CN115201967B - 反向光纤耦合器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种反向光纤耦合器。反向光纤耦合器包括：信号光纤合束结构，包括输出信号光纤以及围绕输出信号光纤周向排布的N根输入信号光纤；锥形反射合束光纤结构体，与信号光纤合束结构的输出端正对，锥形反射合束光纤结构体用于将N根输入信号光纤输出的脉冲激光按照时序依次有序的耦合进输出信号光纤；对准固定封装结构，用于封装信号光纤合束结构和锥形反射合束光纤结构体。本发明可以实现脉冲激光的时序合成，可以有效的提高光纤激光合成效率，而且采用输入信号光纤和输出信号光纤一体化结构，可以减小整体结构的体积，满足市场小型化需求，提高激光时序合成技术光纤激光器的实用性。

Description

反向光纤耦合器
技术领域
本发明涉及激光合成技术领域，尤其涉及一种反向光纤耦合器。
背景技术
脉冲激光合成技术是近年来高能激光器定向能源应用的重点研究方向，突破了高能脉冲激光时间间续限制，为高光束质量的超高能激光应用及相关产品研制奠定了坚实的基础。其中激光时序合成技术是脉冲激光合成技术一种重要途径，脉冲激光时序合成技术在光纤脉冲激光合成方向刚刚起步，仍需走很长的一段路。
发明内容
本发明实施例提供一种反向光纤耦合器，用以实现激光时序合成。
根据本发明实施例的反向光纤耦合器，包括：
信号光纤合束结构，包括输出信号光纤以及围绕所述输出信号光纤周向排布的N根输入信号光纤；
锥形反射合束光纤结构体，与所述信号光纤合束结构的输出端正对，所述锥形反射合束光纤结构体用于将所述N根输入信号光纤输出的脉冲激光按照时序依次有序的耦合进所述输出信号光纤；
对准固定封装结构，用于封装所述信号光纤合束结构和所述锥形反射合束光纤结构体。
根据本发明的一些实施例，所述锥形反射合束光纤结构体朝向所述信号光纤合束结构的端面为内凹结构；
所述内凹结构包括第一反射面和第二反射面；
所述N根输入信号光纤输出的脉冲激光依次经过所述第一反射面和所述第二反射面全反射至所述输出信号光纤。
根据本发明的一些实施例，所述第一反射面为所述内凹结构的侧壁，在所述信号光纤合束结构至所述锥形反射合束光纤结构体的方向上，所述内凹结构的侧壁逐渐向所述锥形反射合束光纤结构体的中心轴倾斜；
所述第二反射面为所述内凹结构的底壁，所述内凹结构的底壁朝向所述信号光纤合束结构凸起。
根据本发明的一些实施例，所述内凹结构的侧壁为圆台周壁面或N棱台周壁面。
根据本发明的一些实施例，所述内凹结构的底壁呈N棱台状。
根据本发明的一些实施例，所述N棱台的顶面镀有防反射膜。
根据本发明的一些实施例，所述锥形反射合束光纤结构体由单根大芯径无源双包层信号光纤经过飞秒激光刻蚀工艺后形成。
根据本发明的一些实施例，所述大芯径无源双包层信号光纤的直径大于等于250微米，所述大芯径无源双包层信号光纤的纤芯直径大于等于30微米。
根据本发明的一些实施例，所述信号光纤合束结构由N+1根双包层信号光纤经过刻蚀组束拉锥切割微加工工艺后形成。
根据本发明的一些实施例，所述输出信号光纤的纤芯直径大于等于20微米且小于等于30微米；
所述输入信号光纤的纤芯直径大于等于10微米且小于等于20微米。
采用本发明实施例，可以实现脉冲激光的时序合成，可以有效的提高光纤激光合成效率，而且采用输入信号光纤和输出信号光纤一体化结构，可以减小整体结构的体积，满足市场小型化需求，提高激光时序合成技术光纤激光器的实用性。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
通过阅读下文实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明实施例中反向光纤耦合器整体结构外观图；
图2是本发明实施例中信号光纤合束结构和锥形反射合束光纤结构体位置对准图示意图；
图3是本发明实施例中信号光纤合束结构示意图；
图4是本发明实施例中信号光纤合束结构端部横截面示意图；
图5是本发明实施例中锥形反射合束光纤结构体示意图；
图6是本发明实施例中对准固定封装结构示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
参照图1和图2所示，本发明实施例的反向光纤耦合器1，包括：
