CN115236864B - 一种高光束质量光纤激光合束器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高光束质量光纤激光合束器，该合束器包括：第一输入光纤束、第二输入光纤束，玻璃毛细管和输出光纤；第一输入光纤束由多根单模或少模光纤组成，第二输入光纤束由多根多模光纤组成，单模或少模光纤与多模光纤通过过渡区连接，输出光纤上设置滤模结构。本发明提供的高光束质量光纤激光合束器，其单模或少模光纤通过过渡区与多模光纤连接组合为合束器的输入光纤，该设计不仅可以保证信号光的有效传输，而且效提升了光纤束横截面上纤芯面积的占空比，充分抑制激光合束过程中的光束质量劣化；同时在输出光纤上设计了滤模结构，实现较高数值孔径合成激光的滤除，并且可以通过改变滤模结构参数调节需要保留的数值孔径内的光。

Description

一种高光束质量光纤激光合束器

技术领域

本发明属于激光器领域，尤其涉及一种高光束质量光纤激光合束器。

背景技术

因具有体积小、重量轻、效率高和免维护等独特的优势，光纤激光器已在很多领域得到了广泛的应用，随着科技水平的发展，各应用领域对光纤激光器的输出功率提出了更高的需求，而激光合束技术是目前提高激光器输出功率最有效的手段。

光纤激光合束器是优选的激光合束器件，该器件主要通过光纤几何拼接的方法把数路激光汇入到同一根输出光纤中，虽然光纤激光合束器能够显著提升激光器的输出功率，但由于拼叠激光子束之间存在的间隔会造成激光亮度的退化，光纤激光合束器的输出光束质量较差，且光束质量会随着合成激光光束数目的增涨而持续降低，从而限制了光纤激光合束器在某些领域的利用，根据目前报道，光纤激光合束器的输出光束质量M²因子最好也仅3.69，与合成前单台激光器输出（M²~1.2左右）相差甚远。

现有技术中一般采用光纤包层缩径或光纤纤芯模场外扩的方式提高激光子束在拼叠横截面的占空比，由此提升合成激光光束质量，但效果并不理想，比如有专利提出先减小输入光纤包层直径再熔融拉锥的方法，该方法只能将纤芯占空比提升至0.5，光束质量仍不能有明显改善；也有专利提出在光纤束与输出光纤的熔点且靠近光纤束处采用热扩散纤芯方式，形成沿光传输方向纤芯逐渐增大的锥形结构，使光纤束与输出光纤的熔接处的占空比达到1，但该方法工程难度大、可控性低，光纤束需要加热数十分钟甚至以上才能实现有效的纤芯热扩散，如此长时间的熔烧光纤容易造成光纤形变，反而造成光束质量严重退化；还有专利提出将光纤直径拉锥至足够小，使激光无法约束在纤芯中而泄露到包层里以包层基模的形式传输，实现高模场占空比，但这种方法需要将光纤拉锥到十几微米，光纤太细容易造成光纤束与输出光纤熔接点脆弱易断裂，实用性问题有待解决。

发明内容

有鉴于此，本发明提供高光束质量光纤激光合束器，该合束器中单模或少模光纤与多模光纤通过过渡区组合为输入光纤，该输入光纤保证了信号光的有效传输，并有效提升了光纤束横截面上纤芯面积的占空比，充分抑制激光合束过程中的光束质量劣化；在输出光纤上设计了滤模结构，实现较高数值孔径合成激光的滤除，使合成激光的光束质量得到提升，而且滤模结构参数可调节，以保留需要的数值孔径内的光。本发明的合束器能够很好地实现信号光高质量的合成。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：一种高光束质量光纤激光合束器，所述合束器包括：第一输入光纤束、第二输入光纤束，玻璃毛细管和输出光纤；

所述第一输入光纤束由多根单模光纤组成，或者由多根少模光纤组成；

所述第二输入光纤束由多根多模光纤组成；第二输入光纤束中多模光纤的数量与第一输入光纤束中单模或少模光纤的数量一致，多根多模光纤与第一输入光纤束中单模或少模光纤一一对应连接，且在连接处形成过渡区；

