CN115995748A - 一种光纤盘 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种光纤盘，包括：用于部署增益光纤的多圈光纤跑道，每一圈光纤跑道均由半径相同的多段圆弧按照对应弧长依次连接而成，并且每一圈光纤跑道中的任意两段相邻圆弧之间的朝向方向相反、相邻圆弧相切连接，光纤跑道的盘绕圈数与长度按照第一比例值M分布，光纤跑道中每段圆弧的最内圈半径和最外圈半径按照第二比例值N分布，本申请通过保证每圈光纤跑道上各段圆弧的半径不变，并通过改变所述第一比例值M和/或所述第二比例值N的大小，使得光纤跑道的半径变化率较小，进而将激光器的TMI阈值提高了近10%，由于每圈跑道上的各段圆弧的半径不变，保证了由光纤弯曲而产生的损耗最小。同时，本申请满足激光器以及光纤跑道的尺寸要求。

Description

一种光纤盘

技术领域

本申请涉及光纤激光器技术领域，尤其涉及一种光纤盘。

背景技术

由于光纤激光器具备光束质量好、效率高、功率强、维护成本低、调节性好、环境通用性强等特点，所以广泛应用于工业加工、激光雷达、传感和监测、国防军事、通讯等领域。光纤激光器的工作原理在于需要多个泵浦源来产生泵浦光，在泵浦光的作用下以使激光工作物质的激光能级“粒子数反转”并产生相干激光光束。随着光纤激光器的功率增加，光纤中的功率密度也随之增加，这种激光功率密度的增加会直接带来有害的非线性效应，如受激拉曼散射效应，受激布里渊散射效应自相位调制和自聚焦效应。

为了避免光纤中存在的非线性效应对激光性能的有害影响,通常使用大模场光纤（增加光纤纤芯的直径）来增加光纤的模场面积、降低纤芯内的激光功率密度。而随着光纤纤芯的直径增加，在激光输出功率超过一定阈值后会导致光纤纤芯内有多个激光模式传播，除了基模LP₀₁以外，还存在LP₁₁和LP₀₂等高阶模，而且还伴随着能量从基模到高阶模的转换，但是其能量并不是一直保持在高阶模，而是在基模和高阶模之间来回转移（这种转移的时间尺度一般为毫秒级），由此导致的模式不稳定现象被称为横模不稳定（Transversemode instability, TMI)现象。

TMI产生的直接后果就是光纤激光器的光束质量和稳定性会突然降低，成为制约进一步提升光纤激光器输出功率的主要瓶颈。现有设计中的光纤盘无法满足光纤激光器的尺寸要求，其TMI阈值较低，进而导致了光纤激光器光束质量较差、功率低等问题。

发明内容

本申请实施例提供了一种光纤盘，以达到提高TMI阈值、并且在满足光纤激光器尺寸要求的同时，获得高质量、高稳定性、高功率激光光束的技术效果。

依据本申请的第一方面，提供了一种光纤盘，应用于光纤激光器，所述光纤盘包括：用于部署所述光纤激光器中增益光纤的多圈光纤跑道，其中，每一圈所述光纤跑道均由半径相同的多段圆弧按照对应弧长依次连接而成，并且每一圈光纤跑道中的任意两段相邻圆弧之间的朝向方向相反，同时所述相邻圆弧之间相切连接，所述光纤跑道的盘绕圈数与所述光纤跑道的长度按照第一比例值M分布，所述光纤跑道中每段圆弧的最内圈半径和最外圈半径按照第二比例值N分布，通过保证每一圈所述光纤跑道上的各段圆弧的半径不变，并通过改变所述第一比例值M和/或所述第二比例值N的大小，以提高所述光纤激光器的TMI阈值。

可选地，所述光纤跑道包括第一光纤跑道，每一圈所述第一光纤跑道均由半径相同的十段圆弧按照对应弧长依次连接而成，在所述第一光纤跑道中，所述第一比例值M=31/30，所述第二比例值N=45/75。

可选地，所述光纤跑道包括第二光纤跑道，每一圈所述第二光纤跑道均由半径相同的六段圆弧按照对应弧长依次连接而成，在所述第二光纤跑道中，所述第一比例值M=49/33，所述第二比例值N=45/94。

