CN117728287B - 一种基于光子灯笼的激光相干合束效率提升的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及激光半导体技术领域，具体提供一种基于光子灯笼的激光相干合束效率提升的方法及装置，多根单模光纤和毛细管由内至外严格地呈环形周期性排布捆绑形成捆绑束，将该捆绑束放入外套管后熔融拉锥成一根少模光纤，形成光子灯笼结构，毛细管经过拉锥后变成光子晶体，光子灯笼结构的两端再分别熔接第一光纤和第二光纤。多路单模激光经过相位调控后从光子灯笼结构的单模光纤端输入，通过光子灯笼结构的锥区的模式转换合束后，多路单模激光转换成一束单模光，实现激光的相干合束，利用光纤包层中嵌入光子晶体的方式可降低包层的折射率，可进一步避免光子灯笼在合束过程中产生的光泄露问题，降低传输损耗，从而提高激光相干合束效率。
Description
技术领域
本发明涉及激光半导体技术领域，具体提供一种基于光子灯笼的激光相干合束效率提升的方法及装置。
背景技术
相干合束技术是通过控制各路光束的相位，使波长相同、偏振一致的激光阵列在远场目标以相互干涉的方式叠加，是实现高功率高光束质量激光输出的重要手段之一。光子灯笼便是其中一种常见的相干合束器，它是将多根单模光纤通过绝热拉锥合并成一根少模光纤而制成的一种全光纤型光束组合器件，具有低插入损耗，可实现模式控制等特点，可应用于激光合束和光纤通讯等领域。
合束效率是评价合束器性能的一个重要指标，然而，一般单模光纤经过拉锥在合束过程中会出现光泄露问题，严重影响了光子灯笼的合束效率，限制了光子灯笼的应用。因此，亟需一种可避免拉锥后出现光泄露的方法来降低光子灯笼的传输损耗。
发明内容
本发明为解决上述问题，提供了一种基于光子灯笼的激光相干合束效率提升的方法及装置，利用光纤包层中嵌入光子晶体的方式可降低包层的折射率，使光纤芯内折射率大于外包层的有效折射率，实现激光束在光纤芯内的全反射，可进一步避免光子灯笼在合束过程中产生的光泄露问题，降低激光合束过程中在光子灯笼锥区的传输损耗，从而提高激光相干合束效率。
第一方面，本发明提供一种基于光子灯笼的激光相干合束效率提升的方法，包括：
将多根单模光纤设置在内并将多根毛细管围绕在所述多根单模光纤外进行环形周期性排布捆绑得到捆绑束；
将所述捆绑束放入外套管中形成预制光纤束，对所述预制光纤束进行熔融拉锥成少模光纤，形成光子灯笼结构，所述毛细管经过拉锥后形成光子晶体，所述光子灯笼结构的两端分别熔接第一光纤和第二光纤；
经过相位调控后的多路单模激光从所述第二光纤输入，通过所述光子灯笼结构的锥区进行模式转换合束得到所述多路单模激光的相干合束光束，所述相干合束光束从所述第一光纤输出，完成多路单模激光转换成一束单模光。
作为一种优选的方案，所述对所述预制光纤束进行熔融拉锥成少模光纤，形成光子灯笼结构，包括：
通过光纤拉锥机将所述外套管、多根单模光纤以及所述毛细管进行加热软化，再进行熔融拉锥成少模光纤，形成光子灯笼结构。
作为一种优选的方案，所述单模光纤的芯径范围在4-9μm，数量大于1。
作为一种优选的方案，所述单模光纤和所述毛细管采用石英或聚合物制成。
作为一种优选的方案，所述毛细管为空心管状结构，空心管状结构内空气填充，使得光纤芯内折射率大于外包层的有效折射率，实现所述多路单模激光在光纤芯内的全反射，所述毛细管的数量大于1。
作为一种优选的方案，所述第一光纤为单模光纤或多模光纤，所述第二光纤为单模光纤，所述第二光纤的芯径与所述多根单模光纤相匹配。
作为一种优选的方案，输入的所述多路单模激光的波长范围在0-2000nm。
第二方面，本发明提供一种基于光子灯笼的激光相干合束效率提升的装置，利用上述的基于光子灯笼的激光相干合束效率提升的方法制得。
与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：
本发明实施例中提供的基于光子灯笼激光相干合束效率提升方法及装置，其中，采用的光子灯笼结构包括多根单模光纤、多根毛细管、外套管、少模光纤、第一光纤以及第二光纤，多根单模光纤和毛细管由内至外严格地呈环形周期性排布捆绑形成捆绑束，将该捆绑束放入外套管后熔融拉锥成一根少模光纤，形成光子灯笼结构，毛细管经过拉锥后变成光子晶体，光子灯笼结构的两端再分别熔接第一光纤和第二光纤。多路单模激光经过相位调控后从光子灯笼结构的单模光纤端输入，通过光子灯笼结构的锥区的模式转换合束后，多路单模激光的相干合束光束从一根少模光纤端输出，即多路单模激光转换成一束单模光，实现激光的相干合束，由于光子晶体的作用，使激光限制在纤芯内传输。利用光纤包层中嵌入光子晶体的方式可降低包层的折射率，使光纤芯内折射率大于外包层的有效折射率，实现激光束在光纤芯内的全反射，可进一步避免光子灯笼在合束过程中产生的光泄露问题，降低激光合束过程中在光子灯笼锥区的传输损耗，从而提高激光相干合束效率。
