CN114488400A - 一种基于倏逝波耦合的高亮度光纤合束器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于倏逝波耦合的高亮度光纤合束器及其制备方法，输入光纤包括一根中心光纤和多根合束光纤；合束玻璃管由位于左部的第一梯度部分和位于右部的第二梯度部分组成，且二者之间为环形台阶面；合束玻璃管套设于中心裸露光纤C的外部，且熔融密接；第二梯度部分的右端和中心裸露光纤C经过拉锥后形成锥形光纤；多根合束光纤周向环绕于第一梯度部分的外表面，且其一端为去除涂覆层A后的半裸对接纤芯，半裸合束纤芯侧面与第一梯度部分的外圆面熔融密接，且其右端与环形台阶面熔融密接；套管固定套装于多根合束光纤与合束玻璃管结合处的外侧。该光纤合束器能实现中红外波段高功率激光稳定可靠的输出；该制备方法能显著降低拉锥作业的工艺要求。
Description
技术领域
本发明属于光纤合束器技术领域，尤其涉及一种基于倏逝波耦合的高亮度光纤合束器 及其制备方法。
背景技术
光纤激光器具有转换效率高、光束质量好、结构紧凑以及维护方便等优点，近几年得 到了飞速发展，已在科学研究、工业制造和国防安全等领域得到了广泛的应用，同时也是 未来高功率激光发展的重要方向之一。然而由于热损伤、非线性效应、光纤端面损伤、热透镜效应等因素的制约，单根单模光纤激光器的输出功率不可能无限提升。只有通过光纤激光合成技术才能突破单根光纤激光器的功率提升瓶颈。
基于光纤功率合束器的光纤激光合成技术可以实现全光纤化，具有结构紧凑、可靠性 高、成本低、稳定性良好等优势。攻克光纤功率合束器的关键技术，实现高效率、高功率 及高光束质量的光纤功率合束器研制，已成为当今光纤激光领域亟需解决的关键问题。
在功率合束器的制备流程中，熔融拉锥是十分重要的工艺步骤，多根输入光纤组束后 需要进行共同拉锥到输出光纤的纤芯尺寸，以实现输入光纤中的能量向输出光纤中高效耦 合。对于传统的功率合束器，普遍存在合束光纤束在熔融拉锥的过程中形变量大、模场占 空比小的问题。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于倏逝波耦合的高亮度光纤合束器 及其制备方法，该光纤合束器结构简单，具有高纤芯占空比、高光束质量、功率可靠性高 的特点，其能实现中红外波段高功率激光稳定可靠的输出，同时，其易于生产和推广；该方法制作工艺简单，能显著降低拉锥作业的工艺要求，并能保证拉锥后的质量更容易达到预期要求，同时，其能利于降低锥区的最大功率密度，能极大提高功率合束器的损伤功率；再者，其能有利于使锥区的能量分布更均匀，可显著降低热梯度效应，并能有效提高光传输面积的占比。
本发明提供了一种基于倏逝波耦合的高亮度光纤合束器，包括输入光纤、合束玻璃管、 输出光纤和套管；所述输入光纤包括一根中心光纤和多根合束光纤，多根合束光纤环绕在 中心光纤的外围；
所述中心光纤由最外层的涂覆层C、位于中间的包层C和位于里面的纤芯C组成，其右 端为去除涂覆层C后的中心裸露光纤C；
所述合束玻璃管为梯度结构，其由位于左部的第一梯度部分和位于右部的第二梯度部 分组成，且第一梯度部分的外径小于第二梯度部分的外径，第二梯度部分的左端部在第一 梯度部分的右端部以外的环形台阶面为平面结构；合束玻璃管的内管径与中心裸露光纤C 的外径相适配；合束玻璃管套设于中心裸露光纤C的外部，并与中心裸露光纤C之间熔融 密接后形成中心裸露光纤C的玻璃包层；第二梯度部分的右端和右端中心的中心裸露光纤C 经过拉锥后形成锥形光纤，所述锥形光纤由位于左部的拉锥过渡部分和位于右部的锥腰部 分组成，所述锥腰部分的右端形成锥形光纤的结合端A；
所述输出光纤由最外层的涂覆层B、位于中间的包层B和位于里面的纤芯B组成，输出 光纤的左端为去除涂覆层B的结合端B，结合端B与结合端A熔融密接；
所述合束光纤由最外层的涂覆层A、位于中间的包层A和位于里侧的纤芯A组成；多根 合束光纤周向环绕于第一梯度部分的外表面，且其在靠近第二梯度部分的部分为去除涂覆 层A和包层A后的半裸对接纤芯，半裸合束纤芯侧面裸露出部分纤芯A的部分与第一梯度 部分的外圆面熔融密接，且其右端与环形台阶面熔融密接；
所述套管固定套装于多根合束光纤与合束玻璃管结合处的外侧。
作为一种优选，还包括金属封装壳，所述金属封装壳套设在套管的外部，其左端延伸 到输入光纤的左端，其右端延伸到输出光纤的右端。
作为一种优选，所述合束光纤的数量为3根或4根或5根或6根或多于6根。
作为一种优选，所述输入光纤和输出光纤均为圆柱形石英光纤；第一梯度部分和第二 梯度部分均为管壁厚度均匀的管体。
