低模式大功率光纤合束器的制造方法
【专利说明】低模式大功率光纤合束器
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本发明涉及与本申请人共同向美国专利商标局USPTO递交的美国临时申请，将其全部合并在此作为参考。
技术领域
[0003]本公开涉及大功率光纤激光器系统。具体地，本公开涉及大功率低损耗低模式(“LM”)光纤系统，所述光纤系统发射kW级别的高质量激光输出并且配置有包层模式吸收器，所述包层模式吸收器操作为有效地滤除不想要的正向传播包层光和反向反射的包层光。
【背景技术】
[0004]大功率kW级别光纤激光器系统用于多种应用中。随着光纤激光器的商业部署逐渐成熟，要求对于光纤激光器的功率、质量和可靠性的强烈关注。随着这一领域目前的进展，在达到数千瓦级别的越来越高的功率级别下实现了可靠性要求。为了支持所需的功率级别，在合束器(combiner)中将多个单模(“SM”)光纤激光器系统光学和机械地耦接在一起。为了在kW功率级别处有效地执行并且在低模式(“LM”)输出下发射输出，合束器应该成功地解决结构性难题，其中这里尤其感兴趣的一些是例如光纤的机械耦合以及沿正向和反向反射方向的功率损耗。
[0005]通常，制造大功率合束器的工艺包括:熔融光纤束中相应光纤激光器/放大器的已对准输出光纤；锥形化光纤束；将锥形光纤束解理并接合为系统输出传输光纤。合束器的制造(初始假设为拦腰切割的领结结构)会导致包层的结构性缺陷(毛边)，在合束器的部署期间毛边可能进一步不利地影响输出激光束的质量及其功率。
[0006]在光纤激光器系统的输出达到数kW的情况下，正向传播的芯区引导光在传播通过包层以及空气-石英界面时趋向于渗透至包层。一旦处于包层中，大功率信号光在围绕包层并屏蔽光纤免受机械负荷的聚合物涂层上引入热负荷。
[0007]因此，需要一种能够装置，能够有效地处理从芯区去耦的正向传播信号光的不希望结果。
[0008]除了正向传播信号光之外，从要进行激光处理的表面反射的光(因此也称作反向反射光)也会损坏合束器本身和合束器上游的系统部件。与正向传播的光类似，不得不在反向反射光传播回各自光纤激光器系统之前从波导中去除所述反向反射光。
[0009]总之，为了在LM波导的输出处获得高达数kW的光功率，合束器需要满足以下条件的特定结构:
[0010](I)将输入光纤可靠地固定在一起，而不会恶化输出光束的质量；
[0011](2)有效地分配和利用正向和反向传播光的功耗；以及
[0012](3)保护光纤免受由于热引入形变导致的环境污染。
[0013]还需要一种基于上述SM-LM合束器并且能够发射达到数kW的高质量光参数乘积的大功率光纤激光器系统。
[0014]因此，需要一种配置有包层吸收器的LM大功率光纤激光器系统，所述包层吸收器配置为满足上述条件。
【发明内容】
[0015]根据本公开的一个方面，相应的各个SM光纤激光器系统的输出光纤具有多层结构，以便改进SM输出光纤之间的可靠耦合，并且最小化SM-LM合束器的制造期间损坏光纤芯区的可能性。多层结构包括内部层和外部层。内部层包括二氧化硅(S12),而外部层由掺杂有氟(“F”)离子并且具有相对较低的熔化温度的S12制成。外部层的存在实质上最小化了合束器的制造期间对各个光纤部件的损坏。
[0016]根据本公开的另一个方面，SM-LM合束器配置有吸收器，所述吸收器能够有效地去除不想要的正向传播光和反向反射光。吸收器配置有三个连续的区域，负责去除具有两个起始源的不想要的光。一个源包括当导引正向传播的信号光通过接合部区域时正向传播信号光的损耗。另一个源具有反向反射光的起点，在沿反向传播方向从工件的表面反射时将反向反射光耦合到系统输出的芯区中，并且当朝着SM输出光纤导引时得到前往相应光纤的包层的路径。