可选地，所述光纤跑道包括第三光纤跑道，每一圈所述第三光纤跑道均由半径相同的八段圆弧按照对应弧长依次连接而成，在所述第三光纤跑道中，所述第一比例值M=48/30。

可选地，所述第三光纤跑道中每段圆弧的最内圈半径为40mm，所述第三光纤跑道的最外四圈设置为椭圆形跑道。

可选地，所述光纤跑道包括第四光纤跑道，每一圈所述第四光纤跑道均由半径相同的八段圆弧按照对应弧长依次连接而成，在所述第四光纤跑道中，所述第一比例值M=47/33，所述第二比例值N=48/95。

可选地，所述光纤跑道包括第五光纤跑道，每一圈所述第五光纤跑道均由半径相同的六段圆弧按照对应弧长依次连接而成，在所述第五光纤跑道中，所述第一比例值M=47/33，所述第二比例值N=50/97。

可选地，所述光纤跑道包括第六光纤跑道，每一圈所述第六光纤跑道均由半径相同的八段圆弧按照对应弧长依次连接而成，在所述第六光纤跑道中，所述第一比例值M=44/33。

可选地，所述第六光纤跑道中每段圆弧的最内圈半径为48mm，所述第六光纤跑道的最外四圈设置为椭圆形跑道。

可选地，所述光纤跑道设置在所述光纤激光器的冷却板上，所述第一比例值M与所述第二比例值N均满足所述光纤激光器的冷却板的预设尺寸范围。

本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：

提供了一种光纤盘，应用于光纤激光器，所述光纤盘包括：用于部署所述光纤激光器中增益光纤的多圈光纤跑道，其中，每一圈所述光纤跑道均由半径相同的多段圆弧按照对应弧长依次连接而成，并且每一圈光纤跑道中的任意两段相邻圆弧之间的朝向方向相反，相邻圆弧相切连接，所述光纤跑道的盘绕圈数与所述光纤跑道的长度按照第一比例值M分布，所述光纤跑道中每段圆弧的最内圈半径和最外圈半径按照第二比例值N分布，本申请通过保证每圈光纤跑道上的各段圆弧的半径不变，并通过改变所述第一比例值M和/或所述第二比例值N的大小的方式，使得光纤跑道整体的半径变化率较小，进而提高了所述光纤激光器的TMI阈值，同时还能够满足光纤激光器以及光纤跑道的尺寸要求。

上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本申请的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本申请的具体实施方式。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请一个实施例中的第一光纤跑道的结构示意图；

图2为本申请一个实施例中的第二光纤跑道的结构示意图；

图3为本申请一个实施例中的第三光纤跑道的结构示意图；

图4为本申请一个实施例中的第四光纤跑道的结构示意图；

图5为本申请一个实施例中的第五光纤跑道的结构示意图；

图6为本申请一个实施例中的第六光纤跑道的结构示意图。

其中：101、第一光纤跑道的第一段圆弧；102、第一光纤跑道的第二段圆弧；103、第一光纤跑道的第三段圆弧；104、第一光纤跑道的第四段圆弧；105、第一光纤跑道的第五段圆弧；106、第一光纤跑道的第六段圆弧；107、第一光纤跑道的第七段圆弧；108、第一光纤跑道的第八段圆弧；109、第一光纤跑道的第九段圆弧；110、第一光纤跑道的第十段圆弧；R_内1、第一光纤跑道的最内圈半径；R_外1、第一光纤跑道的最外圈半径；

201、第二光纤跑道的第一段圆弧；202、第二光纤跑道的第二段圆弧；203、第二光纤跑道的第三段圆弧；204、第二光纤跑道的第四段圆弧；205、第二光纤跑道的第五段圆弧；206、第二光纤跑道的第六段圆弧；R_内2、第二光纤跑道的最内圈半径；R_外2、第二光纤跑道的最外圈半径；

301、第三光纤跑道的第一段圆弧；302、第三光纤跑道的第二段圆弧；303、第三光纤跑道的第三段圆弧；304、第三光纤跑道的第四段圆弧；305、第三光纤跑道的第五段圆弧；306、第三光纤跑道的第六段圆弧；307、第三光纤跑道的第七段圆弧；308、第三光纤跑道的第八段圆弧；R_内3、第三光纤跑道的最内圈半径；R_外3、第三光纤跑道的近外圈半径；

401、第四光纤跑道的第一段圆弧；402、第四光纤跑道的第二段圆弧；403、第四光纤跑道的第三段圆弧；404、第四光纤跑道的第四段圆弧；405、第四光纤跑道的第五段圆弧；406、第四光纤跑道的第六段圆弧；407、第四光纤跑道的第七段圆弧；408、第四光纤跑道的第八段圆弧；R_内4、第四光纤跑道的最内圈半径；R_外4、第四光纤跑道的最外圈半径；