本发明基于波导耦合原理，在合束端将多根合束光纤的纤芯能量利用波导耦合的方式 耦合至中心光纤的玻璃包层中，这样，能在相同合束功率下大大降低了锥区的光功率密度， 较同尺寸的传统功率合束器大大提高了损伤阈值。同时，能使锥区的能量分布更均匀，进 而无明显热梯度效应，避免了因热梯度效应导致锥区损坏的情况发生，极大提高了光传输 面积的占比。由于仅需将中心光纤一端的玻璃包层尺寸拉锥与输出光纤的包层B尺寸匹配 即可，这能有助于降低拉锥作业的难度，同时，能显著的提高组束效率，再者，还能保证 拉锥后的质量更容易达到甚至超过预期要求。另外，其结构简单，易于生产和制作，能显 著降低生产成本，便于大范围推广应用。
本发明还提供了一种基于倏逝波耦合的高亮度光纤合束器的制备方法，具体包括如下 步骤：
步骤一：对多根合束光纤的对接端进行处理，使其对接端裸露出部分纤芯A并形成半 裸露光纤纤芯；
步骤二:制备折射率小于中心光纤的包层C的折射率、且为梯度结构的合束玻璃管， 所述合束玻璃管的内径均匀，其由外径较小的第一梯度部分和外径较大的第二梯度部分两 部分组成，并使第二梯度部分的左端部在第一梯度部分的右端部以外的部分为呈平面结构 的环形台阶面；
步骤三：先将中心光纤右端的涂覆层C剥除，于中心光纤的右端形成中心裸露光纤C， 再使其完全穿过步骤二中制备的合束玻璃管中，然后对合束玻璃管进行加热，使合束玻璃 管的内壁与穿入的中心裸露光纤C的包层C熔融密接形成组合光纤；
步骤四：将步骤三中的组合光纤置于夹具中，再将夹具放置到拉锥机的拉锥平台上， 然后对第二梯度部分的右端和右端中心的中心裸露光纤C共同加热至熔融状态，再施加一 定的拉力进行拉锥处理，拉锥处理后对端部进行切割形成锥形光纤；所述锥形光纤由位于 左部的拉锥过渡部分和位于右部的锥腰部分组成；
步骤五：先将输出光纤对接端的涂覆层B剥除一定长度，并对输出光纤进行清洁处理， 再将步骤四中获得的锥形光纤中锥腰部分的对接端与输出光纤的对接端置于同一轴线上， 并利用熔接机进行熔接，在熔接后形成轴心光纤；
步骤六：对经过步骤五处理的合束玻璃管和经过步骤一处理的多根合束光纤进行组束， 先将多根合束光纤周向环绕于第一梯度部分的外侧，并使半裸合束纤芯的右端与环形台阶 面熔融密接，使半裸合束纤芯裸露出部分纤芯A的部分与第一梯度部分的外圆面熔融密接； 再在多根合束光纤与合束玻璃管结合处的外侧套装套管，对结合处进行固定保护；
步骤七：先对组束部分进行加热，使其熔融密接，再利用金属封装壳进行封装，得到 光纤合束器。
作为一种优选，在步骤一中，半裸露光纤纤芯的长度为l1，且l1满足公式(1)；
式中，K为纤芯A的波导耦合系数，n为任意自然数；
在步骤二中，第一梯度部分的管壁厚度为h1，长度为l2，且h1满足公式(2)，l2＝l1；第二梯度部分的管壁厚度h2大于50um；
式中，λ为传输光波长，neff为合束光纤的有效折射率，n1为合束光纤的材料折射率， k0为真空波导常数；
在步骤六中，熔融密接的长度为L，且L满足公式(3)；
作为一种优选，在步骤一中对合束光纤进行处理的具体方法如下：
S11：先将合束光纤的对接端剥去一定长度的涂覆层A，再用无水乙醇将合束光纤擦拭 干净，确保裸露出的包层A无污染物；
S12：将合束光纤水平的固定在光纤研磨机上，调节光纤研磨机的研磨深度，沿包层A 的切面对包层A匀速研磨，直至研磨至裸露出纤芯A，然后旋转固定的合束光纤，继续研磨其余部分的包层A，直至研磨至所需要的连接形状，形成裸露出一定长度纤芯A的半裸 合束纤芯。
作为一种优选，在步骤二中合束玻璃管的制备方法如下：
S21：选取折射率为1.41，内壁直径为1200um，外壁直径为1500um的玻璃管；
S22：先用超声波清洗玻璃管，再利用吸气加热法清除玻璃管中残余酒精，并用酒精棉 擦拭玻璃管的外壁；
S23：设置拉锥机参数，将玻璃管放入拉锥机中进行拉锥，使玻璃管的中段形成位于中 心区域的锥腰管段、位于锥腰管段两侧的两个拉锥过渡管段，并确保锥腰管段的内管径与 中心裸露光纤C的包层直径相匹配，同时，确保锥腰管段的长度大于l1+50um；
S24：对拉锥后的玻璃管进行切割处理，仅保留锥腰管段；
S25：先取一直径与锥腰管段内管径相匹配的金属丝，使其穿过锥腰管段的内管径进行 支撑，再将锥腰管段固定在光纤研磨机上，从一侧取长度为l1的区域进行研磨处理，并通过 研磨形成具有第一梯度部分和第二梯度部分的梯度结构，其中，第一梯度部分的内管径与 第二梯度部分的内管径相同，第一梯度部分的外壁直径小于第二梯度部分的外壁直径。
作为一种优选，在步骤三中对合束玻璃管进行加热时，采用氢氧焰加热或激光加热或超 温等离子体加温的方式进行。
作为一种优选，在步骤四中进行切割作业时，采用机械切割或激光切割的方式进行。