[0017]沿信号光的正向传播方向观看，上游区域配置为防止反向反射光到达各个SM光纤激光器系统。所述区域由折射率比石英的折射率高的聚合物来限定。
[0018]中间区域配置为防止在上游接合部处损耗并且沿正向传播方向沿包层导引的信号光的大孔径射线逃离合束器。构成这一区域的聚合物配置有与石英折射率实质上相同或者小于石英折射率的折射率。
[0019]下游区域配置为在正向传播信号光离开中间区域之后对正向传播信号光进行散射。这是通过折射率等于或小于石英折射率且填充有光漫射体的聚合物受体材料实现的，光漫射体将输出光纤外部的包层光逐渐导引至热沉。
[0020]另一个方面涉及包括所公开的合束器在内的大功率LM光纤激光器系统。所述系统配置有滤波接合部，用于去除合束器进一步朝着工件传播之后剩余的信号光的大孔径射线。滤波接合部包括折射率比石英折射率高的材料。所述系统还具有下游部件-包层模式吸收器，配置为将耦合到系统的输出光纤的包层中的反向反射光最小化并且提供反向反射光的去除。
【附图说明】
[0021]根据结合附图的以下特定描述，所公开结构的以上和其他特征和优点将变得更加清楚明白，其中:
[0022]图1是所公开的大功率光纤激光器系统的正式图；
[0023]图2是图1的系统的SM-LM合束器部件的示意图；
[0024]图2a_2d是沿图2的A-A线、B-B线、C-C线和D-D线得到的相应截面图；
[0025]图3示出了所公开的SM-LM合束器的优选几何形状；
[0026]图4是所公开系统的滤波器接合部部件的示意图，操作为去除包层导引的正向传播信号光；以及
[0027]图5是所公开系统的系统包层模式吸收器部件的示意图，配置为去除反向反射的包层导引光。
【具体实施方式】
[0028]现在对本公开的优选实施例提供详细参考。在可能的情况下，相同或类似的参考数字在附图和说明书中用于表示相同或类似的部分或步骤。附图是按照非常简化的形式并且没有精确按比例绘制。
[0029]图1示出了能够发射高达数kW高质量光束的大功率光纤激光器系统10的示意图。所述系统10配置有多个SM光纤激光器系统，每一个SM光纤激光器系统操作为按照单横模或者实质上单横模发射福射。SM激光器系统配置有相应的SM输出光纤16，SM输出光纤在SM-LM合束器18中彼此对准并且进一步地机械和光学耦合。
[0030]除了图1之外还参考图2，初始通过将输出光纤彼此对准以便限定所述合束器的上游大直径输入端来形成合束器18。随后，将对准的光纤同时熔融和拉伸成小直径输出端，小直径输出端与相应各个光纤的芯区熔成合束器端光纤19，合束器端光纤的直径实质上与合束器输出光纤20的直径相匹配并且被双包层结构包围。
[0031]合束器18的下游端光纤19还接合至无源多模(“丽”)合束器输出光纤20。依赖于SM激光器系统的个数，合束的输出可以达到高达约15kW，例如具有范围在约1.5至约4.5的光束乘积参数(“BPP”)，并且配置为使得信号光损耗不超过信号光功率的约1%。端光纤19和输出光纤20的一部分放置在外壳24中(图2)，外壳进而親合至这里未不出的热沉。包括相应合束器输出光纤20的区域以及系统10的后续光纤部分在内的滤波接合部70(图1)以及沿下游部分设置系统的包层模式吸收器(“CMA”)80构成了系统10。
[0032]具体地，参考图2，将端光纤19沿接合部区域22接合到合束器输出光纤20的上游端部。仅作为示例，合束器18的下游端部可以包括接合部区域22之后约20-