至少有两层波导结构，位于内层波导结构的折射率高于位于外层波导结构的折射率，主信号光纤对于传输波长的激光为多模光纤，所述侧臂输入光纤贴合在主信号光纤最内层波导结构之外的波导结构内，侧臂输入光纤的融合长度L为：(0mm<L≤200mm)；融合深度H为：(0μm<H≤500μm)；融合区域D直径为：(5μm≤D≤500μm)。

融合长度L：侧臂输入光纤开始与主信号光纤贴合为起点，侧臂输入光纤与主信号光纤贴合结束为终点，两者之间的距离即为融合长度。

融合深度H：以主信号光纤包层为起点，侧臂输入光纤贴合进入主信号光纤最深的地方为终点，两者之间的距离即为融合深度。

融合区域直径D：在制作侧泵合束器时，需对侧臂输入光纤进行拉锥处理，侧臂输入光纤会改变成原光纤—过渡区—锥腰的结构，而锥腰直径即为融合区域直径。

所述主信号光纤最外层波导结构的直径为250μm～1100μm，最内层波导结构的直径为20μm～1000μm。

在另一优选例中，所述主信号光纤的最外层波导结构的直径为250μm、300μm、400μm、600μm、或1100μm。

在另一优选例中，所述主信号光纤的最内层波导结构的直径为20μm、25μm、30μm、50μm或1000μm。

所述主信号光纤的数值孔径为0.03～0.5。

在另一优选例中，所述主信号光纤的数值孔径为：0.06、0.065、0.09、0.11、0.15或0.22。

所述侧臂输入光纤的数值孔径为0.03～0.5。

在另一优选例中，所述侧臂输入光纤的数值孔径为：0.065、0.075、0.08、0.12或0.22。

所述侧臂输入光纤具有至少两层波导结构。

所述侧臂输入光纤的最外层层波导结构的直径为125μm～1100μm，最内层波导结构的直径为10μm～1000μm。

在另一优选例中，所述侧臂输入光纤的最外层波导结构的直径为：125μm、130μm、600μm或1100μm。

在另一优选例中，所述侧臂输入光纤的最内层波导结构的直径为10μm、15μm、20μm、30μm、50μm或1000μm。

所述主信号光纤的最内层波导结构截面为圆形或多边形。

一种实现平顶光束的侧泵信号合束器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

加热侧臂输入光纤，进行拉锥处理，拉锥后锥腰直径D为：5μm≤D≤500μm；

侧臂输入光纤与主信号光纤的贴合，使融合长度L为：0mm<L≤200mm；

侧臂输入光纤与主信号光纤侧面融合，使融合深度H为：0μm<H≤500μm；

所述主信号光纤至少有两层波导结构，位于内层波导结构的折射率高于位于外层波导结构的折射率，主信号光纤对于传输波长的激光为多模光纤。

所述加热和融合所采用的加热源为：氢氧焰、CO2激光器、电极放电或高频感应。

本发明的技术效果：通过控制侧泵信号合束器中侧臂输入光纤拉锥融合的长度、直径和深度，改变侧臂输入光纤中信号光进入主信号光纤的光波导模式，从而在主信号光纤中实现平顶模式光斑的输出，解决了改变光纤结构来获得平顶模式时，需要特定的折射率分布，同一光纤对不同的入射光不具有普适性的问题。本发明相比现有技术的优点在于：

1)光能利用率高；

2)平顶光斑有效范围广；

3)可大批量生产；

4)可根据实际光斑需求定制产品；

5)制作周期短；

6)易于全光纤化集成。

附图说明

图1为信号传输原理示意图；

图2为侧泵信号合束器示意图；

图3为控制融合区域的参数示意图；

图4为高斯光束能量分布示意图；

图5为平顶光能量分布示意图。

具体实施方式

工作原理：

本发明的基本原理如图1所示。

光纤属于弱波导结构，光纤内光波导的模式通常用线性极化模LPmn表示。m表示瓣状分布，n表示环状分布。例如，基模LP₀₁光斑分布为一个圆形，无分瓣。对于光纤的模式能量分布来说，光纤中基模的光强分布就是一个标准的高斯分布，通常越高阶的模式能量分布越靠边缘，所以高阶模占比增加具有匀化光斑能量分布的作用。