所述玻璃毛细管位于第二输入光纤束外侧；

所述输出光纤与拉锥后的第二输入光纤束以及玻璃毛细管连接，且所述输出光纤上设置滤模结构。

优选的，所述多模光纤的纤芯直径大于所述单模或者少模光纤的纤芯直径，所述多模光纤的包层厚度小于单模或者少模光纤的包层厚度。

优选的，所述多模光纤的纤芯直径大于单模或者少模光纤的纤芯直径的两倍。

优选的，所述单模或者少模光纤的包层厚度大于多模光纤的包层厚度的五倍。

优选的，所述过渡区通过对单模或少模光纤进行纤芯热扩散形成，或者对多模光纤进行拉锥形成，或者同时对单模光纤进行纤芯热扩散和对多模光纤进行拉锥形成。

优选的，所述滤模结构包括输出光纤上由依次设置的下锥区、腰区和上锥区组成的拉锥结构以及设置在拉锥结构上的光剥离装置。

优选的，所述拉锥结构的拉锥比可根据激光的数值孔径进行调整。

优选的，所述光剥离装置为利用酸蚀或研磨的方法在输出光纤表面形成的毛化区域。

优选的，所述光剥离装置为涂敷在输出光纤表面的光学胶水，且光学胶水折射率高于输出光纤包层折射率。

本发明的有益效果是：本发明提供的高光束质量光纤激光合束器，能够实现信号光高质量的合成。

本发明公开的合束器，其输入光纤通过对第一输入光纤热扩心或/和对第二输入光纤熔融拉锥实现作为第一输入光纤的单模或少模光纤与作为第二光纤的多模光纤的模场匹配，进而在相比第一输入光纤的纤芯增大了几倍的多模光纤中实现基模激光信号光的基本无损和光束质量无退化的传输。输入光纤利用多模光纤有效提升了光纤束横截面上纤芯面积的占空比，充分抑制激光合束过程中的光束质量劣化；除此之外，本发明的合束器在输出光纤上设计了滤模结构，实现较高数值孔径合成激光的滤除，使合成激光的光束质量得到提升，而且该滤模结构还可以通过改变拉锥区的拉锥比例，实现不同数值孔径范围的激光滤除，达到在一定范围内调整合成激光光束质量以及平衡合束器光束质量与传输效率的作用，拓宽本发明合束器的应用场景。

附图说明

图1为本发明的高光束质量光纤激光合束器的结构示意图；

图2为传统光纤激光合束器的光纤束横截面上光纤拼叠示意图；

图3为本发明光纤激光合束器的光纤束横截面上光纤拼叠示意图；

图中：10. 第一输入光纤束 20. 第二输入光纤束 30. 玻璃毛细管 40. 输出光纤101. 过渡区 401. 滤模结构。

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。

一种如图1所示的高光束质量光纤激光合束器，所述合束器包括：第一输入光纤束10、第二输入光纤束20，玻璃毛细管30和输出光纤40。

上述第一输入光纤束10由多根单模或者少模光纤组成；上述第二输入光纤束20由多根多模光纤组成，多模光纤的纤芯直径大于上述第一输入光纤束10的单模或者少模光纤的纤芯直径，其包层厚度小于单模或者少模光纤的包层厚度，作为优选实施例，多模光纤的纤芯直径在单模或者少模光纤的纤芯直径的两倍以上，单模或者少模光纤的包层厚度在多模光纤的包层厚度的五倍以上。第二输入光纤束20中多模光纤的数目与第一输入光纤束10中单模或者少模的光纤数量相同，且多模光纤与单模或者少模光纤一一对应连接，在连接处形成了过渡区101，过渡区101是通过对单模光纤进行纤芯热扩散和/或对多模光纤进行拉锥而形成，其能够实现单模或者少模光纤与多模光纤的模场匹配。

传统光纤激光合束器都采用少模光纤（与激光器尾纤一致）直接作为输入光纤，这种光纤的纤芯数值孔径比较小（0.065左右），为将激光约束在纤芯中传输而不逸散到包层里导致光束质量退化，这种低数值孔径光纤的包层需要足够厚（包层直径应为纤芯直径的2.5倍及以上），这导致光纤束横截面上纤芯面积的占空比严重受限，如图2所示，因此传统合束器合成的激光光束质量很差。

如上所述本发明提出使用多模光纤作为合束器的输入光纤，由于其纤芯数值孔径相对较大，包层厚度仅需几微米就能实现激光在纤芯内的有力束缚，这样在光纤束横截面上，光纤包层所占据的面积大幅减小，如图3所示，纤芯占空比随即合成激光光束质量得到有效提升。

上述玻璃毛细管30套在第二输入光纤束20外周，并与第二输入光纤束20熔融拉锥形成包层拼叠区域外轮廓直径与输出光纤40纤芯直径匹配的光纤束。

上述输出光纤40与拉锥后的第二输入光纤束20以及玻璃毛细管30连接实现合束激光的输出。本发明的输出光纤40上设置有滤模结构401，用于将高数值孔径的传输光进行剥离，滤模结构401实质是在输出光纤40上的一段由下锥区、腰区和上锥区组成的拉锥结构，以及设置在拉锥结构上的光剥离装置。作为一种实施例，上述光剥离装置为通过酸蚀或研磨的方法在输出光纤表面形成的毛化区域，作为另一种实施例，光剥离装置也可以为涂敷在输出光纤表面的光学胶水，且光学胶水折射率个高于输出光纤包层折射率。