附图说明
图1是根据本发明实施例提供的基于光子灯笼的激光相干合束效率提升的方法的流程示意图；
图2是本发明的一种提供的基于光子灯笼的激光相干合束效率提升的方法中光子灯笼结构的示意图；
图3是图2中B和C端面的横截面示意图；
图4是图2中单模光纤和毛细管的排布示意图。
其中的附图标记包括：
1、单模光纤；2、毛细管；3、外套管；4、少模光纤；5、第一光纤；6、第二光纤；A、B、C、D、E分别为对应位置的横截面。
具体实施方式
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
结合图1所示，本发明实施例中提供一种基于光子灯笼的激光相干合束效率提升的方法，包括：
S101、将多根单模光纤设置在内并将多根毛细管围绕在所述多根单模光纤外进行环形周期性排布捆绑得到捆绑束。
结合图2和图3所示，单模光纤1和毛细管2的数量可以根据需要进行选择，将确定好数量的单模光纤1和毛细管2采用单模光纤1在内毛细管2在外的方式进行环形排布捆绑，具体地，本实施例中，选择3根单模光纤1和8根毛细管2，可以采用堆积法将3根单模光纤1和8根毛细管2捆绑得到捆绑束，堆积好的捆绑束放入外套管3中，形成预制光纤束。
S102、将所述捆绑束放入外套管中形成预制光纤束，对所述预制光纤束进行熔融拉锥成少模光纤，形成光子灯笼结构，所述毛细管经过拉锥后形成光子晶体，所述光子灯笼结构的两端分别熔接第一光纤和第二光纤。
结合图2和图3所示，通过光纤拉锥机将预制光纤束加热软化，熔融拉锥得到一根少模光纤4，形成光子灯笼结构，毛细管2经过拉锥后变成光子晶体，光子灯笼两端再分别熔接第一光纤5和第二光纤6。具体地，光子灯笼结构的少模端即B端熔接第一光纤5，第一光纤5可以选用芯径9μm的单模光纤，光子灯笼结构的多模端即D端熔接第二光纤6，第二光纤6可以选用芯径4μm的单模光纤，与单模光纤1的芯径匹配，BD段为光子灯笼结构的锥区，锥区的长度越长，锥角度越小，锥区的光传输损耗就越小，BD段垂直距离可以为30mm，在进行激光相干合束时，三路单模激光经过相位调控后分别从三根第二光纤6的E端输入，经过光子灯笼模式转换合束后，从第一光纤5的A端输出一束合束单模光，实现激光的相干合束。
S103、经过相位调控后的多路单模激光从所述第二光纤输入，通过所述光子灯笼结构的锥区进行模式转换合束得到所述多路单模激光的相干合束光束，所述相干合束光束从所述第一光纤输出，完成多路单模激光转换成一束单模光。
结合图2所示，多路单模激光经过相位调控后从光子灯笼结构的第二光纤6端（即E端）输入，通过光子灯笼结构的锥区（即BD段）的模式转换合束后，多路单模激光的相干合束光束从第一光纤5端（即A端）输出，实现多路单模激光转换成一束单模光。
结合图4所示，捆绑过程中，单模光纤1和毛细管2由内至外严格地呈环形周期性排布捆绑，假设n1至nx层为单模光纤1，nx+1层则为毛细管2，每层均为周期性环形排布。
在一些实施例中，单模光纤1的芯径范围在4-9μm，数量大于1，本实施例中单模光束选择3根，本领域普通技术人员可以灵活选择，对此不做限定。
在一些实施例中，单模光纤1和毛细管2采用石英或聚合物制成，本领域普通技术人员可以灵活选择，对此不做限定。
在一些实施例中，毛细管2可以为空心管状结构，空心管状结构内空气填充，使得光纤芯内折射率大于外包层的有效折射率，实现多路单模激光在光纤芯内的全反射，毛细管2的数量大于1，本实施例中，毛细管2的数量选择8根，本领域普通技术人员可以灵活选择，对此不做限定。
在一些实施例中，第一光纤5为单模光纤或多模光纤，所述第二光纤6为单模光纤，所述第二光纤6的芯径与所述多根单模光纤相匹配。
在一些实施例中，激光相干合束的传输过程为从E至A，根据使用需求，光传输方向也可为从A至E，可以相互传输，输入的多路单模激光的波长范围可以在0-2000nm。