在光纤拉锥过程中，光纤纤芯和包层直径等比例减小，导致模场分布变化。根据模场分布情况可分为四个阶段，纤芯多模、纤芯单模、包层多模、包层单模。在纤芯多模和纤芯单模时，纤芯中的基模模场直径随之减小，但是模场还是限制在纤芯中。但随着进一步的拉锥的进行，模场扩散到包层，拉锥进行到第三个阶段——包层多模，包层和空气共同构成了原始光纤的纤芯和包层结构，此时激发出满足光纤传输条件的高阶模，高阶模一般有LP11、LP21、LP02、LP12、LP31、LP41、LP03、LP22、LP51、LP32、LP13、LP61。侧臂输入光纤内高阶模激光穿过融合区域到主信号光纤内，会显著的改变光斑的能量分布等，实现了将高斯光束整形成平顶光束的效果。

在拉锥过程中，通过控制融合深度H、融合长度L和融合区域直径D这三者参数的数值。信号光通过侧臂输入光纤进入主信号光纤时会激发相应高阶模。

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

实施例1：

如图2所示，一种侧泵信号合束器，包括一根主信号光纤和至少一根侧臂输入光纤。(图中为两根侧臂)

主信号光纤至少有两层波导结构，位于内层波导结构的折射率需高于位于外层波导结构的折射率，并且要求主信号光纤对于传输波长的激光为多模光纤。

主信号光纤优选为具有两层波导结构，外层波导结构为包层，内层波导结构为纤芯，具体参数可选自以下任意一种：

侧臂输入光纤优选为具有两层波导结构，外层波导结构为包层，内层波导结构为纤芯，具体参数可选自以下任意一种：

侧臂输入光纤通过融熔拉锥方式贴合在主信号光纤的外层波导结构内。而在制备侧泵合束器时，需要控制侧臂输入光纤的融合长度、融合深度和融合区域直径。

如图3为控制融合区域的参数示意图：

融合长度L：侧臂输入光纤开始与主信号光纤贴合为起点，侧臂输入光纤与主信号光纤贴合结束为终点，两者之间的距离即为融合长度。融合长度L要求：(0mm<L≤200mm)。

融合深度H：在融熔拉锥过程中，侧臂输入光纤会有部分光纤贴合进主信号光纤内部，以主信号光纤包层为起点，侧臂输入光纤最深的地方为终点，两者之间的距离即为融合深度。融合深度要求：(0μm<H≤500μm)，融合深度小于等于主信号光纤直径。

融合区域直径D：在制作侧泵合束器时，需对侧臂输入光纤进行拉锥处理，侧臂输入光纤会改变成原光纤—过渡区—锥腰的结构，而锥腰直径即为融合区域直径。融合区域直径D要求：(5μm≤D≤500μm)，融合区域直径小于等于侧臂输入光纤的包层直径，且小于等于主信号光纤的包层直径。

实施例2：

主信号光纤和侧臂信号光纤均具有两层波导结构，主信号光纤50/400，NA：0.15/0.46，侧臂输入光纤50/125，NA:0.12；

采用氢氧焰为加热源；

侧臂输入光纤预处理：对侧臂输入光纤进行拉锥处理，拉锥后锥腰直径为50μm；

侧臂输入光纤和主信号光纤的贴合：剥除涂覆层的主信号光纤与侧臂输入光纤都采用特制夹具固定，侧臂输入光纤舒展贴合在主信号光纤表面同时光纤不变形不下坠，融合长度L＝2mm；