与现有技术相比，本发明具有如下优势：首先，本方法与传统功率合束器的制备流程相 比，不需要将多根输入光纤组束拉锥至输出光纤的纤芯尺寸，只需要对位于中心的单根输入 光纤进行拉锥匹配，大大降低了拉锥作业的难度，同时，极大的提高组束效率。以7×1功率 合束器为例，输入光纤为25/400μm，输出光纤50/400μm，传统组束方案需要将7根输入光 纤，在包层结构上进行组束，组束后得到一根直径近似为1200μm的光纤，需要拉锥至锥腰 处直径为50μm的状态，再将拉锥后的光纤与输出光纤的纤芯进行熔接。锥区直径比上拉锥 前直径为1/24，其对拉锥工艺的操作要求极高，同时，容易导致拉锥的质量无法达到预期效 果。通过本发明所提供的方案，仅需要针对中心的一根输入光纤进行拉锥，由直径400μm拉 锥至直径50μm，锥区直径比上拉锥前直径为1/8，这显著降低了拉锥的工艺要求，同时，能 保证拉锥后的质量更容易达到甚至超过预期要求。
其次，相较于传统功率合束器将多根输入光纤同时拉锥、熔接的方案，本发明将多根合 束光纤的纤芯能量耦合至中心光纤的玻璃包层中，在相同合束功率下大大降低了锥区的光功 率密度，较同尺寸的传统功率合束器大大提高了损伤阈值。以7×1功率合束器为例，输入光 纤为25/400μm，输出光纤50/400μm，每根输入光纤承担1000W的输入功率。传统功率合束 器，在包层结构上进行组束，组束后得到一根直径近似为1200μm的光纤，需要拉锥至锥腰 处直径为50μm的状态，再将拉锥后的光纤与输出光纤的纤芯进行熔接。激光保持在纤芯传 输，锥区的单根输入光纤的纤芯直径约为1.04μm，输入光的能量聚集在各自的纤芯中，单根 纤芯面积约为0.843μm^2，平均光功率密度约为1180W/(μm^2)；本发明所提供的方案，将四 周的合束光纤的纤芯能量耦合至中心光纤的玻璃包层中，锥区熔接前，大部分输入光在中心 光纤的玻璃包层结构中传播，锥区输入光纤包层面积约为1954μm^2，纤芯面积约为7.6μm^2， 包层光功率密度为3W/(μm^2)，纤芯功率密度为3W/(μm^2)，平均功率密度为3.6W/(μm^2)。 本发明对比传统功率合束器，将锥区的最大功率密度降低了一个数量级，大大提高了功率合 束器的损伤功率。
再者，相较传统功率合束器多纤芯拉锥熔接的方案，本发明将多根合束光纤的纤芯能量 耦合至中心光纤的玻璃包层中，能使锥区的能量分布更均匀，无明显热梯度效应，避免了因 热梯度效应导致锥区损坏的情况发生，同时，大大提高了光传输面积的占比。以7×1功率合 束器为例，输入光纤为25/400μm，输出光纤50/400μm。传统功率合束器，在包层结构上进 行组束，组束后得到一根直径近似为1200μm的光纤，需要拉锥至锥腰处直径为50μm的状态， 再将拉锥后的光纤与输出光纤的纤芯进行熔接。锥区输入光纤束总直径约为50μm，7路输入 光纤，锥区纤芯直径为1.04μm，总纤芯面积为5.901μm^2，有效光利用面积为5.901μm^2， 光传输面积占比为0.003，输入激光在纤芯中传播，功率合束器工作时，中心锥区存在7个高 能量密度的场，因锥区较细，导致严重的热效应，且由于多个热源，以及分布不均导致热梯 度效应，大大影响了合束器的正常工作；本发明所提供的方案，将四周的合束光纤的纤芯能 量耦合至中心光纤的玻璃包层中，在锥区中，激光在玻璃包层和纤芯中传播，锥区总面积为 1962.5μm^2，光传输面积为1962.5μm^2，光传输面积占比为1，较传统方案提高了2个数量 级，且本发明所提供的方案，锥区激光传输分为两部分，一部分为纤芯的激光，另一部分为 玻璃包层的激光，呈环形分布，锥区整体截面能量分布呈现中心能量较高，四周较弱的结构， 无明显热梯度效应。
附图说明
图1是本发明中合束光纤的结构示意图；
图2是本发明中玻璃管经过拉锥处理后的结构示意图；
图3是本发明中合束玻璃管的结构示意图；
图4是本发明中中心光纤与合束玻璃管的装配示意图；
图5是本发明中轴心光纤、合束玻璃管和输出光纤的装配示意图；
图6是本发明的结构示意图；
图7是输入光纤为五根的合束器的断面示意图；
图8是输入光纤为七根的合束器的断面示意图。
图中：1、合束光纤，2、涂覆层A，3、包层A，4、纤芯A，5、半裸合束纤芯，6、玻 璃管，7、拉锥过渡管段，8、锥腰管段，9、第一梯度部分，10、第二梯度部分，11、合束 玻璃管，12、中心光纤，13、锥形光纤，14、锥腰部分，15、拉锥过渡部分，16、输出光 纤，17、涂覆层B，18、包层B，19、纤芯B，20、套管，21、轴心光纤，22、环形台阶面。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1至图8所示，一种基于倏逝波耦合的高亮度光纤合束器，包括输入光纤、合束玻璃管11、输出光纤16和套管20；所述输入光纤包括一根中心光纤12和多根合束光纤1， 多根合束光纤1环绕在中心光纤12的外围；
