[發明專利]一種高模場占空比光纖功率合束器

有效

• 申請號: 201410686102.3
• 申請日: 2014-11-25
• 公開（公告）號: CN104330848B
• 公開（公告）日: 2017-08-25
• 發明（設計）人: 曹澗秋;郭少鋒;許曉軍;劉文博;陳子倫;冷進勇;陳金寶;陸啟生
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科學技術大學
• 主分類號: G02B6/24
• 分類號: G02B6/24;G02B6/255;G02B6/02;G02B6/036
• 代理公司: 國防科技大學專利服務中心43202
• 代理人: 郭敏

技術領域

本發明涉及激光器技術領域。尤其涉及一種兼具高合束能力和高光束質量、且制作工藝簡單的高模場占空比光纖功率合束器。

背景技術

光纖激光器具有質量輕、結構緊湊、壽命長、光束質量好、抗干擾能力強等特點，在通信、傳感、機械加工、醫療、科研以及國防軍事等領域具有廣泛的應用。特別是隨著近年來光纖激光器功率水平的飛速發展，光纖激光器的應用范圍也在不斷拓展，受關注的程度也越來越高。盡管光纖激光器的功率水平有了突飛猛進的發展，達到了10kW量級，但是，單根光纖激光器的功率水平進一步提升仍有受到泵浦光源的亮度、非線性效應等因素的限制。而光纖功率合束器有望為突破這一功率極限提供一種有效的解決方案。

光纖功率合束器是一種用于光束合成的光纖器件，它的作用是將多個光纖中傳輸光束合并到同一根輸出光纖的纖芯中。在高功率光纖激光器中，光纖功率合束器的應用主要體現在兩個方面：一是將多個高功率光纖激光器的輸出光束合并到一根輸出光纖中，從而實現總輸出功率的提升；二是將多個中等功率、高光束質量的光纖激光器進行光束合成作為高功率光纖激光器的級聯泵浦源，從而實現高亮度的泵浦光源。

基于光纖功率合束器的應用，光纖功率合束器的性能主要體現兩個方面：一是合束能力，即要使盡可能多的光束耦合到輸出光纖的纖芯中；二是合成后光束的光束質量，在相同功率水平條件下，光束質量越高越好。要提升光纖功率合束器的性能，一個重要的手段就是增加合束器的模場占空比，模場占空比是指在合束位置每一個光束模場直徑與兩個相鄰光束中心距離之比，如果光束約束在纖芯中傳輸(即光束的能量主要約束在纖芯中傳輸)，那么模場占空比近似等于纖芯占空比(纖芯直徑與兩相鄰纖芯中心距離之比)。模場占空比越高，合束器的合束能力越強，對于相同大小的輸出光纖纖芯，能夠耦合進的光束就越多；同時，模場占空比越高，越有利于輸出光纖中低階模式的激發，從而有利于光束質量的提升。

現有的光纖合束器均是在光束纖芯傳輸的基礎上構建的，因此對于這些合束器來說，模場占空比就是由纖芯占空比決定的，如發明專利信號光合束器及其制作方法(公開號CN101866032A)，該發明借助熔融拉錐的方式，將多個光束耦合到同一個纖芯中；但是，由于拉錐過程不能顯著提升纖芯占空比，也就無法顯著提升合束器的模場占空比。為了提升合束器的模場占空比，發明專利光纖功率合束器及其制備方法(公開號CN102116902A)和發明專利高光束質量信號光光纖合束器及其制作方法(公開號CN102778729A)提供了兩種方案，兩個方案均采用了化學腐蝕和機械研磨的方式來減小光纖內包層的尺寸，提高纖芯占空比，從而提高模場占空比，但這種方法只能使模場占空比提升到0.5，該占空比仍不足以滿足光束質量優化的要求。為了進一步提升模場占空比，后者提出了利用加熱擴芯的方法，增加合束端纖芯的尺寸，從而增加纖芯占空比和模場占空比。這兩個方案的缺點是光纖預處理工藝復雜，制作難度大，特別是內包層的化學腐蝕涉及到強腐蝕液體(如：氟化氫，化學式：HF)操作，且機械研磨的高精度控制難度很大，同時，加熱括芯最終形態也很難控制。

發明內容

本發明要解決的技術問題是解決現有方案光纖預處理工藝復雜，制作難度大、模場占空比低等問題，提出一種新型光纖功率合束器，該合束器的特點是突破了光場纖芯傳輸的理念，在纖芯占空比無顯著增加的條件下，實現了模場占空比的提升，無需內包層腐蝕、機械研磨、加熱擴芯等程序，只需要熔融拉錐過程，即可以完成合束器的制作。這里所述纖芯占空比無顯著增加，是指除由于熔融拉錐過程導致的纖芯占空比變化外，無其它方法提升纖芯占空比。

為解決所述技術問題，本發明新型光纖功率合束器是一種高模場占空比光纖功率合束器，該合束器包括n根輸入光纖、一個光纖合束部和一根輸出光纖。n根輸入光纖的一端均與光纖合束部的一端相連，光纖合束部的另一端與輸出光纖相連。n為自然數，且n大于或等于2。

n根輸入光纖具有相同的特性參數，特性參數包括：纖芯直徑、纖芯包層比、纖芯數值孔徑。輸入光纖是單包層光纖或雙包層光纖。若輸入光纖是單包層光纖，其連接端應去掉光纖的涂敷層，保留光纖纖芯和包層；若輸入光纖為雙包層光纖，其連接端應去掉光纖的外包層，保留光纖的纖芯和內包層。在下面的描述中，單包層光纖的包層和雙包層光纖的內包層(不含外包層)統一用“包層”來表述。