信号光纤合束结构10，包括输出信号光纤11以及围绕所述输出信号光纤11周向排布的N根输入信号光纤12，参照图3和图4所示；可以理解，N根输入信号光纤12围绕输出信号光纤11排布，换言之，N根输入信号光纤12沿输出信号光纤11的周向方向排布且与输出信号光纤11紧挨着。输出信号光纤11的中心轴与所有输入信号光纤12的中心轴均平行。
锥形反射合束光纤结构体20，与所述信号光纤合束结构10的输出端正对。这里的“输出端”可以理解为信号光纤合束结构10中输入信号光纤12输出脉冲激光的一端。这里的“正对”可以理解为锥形反射合束光纤结构体20的端面与信号光纤合束结构10的输出端端面平行且共轴。
所述锥形反射合束光纤结构体20用于将所述N根输入信号光纤12输出的脉冲激光按照时序依次有序的耦合进所述输出信号光纤11。锥形反射合束光纤结构体20起到的是反射作用。
对准固定封装结构30，用于封装所述信号光纤合束结构10和所述锥形反射合束光纤结构体20。对准固定封装结构30是封装固定的作用，当然同时也起到导热作用。
采用本发明实施例，通过锥形反射合束光纤结构体与信号光纤合束结构的配合作用，可以实现脉冲激光的时序合成，可以有效的提高光纤激光合成效率，而且采用输入信号光纤和输出信号光纤一体化结构，可以减小整体结构的体积，满足市场小型化需求，提高激光时序合成技术光纤激光器的实用性。
在上述实施例的基础上，进一步提出各变型实施例，在此需要说明的是，为了使描述简要，在各变型实施例中仅描述与上述实施例的不同之处。
如图5所示，根据本发明的一些实施例，所述锥形反射合束光纤结构体20朝向所述信号光纤合束结构10的端面为内凹结构；换言之，锥形反射合束光纤结构体20朝向信号光纤合束结构10的端面朝向远离信号光纤合束结构10的方向内凹。锥形反射合束光纤结构体20朝向信号光纤合束结构10的端面即为作用面，用于将N根输入信号光纤12输出的脉冲激光按照时序依次有序的耦合进输出信号光纤11。
如图5所示，所述内凹结构包括第一反射面21和第二反射面22；
所述N根输入信号光纤12输出的脉冲激光依次经过所述第一反射面21和所述第二反射面22全反射至所述输出信号光纤11。换言之，输入信号光纤12输出的脉冲激光在锥形反射合束光纤结构体20完成全反射后入射至输出信号光纤11。
如图2和图5所示，根据本发明的一些实施例，所述第一反射面21为所述内凹结构的侧壁，在所述信号光纤合束结构10至所述锥形反射合束光纤结构体20的方向上，所述内凹结构的侧壁逐渐向所述锥形反射合束光纤结构体20的中心轴倾斜；可以理解，在信号光纤合束结构10至锥形反射合束光纤结构体20的方向上，内凹结构的横截面逐渐减小。
所述第二反射面22为所述内凹结构的底壁，所述内凹结构的底壁朝向所述信号光纤合束结构10凸起。
如图5所示，根据本发明的一些实施例，所述内凹结构的侧壁为圆台周壁面或N棱台周壁面。换言之，内凹结构的侧壁由圆台的周壁面构造形成。或者是，内凹结构的侧壁由N棱台的周壁面构造形成。信号光纤合束结构10有几根输入信号光纤12，内凹结构的侧壁就有几个棱面，内凹结构的侧壁的N个棱面与N根输入信号光纤12一一对应，每根输入信号光纤12输出的激光光纤适于入射至其对应的棱面。例如，如果信号光纤合束结构10包括6根输入信号光纤12，则内凹结构的侧壁由六棱台的周壁面构造形成。
如图5所示，根据本发明的一些实施例，所述内凹结构的底壁呈N棱台状。换言之，内凹结构的底壁构造形成N棱台的形状。N棱台包括N个棱面和一个顶面。由于顶面尺寸相对于棱面的尺寸很小，图5中未示出。
信号光纤合束结构10有几根输入信号光纤12，内凹结构的底壁就有几个棱面，内凹结构的底壁的N个棱面与N根输入信号光纤12一一对应，每根输入信号光纤12输出的激光光纤经过内凹结构的侧壁反射后入射至对应的底壁的棱面，经过底壁棱面的反射入射至输出信号光纤11。例如，如果信号光纤合束结构10包括6根输入信号光纤12，则内凹结构的底壁呈六棱台状。
进一步的，所述N棱台的顶面镀有防反射膜，以防止激光在顶面进行反射。
根据本发明的一些实施例，所述锥形反射合束光纤结构体由单根大芯径无源双包层信号光纤经过飞秒激光刻蚀工艺后形成。
可以理解，锥形反射合束光纤结构体为光纤件。
锥形反射合束光纤结构体是由1根大芯径无源光纤切割后应用飞秒激光刻蚀技术将大芯径信号光纤端面内外包层刻蚀去掉微加工成内外面内锥形结构。
