CN112290371B - 一种基于方形光纤合束器的激光合束系统 - Google Patents

一种基于方形光纤合束器的激光合束系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于方形光纤合束器的激光合束系统，所述激光合束系统包括：子束模块、合束器、相位控制模块和激光探测器，其中合束器又包括：多根光纤的尾纤、玻璃管和方形光纤，多根尾纤排列成正方形阵列，并与方形光纤垂直连接，玻璃管套在多根尾纤的外周起到保护与加强连接的作用。本发明公开的激光合束系统能够以简单的结构实现基于光波导自成像原理的激光合束技术，提高了合束系统性能的稳定性，降低了激光合束系统的复杂程度，经本发明的激光合束系统进行合束的光束质量接近1，合束效率接近100%。

Description

一种基于方形光纤合束器的激光合束系统
技术领域
本发明属于光纤激光器领域，尤其涉及一种基于方形光纤合束器的激光合束系统。
背景技术
光纤激光器具有转换效率高、光束质量好、热管理方便、结构紧凑等优点，在工业领域、光通信领域及国防领域有着广泛的应用。但受限于热损伤、非线性效应等因素的影响，单根单模光纤激光器的功率不可能无限提升，为了获得更高功率的高亮度激光源，一般采用多路激光相干合成的方式得到高功率输出激光。目前的光纤激光相干合成技术，按照各激光子单元合束方式的不同，可以分为分孔径相干合成技术与共孔径相干合成技术两类。分孔径相干合成指各子光束由分立孔径输出，在发射近场各路光束中心之间存在一定间距，在发射远场各路光束进行有效的相干合成；共孔径相干合成指各子光束由一个共同的孔径发射，在发射近场各路光束中心完全重合，最终表现为一路激光输出。
在共孔径相干合成技术中，根据原理的不同，可将合成技术分为以下几类：基于偏振棱镜的合成技术、基于衍射元件的合成技术、基于熔融拉锥光纤合束器的合成技术和基于光波导自成像原理的合成技术。基于偏振棱镜的合成技术是利用偏振合束器通过级联合束的方式实现多路光束的相干合成；基于衍射元件的合成技术主要是利用光路可逆原理，将衍射光学元件逆向使用从而实现多路光束合成，以上两种方式都是将光纤激光束转换为空间光束，当合成激光光束增加时，使用的空间光学元件数量增加，会大大增加合束系统的复杂程度，稳定度差，散热问题难以解决，不便于热管理。基于熔融拉锥光纤束的光纤合束器是将多根光纤放入玻璃管中进行拉锥，输入光纤逐渐变细，通过纤芯聚拢，实现激光相干合束，虽然是全光纤结构，降低了系统的复杂程度，但这种合成方式由于是通过多根光纤拉锥而成的，因此不可避免的会出现旁瓣，影响合成后的光束质量和合成效率；基于光波导自成像原理的合成技术主要利用自成像效应，即多束输入激光会在光波导中周期性的成像，它具有完全消除旁瓣的潜力，在相干合成中能够实现接近百分之百的合成效率和接近于1的光束质量，因此基于光波导自成像原理的合成技术是激光相干合束的首选。
现有的激光合束系统主要包括三个模块：子束模块、合束模块和相位控制模块，基于不同原理的激光合束系统，其合束模块结构也不全相同，目前国内外基于光波导自成像原理的激光合束系统的合束模块绝大多数采用复杂的光学系统空间结构，即将子束模块的多束激光经过排布或准直后利用空间光学元件进行合束，例如通过空间微透镜准直后打入光波导器件中，这种合束模块由于需要空间光学元件，复杂程度高，稳定性差，而且还存在由于子束模块输出光纤端面发热、光波导器件散热困难而导致的合成功率难以提升的问题。
因此，亟需一种激光合束系统，该合束系统能够以简单的结构实现基于光波导自成像原理的激光合束技术，提高激光合束质量及合束效率。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种激光合束系统，该合束系统为全光纤结构，能够实现基于光波导自成像原理的激光合束技术，结构简单、合束效率高、合束质量好。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：所述激光合束系统包括：子束模块、合束器、相位控制模块和激光探测器；所述子束模块、合束器和激光探测器沿激光传输的方向依次相连，所述相位控制模块分别与子束模块和激光探测器相连；所述子束模块包括多根光纤；所述合束器包括：多根尾纤、玻璃管和方形光纤，所述多根尾纤是子束模块中多根光纤的尾纤，所述多根尾纤放置在玻璃管内，且在玻璃管内排布为正方形阵列，所述方形光纤的纤芯截面划分为与多根尾纤排布阵列一致的多个方形子区域阵列，所述多根尾纤与方形光纤垂直连接，且每根尾纤的纤芯中心与其所对应的方形光纤纤芯截面的方形子区域中心重合。
优选的，所述方形光纤其长度满足光波导自成像要求。
优选的，所述玻璃管其尺寸根据其内部排布的尾纤数量进行调整。
优选的，所述方形光纤其结构为包含方形纤芯的任意光纤结构。
优选的，所述子束模块包括但不限于全光纤激光器。
优选的，所述多根尾纤的输出激光为同一方向的线偏振光，相位锁定，输出为单模激光，且各光束功率相同。
本发明的有益效果是：本发明公开的激光合束系统能够以简单的结构实现基于光波导自成像原理的激光合束技术，该激光合束系统能够消除合束光束的旁瓣，合束后的光束质量接近1，合束效率接近100%，且该合束系统利用包含方形光纤的全光纤系统代替了现有技术中复杂的空间光学结构，使基于光波导自成像原理的激光合束系统结构更加简单，提高了合束系统稳定性；除此之外，本发明的全光纤合束系统由于不存在光纤端面与空间的接触，避免了光纤端面发热的问题，降低了合束器对水冷系统的要求，便于热管理。
本发明为基于光波导自成像原理的激光合束系统的设计提出了一种全新的思路。
附图说明
图1 为本发明的基于方形光纤合束器的激光合束系统的结构示意图；
图2为经本发明的基于方形光纤合束器的合束系统进行合束后的光斑图。
具体实施方式