501、第五光纤跑道的第一段圆弧；502、第五光纤跑道的第二段圆弧；503、第五光纤跑道的第三段圆弧；504、第五光纤跑道的第四段圆弧；505、第五光纤跑道的第五段圆弧；506、第五光纤跑道的第六段圆弧；R_内5、第五光纤跑道的最内圈半径；R_外5、第五光纤跑道的最外圈半径；

601、第六光纤跑道的第一段圆弧；602、第六光纤跑道的第二段圆弧；603、第六光纤跑道的第三段圆弧；604、第六光纤跑道的第四段圆弧；605、第六光纤跑道的第五段圆弧；606、第六光纤跑道的第六段圆弧；607、第六光纤跑道的第七段圆弧；608、第六光纤跑道的第八段圆弧；R_内6、第六光纤跑道的最内圈半径；R_外6、第六光纤跑道的近外圈半径。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

如前所述，TMI现象会导致光纤激光器的光束质量和稳定性突然降低,而现有技术中的光纤盘无法满足光纤激光器的尺寸要求，也无法进一步提高光纤激光器的TMI阈值。基于此，本申请提供了一种光纤盘，以达到提高TMI阈值、并且在满足光纤激光器尺寸要求的同时，获得高质量、高稳定性、高功率激光输出的技术效果。

本申请的技术构思在于所述光纤盘中的每一圈所述光纤跑道均由半径相同的多段圆弧按照对应弧长依次连接而成，并且每一圈光纤跑道中的任意两段相邻圆弧之间的朝向方向相反，相邻圆弧之间相切连接，同时本申请通过保证每一圈所述光纤跑道上的各段圆弧的半径不变，并采用改变所述第一比例值M和/或所述第二比例值N大小的方式，不仅使得光纤跑道整体的半径变化率较小，实现了提高所述光纤激光器的TMI阈值接近10%的技术效果，而且将本申请所述光纤盘应用于光纤激光器，能够获得高质量、高稳定性、高功率输出的激光光束，同时还能够满足光纤激光器以及光纤跑道的尺寸要求。

以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。

在本申请的一个实施例中，提出了一种光纤盘，应用于光纤激光器，所述光纤盘包括：用于部署所述光纤激光器中增益光纤的多圈光纤跑道。

可以理解，光纤激光器的内部包括振荡腔，振荡腔由高低反光栅和增益光纤构成，外部的泵浦光能量能够通过正向合束器和高反光栅，以及反向合束器和低反光栅分别加到振荡腔内，增益光纤吸收泵源光能，在振荡腔内产生激光，激光光束再从低反光栅输出。为了保证激光器可靠工作以及增益光纤的吸收效率，需要将增益光纤放在刻有光纤跑道的冷却板上，以实现对增益光纤上的散热。

在本实施例中，每一圈所述光纤跑道均由半径相同的多段圆弧按照对应弧长依次平滑连接而成，并且每一圈光纤跑道中的任意两段相邻圆弧之间的朝向方向相反，同时位于同一圈光圈跑道的所述相邻圆弧之间相切连接，可以理解，相切连接即指在两段相邻圆弧的连接点处，两段圆弧的切线是同一条直线；所述光纤跑道的盘绕圈数与所述光纤跑道的长度按照第一比例值M分布，所述光纤跑道中每段圆弧的最内圈半径和最外圈半径按照第二比例值N分布，也就是说，所述光纤跑道中位于最内圈的圆弧半径与位于最外圈的圆弧半径按照N分布；通过保证每一圈所述光纤跑道上的各段圆弧的半径不变，并通过改变所述第一比例值M和/或所述第二比例值N的大小，即采用改变光纤跑道的形状和其弯曲半径的方式，来提高所述光纤激光器的TMI阈值。

在本申请的一个实施例中，如图1所示，所述光纤跑道包括第一光纤跑道，该第一光纤跑道的整体长度和宽度（光纤跑道外接矩形的长和宽）分别为406mm和182mm，该第一光纤跑道最内圈和最外圈之间形成的环形宽度范围为30-42mm。其中，每一圈所述第一光纤跑道均由半径相同的十段圆弧按照对应弧长依次连接而成，分别为：第一光纤跑道的第一段圆弧101、第一光纤跑道的第二段圆弧102、第一光纤跑道的第三段圆弧103、第一光纤跑道的第四段圆弧104、第一光纤跑道的第五段圆弧105、第一光纤跑道的第六段圆弧106、第一光纤跑道的第七段圆弧107、第一光纤跑道的第八段圆弧108、第一光纤跑道的第九段圆弧109、第一光纤跑道的第十段圆弧110。

