CN114280803A - 一种光纤激光合束器 - Google Patents

Abstract

一种光纤激光合束器，使用锥形光纤作为光纤合束器的输出侧耦合光纤，实现减小制作难度，降低损耗和优化光束质量。

Description

一种光纤激光合束器

技术领域

本发明涉及一种光纤激光合束器，为基于锥形光纤输出的信号合束器，可用于高平均输出功率激光器的模式优化输出。

背景技术

光纤激光器已被广泛应用于众多领域，在工业加工领域，特别是工业切割，为了获得更高的切割效率，不但会对光纤激光器的输出功率提出更高的要求，而且还需输出激光具有更优的输出模式。虽然单纤激光器具有结构简单，易获得高光束质量输出等优点，由于其具有光纤热效应、热损伤、模式跳变、非线性等效应的限制，目前单纤激光器在实现万瓦激光直接输出方面一直没有实现重大进展。因此，为了实现超高功率的输出，光纤合束的技术已广泛应用于高功率光纤激光器中。通常的光纤合束技术是通过将多根光纤进行绝缘拉锥后，将其与传能光纤进行熔接，可实现多激光器模块的组束输出。

多根组束光纤被绝缘拉锥后，拉锥后的多根光纤的纤芯或包层需要与输出传能光纤纤芯精确对准后进行熔接，因此，传统输出光纤的纤芯直径大小一定程度地决定了能量合束器的制作难度。而且，传能光纤的数值孔径大小也是能量合束器实现低耦合损耗制作难度的另外一个重要限制因素。基于光学原理，为了获得高光束质量的激光输出，一般要求传能光纤同时具有较小的数值孔径以及纤芯直径，即具有较小的归一化频率值，减少传能光纤所支持的模式数量。但是这两个参数的数值减小会很大程度上地增加合束器的制作难度，耦合插损很难实现有效减小，并严重影响生产的成品率。

现有技术中有一些光纤合束器会采用将多根输入光纤与输出光纤直接熔接的技术方案，并将熔接点制作为锥形，这虽然降低了熔接难度，但是会降低耦合效率并影响光场模式；也有如CN108780190A这样的泵浦合束器，通过多根光纤直接耦合锥形渐缩外表面的石英棒，这虽然降低了耦合器组装难度，但是增大了多根输入光纤的损耗，不易与输出光缆结合，同时由于石英棒的光场模式的原因会降低激光与光纤的模式匹配度，降低输出的光束质量。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种光纤激光合束器，可应用于高功率激光合束输出，克服了现有技术的不足，设计合理。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

本发明提供了一种光纤激光合束器，采用锥形光纤作为模式优化输出光纤进行能量合束，在合束器制作难度未增加的基础上，可实现激光输出模式的优化，光束质量的提升。

一种光纤激光合束器，包括光纤集束区，光纤拉锥区，锥形光纤，光纤集束区由多根光纤来集束组成,光纤拉锥区位于光纤集束区的输出侧，光纤拉锥区的光纤束拉锥端面与锥形光纤一端进行熔接，熔接后的锥形光纤作为光纤激光合束器的输出。锥形光纤输入端的纤芯直径大于锥形光纤输出端的纤芯直径。

光纤集束区包括多根输入光纤，优选地，多根输入光纤采用多根传能光纤组成，优选光纤集束区由7根传能光纤来集束组成，纤芯直径的取值范围为10μm-25μm，包层直径为100μm-150μm，纤芯数值孔径为0.065-0.15；单根输入传能光纤的参数优选纤芯直径为20μm，包层直径为130μm，纤芯数值孔径为0.08。

光纤集束的方法优选套管法，将多根光纤去除涂敷层后套入预设的低折射率玻璃管，优选地，先将7根光纤的一端去掉涂覆层后，将其全部套入一外内径为780μm，内径为390μm的低折射率玻璃管内；采用辅助工具将其进行集束，待集束后，再点涂紫外固化胶进行固定。

光纤拉锥区:光纤集束完成后，将其进行拉锥，锥区长度被确定为 6-10cm，例如为8cm。拉锥区输出端界面光纤束直径拉锥至约50μm-200μ m，优选为100μm。待拉锥后，在锥腰区采用光纤切割刀进行切割。然后采用二氧化碳激光熔接法将切割好的光纤束拉锥端面与锥形光纤输入端进行熔接。

锥形光纤：为一段包层直径和纤芯直径都逐渐缩小的光纤；为了方便锥形光纤参数设计并且实现输出模式的优化，同时减小集束锥区与其之间的熔接插损，提高耦合效率，优选采用锥形光纤为等比例拉锥光纤；