所述中心光纤12由最外层的涂覆层C、位于中间的包层C和位于里面的纤芯C组成，其右端为去除涂覆层C后的中心裸露光纤C；
所述合束玻璃管11为梯度结构，其由位于左部的第一梯度部分9和位于右部的第二梯 度部分10组成，且第一梯度部分9的外径小于第二梯度部分10的外径，第二梯度部分10 的左端部在第一梯度部分9的右端部以外的环形台阶面22为平面结构；合束玻璃管11的内管径与中心裸露光纤C的外径相适配；合束玻璃管11套设于中心裸露光纤C的外部，并 与中心裸露光纤C之间熔融密接后形成中心裸露光纤C的玻璃包层；第二梯度部分10的右 端和右端中心的中心裸露光纤C经过拉锥后形成锥形光纤13，所述锥形光纤13由位于左部 的拉锥过渡部分15和位于右部的锥腰部分14组成，所述锥腰部分14的右端形成锥形光纤 13的结合端A；
所述输出光纤16由最外层的涂覆层B17、位于中间的包层B18和位于里面的纤芯B19 组成，输出光纤16的左端为去除涂覆层B17的结合端B，结合端B与结合端A熔融密接；
所述合束光纤1由最外层的涂覆层A2、位于中间的包层A3和位于里侧的纤芯A4组成； 多根合束光纤1周向环绕于第一梯度部分9的外表面，且其在靠近第二梯度部分10的部分 为去除涂覆层A2和包层A3后的半裸对接纤芯5，半裸合束纤芯5侧面裸露出部分纤芯A4的部分与第一梯度部分9的外圆面熔融密接，且其右端与环形台阶面22熔融密接；
所述套管20固定套装于多根合束光纤1与合束玻璃管11结合处的外侧。
作为一种优选，中心光纤12的包层C与合束光纤1的纤芯A4为同一波导，具有相同波导系数；
作为一种优选，还包括金属封装壳，所述金属封装壳套设在套管20的外部，其左端延 伸到输入光纤的左端，其右端延伸到输出光纤16的右端。
作为一种优选，所述合束光纤1的数量为3根或4根或5根或6根或多于6根。不同 数量的合束光纤1的数量，半裸合束纤芯5侧面裸露出部分纤芯A4的部分连接形状各不同 相，具体可通过调整合束纤芯5的抛光形状(如不同角度的扇形)来实现。
作为一种优选，所述输入光纤和输出光纤16均为圆柱形石英光纤；第一梯度部分9和 第二梯度部分10均为管壁厚度均匀的管体。
本发明基于波导耦合原理，在合束端将多根合束光纤的纤芯能量利用波导耦合的方式 耦合至中心光纤的玻璃包层中，这样，能在相同合束功率下大大降低了锥区的光功率密度， 较同尺寸的传统功率合束器大大提高了损伤阈值。同时，能使锥区的能量分布更均匀，进 而无明显热梯度效应，避免了因热梯度效应导致锥区损坏的情况发生，极大提高了光传输 面积的占比。由于仅需将中心光纤一端的玻璃包层尺寸拉锥与输出光纤的包层B尺寸匹配 即可，这能有助于降低拉锥作业的难度，同时，能显著的提高组束效率，再者，还能保证 拉锥后的质量更容易达到甚至超过预期要求。另外，其结构简单，易于生产和制作，能显 著降低生产成本，便于大范围推广应用。
本发明还提供了一种基于倏逝波耦合的高亮度光纤合束器的制备方法，具体包括如下 步骤：
步骤一：对多根合束光纤1的对接端进行处理，使其对接端裸露出部分纤芯A4并形成 半裸露光纤纤芯5；作为一种优选，半裸露光纤纤芯5的长度为l1，单位为um，且l1满足 公式(1)；
式中，K为纤芯A4的波导耦合系数，n为任意自然数；
在对合束光纤1的包层A3进行处理时，可以采用机械抛光法、化学腐蚀法或激光加工 法。作为一种优选，本发明采用机械抛光法对合束光纤1进行处理，其具体方法如下：
S11：先将合束光纤1的对接端剥去一定长度的涂覆层A2，再用无水乙醇将合束光纤1 擦拭干净，确保裸露出的包层A3无污染物；作为一种优选，涂覆层A2剥去的长度可以为5cm；
S12：将合束光纤1水平的固定在光纤研磨机上，调节光纤研磨机的研磨深度，沿包层 A3的切面对包层A3匀速研磨，直至研磨至裸露出纤芯A4，然后旋转固定的合束光纤1，继续研磨其余部分的包层A3，直至研磨至所需要的连接形状，形成裸露出一定长度纤芯A4的半裸合束纤芯5。作为一种优选，半裸合束纤芯5的长度可以为100um；研磨的质量决定了 波导耦合的效率，故在制备该结构时需要严格控制研磨深度，使误差范围控制在±0.5μm以内；
作为一种优选，所述合束光纤1的数量可以为3根或4根或5根或6根或多于6根，不同数量的合束光纤1在处理过程中，其裸露纤芯A4部分的断面形状可以通过调整合束光纤1的抛光角度来实现。
步骤二:制备折射率小于中心光纤12的包层C的折射率、且为梯度结构(即为阶梯结 构)的合束玻璃管11，所述合束玻璃管11的内径均匀，其由外径较小的第一梯度部分9和外径较大的第二梯度部分10两部分组成，并使第二梯度部分10的左端部在第一梯度部分9的右端部以外的部分为呈平面结构的环形台阶面22；
作为一种优选，第一梯度部分9的管壁厚度为h1，长度为l2，且h1满足公式(2)，l2＝l1； 第二梯度部分10的管壁厚度h2大于50um；
