CN208299192U - 侧泵型光纤泵浦信号合束器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供的侧泵型光纤泵浦信号合束器，属于合束器领域。侧泵型光纤泵浦信号合束器包括输送光纤和多根泵浦输入光纤，输送光纤分为输入段和输出段，多根泵浦输入光纤环形阵列于输入段的外侧，每根泵浦输入光纤的外周壁与输入段的外周壁贴合连接。信号光和泵浦光在不同空间位置耦合入输送光纤，防止热聚积；信号激光不需要经过模式转化传输，损耗极小；泵浦光基本上是分布式注入输入段中，相当于侧面泵浦结构，避免了端面泵浦容易发生局部过热和损伤的问题，增强了器件的可靠性和功率耐受能力，更加适合高功率光纤激光系统。
Description
技术领域
本实用新型涉及合束器领域，具体而言，涉及侧泵型光纤泵浦信号合束器。
背景技术
高功率光纤激光光源以其一体化、小型化、寿命长、光束质量好等优点，在近十几年来飞速发展，成为工业材料加工、军事国防安全等领域的重要设备或装备。对于振荡-放大(MOPA)结构和反向/双向泵浦结构的全光纤激光器，系统中必须使用光纤泵浦信号合束器，达到同时传输泵浦光和信号激光的目的。
现有的光纤泵浦信号合束器主要是通过以下三种方案实现：方案1，将数根泵浦纤与一根信号纤组成的光纤束用玻璃毛细管紧缚，拉锥毛细管(连同里面的光纤束)直至尺寸匹配输出光纤，在该处切割并熔接输出光纤；方案2，将数根泵浦纤与一根信号纤组成的光纤束使用打结的方式贴合在一起，直接拉锥光纤束直至尺寸匹配输出光纤，在该处切割并熔接输出光纤；方案3，用GT-wave技术将泵浦纤与信号纤拉丝合并到同一根光纤中，实现长距离侧泵。
上述三种方案具有以下缺点：方案1和方案2制作的光纤泵浦信号合束器是用于端泵式光纤激光器/放大器，即所有泵浦光通过同一个光纤端面(熔点)一齐汇入输出光纤，另外信号激光也须通过此处传输，因此熔点处光功率密度相对较大，细微的缺陷都可能导致局部过热致使器件损伤。要实现千瓦级甚至更高功率的光耦合，对熔点的质量要求及其严苛；方案3是光纤激光器/放大器侧泵结构，泵浦光在一定长度上逐渐侧向耦合入信号纤中，避免了熔点的存在，且减小了光耦合的功率密度，增强了器件的可靠器，但是使用的GT-wave技术成本高，实现难度大，工艺关键仅为少数几家公司和单位掌握。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供侧泵型光纤泵浦信号合束器，避免了端面泵浦容易发生局部过热和损伤的问题，增强了器件的可靠性和功率耐受能力，更加适合高功率光纤激光系统。
本实用新型是这样实现的：
侧泵型光纤泵浦信号合束器，包括输送光纤和多根泵浦输入光纤；
输送光纤设置有至少两层波导结构，位于内层的波导结构为信号激光传导层，位于内层和位于外层的波导结构为泵浦光传导层；输送光纤分为输入段和输出段，输入段的外周壁相对于输出段的外周壁沿径向方向缩进形成台阶面；
每根泵浦输入光纤的直径从一端到另一端逐渐变小，多根泵浦输入光纤环形阵列于输入段的外侧，每根泵浦输入光纤的外周壁与输入段的外周壁贴合连接，每根泵浦输入光纤的直径小端端部与台阶面贴合连接。
可选地，侧泵型光纤泵浦信号合束器还包括空心圆锥夹具；
空心圆锥夹具的内径从一端到另一端逐渐减小，空心圆锥夹具紧箍套设于多根泵浦输入光纤的外侧，空心圆锥夹具的内周壁与每根泵浦输入光纤的外周壁贴合，空心圆锥夹具的直径小端端部与台阶面贴合连接。
可选地，侧泵型光纤泵浦信号合束器还包括信号输入光纤；
信号输入光纤的端部与输入段的端部贴合连接，信号输入光纤的纤芯与输入段的纤芯同轴设置。
可选地，每根泵浦输入光纤的直径小端端部与台阶面熔接连接。
可选地，空心圆锥夹具采用玻璃毛细管。
可选地，空心圆锥夹具的直径小端端部与台阶面熔接连接。