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
一种基于方形光纤合束器的激光合束系统，所述激光合束系统包括：子束模块、合束器、相位控制模块和激光探测器，其中，子束模块采用光纤放大级，包括多束光纤，合束器将多束激光子束进行相干合成，并将合束后的激光输出到激光探测器中，相位控制模块对激光探测器中的激光束进行检测，通过检测反馈控制子束模块，调整输出激光的相位。
上述子束模块、合束器和激光探测器沿激光传输的方向依次相连，相位控制模块分别与子束模块和激光探测器相连。
上述合束器包括：子束模块中多根光纤的尾纤、玻璃管和方形光纤，其中多根尾纤置于玻璃管内，并排布为方形阵列，如2*2阵列、3*3阵列、4*4阵列等，方形光纤的纤芯划分为与尾纤排布阵列一致的多个方形子区域阵列，多根尾纤与方形光纤垂直连接，且每根尾纤的纤芯中心与其所对应位置的方形纤芯的子区域中心重合。
方形光纤的长度满足光波导自成像的要求，其长度可以根据自成像原理公式及截面尺寸计算得出，即方形光纤的长度需保证方形光纤与探测器连接面上呈现多束激光相干合成为一束激光的像点所在的面。
上述玻璃管的尺寸根据其内部排布的尾纤数量进行调整，玻璃管主要起保护及稳固光纤之间连接的作用。
上述方形光纤形状不限，为包含方形纤芯的任意光纤结构，如方形纤芯、圆形包层结构，或者方形纤芯直接加涂覆层结构等。
上述子束模块不限于全光纤激光器，可以为任何包括多束激光输出光纤的激光器。
多根子束模块的尾纤的输出激光需为同一方向的线偏振光，相位锁定，且各光束功率相同。
假设方形光纤的纤芯与包层的折射率分别为n 1 和n 2 ，设光场从z=0处入射到方形光纤，在光纤中将激励激光波导的本征模式，这些激光模式的线性叠加将构成光纤任意横截面上的场分布。当入射场激励的模式传输到光纤任意位置z处，相应横截面上的场分布及场强度分别为：
Figure 827892DEST_PATH_IMAGE001
（1）
Figure 682716DEST_PATH_IMAGE003
（2）
上式中
Figure 868978DEST_PATH_IMAGE004
为本征模场，在理想的光波导中，本征模场保持不变，公式（2）中
Figure 201870DEST_PATH_IMAGE005
为正值或者负值，当其取绝对值后，即
Figure 547401DEST_PATH_IMAGE006
表示第
Figure 573126DEST_PATH_IMAGE007
个模式在光波导中占的功率比重，一般由输入场和本征模场决定，
Figure 246684DEST_PATH_IMAGE008
也同样为正值或者负值，取绝对值后，即
Figure 117688DEST_PATH_IMAGE009
是指第
Figure 583304DEST_PATH_IMAGE010
个模式在光波导中占的功率比重，
Figure 248772DEST_PATH_IMAGE011
是指各阶导模的本征模场，
Figure 409626DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure 84321DEST_PATH_IMAGE010
为各阶模式的序数，
Figure 404444DEST_PATH_IMAGE013
和
Figure 506392DEST_PATH_IMAGE014
分别为第
Figure 420121DEST_PATH_IMAGE012
和
Figure 367349DEST_PATH_IMAGE010
模式的纵向传播常量，公式（2）右边的第二项是对模场序数不相同的模场的乘积求和，计算的是模场相干叠加的交叉项。当
Figure 807557DEST_PATH_IMAGE015
（N为任意整数）时，相位因子
Figure 814828DEST_PATH_IMAGE016
为常量，交叉项
Figure 215853DEST_PATH_IMAGE017
，则在该位置将再现输入场的分布，形成输入场的自成像，这样的自成像过程可以将方形光纤中传输的场分布周期性地分解为多重光场分布的状态，然后再合成单重场分布的状态，这样的过程完全由方形光纤中导模的自组织调整完成，是一个相干叠加的过程。按照光路可逆的原理，当多束激光从方形光纤多重成像位置处注入方形光纤中后，在上述光场入射的位置合成一束激光，因此这些输入场在满足一定条件的情况下，将会在方形光纤中相干叠加形成一个合适的场分布，进而实现多光束的相干合成。
实施例1
本实施例中，如图1所示以4根光纤的相干合成为例，合束器中将该4根光纤排列为2*2阵列，将方形光纤划分为4个方形子区域，将4根光纤与方形光纤中对应的区域进行垂直连接，并保证光纤中心与其对应的方形子区域的中心重合。4根光纤的输出光束经过本发明的方形光纤合束器进行合束后，得到合束光束质量M2=1.16，激光合束系统的合束效率为99.3%，并且根据图2可以看出本实施例合成的光束没有光束旁瓣。
实施例2
本实施例中，以9根光纤的相干合成为例，将该9根光纤排列为3*3阵列，将方形光纤划分为9个方形子区域，将9根光纤与方形光纤中对应的方形子区域进行垂直连接，并保证光纤中心与与其对应的方形子区域的中心重合。9根光纤的输出激光经过本发明的方形光纤合束模块进行合束后，得到合束光束质量M2小于1.3，激光合束系统的合束效率大于99%。
综上分析，可知本发明公开的激光合束系统能够以简单的结构实现基于光波导自成像原理的激光合束技术，该激光合束系统具有消除合束光束的旁瓣的能力，且能够实现合束后的光束质量接近1，合束效率接近100%，且该合束系统利用包含方形光纤的全光纤系统代替了现有技术中复杂的空间光学结构，使基于光波导自成像原理的激光合束系统结构更加简单，提高了合束系统稳定性，本发明为基于光波导自成像原理的激光合束系统的设计提出了一种全新的思路。