式中，λ为传输光波长，neff为合束光纤1的有效折射率，n1为合束光纤1的材料折射率，k0为真空波导常数；
作为一种优选，在步骤二中合束玻璃管11的制备方法如下：
S21：选取低折射率的玻璃管6，具体折射率为1.41，内壁直径为1200um，外壁直径为 1500um的玻璃管6；
S22：先用超声波清洗玻璃管6，再利用吸气加热法清除玻璃管6中残余酒精，并用酒 精棉擦拭玻璃管6的外壁；
S23：设置拉锥机参数，将玻璃管6放入拉锥机中进行拉锥，使玻璃管6的中段形成位 于中心区域的锥腰管段8、位于锥腰管段8两侧的两个拉锥过渡管段7，并确保锥腰管段8的内管径与中心裸露光纤C的包层直径相匹配，同时，确保锥腰管段8的长度大于l1+50um；作为一种优选，锥腰管段8的长度为280um，其内管径为400um，其外径为500um；
S24：对拉锥后的玻璃管6进行切割处理，仅保留锥腰管段8；
S25：先取一直径与锥腰管段8内管径相匹配的金属丝，使其穿过锥腰管段8的内管径 进行支撑，再将锥腰管段8固定在光纤研磨机上，从一侧取长度为l1的区域进行研磨处理， 并通过研磨形成具有第一梯度部分9和第二梯度部分10的梯度结构，其中，第一梯度部分 9的内管径与第二梯度部分10的内管径相同，第一梯度部分9的外壁直径小于第二梯度部 分10的外壁直径。
作为一种优选，第一梯度部分9的管壁厚度h1优选为2um，长度为80um，其内管径为400um，其外径为406um；第二梯度部分10的管壁厚度h2优选为200um，其内管径为 400um，其外径为500um；
步骤三：先将中心光纤12右端的涂覆层C剥除，于中心光纤12的右端形成中心裸露光纤C，再使其完全穿过步骤二中制备的合束玻璃管11中，然后对合束玻璃管11进行加热，使合束玻璃管11的内壁与穿入的中心裸露光纤C的包层C熔融密接形成组合光纤；
作为一种优选，中心光纤12上涂覆层C去除的长度为5cm，在去除涂覆层C后需通过无水乙醇擦拭干净，确保包层无污染物；
作为一种优选，对合束玻璃管11进行加热时，采用氢氧焰加热或激光加热或超温等离 子体加温的方式进行。
步骤四：将步骤三中的组合光纤置于夹具中，再将夹具放置到拉锥机的拉锥平台上， 然后对第二梯度部分10的右端和右端中心的中心裸露光纤C共同加热至熔融状态，再施加 一定的拉力进行拉锥处理，拉锥处理后对端部进行切割形成锥形光纤13，具体地，所选择 的切割部位的外径与输出光纤16中包层B18的直径相同；所述锥形光纤13由位于左部的 拉锥过渡部分15和位于右部的锥腰部分14组成；作为一种优选，锥腰部分14的外径为50um；
作为一种优选，进行切割作业时，采用机械切割或激光切割的方式进行。
步骤五：先将输出光纤16对接端的涂覆层B17剥除一定长度，并对输出光纤16进行清洁处理，再将步骤四中获得的锥形光纤13中锥腰部分14的对接端与输出光纤16的对接端置于同一轴线上，并利用熔接机进行熔接，在熔接后形成轴心光纤21；
作为一种优选，涂覆层B17剥除长度为5cm，并在剥除后通过无水乙醇擦拭干净，确保 包层无污染物；
需要注意的是，在拉锥过程中，拉锥平台是面向熔融在一起的合束玻璃管11与中心光 纤12，需要控制拉锥后锥腰部分14的外径；
步骤六：对经过步骤五处理的合束玻璃管11和经过步骤一处理的多根合束光纤1进行 组束，先将多根合束光纤1周向环绕于第一梯度部分9的外侧，并使半裸合束纤芯5的右 端与环形台阶面22熔融密接，使半裸合束纤芯5裸露出部分纤芯A4的部分与第一梯度部分9的外圆面熔融密接；再在多根合束光纤1与合束玻璃管11结合处的外侧套装套管20， 对结合处进行固定保护；
作为一种优选，熔融密接的长度为L，且L满足公式(3)；
作为一种优选，长度L为75um；
作为一种优选，套管20为玻璃套管，其内管径为890um，共外径为1000um；
步骤七：先对组束部分进行加热，使其熔融密接，同时，排除套管20中的空气，使绷带部分与套管20密接，再利用金属封装壳进行封装，得到光纤合束器，即为N×1型功率合束器，N为输入光纤的根数。
作为一种优选，当制备5×1功率合束器和7×1功率合束器时，合束光纤1选用为内径/ 外径等于25/400μm的石英基多模光纤；输出光纤16选用为内径/外径等于50/400μm的石 英基多模光纤；
本发明基于波导耦合原理，在合束端，将多根合束光纤1的纤芯能量利用波导耦合的 方式耦合至中心光纤12上新的玻璃包层中，在后续拉锥过程中，仅需将中心光纤12的玻璃包层尺寸拉锥至与输出光纤16的尺寸相匹配即可。耦合是指当两个光波导相互靠近时，由于一个波导对另一个波导的“扰动”，从而影响光场在原波导中分布的现象。据参与耦合的波导对彼此影响的大小，将耦合分为弱耦合和强耦合。所谓弱耦合是指两波导或同一波导两个模式之间的模场叠合区(相互作用区域)很小，以至于邻近光波导(或模式)的存 在，不改变彼此模场的分布形式，能量交换只改变其幅度；反之，若显著影响原模场的分 布，则是强耦合。