锥形光纤的输入侧耦合结构需要满足：

D² _out*NA² _out≥N*D² _in*NA² _in；

其中，N为输入光纤数量，D_in为输入光纤直径，NA_in输入光纤数值孔径，D_out输出光纤直径，NA_out输出光纤数值孔径。

优选，当选择光纤合束器的输入侧采用7根20/130/0.08光纤时(即为纤芯直径为20μm，包层直径为130μm，纤芯数值孔径为0.08)，需要满足， D² _out*NA² _out≥7*(20*10^-6)²*0.08²；

锥形光纤输入侧的纤芯直径可以在符合条件要求的情况下进行具体的选择，优选的锥形光纤输入端采用的纤芯直径为50μm-200μm。

优选锥形光纤的参数为100/360/0.12，即为纤芯直径为100μm，包层直径为360μm，纤芯数值孔径为0.12。

优选，锥形光纤输出侧纤芯直径的选择范围可以为20μm-100μm。

优选地，锥形光纤的输出端参数为50/180/0.12，即为纤芯直径为50μm，包层直径为180μm，纤芯数值孔径为0.12，提高输出激光的光束质量。

优选使得整段锥形光纤上都满足绝缘拉锥条件，将整段光纤满足光纤内衍射角≥光纤拉锥角。

优选锥形光纤输入侧的纤芯数值孔径与输出侧的纤芯数值孔径一致。

优选，锥形光纤的长度应当满足L>1m,优选的L>5m,设定L的取值范围为1m-50m，优选的范围为5m-20m，优选L＝10m。

目前市场主要采用纤芯直径和数值孔径为标准预定值的多模传能光纤作为超高功率耦合输出纤。本发明采用两端参数分别为不同值、且长度较长的锥形光纤作为输出传能光纤，该光纤的锥度满足绝缘拉锥条件，因此损耗较小。由于该光纤的注入端参数依然为标准预定值，因此该光纤作为能量合束器的输出纤，一方面未增加合束器集束光纤的拉锥难度，另一方面由于锥形区的存在，该光纤输出端光纤的纤芯直径减小至一半甚至更小，其光纤支持输出模式将很大程度上减少，因此其可起到输出模式优化的作用，可提高输出激光的光束质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1是本发明的输入光纤示意图；

图2是本发明中光纤集束区的截面图；

图3是本发明的光纤拉锥区的锥腰区的截面图；

图4是本发明的锥形光纤示意图；

图5是本发明光纤合束器的示意图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。

一种光纤激光合束器，利用锥形光纤耦合输出，实现高光束质量的激光合束输出，尤其的适用于高功率的激光合束。

一种光纤激光合束器，包括光纤集束区(1)，光纤拉锥区(2)，锥形光纤(3)，光纤集束区由多根光纤来集束组成,光纤拉锥区(2)位于光纤集束区(1)的输出侧，光纤拉锥区的光纤束拉锥端面与锥形光纤一端进行熔接，熔接后的锥形光纤(3)作为光纤激光合束器的输出。锥形光纤输入端的纤芯直径大于锥形光纤输出端的纤芯直径。

光纤集束区(1)包括多根输入光纤，在一些实施例下多根输入光纤采用多根传能光纤组成，例如光纤集束区由7根传能光纤来集束组成，组成截面如附图2所示，纤芯直径的取值范围为10μm-25μm，包层直径为100μ m-150μm，纤芯数值孔径为0.065-0.15；单根输入传能光纤的参数在一些实施例下可以选择，纤芯直径为20μm，包层直径为130μm，纤芯数值孔径为 0.08，如图1所示。

光纤集束的方法主要采用套管法，将多根光纤去除涂敷层后套入预设的低折射率玻璃管，在一些实施例下，如先将7根光纤的一端去掉涂覆层后，将其全部套入一外内径为780μm，内径为390μm的低折射率玻璃管内；采用辅助工具将其进行集束，待集束后，再点涂紫外固化胶进行固定。7根光纤集束后光纤的端面排布结构如图2所示。

光纤拉锥区(2):光纤集束完成后，在光纤集束区输出侧预定区域进行拉锥，锥区长度被确定为6-10cm，例如为8cm。输出端界面直径拉锥至约50 μm-200μm，在一些实施例下为100μm。待拉锥后，在锥腰区采用光纤切割刀进行切割，切割端面如附图3。然后，采用二氧化碳激光熔接法将切割好的光纤束拉锥端面与锥形光纤一端进行熔接。

锥形光纤(3)：如附图4所示，为一段包层直径和纤芯直径都逐渐缩小的光纤；发明人意识到，锥形光纤的拉锥形状会影响集束锥区和锥形光纤的插入损耗，本发明采用锥形光纤为等比例拉锥光纤；可以在方便锥形光纤参数设计并且实现输出模式的优化的同时减小集束锥区与其之间的熔接插损，提高耦合效率。