可选地，空心圆锥夹具的直径小端的外周壁与输出段的外周壁齐平。
可选地，信号输入光纤的端部与输入段的端部熔接连接。
可选地，每根泵浦输入光纤的外周壁与输入段的外周壁熔接连接。
本实用新型的有益效果：信号光和泵浦光在不同空间位置耦合入输送光纤，防止热聚积；侧泵型光纤泵浦信号合束器，信号激光不需要经过模式转化传输，损耗极小；泵浦光基本上是分布式注入输入段中，相当于侧面泵浦结构，避免了端面泵浦容易发生局部过热和损伤的问题，增强了器件的可靠性和功率耐受能力，更加适合高功率光纤激光系统。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本实用新型实施例提供的侧泵型光纤泵浦信号合束器的第一种结构示意图；
图2为本实用新型实施例提供的侧泵型光纤泵浦信号合束器的第二种结构示意图；
图3为本实用新型实施例提供的侧泵型光纤泵浦信号合束器的第三种结构示意图；
图4为本实用新型实施例提供的侧泵型光纤泵浦信号合束器的第四种结构示意图；
图5为本实用新型实施例提供的输送光纤的结构示意图；
图6为本实用新型实施例提供的空心圆锥夹具的制作结构示意图；
图7为沿图6中的A-A的结构示意图；
图8为沿图6中的B-B的结构示意图；
图9为本实用新型实施例提供的制备方法的中间产物结构示意图；
图10为本实用新型实施例提供的制备方法制成的侧泵型光纤泵浦信号合束器的结构示意图。
图标：100-玻璃毛细管；200-泵浦输入光纤；300-信号输入光纤；400-输送光纤；410-输入段；420-输出段；500-第一熔接面；600-第二熔接面；700-台阶面；800-第一腰区；900-第二腰区。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，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实用新型的限制。
在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
具体实施例，参照图1至图10。
如图1所示，本实施例提供的侧泵型光纤泵浦信号合束器，包括输送光纤400和多根泵浦输入光纤200。
输送光纤400设置有至少两层波导结构，位于内层的波导结构为信号激光传导层，位于内层和位于外层的波导结构为泵浦光传导层；输送光纤400分为输入段410和输出段420，输入段410的外周壁相对于输出段420的外周壁沿径向方向缩进形成台阶面700。
波导结构是指用于定向引导电磁波的结构；两层波导结构，一层波导结构位于另一层波导结构的外侧；内层用于传输信号激光，内层与外层构成的整体用于传输泵浦光；输入段410和输出段420的划分根据在输送光纤400上有无直径缩径进行划分；输入段410是在输送光纤400的一段长度上进行特殊处理形成，可以用酸蚀或研磨或其他方法，使输入段410的外径减小至预设尺寸，预设尺寸根据输出段420以及空心圆锥夹具的尺寸进行确定，具体见后续描述；台阶面700沿输送光纤400的径向方向平整延伸。
输送过程中，信号激光从输入段410输入，从输出段420输出。信号激光输入输出经过同一根输送光纤400，不需要经过模式转化，传输损耗极小。
信号激光的输入还可以从信号输入光纤300输入，再经输送光纤400输出，即信号激光的输送可以经过同一根光纤，避免了熔接；也可以先经过信号输入光纤300，再经过输送光纤400。如图2所示，侧泵型光纤泵浦信号合束器还包括信号输入光纤300；信号输入光纤300的端部与输入段410的端部贴合连接，信号输入光纤300的纤芯与输入段410的纤芯同轴设置。
优选地，如图2所示，信号输入光纤300的端部与所述输入段410的端部熔接连接，形成第二熔接面600。