同时，在所述第一光纤跑道中，所述第一比例值M=31/30，所述第二比例值N=45/75。也就是说，所述第一光纤跑道至少包括31圈，且所述第一光纤跑道的长度不小于30m，第一光纤跑道的最内圈半径R_内1为45mm，第一光纤跑道的最外圈半径R_外1为75mm，可以理解，在所述第一光纤跑道中，位于同一圈跑道的每段圆弧的半径均相同。

在本实施例中，按照上述排列顺序，所述第一光纤跑道的最内圈圆弧的圆心角依次为225度、45度、88.7度、88.1度、88.9度、45度、225度、90度、90度、90度。

本领域相关技术人员可以理解，圆弧的弧长计算公式为：，其中，n是圆心角度数（角度制），r是圆弧半径，L是弧长。基于上述公式就能够计算得到所述光纤跑道中各段圆弧的弧长。

以第一光纤跑道最内圈的第一段圆弧为例，该段圆弧弧长即为：L_内1=225度×π×45mm/180 =176.7mm。在本申请实施例中，不同光纤跑道中的各段圆弧的弧长均可按照上述计算方式得到，对于其他各段圆弧的弧长计算过程以下不做赘述。

进一步地，根据前述第一光纤跑道的最内圈各段圆弧的圆心角度数及其对应的半径，并利用上述弧长计算公式可以得到所述第一光纤跑道的最内圈圆弧的弧长依次为176.7mm、35.343mm、69.699mm、70.759mm、 71.354mm、35.343m、176.7mm、70.686mm、70.686mm、70.686mm。

同样地，所述第一光纤跑道的最外圈圆弧的圆心角依次为195.9度、26.5度、60.2度、49.7度、60.8度、26.2度、195.9度、50.2度、50.2度、50.2度；又由于第一光纤跑道的最外圈半径R_外1为75mm，因此，可以利用弧长计算公式计算得到所述第一光纤跑道的最外圈圆弧的弧长依次为256.404mm、34.752mm、78.806mm、65.893mm、80.705mm、34.743mm、256.404mm、65.722mm、65.722mm、65.722mm。

值得注意的是，现有技术中的8字型光纤跑道，在其整体宽度180mm范围内，该种跑道的整体长度只有309mm，可见，与本申请所述的第一光纤跑道相比，该种8字型跑道的长度较短；更重要的是，上述第一光纤跑道内外圈的半径变化范围是45mm-75mm，而8字型跑道内外圈的半径变化范围为40mm-88mm。因此，本申请实施例中的第一光纤跑道的半径变化率为8字型光纤跑道半径变化率的62.5%，即（75-45）/（88-40）=62.5%。由此可见，图1所述的第一光纤跑道内外圈的半径变化范围比8字型跑道的变化要小，8字型跑道无法实现本申请中提高TMI阈值的技术效果。

在本申请的另一个实施例中，如图2所示，所述光纤跑道包括第二光纤跑道，该第二光纤跑道的整体长度和宽度（光纤跑道外接矩形的长和宽）分别为298.7mm和210.6mm，该第二光纤跑道最内圈和最外圈之间形成的环形宽度范围为48.7-60mm。其中，每一圈所述第二光纤跑道均由半径相同的六段圆弧按照对应弧长依次连接而成，分别为：第二光纤跑道的第一段圆弧201、第二光纤跑道的第二段圆弧202、第二光纤跑道的第三段圆弧203、第二光纤跑道的第四段圆弧204、第二光纤跑道的第五段圆弧205、第二光纤跑道的第六段圆弧206。

同时，在所述第二光纤跑道中，所述第一比例值M=49/33，所述第二比例值N=45/94。也就是说，所述第二光纤跑道至少包括49圈，且所述第二光纤跑道的长度不小于33m，第二光纤跑道的最内圈半径R_内2为45mm，第二光纤跑道的最外圈半径R_外2为94mm, 可以理解，在所述第二光纤跑道中，位于同一圈跑道的每段圆弧的半径均相同。