由于在光束合束时，会容易造成能量泄露和逸出，发明人为解决这个技术问题，设定锥形光纤的输入侧耦合结构需要满足：

D² _out*NA² _out≥N*D² _in*NA² _in 式1；

其中，N为输入光纤数量，D_in为输入光纤直径，NA_in输入光纤数值孔径，D_out输出光纤直径，NA_out输出光纤数值孔径。

例如，当选择光纤合束器的输入侧采用7根20/130/0.08光纤时(即为纤芯直径为20μm，包层直径为130μm，纤芯数值孔径为0.08)，需要满足， D² _out*NA² _out≥7*(20*10^-6)²*0.08²；

根据上述要求，我们可以选择锥形光纤的参数为100/360/0.12，即为纤芯直径为100μm，包层直径为360μm，纤芯数值孔径为0.12。

当然，锥形光纤输入侧的纤芯直径可以在符合条件要求的情况下进行具体的选择，优选的锥形光纤输入端采用的纤芯直径为50μm-200μm。

同时，发明人意识到，通常大程度的改善光束质量需要较小的锥形光纤输出侧直径，锥形光纤输出侧纤芯直径的选择范围可以为20μm-100μm。

例如我们选择锥形光纤的输出端参数为50/180/0.12，即为纤芯直径为50 μm，包层直径为180μm，纤芯数值孔径为0.12，此时可以使得，由于锥度光纤的直径从100/360/0.12过渡至50/180/0.12，因此归一化频率数值V从 67.78变为34.89，说明其支持光纤模式数量将很大程度地的减少，可以实现模式优化，提高输出激光的光束质量。

而在长距离的锥形光纤波导输出时，有时部分光会在路程中逐步的逸出锥形光纤或损耗，造成效率的降低，为此，发明人意识到，可以采用绝缘拉锥的手段降低锥形光纤输出的光能量的损失，使得整段锥形光纤上都满足绝缘拉锥条件，将整段光纤满足光纤内衍射角≥光纤拉锥角。

衍射公式，

，其中λ为工作波长，n为纤芯折射率，a为纤芯直径。根据衍射公式可得a为最小时，衍射角度最大。取λ＝1080nm，n＝1.45，a＝100μm处的衍射角度为2.37*10^-3rad，我们需要光纤拉锥角远小于这个值，这时就需要限定锥形光纤的长度满足要求，根据计算可得，锥形光纤的长度应当满足L>1m, 优选的L>5m,由于输出光纤也不宜过长，我们设定L的取值范围为1m-50m，优选的范围为5m-20m，例如我们可以选择L＝10m，锥形光纤输入侧的纤芯数值孔径与输出侧的纤芯数值孔径一致，当采用锥度光纤的直径从 100/360/0.12过渡至50/180/0.12时，由于该锥形光纤为等比例拉锥光纤，在整段光纤上，其锥度大小都为2.5*10^-6rad，远远小于光纤内衍射角。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种光纤激光合束器，包括，光纤集束区，光纤拉锥区，锥形光纤，光纤集束区由多根光纤来集束组成,光纤拉锥区位于光纤集束区的输出侧，光纤拉锥区的光纤束拉锥端面与锥形光纤一端进行熔接，熔接后的锥形光纤作为光纤激光合束器的输出，锥形光纤输入端的纤芯直径大于锥形光纤输出端的纤芯直径。

2.根据权利要求1的激光合束器，锥形光纤为等比例拉锥光纤。

3.根据权利要求1的激光合束器，光纤集束区采用多根光纤去除涂敷层后套入预设的低折射率玻璃管。

4.根据权利要求1的激光合束器，光纤拉锥区为光纤集束区输出侧预定区域进行拉锥形成。

5.根据权利要求4的激光合束器，待拉锥后，在锥腰区进行切割，然后，采用激光熔接法将切割好的光纤束拉锥端面与锥形光纤一端进行熔接。

6.根据权利要求1的激光合束器，锥形光纤的输入侧耦合结构需要满足；D² _out*NA² _out≥N*D² _in*NA² _in；其中，N为输入光纤数量，D_in为输入光纤直径，NA_in输入光纤数值孔径，D_out输出光纤直径，NA_out输出光纤数值孔径。

7.根据权利要求2的激光合束器，整段锥形光纤上都满足绝缘拉锥条件，整段光纤满足光纤内衍射角≥光纤拉锥角。

8.根据权利要求7的激光合束器，锥形光纤的长度L的取值范围为1m-50m。

9.根据权利要求7的激光合束器，光纤集束区由7根传能光纤来集束组成，纤芯直径的取值范围为10μm-25μm，包层直径为100μm-150μm，纤芯数值孔径为0.065-0.15，锥形光纤的长度L的取值范围为5m-20m。

10.根据权利要求9的激光合束器，单根输入传能光纤的参数为纤芯直径为20μm，包层直径为130μm，纤芯数值孔径为0.08；光纤拉锥区长度被确定为8cm，输出端界面直径拉锥至100μm；锥形光纤的参数从输入侧的100/360/0.12过渡至输出侧的50/180/0.12。

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