信号输入光纤300的纤芯与输入段410的纤芯同轴设置，且信号输入光纤300和输送光纤400两者均无拉锥，故信号激光能直接从信号输入光纤300过渡到输送光纤400纤芯中，不经过模式转化，传输损耗极小。此外，由于信号光是通过信号输入光纤300进入输入段410，泵浦光是通过台阶面700传输到输出段420中，信号光与泵浦光的损耗就分散在不同位置，能够进一步防止废热发生聚积。
如图2所示，泵浦光通过多根泵浦输入光纤200逐渐耦合至输入段410，然后经输出段420输出。
每根泵浦输入光纤200的直径从一端到另一端逐渐变小，多根泵浦输入光纤200环形阵列于输入段410的外侧，每根泵浦输入光纤200的外周壁与输入段410的外周壁贴合连接，每根泵浦输入光纤200的直径小端端部与台阶面700贴合连接。
每根泵浦输入光纤200的直径从一端到另一端逐渐变小，其中直径较大的一端为直径大端，直径较小的一端为直径小端。每根泵浦输入光纤200的外周壁与输入段410的外周壁贴合连接，优选地，每根所述泵浦输入光纤200的外周壁与所述输入段410的外周壁熔接连接。每根泵浦输入光纤200的直径小端端部与台阶面700贴合连接，优选地，每根所述泵浦输入光纤200的直径小端端部与所述台阶面700熔接连接，形成第一熔接面500。
对于泵浦光注入，在经过泵浦输入光纤200的过程中，大部分通过侧面接触逐渐耦合到输入段410中，小部分泄露，最后剩余的极小一部分在泵浦输入光纤200的直径小端台阶面700汇入输出段420。因此，对于此种合束器，泵浦光基本上是分布式注入输送光纤400中，相当于侧面泵浦结构。这样就避免了端面泵浦容易发生局部过热和损伤的问题，增强了器件的可靠性和功率耐受能力，更加适合高功率光纤激光系统。
如图3所示，侧泵型光纤泵浦信号合束器还包括空心圆锥夹具，主要用于实现泵浦输入光纤200的外周壁和输送光纤400的输入段410的外周壁贴合。在完成泵浦输入光纤200的外周壁和输送光纤400的输入段410的外周壁贴合后，如果空心圆锥夹具使用玻璃毛细管100，因为其熔点与光纤熔点差不多，在制作过程中，玻璃毛细管100会和光纤烧在一起，不能取下；如果使用的是其他类型的特制夹具，比如用蓝宝石等高熔点材料，因为熔点远高于光纤熔点，辅助光纤贴合烧结后，空心圆锥夹具并不会和光纤熔到一起，可以单独拆下来。
空心圆锥夹具的内径从一端到另一端逐渐减小，空心圆锥夹具紧箍套设于多根泵浦输入光纤200的外侧，空心圆锥夹具的内周壁与每根泵浦输入光纤200的外周壁贴合，空心圆锥夹具的直径小端端部与台阶面700贴合连接。优选地，空心圆锥夹具的直径小端端部与台阶面700熔接连接。优选地，空心圆锥夹具的直径小端的外周壁与输出段420的外周壁齐平。
前面提到的“使输入段410的外径减小至预设尺寸”中的“预设尺寸”是根据输出段420以及空心圆锥夹具的尺寸确定的。假设空心圆锥夹具的内径为ID10，外径为OD10；输出段420的外径为D40；经缩径处理后的输入段410的外径略小于
在其他实施例中，空心圆锥夹具采用玻璃毛细管100。通过玻璃毛细管100束缚，实现泵浦纤与输入段410的侧面贴合，使泵浦光能够分布式侧面耦合入输送光纤400中。空心圆锥夹具也可为其他材料特制锥形夹具，比如使用蓝宝石等高熔点材料，仅用于束缚光纤束保持光纤束的侧面贴合状态。玻璃毛细管100或其他夹具在光纤束完成烧结后，可取下。
侧泵型光纤泵浦信号合束器可以设置玻璃毛细管100，也可以不设置。设置玻璃毛细管100后，泵浦光在经过泵浦纤锥区的过程中，大部分通过侧面接触逐渐耦合到输入段410中，小部分泄露到玻璃毛细管100中，最后剩余的极小一部分在泵浦输入光纤200的直径小端连同玻璃毛细管100中的泵浦光一起经过台阶面700汇入输送光纤400中。因此，对于此种合束器，泵浦光基本上是分布式注入输入段410中，相当于侧面泵浦结构。这样就避免了端面泵浦容易发生局部过热和损伤的问题，增强了器件的可靠性和功率耐受能力，更加适合高功率光纤激光系统。