在本实施例中，按照上述排列顺序，所述第二光纤跑道的最内圈圆弧的圆心角依次为216.66度、37.95度、76.66度、37.3度、218.12度、75.34度；进一步地，基于前述弧长计算公式，可以计算得到所述第二光纤跑道的最内圈圆弧的弧长依次为171.3mm、59.2mm、170.2mm、29.8mm、60.2mm、30mm。

同样地，所述第二光纤跑道的最外圈圆弧的圆心角依次为186.27度、18.18度、57.03度、17.95度、186.97度、34.02度；基于前述弧长计算公式，可以计算得到所述第二光纤跑道的最外圈圆弧的弧长依次为306.7mm、55.8mm、305.1mm、29.4mm、92.6mm、29.5mm。

由于上述第二光纤跑道的整体长度和宽度较小，分别为298.7mm和210.6mm，因此，第二光纤跑道更适合设置于尺寸较小的冷却板上。值得注意的是，现有技术中的圆形光纤跑道在其整体宽度210mm-213mm的范围内，其长度只有212mm；由上可知，第二光纤跑道的半径变化范围是45mm-94mm，而圆形跑道的半径变化范围为45mm-107mm。因此，在内圈半径相同的情况下，第二光纤跑道的内外圈半径变化率为圆形光纤跑道内外圈半径变化率的79%，显然第二光纤跑道的半径变化率比相同内径时圆形跑道的半径变化率小。由此可见，圆形跑道同样无法实现本申请中所述第二光纤跑道提高TMI阈值、获得高质量光束的技术效果。

在本申请的另一个实施例中，如图3所示，所述光纤跑道包括第三光纤跑道，该第三光纤跑道整体长度和宽度（光纤跑道外接矩形的长和宽）分别为284mm和194mm，该第三光纤跑道最内圈和近外圈（第44圈，不包括椭圆跑道）之间形成的环形宽度范围为42-46mm。其中，每一圈所述第三光纤跑道均由半径相同的八段圆弧按照对应弧长依次连接而成，分别为：第三光纤跑道的第一段圆弧301、第三光纤跑道的第二段圆弧302、第三光纤跑道的第三段圆弧303、第三光纤跑道的第四段圆弧304、第三光纤跑道的第五段圆弧305、第三光纤跑道的第六段圆弧306、第三光纤跑道的第七段圆弧307、第三光纤跑道的第八段圆弧308。

同时，在所述第三光纤跑道中，所述第一比例值M=48/30。也就是说，所述第三光纤跑道至少包括48圈，且所述第四光纤跑道的长度不小于30m，第三光纤跑道的最内圈半径R_内3为40mm（即第三光纤跑道最内圈的各段圆弧的半径均为40mm），第三光纤跑道的近外圈半径R_外3（即第44圈跑道的半径）为83mm。可以理解，在所述第三光纤跑道中，位于同一圈跑道的每段圆弧的半径均相同。

在本实施例中，按照上述排列顺序，所述第三光纤跑道的最内圈圆弧的圆心角依次为208.4度、40.9度、61.5度、40.9度、200.3度、40.9度、60.2度、40.9度；进一步地，基于前述弧长计算公式，并根据圆心角度数及其对应的最内圈半径，可以计算得到所述第三光纤跑道的最内圈圆弧的弧长依次为145.5mm、28.6mm、42.9mm、28.6mm、139.8mm、28.6m、42mm、28.6mm。

同样地，所述第三光纤跑道的近外圈（第44圈）每段圆弧的圆心角依次为179.8度、19.4度、40度、19.4度、178.8度、19.4度、39.1度、19.4度；所述第三光纤跑道的近外圈每段圆弧的弧长依次为260.5mm、28.1mm、57.9mm、28.1mm、259mm、28.1mm、56mm、28.1mm。

在本申请的一个优选的实施例中，所述第三光纤跑道的最外四圈，即第45圈至第48圈跑道设置为椭圆形跑道。这样做的目的是为了将光纤的入口段和出口段设置为直线型，以使得光纤的头部自入口段盘入、光纤的尾部自出口段盘出，且能够将嵌在光纤跑道的有源光纤和光栅的熔接点放置在直线段；同时还能起到微调作用以兼容不同长度的光纤。