两波导相距很远时，一个波导的存在对另一个波导没有影响，两个波导中的模场分布 与各自单独存在时相同。随着距离减小到一定范围，两波导的模场存在一个叠合区，但各 自的模场分布基本没受到影响，弱耦合发生。
常规光纤的包层直径远大于纤芯直径，所以光场绝大多数集中在芯层，在包层中迅速 衰减为0，当包层足够小或小于光波波长，部分光可以以倏逝场的形式脱离纤芯中。当波导 相互靠近时，光能将从一个波导耦合到另一个波导，改变另一个波导场的分布，而这种改 变反过来又作用于原波导，这就构成了两波导之间的侧向耦合。由侧向耦合的作用方式可 以看出，参与耦合的波导无需纵向耦合那样精确地对准，也不要求模场和折射率匹配。
两个电磁波传播模式存在着相互间的耦合。一个无损耗的沿z轴方向的波模式如公式 (4)所示；
E＝E0exp[i(ωt-kz)] (4)；
式中，E0为振幅，ω为光频率，t为时间，k为波导系数，z为传播距离。
振幅E0关于传播距离z的函数如公式(5)所示；
对于标记为a和b的两个波模式的振幅，考虑到另外一个波的耦合影响可得出如下公 式(6)和(7)；
式中，ka和kb是各个模不受其他模影响而单独存在时的波导系数；Kab和Kba称为耦合系数。当两个模式传播方向一致时
假设在z＝0处，只有波导b存在单模光传输，微扰发生在z>0区，即：
Eb(0)＝Eb0
Ea(0)＝0
由功率耦合条件可得到波导a和波导b中的功率为：
式中，Δk为波导系数差，当
时，Pa(z)功率达到最大值，即两个导模之间实现最大的功率转换。这个距离定义为耦合长度，用Lc表示，并可通过公式(8)进 行计算。
两个波导的传播常数相同时，在z＝Lc处实现功率的完全转换。波导系数差为0时，
本发明中的波导分别为合束光纤1的纤芯A4和中心光纤12的玻璃包层，两者的传播 常数可由公式(9)计算得出：
式中，kx为对应波导的传播常数，neff为对应波导的模式折射率，λ为传输光波长，n1为对应波导折射率；
倏逝波有效穿透深度为D可由公式(10)计算得出：
将
和
代入公式(10)可得到公式(11)：
由上述原理可得，本发明所提及的合束玻璃管的折射率，需小于中心光纤12包层C的 折射率，合束玻璃管的厚度需尽可能的小于倏逝波的有效穿透深度。
合束端四周的合束光纤1的纤芯A4与中心光纤12玻璃包层的接触长度z，需要计算对应情况下的模式耦合效率曲线，得出最佳耦合长度。
与现有技术相比，本发明具有如下优势：首先，本方法与传统功率合束器的制备流程相 比，不需要将多根输入光纤组束拉锥至输出光纤的纤芯尺寸，只需要对位于中心的单根输入 光纤进行拉锥匹配，大大降低了拉锥作业的难度，同时，极大的提高组束效率。以7×1功率 合束器为例，输入光纤为25/400μm，输出光纤50/400μm，传统组束方案需要将7根输入光 纤，在包层结构上进行组束，组束后得到一根直径近似为1200μm的光纤，需要拉锥至锥腰 处直径为50μm的状态，再将拉锥后的光纤与输出光纤的纤芯进行熔接。锥区直径比上拉锥 前直径为1/24，其对拉锥工艺的操作要求极高，同时，容易导致拉锥的质量无法达到预期效 果。通过本发明所提供的方案，仅需要针对中心的一根输入光纤进行拉锥，由直径400μm拉 锥至直径50μm，锥区直径比上拉锥前直径为1/8，这显著降低了拉锥的工艺要求，同时，能 保证拉锥后的质量更容易达到甚至超过预期要求。
其次，相较于传统功率合束器将多根输入光纤同时拉锥、熔接的方案，本发明将多根合 束光纤的纤芯能量耦合至中心光纤的玻璃包层中，在相同合束功率下大大降低了锥区的光功 率密度，较同尺寸的传统功率合束器大大提高了损伤阈值。以7×1功率合束器为例，输入光 纤为25/400μm，输出光纤50/400μm，每根输入光纤承担1000W的输入功率。传统功率合束 器，在包层结构上进行组束，组束后得到一根直径近似为1200μm的光纤，需要拉锥至锥腰 处直径为50μm的状态，再将拉锥后的光纤与输出光纤的纤芯进行熔接。激光保持在纤芯传 输，锥区的单根输入光纤的纤芯直径约为1.04μm，输入光的能量聚集在各自的纤芯中，单根 纤芯面积约为0.843μm^2，平均光功率密度约为1180W/(μm^2)；本发明所提供的方案，将四 周的合束光纤的纤芯能量耦合至中心光纤的玻璃包层中，锥区熔接前，大部分输入光在中心 光纤的玻璃包层结构中传播，锥区输入光纤包层面积约为1954μm^2，纤芯面积约为7.6μm^2， 包层光功率密度为3W/(μm^2)，纤芯功率密度为3W/(μm^2)，平均功率密度为3.6W/(μm^2)。 本发明对比传统功率合束器，将锥区的最大功率密度降低了一个数量级，大大提高了功率合 束器的损伤功率。