内外面内锥结构设计是为了满足激光在内锥形结构外表面形成双反射，尽可能减少端面激光耦合损耗。
根据本发明的一些实施例，所述大芯径无源双包层信号光纤的直径大于等于250微米，所述大芯径无源双包层信号光纤的纤芯直径大于等于30微米。
根据本发明的一些实施例，所述信号光纤合束结构由N+1根双包层信号光纤经过刻蚀组束拉锥切割微加工工艺后形成。
信号光纤合束结构需要单独应用化学刻蚀方法对每根光纤进行刻蚀，再对光纤束组束熔融，熔融拉锥过程中心各信号光纤纤芯不变形，减少信号激光传输插损。熔融拉锥后切割光纤束锥区腰束位置时，应用大芯径光纤切割角度设定为0°，形成信号光纤合束结构。
根据本发明的一些实施例，所述输出信号光纤的纤芯直径大于等于20微米且小于等于30微米；
所述输入信号光纤的纤芯直径大于等于10微米且小于等于20微米。
需要说明的是，尽管在此一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。例如，在权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。
下面参照图1-图6以一个具体的实施例详细描述根据本发明实施例的反向光纤耦合器。值得理解的是，下述描述仅是示例性说明，而不是对本发明的具体限制。凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。
随着光纤激光器应用的展开，各领域对光纤激光器的各项指标提出更加苛刻的要求，其中光纤激光器输出激光输出平均功率和光束质量是各个领域关注的重点。无论是连续光纤激光器还是脉冲光纤激光器随着不断变化的市场需求不断刷新输出平均功率数据，但是随着输出平均功率的提高，其光束质量会发生畸变，激光合成技术有望在一定程度上解决上述问题。
时序合成技术是激光合成技术一种，激光时序合成是多个脉冲子光纤激光器，通过空间透镜或者通过定向光纤波导器件，按一定的时间顺序发射激光，实现激光在时序上合成。通过激光时序合成技术，合成激光纵向：有效的无限量提升平均功率；横向：提升整机的重复频率，使光纤激光器达到准连续或者连续功率叠加输出激光状态，同时保持输出较高光束质量激光。
本发明实施例提出一种新型反向光纤耦合器，有利于脉冲激光时序合成并有序叠加功率和频率，同时有利于脉冲激光时序合成技术小型化进程。
参照图1和图2所示，本发明实施例的反向光纤耦合器1，包括：信号光纤合束结构10，内锥形反射合束光纤结构体20，对准固定封装结构30。
参照图3和图4所示，信号光纤合束结构10由N根双包层信号光纤刻蚀熔融切割微加工后形成。双包层信号光纤均包括纤芯、包层和涂覆层。信号光纤合束结构10需要单独应用化学刻蚀方法对每根光纤进行刻蚀，再对光纤束组束熔融，熔融拉锥过程中心各信号光纤纤芯不变形，减少信号激光传输插损。熔融拉锥后切割光纤束锥区腰束位置时，应用大芯径光纤切割角度设定为0°，形成信号光纤合束结构10。
其中一根双包层信号光纤作为输出信号光纤11位于中心，其纤芯直径的取值范围为：20um-30um。围绕输出信号光纤11排布的N根双包层信号光纤作为输入信号光纤12，输入信号光纤12的纤芯直径的取值范围为：10um-20um。
通过以上刻蚀工艺方法熔融拉锥过程中心各信号光纤纤芯不变形，减少脉冲激光传输插损，形成信号光纤合束结构10。信号光纤合束结构10主要与内锥形反射合束光纤结构体20相呼应，核心通过内锥形反射合束光纤结构体20对应的信号光纤合束结构10中心信号光纤进行空间反射激光耦合，可以有效地提高信号激光空间耦合效率，有利于频率的充分叠加耦合。
锥形反射合束光纤结构体20由单根大芯径无源双包层信号光纤切割后对光纤纤芯端面进行锥形微加工，在光纤微加工另外一端再次切割后形成。1根大芯径无源光纤切割，接收激光直径面较大，有利于耦合效率的提高。切割完成后应用飞秒激光刻蚀技术将大芯径信号光纤端面内外包层刻蚀去掉微加工成内锥形结构。内锥结构设计是为了满足激光在内锥形结构外表面形成双反射，尽可能减少端面激光耦合损耗。内锥形结构在光纤的内部，是一个微外锥形结构体，微外锥形结构体非圆锥形体，而是六面锥形体，用于反射六个方向入射激光，微外锥形结构体顶面是个垂直于光纤传输方向的小平面，该平面镀膜，该平面作用是防止端面反射产生的回光。锥形结构外表面镀膜，镀膜为了增强内锥形结构外表面的反射性和热传导。所形成二次反射光纤微型结构体，通过双反光纤微型结构将脉冲激光依次有序的耦合进输出信号光纤11，有利于实现单纤激光时序合成。大芯径无源光纤直径：≥250um，大芯径无源光纤纤芯直径：≥30um。