本发明的合成激光在输出光纤40中的传输角度是呈类似高斯形状的分布，即低数值孔径传输光占比大，高数值孔径传输光占比小，虽然高数值孔径传输光所占总功率比例比较小，但其数值孔径大的特性影响了合成激光的总体数值孔径，使合成激光光束质量变差，因此在输出光纤40上设置滤模结构401，可以将高数值孔径传输光剥离出光纤，使得输出光纤40中仅含有较低数值孔径激光部分，从而实现合成激光的光束质量得到有效提升，而且该滤模结构401还可以通过改变拉锥区的拉锥比例，实现不同数值孔径范围的激光滤除，达到在一定范围内调整合成激光光束质量以及平衡合束器光束质量与传输效率的作用，拓宽本发明合束器的应用场景。

实施例1

本实施例中第一输入光纤束为7根纤芯直径为25μm、纤芯数值孔径0.065、包层直径250μm的少模光纤组成，此时光纤束横截面上纤芯的占空比为0.78%，若采用传统的包层缩径方法减薄包层厚度，则纤芯直径为25μm、纤芯数值孔径0.065的少模光纤的包层直径最小也需要62.5μm，此时光纤束横截面上纤芯的占空比为12.44%，提升程度有限。

采用本发明的合束器结构，使用7根纤芯直径50μm、纤芯数值孔径0.22、包层直径55μm的多模光纤作为第二输入光纤，此时光纤束横截面上纤芯的占空比为64.28%，占空比相较原始占空比提升了82倍，相较传统包层缩径方法占空比提升了5倍。

输出光纤使用纤芯直径50μm、纤芯数值孔径0.22、包层直径250μm的多模光纤，滤模结构为从初始光纤纤芯直径/包层直径为50/250μm拉锥到纤芯直径/包层直径为25/125μm的腰区大小，在从纤芯50μm过渡到25μm的下锥区中，输出光纤内的合成激光数值孔径将增大50/25=2倍，那么初始数值孔径在0.11以内的激光变为数值孔径0.22以内的光束仍能够在纤芯内束缚，但初始数值孔径在0.11以上的激光变为数值孔径0.22以上的光束会逸散到光纤包层中传输。逸散到包层中的激光经过包层光剥除装置后被滤除，使得滤模结构腰区末段仅余数值孔径0.22以内的激光，而此部分激光经过纤芯25μm过渡到50μm的上锥区后，激光数值孔径将变为25/50=1/2，因此会恢复到初始数值孔径0.11以内，因此，这种滤模结构总的效果是将合成激光在0.11数值孔径以内的部分完整保留，但将0.11数值孔径以上的部分剥除，达到提高合成激光光束质量的目的。

Claims (7)

1.一种高光束质量光纤激光合束器，其特征在于，所述合束器包括：第一输入光纤束、第二输入光纤束，玻璃毛细管和输出光纤；

所述第一输入光纤束由多根单模光纤组成，或者由多根少模光纤组成；

所述第二输入光纤束有多根多模光纤组成；第二输入光纤束中多模光纤的数量与第一输入光纤束中单模或少模光纤的数量一致，多根多模光纤与第一输入光纤束中单模或少模光纤一一对应连接，且在连接处形成过渡区；

所述过渡区通过对单模或少模光纤进行纤芯热扩散形成，或者对多模光纤进行拉锥形成，或者同时对单模光纤进行纤芯热扩散和对多模光纤进行拉锥形成；

所述玻璃毛细管位于第二输入光纤束外侧；

所述输出光纤与拉锥后的第二输入光纤束以及玻璃毛细管连接，且所述输出光纤上设置滤模结构；

所述滤模结构包括输出光纤上由依次设置的下锥区、腰区和上锥区组成的拉锥结构以及设置在拉锥结构上的光剥离装置。

2.根据权利要求1所述的高光束质量光纤激光合束器，其特征在于，所述多模光纤的纤芯直径大于所述单模或者少模光纤的纤芯直径，所述多模光纤的包层厚度小于单模或者少模光纤的包层厚度。

3.根据权利要求2所述的高光束质量光纤激光合束器，其特征在于，所述多模光纤的纤芯直径大于单模或者少模光纤的纤芯直径的两倍。

4.根据权利要求2所述的高光束质量光纤激光合束器，其特征在于，所述单模或者少模光纤的包层厚度大于多模光纤的包层厚度的五倍。

5.根据权利要求1所述的高光束质量光纤激光合束器，其特征在于，所述拉锥结构的拉锥比可根据激光的数值孔径进行调整。

6.根据权利要求1所述的高光束质量光纤激光合束器，其特征在于，所述光剥离装置为利用酸蚀或研磨的方法在输出光纤表面形成的毛化区域。

7.根据权利要求1所述的高光束质量光纤激光合束器，其特征在于，所述光剥离装置为涂敷在输出光纤表面的光学胶水，且光学胶水折射率高于输出光纤包层折射率。

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