本方案设计的侧泵型光纤泵浦信号合束器，如图4所示，主要能够实现短距离侧面泵浦，主要适用于高功率光纤激光器和放大器。同样可作为反向泵浦信号合束器使用，适用于反向泵浦或双向泵浦型光纤激光器/放大器系统。即泵浦输入光纤200依然作为泵浦输入光纤200，信号输入光纤300作为信号输出光纤；泵浦光依旧从泵浦输入光纤200传输到输入段410中，而信号光反向从输送光纤400传输到信号输入光纤300中。
本实施例还提供了侧泵型光纤泵浦信号合束器制备方法，包括以下步骤：
如图5所示，将输送光纤400划分为输入段410和输出段420，对输入段410的外周壁进行缩径处理，使输入段410的外周壁相对于输出段420的外周壁沿径向方向缩进形成台阶面700；输送光纤400设置有至少两层波导结构，位于内层的波导结构为信号激光传导层，位于内层和位于外层的波导结构为泵浦光传导层；
如图9所示，将空心圆锥夹具套设于输入段410的外侧并使空心圆锥夹具的直径小端端部与台阶面700贴合；空心圆锥夹具的内径从一端到另一端逐渐减小；
如图10所示，将多根泵浦输入光纤200插入输入段410和空心圆锥夹具之间，使多根泵浦输入光纤200环形阵列于输入段410的外侧，以及使每根泵浦输入光纤200的直径小端端部与台阶面700贴合，形成合束结构；每根泵浦输入光纤200的直径从一端到另一端逐渐变小，每根泵浦输入光纤200的外周壁分别与输入段410的外周壁和空心圆锥夹具的内周壁贴合；
对合束结构进行烧结固化，使泵浦输入光纤200的外周壁分别与输入段410的外周壁和空心圆锥夹具的内周壁熔接，以及使空心圆锥夹具的直径小端端部和泵浦输入光纤200的直径小端端部分别与台阶面700熔接。
其中，输入段410的缩径处理可以采用酸蚀方式、研磨方式或者激光处理方式。“或者”是指酸蚀方式、研磨方式以及激光处理方式中的任意一种；以及酸蚀方式、研磨方式以及激光处理方式中的任意两种或者三种方式的组合。也可以通过其他特殊处理方式。
处理后的输入段410的外径缩小到合适尺寸。如图4所示，假设，空心圆锥夹具的内径为ID10，外径为OD10；输出段420的外径为D40；经缩径处理后的输入段410的外径D40′小于
优选地，空心圆锥夹具采用玻璃毛细管100；
玻璃毛细管100经过至少一次拉锥处理形成夹具拉锥段。对玻璃毛细管100进行拉锥处理形成包括两个对称锥形结构的夹具拉锥段，从夹具拉锥段的中部切割形成两个锥形结构；其中一个锥形结构作为空心圆锥夹具套设于输入段410的外侧，切割形成的切割端面与台阶面700贴合。
如图6所示，玻璃毛细管100也可以通过两次拉锥形成夹具拉锥段。将玻璃毛细管100先作一次拉锥，得到第一腰区800内径ID10′，比泵浦输入光纤200与处理过的输入段410组成的光纤束总直径稍大(如图7和图8所示，以6根泵浦输入光纤200为例)；然后在玻璃毛细管100的第一腰区800上再做一次拉锥，此次的锥区长度LAB较长(例如cm或10cm量级)，第二腰区900的内径ID10″比输入段410直径D40′略大(如图8所示)；在毛细管第二腰区900切开，得到平整端面。
如图9所示，将输送光纤400的输入段410由右向左塞入玻璃毛细半管中，玻璃毛细半管端面(也就是空心圆锥夹具的切割端面)与台阶面700贴合。由于在前面步骤中输入段410和玻璃毛细管100均经过尺寸控制，此处输入段410与玻璃毛细管100贴合界面处，输送光纤400的直径D40′与D40应刚好分别匹配玻璃毛细管100内外径ID10″与OD10″。
还可以设置信号输入光纤300，如图9所示，将信号输入光纤300的一端熔接于泵浦输入光纤200的输入段410的端部，信号输入光纤300的纤芯与输入段410的纤芯同轴设置。