锥形反射合束光纤结构体20，是由1根大芯径信号光纤应用大芯径光纤切割刀切割，将大芯径信号光纤端面内外包层均匀激光刻蚀方法并将纤芯微加工成内外面内锥形结构，大内锥角≤90°，小外锥角≥90°，后应用激光对小外锥均匀微加工形成六面体结构体并抛光，所形成的六面体结构区域端面平整无毛刺。其中在小外锥形结构内锥底面是个垂直于光纤传输方向的小平面，该平面镀膜，锥形结构内外表面镀膜，形成一体式双反光纤微型结构体，形成锥形反射合束光纤结构体20，图3所示。
对准固定结构为了将信号光纤合束结构10和锥形反射合束光纤结构体20空间耦合精确对准固定，同时对锥形反射合束光纤结构体20的外侧保护，并起到导热作用。
对准固定封装结构30左右固定位置是半圆形结构，提高信号光纤合束结构10和锥形反射合束光纤结构体20一体化及热传导性，提升整体器件的稳定性。
对准固定封装结构30应用导热金属结构微加工，将信号光纤合束结构10和锥形反射合束光纤结构体20，通过指示光对信号光纤合束结构10和锥形反射合束光纤结构体20进行位置对准固定，在信号光纤合束结构10和锥形反射合束光纤结构体20固定区域涂点导热紫外固化胶液，增强装置的可靠性。并结构输出端位置涂点环氧树脂胶，提高整体器件的抗冲击强度。最终研制完成一种新型反向光纤耦合器1。
本发明实施例采用光纤刻蚀熔融技术将光纤束熔融，通过内锥形反射合束光纤结构体20进行多路脉冲激光束合成。通过时序合成技术，应用本发明一种新型反向光纤耦合器1将多路脉冲激光高效耦合，有效的提高单束光纤激光合成效率，同时为激光相干合成提供一种新途径。
需要说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种反向光纤耦合器，其特征在于，包括：
信号光纤合束结构，包括输出信号光纤以及围绕所述输出信号光纤周向排布的N根输入信号光纤；
锥形反射合束光纤结构体，与所述信号光纤合束结构的输出端正对，所述锥形反射合束光纤结构体用于将所述N根输入信号光纤输出的脉冲激光按照时序依次有序的耦合进所述输出信号光纤；
对准固定封装结构，用于封装所述信号光纤合束结构和所述锥形反射合束光纤结构体。
2.如权利要求1所述的反向光纤耦合器，其特征在于，所述锥形反射合束光纤结构体朝向所述信号光纤合束结构的端面为内凹结构；
所述内凹结构包括第一反射面和第二反射面；
所述N根输入信号光纤输出的脉冲激光依次经过所述第一反射面和所述第二反射面全反射至所述输出信号光纤。
3.如权利要求2所述的反向光纤耦合器，其特征在于，所述第一反射面为所述内凹结构的侧壁，在所述信号光纤合束结构至所述锥形反射合束光纤结构体的方向上，所述内凹结构的侧壁逐渐向所述锥形反射合束光纤结构体的中心轴倾斜；
所述第二反射面为所述内凹结构的底壁，所述内凹结构的底壁朝向所述信号光纤合束结构凸起。
4.如权利要求3所述的反向光纤耦合器，其特征在于，所述内凹结构的侧壁为圆台周壁面或N棱台周壁面。
5.如权利要求3所述的反向光纤耦合器，其特征在于，所述内凹结构的底壁呈N棱台状。
6.如权利要求5所述的反向光纤耦合器，其特征在于，所述N棱台的顶面镀有防反射膜。
7.如权利要求1所述的反向光纤耦合器，其特征在于，所述锥形反射合束光纤结构体由单根大芯径无源双包层信号光纤经过飞秒激光刻蚀工艺后形成。
8.如权利要求7所述的反向光纤耦合器，其特征在于，所述大芯径无源双包层信号光纤的直径大于等于250微米，所述大芯径无源双包层信号光纤的纤芯直径大于等于30微米。
9.如权利要求1所述的反向光纤耦合器，其特征在于，所述信号光纤合束结构由N+1根双包层信号光纤经过刻蚀组束拉锥切割微加工工艺后形成。
10.如权利要求1所述的反向光纤耦合器，其特征在于，所述输出信号光纤的纤芯直径大于等于20微米且小于等于30微米；
所述输入信号光纤的纤芯直径大于等于10微米且小于等于20微米。
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