再者，相较传统功率合束器多纤芯拉锥熔接的方案，本发明将多根合束光纤的纤芯能量 耦合至中心光纤的玻璃包层中，能使锥区的能量分布更均匀，无明显热梯度效应，避免了因 热梯度效应导致锥区损坏的情况发生，同时，大大提高了光传输面积的占比。以7×1功率合 束器为例，输入光纤为25/400μm，输出光纤50/400μm。传统功率合束器，在包层结构上进 行组束，组束后得到一根直径近似为1200μm的光纤，需要拉锥至锥腰处直径为50μm的状态， 再将拉锥后的光纤与输出光纤的纤芯进行熔接。锥区输入光纤束总直径约为50μm，7路输入 光纤，锥区纤芯直径为1.04μm，总纤芯面积为5.901μm^2，有效光利用面积为5.901μm^2， 光传输面积占比为0.003，输入激光在纤芯中传播，功率合束器工作时，中心锥区存在7个高 能量密度的场，因锥区较细，导致严重的热效应，且由于多个热源，以及分布不均导致热梯 度效应，大大影响了合束器的正常工作；本发明所提供的方案，将四周的合束光纤的纤芯能 量耦合至中心光纤的玻璃包层中，在锥区中，激光在玻璃包层和纤芯中传播，锥区总面积为 1962.5μm^2，光传输面积为1962.5μm^2，光传输面积占比为1，较传统方案提高了2个数量 级，且本发明所提供的方案，锥区激光传输分为两部分，一部分为纤芯的激光，另一部分为 玻璃包层的激光，呈环形分布，锥区整体截面能量分布呈现中心能量较高，四周较弱的结构， 无明显热梯度效应。
Claims (10)
1.一种基于倏逝波耦合的高亮度光纤合束器，包括输入光纤、合束玻璃管(11)和输出光纤(16)，所述输入光纤包括一根中心光纤(12)和多根合束光纤(1)，多根合束光纤(1)环绕在中心光纤(12)的外围；其特征在于，还包括套管(20)；
所述中心光纤(12)由最外层的涂覆层C、位于中间的包层C和位于里面的纤芯C组成，其右端为去除涂覆层C后的中心裸露光纤C；
所述合束玻璃管(11)为梯度结构，其由位于左部的第一梯度部分(9)和位于右部的第二梯度部分(10)组成，且第一梯度部分(9)的外径小于第二梯度部分(10)的外径，第二梯度部分(10)的左端部在第一梯度部分(9)的右端部以外的环形台阶面(22)为平面结构；合束玻璃管(11)的内管径与中心裸露光纤C的外径相适配；合束玻璃管(11)套设于中心裸露光纤C的外部，并与中心裸露光纤C之间熔融密接后形成中心裸露光纤C的玻璃包层；第二梯度部分(10)的右端和右端中心的中心裸露光纤C经过拉锥后形成锥形光纤(13)，所述锥形光纤(13)由位于左部的拉锥过渡部分(15)和位于右部的锥腰部分(14)组成，所述锥腰部分(14)的右端形成锥形光纤(13)的结合端A；
所述输出光纤(16)由最外层的涂覆层B(17)、位于中间的包层B(18)和位于里面的纤芯B(19)组成，输出光纤(16)的左端为去除涂覆层B(17)的结合端B，结合端B与结合端A熔融密接；
所述合束光纤(1)由最外层的涂覆层A(2)、位于中间的包层A(3)和位于里侧的纤芯A(4)组成；多根合束光纤(1)周向环绕于第一梯度部分(9)的外表面，且其在靠近第二梯度部分(10)的部分为去除涂覆层A(2)和包层A(3)后的半裸对接纤芯(5)，半裸合束纤芯(5)侧面裸露出部分纤芯A(4)的部分与第一梯度部分(9)的外圆面熔融密接，且其右端与环形台阶面(22)熔融密接；
所述套管(20)固定套装于多根合束光纤(1)与合束玻璃管(11)结合处的外侧。
2.根据权利要求1所述的一种基于倏逝波耦合的高亮度光纤合束器，其特征在于，还包括金属封装壳，所述金属封装壳套设在套管(20)的外部，其左端延伸到输入光纤的左端，其右端延伸到输出光纤(16)的右端。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于倏逝波耦合的高亮度光纤合束器，其特征在于，所述合束光纤(1)的数量为3根或4根或5根或6根或多于6根。
4.根据权利要求3所述的一种基于倏逝波耦合的高亮度光纤合束器，其特征在于，所述输入光纤和输出光纤(16)均为圆柱形石英光纤；第一梯度部分(9)和第二梯度部分(10)均为管壁厚度均匀的管体。
5.一种基于倏逝波耦合的高亮度光纤合束器的制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤一：对多根合束光纤(1)的对接端进行处理，使其对接端裸露出部分纤芯A(4)并形成半裸露光纤纤芯(5)；
步骤二:制备折射率小于中心光纤(12)的包层C的折射率、且为梯度结构的合束玻璃管(11)，所述合束玻璃管(11)的内径均匀，其由外径较小的第一梯度部分(9)和外径较大的第二梯度部分(10)两部分组成，并使第二梯度部分(10)的左端部在第一梯度部分(9)的右端部以外的部分为呈平面结构的环形台阶面(22)；