侧臂输入光纤和主信号光纤的侧面熔合：对氢氧焰温度的控制和熔合时间的长短实现侧臂输入光纤与主信号光纤的熔合深度的控制，融合深度H＝5μm；

最后实例参数为融合深度H＝5μm，融合长度L＝2mm，融合区域直径D＝50μm；

图4所示为未经侧壁信号合束器整形信号光的高斯光斑能量分布，图5所示为经过侧臂信号合束器整形后平顶光斑能量分布。

实施例3：

主信号光纤和侧臂信号光纤均具有三层波导结构，主信号光纤50/70/660，NA:0.22，侧臂输入光纤100/120/360，NA:0.22；

采用氢氧焰为加热源；

侧臂输入光纤预处理：对侧臂输入光纤进行拉锥处理，拉锥后锥腰直径为100μm；

侧臂输入光纤和主信号光纤的贴合：剥除涂覆层的主信号光纤与侧臂输入光纤都采用特制夹具固定，侧臂输入光纤舒展贴合在主信号光纤表面同时光纤不变形不下坠，融合长度L＝5mm；

侧臂输入光纤和主信号光纤的侧面熔合：对氢氧焰温度的控制和熔合时间的长短实现侧臂输入光纤与主信号光纤的熔合深度的控制，融合深度H＝10μm；

最后实例参数为融合深度H＝10μm，融合长度L＝5mm，融合区域直径D＝100μm。

Claims (6)

1.一种实现平顶光束的侧泵信号合束器，包括主信号光纤和至少一根侧臂输入光纤，其特征在于：所述主信号光纤至少有两层波导结构，位于内层波导结构的折射率高于位于外层波导结构的折射率，主信号光纤的最内层波导结构截面为圆形或多边形；主信号光纤对于传输波长的激光为多模光纤，所述侧臂输入光纤贴合在主信号光纤最内层波导结构之外的波导结构内，并且具有至少两层波导结构，通过控制融合深度H、融合长度L和融合区域直径D这三者参数的数值，使得模场分布为包层多模，其中包层和空气共同构成了原始光纤的纤芯和包层结构，使得信号光通过侧臂输入光纤进入主信号光纤时会激发相应高阶模，所述侧臂输入光纤的融合长度L为：2mm≤L≤5mm；融合深度H为：5μm≤H≤10μm；融合区域直径D为：50μm≤D≤100μm。

2.根据权利要求1所述的侧泵信号合束器，其特征在于：所述主信号光纤的最外层波导结构的直径为250μm～1100μm，最内层波导结构的直径为0μm～1000μm。

3.根据权利要求1所述的侧泵信号合束器，其特征在于：所述主信号光纤的数值孔径为：0.03～0.5。

4.根据权利要求1所述的侧泵信号合束器，其特征在于：所述侧臂输入光纤的数值孔径为：0.03～0.5。

5.根据权利要求1所述的侧泵信号合束器，其特征在于：所述侧臂输入光纤的最外层波导结构的直径为125μm～1100μm，最内层波导结构的径为10μm～1000μm。

6.一种实现平顶光束的侧泵信号合束器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

加热侧臂输入光纤，进行拉锥处理，通过控制融合深度H、融合长度L和融合区域直径D这三者参数的数值，使得模场分布进入到包层多模阶段，其中包层和空气共同构成了原始光纤的纤芯和包层结构，使得信号光通过侧臂输入光纤进入主信号光纤时会激发相应高阶模，拉锥后锥腰直径D为：50μm≤D≤100μm；侧臂输入光纤与主信号光纤的贴合，使融合长度L为：2mm≤L≤5mm；

侧臂输入光纤与主信号光纤侧面融合，使融合深度H为：5μm≤H≤10μm；

所述主信号光纤至少有两层波导结构，位于内层波导结构的折射率高于位于外层波导结构的折射率，主信号光纤对于传输波长的激光为多模光纤。

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