Claims (5)

1.一种基于方形光纤合束器的激光合束系统，其特征在于，所述激光合束系统包括：子束模块、合束器、相位控制模块和激光探测器；所述子束模块、合束器和激光探测器沿激光传输的方向依次相连，所述相位控制模块分别与子束模块和激光探测器相连；所述子束模块包括多根光纤；所述合束器包括：多根尾纤、玻璃管和方形光纤，所述多根尾纤是所述子束模块中多根光纤的尾纤，所述多根尾纤放置在玻璃管内，且在玻璃管内排布为正方形阵列，所述方形光纤的纤芯截面划分为与多根尾纤排布阵列一致的多个方形子区域阵列，所述多根尾纤与方形光纤垂直连接，且每根尾纤的纤芯中心与其所对应的方形光纤纤芯截面的方形子区域中心重合；所述方形光纤其长度满足光波导自成像要求。
2.根据权利要求1所述的基于方形光纤合束器的激光合束系统，其特征在于，所述玻璃管其尺寸根据内部排布的尾纤数量进行调整。
3.根据权利要求1所述的基于方形光纤合束器的激光合束系统，其特征在于，所述方形光纤其结构为包含方形纤芯的任意光纤结构。
4.根据权利要求1所述的基于方形光纤合束器的激光合束系统，其特征在于，所述子束模块包括但不限于全光纤激光器。
5.根据权利要求1所述的基于方形光纤合束器的激光合束系统，其特征在于，所述多根尾纤的输出激光为同一方向的线偏振光，相位锁定，输出为单模激光，且各光束功率相同。
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