在本申请的另一个实施例中，如图4所示，所述光纤跑道包括第四光纤跑道，该第四光纤跑道的整体长度和宽度（光纤跑道外接矩形的长和宽）分别为300.7mm和211.1mm，该第四光纤跑道最内圈和最外圈之间形成的环形宽度范围为46.7-49.8mm。其中，每一圈所述第四光纤跑道均由半径相同的八段圆弧按照对应弧长依次连接而成，分别为：第四光纤跑道的第一段圆弧401、第四光纤跑道的第二段圆弧402、第四光纤跑道的第三段圆弧403、第四光纤跑道的第四段圆弧404、第四光纤跑道的第五段圆弧405、第四光纤跑道的第六段圆弧406、第四光纤跑道的第七段圆弧407、第四光纤跑道的第八段圆弧408。

同时，在所述第四光纤跑道中，所述第一比例值M=47/33，所述第二比例值N=48/95。也就是说，所述第四光纤跑道至少包括47圈，且所述第四光纤跑道的长度不小于33m，第四光纤跑道的最内圈半径R_内4为48mm，第四光纤跑道的最外圈半径R_外4为95mm。可以理解，在所述第四光纤跑道中，位于同一圈跑道的每段圆弧的半径均相同。

按照上述排列顺序，所述第四光纤跑道的最内圈圆弧的圆心角依次为139.24度、33.85度、53.21度、33.31度、139.6度、33.14度、53.75度、33.14度；由弧长计算公式计算得到所述第四光纤跑道的最内圈圆弧的弧长依次为161mm、28.4mm、44.6mm、28.5mm、165.6mm、28.4m、45.7mm、28.4mm。

所述第四光纤跑道的最外圈圆弧的圆心角依次为177.06度、17.67度、37.19度、17.52度、177.9度、17.47度、38.08度、17.47度；同样地，可以计算得到所述第四光纤跑道的最外圈圆弧的弧长依次为281.2mm、28.1mm、59.1mm、28.1mm、285.7mm、28.1mm、61.2mm、28.1mm。

在本申请的一个实施例中，如图5所示，所述光纤跑道包括第五光纤跑道，该第五光纤跑道的整体长度和宽度（光纤跑道外接矩形的长和宽）分别为304.7mm和215.2mm，该第五光纤跑道最内圈和最外圈之间形成的环形宽度范围为46-56.2mm。其中，每一圈所述第五光纤跑道均由半径相同的六段圆弧按照对应弧长依次连接而成，分别为：第五光纤跑道的第一段圆弧501、第五光纤跑道的第二段圆弧502、第五光纤跑道的第三段圆弧503、第五光纤跑道的第四段圆弧504、第五光纤跑道的第五段圆弧505、第五光纤跑道的第六段圆弧506。

同时，在所述第五光纤跑道中，所述第一比例值M=47/33，所述第二比例值N=50/97。也就是说，所述第五光纤跑道至少包括47圈，且所述第五光纤跑道的长度不小于33m，第五光纤跑道的最内圈半径R_内5为50mm，第五光纤跑道的最外圈半径R_外5为97mm。可以理解，在所述第五光纤跑道中，位于同一圈跑道的每段圆弧的半径均相同。

在本实施例中，按照上述排列顺序，所述第五光纤跑道的最内圈圆弧的圆心角依次为210.4度、34.03度、72.8度、33.51度、210.34度、65.26度；进一步地，基于前述弧长计算公式，并根据圆心角度数及其对应的最内圈半径，可以计算得到所述第五光纤跑道的最内圈圆弧的弧长依次为187mm、58.2mm、183.6mm、29.7mm、63.5mm、29.8m。

同样地，所述第五光纤跑道的最外圈圆弧的圆心角依次为185.43度、17.53度、56.46度、17.39度、186.15度、32.94度；所述第五光纤跑道的最外圈圆弧的弧长依次为315.1mm、55.8mm、313.5mm、29.4mm、94.6mm、29.4mm。

在本申请的另一个实施例中，如图6所示，所述光纤跑道包括第六光纤跑道，该第六光纤跑道的整体 长度和宽度（光纤跑道外接矩形的长和宽）分别为294mm和204mm，该第六光纤跑道最内圈和近外圈（第40圈，不包括椭圆跑道）之间形成的环形宽度范围为40-42mm。其中，每一圈所述第六光纤跑道均由半径相同的八段圆弧按照对应弧长依次连接而成，分别为：第六光纤跑道的第一段圆弧601、第六光纤跑道的第二段圆弧602、第六光纤跑道的第三段圆弧603、第六光纤跑道的第四段圆弧604、第六光纤跑道的第五段圆弧605、第六光纤跑道的第六段圆弧606、第六光纤跑道的第七段圆弧607、第六光纤跑道的第八段圆弧608。