本发明实施例中提供的基于光子灯笼激光相干合束效率提升方法，采用的光子灯笼结构包括多根单模光纤1、多根毛细管2、外套管3、少模光纤4、第一光纤5以及第二光纤6，多根单模光纤1和毛细管2由内至外严格地呈环形周期性排布捆绑形成捆绑束，将该捆绑束放入外套管3后熔融拉锥成一根少模光纤4，形成光子灯笼结构，毛细管2经过拉锥后变成光子晶体，光子灯笼结构的两端再分别熔接第一光纤5和第二光纤6。多路单模激光经过相位调控后从光子灯笼结构的单模光纤1端输入，通过光子灯笼结构的锥区的模式转换合束后，多路单模激光的相干合束光束从一根少模光纤4端输出，即多路单模激光转换成一束单模光，实现激光的相干合束，由于光子晶体的作用，使激光限制在纤芯内传输。利用光纤包层中嵌入光子晶体的方式可降低包层的折射率，使光纤芯内折射率大于外包层的有效折射率，实现激光束在光纤芯内的全反射，可进一步避免光子灯笼在合束过程中产生的光泄露问题，降低激光合束过程中在光子灯笼锥区的传输损耗，从而提高激光相干合束效率。
相应地，本发明实施例中还提供一种基于光子灯笼的激光相干合束效率提升的装置，利用上述的基于光子灯笼的激光相干合束效率提升的方法制得。
本发明实施例中提供的基于光子灯笼激光相干合束效率提升装置，其中的光子灯笼结构包括多根单模光纤1、多根毛细管2、外套管3、少模光纤4、第一光纤5以及第二光纤6，多根单模光纤1和毛细管2由内至外严格地呈环形周期性排布捆绑形成捆绑束，将该捆绑束放入外套管3后熔融拉锥成一根少模光纤4，形成光子灯笼结构，毛细管2经过拉锥后变成光子晶体，光子灯笼结构的两端再分别熔接第一光纤5和第二光纤6。多路单模激光经过相位调控后从光子灯笼结构的单模光纤1端输入，通过光子灯笼结构的锥区的模式转换合束后，多路单模激光的相干合束光束从一根少模光纤4端输出，即多路单模激光转换成一束单模光，实现激光的相干合束，由于光子晶体的作用，使激光限制在纤芯内传输。利用光纤包层中嵌入光子晶体的方式可降低包层的折射率，使光纤芯内折射率大于外包层的有效折射率，实现激光束在光纤芯内的全反射，可进一步避免光子灯笼在合束过程中产生的光泄露问题，降低激光合束过程中在光子灯笼锥区的传输损耗，从而提高激光相干合束效率。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
Claims (8)
1.一种基于光子灯笼的激光相干合束效率提升的方法，其特征在于，包括：
将多根单模光纤设置在内并将多根毛细管围绕在所述多根单模光纤外进行环形周期性排布捆绑得到捆绑束；
将所述捆绑束放入外套管中形成预制光纤束，对所述预制光纤束进行熔融拉锥成少模光纤，形成光子灯笼结构，所述毛细管经过拉锥后形成光子晶体，所述光子灯笼结构的两端分别熔接第一光纤和第二光纤；
经过相位调控后的多路单模激光从所述第二光纤输入，通过所述光子灯笼结构的锥区进行模式转换合束得到所述多路单模激光的相干合束光束，所述相干合束光束从所述第一光纤输出，完成多路单模激光转换成一束单模光。
2.根据权利要求1所述的基于光子灯笼的激光相干合束效率提升的方法，其特征在于，对所述预制光纤束进行熔融拉锥成少模光纤，形成光子灯笼结构，包括：
通过光纤拉锥机将所述外套管、多根单模光纤以及所述毛细管进行加热软化，再进行熔融拉锥成少模光纤，形成光子灯笼结构。
3.根据权利要求1所述的基于光子灯笼的激光相干合束效率提升的方法，其特征在于，所述单模光纤的芯径范围在4-9μm，数量大于1。
4.根据权利要求1或3所述的基于光子灯笼的激光相干合束效率提升的方法，其特征在于，所述单模光纤和所述毛细管采用石英或聚合物制成。
5.根据权利要求1所述的基于光子灯笼的激光相干合束效率提升的方法，其特征在于，所述毛细管为空心管状结构，空心管状结构内空气填充，使得光纤芯内折射率大于外包层的有效折射率，实现所述多路单模激光在光纤芯内的全反射，所述毛细管的数量大于1。
6.根据权利要求1所述的基于光子灯笼的激光相干合束效率提升的方法，其特征在于，所述第一光纤为单模光纤或多模光纤，所述第二光纤为单模光纤，所述第二光纤的芯径与所述多根单模光纤相匹配。
7.根据权利要求1所述的基于光子灯笼的激光相干合束效率提升的方法，其特征在于，输入的所述多路单模激光的波长范围在0-2000nm。
8.一种基于光子灯笼的激光相干合束效率提升的装置，其特征在于，利用权利要求1至7中任一项所述的基于光子灯笼的激光相干合束效率提升的方法制得。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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