对每根泵浦输入光纤200分别进行拉锥处理形成泵浦拉锥段，泵浦拉锥段的外周壁能够分别与输入段410的外周壁和空心圆锥夹具的内周壁贴合，泵浦拉锥段的长度等于夹具拉锥段的长度。
泵浦输入光纤200作长拉锥，由原始直径渐变到微米量级断开，要求锥区长度与玻璃毛细管100的夹具拉锥段——LAB(二次拉锥中第二次拉锥锥区长度)一致。使用特殊光纤夹具，将数根泵浦输入光纤200以规则形状排布(例如，6根光纤按六边形排列)，然后在图9示例的结构中由左向右塞入玻璃毛细半管，使每一根泵浦输入光纤200都处于玻璃毛细管100与输入段410之间，泵浦输入光纤200的锥区应刚好同时贴合玻璃毛细管100锥区内壁和输入段410表面——如图10所示为不同锥区位置的截面示意图。
最后，使用激光或火焰或其他类型热源将如图9中结构烧结固化，使泵浦输入光纤200、输送光纤400以及玻璃毛细管100在侧面完全贴合在一起，并使玻璃毛细管100端面与(台阶面700)熔融成一体。
以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (9)
1.侧泵型光纤泵浦信号合束器，其特征在于，包括输送光纤和多根泵浦输入光纤；
所述输送光纤设置有至少两层波导结构，位于内层的所述波导结构为信号激光传导层，位于内层和位于外层的所述波导结构为泵浦光传导层；所述输送光纤分为输入段和输出段，所述输入段的外周壁相对于所述输出段的外周壁沿径向方向缩进形成台阶面；
每根所述泵浦输入光纤的直径从一端到另一端逐渐变小，多根所述泵浦输入光纤环形阵列于所述输入段的外侧，每根所述泵浦输入光纤的外周壁与所述输入段的外周壁贴合连接，每根所述泵浦输入光纤的直径小端端部与所述台阶面贴合连接。
2.根据权利要求1所述的侧泵型光纤泵浦信号合束器，其特征在于，所述侧泵型光纤泵浦信号合束器还包括空心圆锥夹具；
所述空心圆锥夹具的内径从一端到另一端逐渐减小，所述空心圆锥夹具紧箍套设于多根所述泵浦输入光纤的外侧，所述空心圆锥夹具的内周壁与每根所述泵浦输入光纤的外周壁贴合，所述空心圆锥夹具的直径小端端部与所述台阶面贴合连接。
3.根据权利要求1所述的侧泵型光纤泵浦信号合束器，其特征在于，所述侧泵型光纤泵浦信号合束器还包括信号输入光纤；
所述信号输入光纤的端部与所述输入段的端部贴合连接，所述信号输入光纤的纤芯与所述输入段的纤芯同轴设置。
4.根据权利要求1所述的侧泵型光纤泵浦信号合束器，其特征在于，每根所述泵浦输入光纤的直径小端端部与所述台阶面熔接连接。
5.根据权利要求2所述的侧泵型光纤泵浦信号合束器，其特征在于，所述空心圆锥夹具采用玻璃毛细管。
6.根据权利要求2所述的侧泵型光纤泵浦信号合束器，其特征在于，所述空心圆锥夹具的直径小端端部与所述台阶面熔接连接。
7.根据权利要求2所述的侧泵型光纤泵浦信号合束器，其特征在于，所述空心圆锥夹具的直径小端的外周壁与所述输出段的外周壁齐平。
8.根据权利要求3所述的侧泵型光纤泵浦信号合束器，其特征在于，所述信号输入光纤的端部与所述输入段的端部熔接连接。
9.根据权利要求1所述的侧泵型光纤泵浦信号合束器，其特征在于，每根所述泵浦输入光纤的外周壁与所述输入段的外周壁熔接连接。
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2018
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| CN113809625B (zh) * | 2021-11-18 | 2022-02-18 | 武汉聚合光子技术有限公司 | 一种用于高功率光纤激光器系统的侧泵合束器 |
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