同时，在所述第六光纤跑道中，所述第一比例值M=44/33。也就是说，所述第六光纤跑道至少包括44圈，且所述第六光纤跑道的长度不小于33m，第六光纤跑道的最内圈半径R_内6为48mm（即第六光纤跑道最内圈的各段圆弧的半径均为48mm），第六光纤跑道的近外圈半径R_外6（即第40圈跑道的半径）为88mm。可以理解，在所述第六光纤跑道中，位于同一圈跑道的每段圆弧的半径均相同。

在本实施例中，按照上述排列顺序，所述第六光纤跑道的最内圈圆弧的圆心角依次为194.3度、33.9度、54.5度、33.9度、193.2度、33.9度、53.2度、33.3度；基于弧长计算公式，能够计算得到所述第六光纤跑道的最内圈圆弧的弧长依次为162.8mm、28.4mm、45.6mm、28.4mm、161.9mm、28.4m、44.6mm、28.4mm。

进一步地，所述第六光纤跑道的近外圈（第40圈）圆弧的圆心角依次为178.7度、18.3度、38.9度、18.3度、177.7度、18.3度、38度、18.3度；所述第六光纤跑道的近外圈（第40圈）圆弧的弧长依次为274.5mm、28.1mm、59.7mm、28.1mm、272.9mm、28.1mm、57.7mm、28.1mm。

在本申请的一个优选的实施例中，所述第六光纤跑道的最外四圈，即第41圈至第44圈跑道设置为椭圆形跑道。这样做的目的同样是为了将光纤的入口段和出口段设置为直线型，并且还可以起到微调光纤长度的作用。

本领域相关技术人员不难理解，为了简洁，图1-图6中的各个光纤跑道只标注了第一段圆弧最内圈和最外圈的半径。值得注意的是，对于光纤跑道中的同一段圆弧，其外圈的圆心角度数与内圈的圆心角度数可以不同，这样设计的目的是为了使得位于同一圈的各段圆弧之间能够平滑地相切连接。

同时，在本申请的实施例中，所述光纤跑道可以设置为局部对称的结构，例如，在第一光纤跑道中，所述第一光纤跑道的第一段圆弧101与所述第一光纤跑道的第七段圆弧107的最内圈圆心角度数均为225度，其弧长均为176.7mm，二者之间即为轴对称结构；在第三光纤跑道中，所述第三光纤跑道的第二段圆弧302与所述第三光纤跑道的第四段圆弧304同样为对称结构，其最内圈的圆心角度数均为40.9度，弧长均为28.6mm。可以理解，在实际应用场景下，圆弧段之间的尺寸会由于测量误差、环境误差等原因存在略微差别。

当然，相关技术人员也可以根据具体的应用需求，将上述光纤跑道的各段圆弧设计为非对称的结构，本申请实施例中所述的光纤跑道的尺寸及形状只是为了便于理解和简化描述，并不作为对本申请的限制。

在本申请的一些实施例中，所述光纤跑道设置在所述光纤激光器的冷却板上，所述第一比例值M与所述第二比例值N均满足所述光纤激光器的冷却板的预设尺寸范围。本申请可以在冷却板尺寸限制范围内，保证光纤跑道内圈最小半径要求，并能够满足光纤激光器和光纤跑道的尺寸要求。同时，上述光纤跑道的每一圈均采用多段相同半径的圆弧光滑连接，进而实现了整体光纤跑道半径变化率小、提高TMI阈值的目的。经验证，采用本申请实施例中所述的光纤跑道能够将光纤激光器的TMI阈值提高接近10%。

需要说明的是，采用本申请所述的光纤跑道不仅能够保证整体光纤跑道半径变化率较小，还能够使得其形状不受限制。特别是针对空间受限情形下的冷却板（如长度和宽度相差较大的矩形水冷板等），同样能够提高该光纤激光器的TMI阈值，进而获得高质量、高稳定性、高功率的激光光束。

此外，值得注意的是，TMI阈值不仅与光纤跑道的几何弯曲半径的变化率有关，而且还与光纤的内部特性有关，如光纤材料、光纤内部掺杂、光纤纤芯到包层折射率变化、光纤本身的几何形状等，而光纤跑道最小半径取决于有源光纤本身，如有源光纤的粗细，有源光纤的吸收和允许漏光等因素。