步骤三：先将中心光纤(12)右端的涂覆层C剥除，于中心光纤(12)的右端形成中心裸露光纤C，再使其完全穿过步骤二中制备的合束玻璃管(11)中，然后对合束玻璃管(11)进行加热，使合束玻璃管(11)的内壁与穿入的中心裸露光纤C的包层C熔融密接形成组合光纤；
步骤四：将步骤三中的组合光纤置于夹具中，再将夹具放置到拉锥机的拉锥平台上，然后对第二梯度部分(10)的右端和右端中心的中心裸露光纤C共同加热至熔融状态，再施加一定的拉力进行拉锥处理，拉锥处理后对端部进行切割形成锥形光纤(13)；所述锥形光纤(13)由位于左部的拉锥过渡部分(15)和位于右部的锥腰部分(14)组成；
步骤五：先将输出光纤(16)对接端的涂覆层B(17)剥除一定长度，并对输出光纤(16)进行清洁处理，再将步骤四中获得的锥形光纤(13)中锥腰部分(14)的对接端与输出光纤(16)的对接端置于同一轴线上，并利用熔接机进行熔接，在熔接后形成轴心光纤(21)；
步骤六：对经过步骤五处理的合束玻璃管(11)和经过步骤一处理的多根合束光纤(1)进行组束，先将多根合束光纤(1)周向环绕于第一梯度部分(9)的外侧，并使半裸合束纤芯(5)的右端与环形台阶面(22)熔融密接，使半裸合束纤芯(5)裸露出部分纤芯A(4)的部分与第一梯度部分(9)的外圆面熔融密接；再在多根合束光纤(1)与合束玻璃管(11)结合处的外侧套装套管(20)，对结合处进行固定保护；
步骤七：先对组束部分进行加热，使其熔融密接，再利用金属封装壳进行封装，得到光纤合束器。
6.根据权利要求5所述的一种基于倏逝波耦合的高亮度光纤合束器的制备方法，其特征在于，在步骤一中，半裸露光纤纤芯(5)的长度为l1，且l1满足公式(1)；
式中，K为纤芯A(4)的波导耦合系数，n为任意自然数；
在步骤二中，第一梯度部分(9)的管壁厚度为h1，长度为l2，且h1满足公式(2)，l2＝l1；第二梯度部分(10)的管壁厚度h2大于50um；
式中，λ为传输光波长，neff为合束光纤(1)的有效折射率，n1为合束光纤(1)的材料折射率，k0为真空波导常数；
在步骤六中，熔融密接的长度为L，且L满足公式(3)；
7.根据权利要求6所述的一种基于倏逝波耦合的高亮度光纤合束器的制备方法，其特征在于，在步骤一中对合束光纤(1)进行处理的具体方法如下：
S11：先将合束光纤(1)的对接端剥去一定长度的涂覆层A(2)，再用无水乙醇将合束光纤(1)擦拭干净，确保裸露出的包层A(3)无污染物；
S12：将合束光纤(1)水平的固定在光纤研磨机上，调节光纤研磨机的研磨深度，沿包层A(3)的切面对包层A(3)匀速研磨，直至研磨至裸露出纤芯A(4)，然后旋转固定的合束光纤(1)，继续研磨其余部分的包层A(3)，直至研磨至所需要的连接形状，形成裸露出一定长度纤芯A(4)的半裸合束纤芯(5)。
8.根据权利要求7所述的一种基于倏逝波耦合的高亮度光纤合束器的制备方法，其特征在于，在步骤二中合束玻璃管(11)的制备方法如下：
S21：选取折射率为1.41，内壁直径为1200um，外壁直径为1500um的玻璃管(6)；
S22：先用超声波清洗玻璃管(6)，再利用吸气加热法清除玻璃管(6)中残余酒精，并用酒精棉擦拭玻璃管(6)的外壁；
S23：设置拉锥机参数，将玻璃管(6)放入拉锥机中进行拉锥，使玻璃管(6)的中段形成位于中心区域的锥腰管段(8)、位于锥腰管段(8)两侧的两个拉锥过渡管段(7)，并确保锥腰管段(8)的内管径与中心裸露光纤C的直径相匹配，同时，确保锥腰管段(8)的长度大于l1+50um；
S24：对拉锥后的玻璃管(6)进行切割处理，仅保留锥腰管段(8)；
S25：先取一直径与锥腰管段(8)内管径相匹配的金属丝，使其穿过锥腰管段(8)的内管径进行支撑，再将锥腰管段(8)固定在光纤研磨机上，从一侧取长度为l1的区域进行研磨处理，并通过研磨形成具有第一梯度部分(9)和第二梯度部分(10)的梯度结构，其中，第一梯度部分(9)的内管径与第二梯度部分(10)的内管径相同，第一梯度部分(9)的外壁直径小于第二梯度部分(10)的外壁直径。
9.根据权利要求8所述的一种基于倏逝波耦合的高亮度光纤合束器的制备方法，其特征在于，在步骤三中对合束玻璃管(11)进行加热时，采用氢氧焰加热或激光加热或超温等离子体加温的方式进行。
10.根据权利要求9所述的一种基于倏逝波耦合的高亮度光纤合束器的制备方法，其特征在于，在步骤四中进行切割作业时，采用机械切割或激光切割的方式进行。
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