综上所述，本申请的技术方案至少达到了如下的技术效果：

提供了一种光纤盘，应用于光纤激光器，所述光纤盘包括：用于部署所述光纤激光器中增益光纤的多圈光纤跑道，其中，每一圈所述光纤跑道均由半径相同的多段圆弧按照对应弧长依次连接而成，并且每一圈光纤跑道中的任意两段相邻圆弧之间的朝向方向相反，同时所述相邻圆弧之间相切连接，所述光纤跑道的盘绕圈数与所述光纤跑道的长度按照第一比例值M分布，所述光纤跑道中每段圆弧的最内圈半径和最外圈半径按照第二比例值N分布，本申请通过保证每一圈所述光纤跑道上的各段圆弧的半径不变，并通过改变所述第一比例值M和/或所述第二比例值N的大小的方式，使得光纤跑道整体的半径变化率较小，进而提高了所述光纤激光器的TMI阈值，实现获得高质量、高稳定性、高功率激光的技术效果。同时本申请还能够满足光纤激光器以及光纤跑道的尺寸要求。

需要理解的是，术语““上”、“下”、“前”、“后”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。还需要说明的是，术语“包括”“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“一个实施例”、“示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，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。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种光纤盘，应用于光纤激光器，其特征在于，所述光纤盘包括：用于部署所述光纤激光器中增益光纤的多圈光纤跑道，

其中，每一圈所述光纤跑道均由半径相同的多段圆弧按照对应弧长依次连接而成，并且每一圈光纤跑道中的任意两段相邻圆弧之间的朝向方向相反，同时所述相邻圆弧之间相切连接，

所述光纤跑道的盘绕圈数与所述光纤跑道的长度按照第一比例值M分布，所述光纤跑道中每段圆弧的最内圈半径和最外圈半径按照第二比例值N分布，通过保证每一圈所述光纤跑道上的各段圆弧的半径不变，并通过改变所述第一比例值M和/或所述第二比例值N的大小，以提高所述光纤激光器的TMI阈值。

2.如权利要求1所述的光纤盘，其特征在于，所述光纤跑道包括第一光纤跑道，每一圈所述第一光纤跑道均由半径相同的十段圆弧按照对应弧长依次连接而成，在所述第一光纤跑道中，所述第一比例值M=31/30，所述第二比例值N=45/75。

3.如权利要求1所述的光纤盘，其特征在于，所述光纤跑道包括第二光纤跑道，每一圈所述第二光纤跑道均由半径相同的六段圆弧按照对应弧长依次连接而成，在所述第二光纤跑道中，所述第一比例值M=49/33，所述第二比例值N=45/94。

4.如权利要求1所述的光纤盘，其特征在于，所述光纤跑道包括第三光纤跑道，每一圈所述第三光纤跑道均由半径相同的八段圆弧按照对应弧长依次连接而成，在所述第三光纤跑道中，所述第一比例值M=48/30。

5.如权利要求4所述的光纤盘，其特征在于，所述第三光纤跑道中每段圆弧的最内圈半径为40mm，所述第三光纤跑道的最外四圈设置为椭圆形跑道。

6.如权利要求1所述的光纤盘，其特征在于，所述光纤跑道包括第四光纤跑道，每一圈所述第四光纤跑道均由半径相同的八段圆弧按照对应弧长依次连接而成，在所述第四光纤跑道中，所述第一比例值M=47/33，所述第二比例值N=48/95。

7.如权利要求1所述的光纤盘，其特征在于，所述光纤跑道包括第五光纤跑道，每一圈所述第五光纤跑道均由半径相同的六段圆弧按照对应弧长依次连接而成，在所述第五光纤跑道中，所述第一比例值M=47/33，所述第二比例值N=50/97。

8.如权利要求1所述的光纤盘，其特征在于，所述光纤跑道包括第六光纤跑道，每一圈所述第六光纤跑道均由半径相同的八段圆弧按照对应弧长依次连接而成，在所述第六光纤跑道中，所述第一比例值M=44/33。

9.如权利要求8所述的光纤盘，其特征在于，所述第六光纤跑道中每段圆弧的最内圈半径为48mm，所述第六光纤跑道的最外四圈设置为椭圆形跑道。

10.如权利要求1-9任一项所述的光纤盘，其特征在于，所述光纤跑道设置在所述光纤激光器的冷却板上，所述第一比例值M与所述第二比例值N均满足所述光纤激光器的冷却板的预设尺寸范围。

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