一种熔点拉锥型光纤功率合束器及其制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及光纤激光器技术领域，尤其涉及一种熔点拉锥型光纤功率合束器及其制作方法。
【背景技术】
[0002]光纤激光器是继传统固体激光器和气体激光器后的新一代新型固体激光器，具有转换效率高、光束质量好、结构紧凑、易散热、工作稳定性好等优点，已经广泛应用于工业和国防领域。目前，IPG公司已经报道了输出功率达到1kW的单模光纤激光器。然而，受光纤非线性效应及光学热损伤等机制的限制，单根光纤激光器的输出功率不可能无限提升。为了获得更大的光纤激光输出，对多个中等功率的光纤激光进行合束是一种有效手段。对光纤激光的合成主要分为相干合成和非相干合成两种方式。相干合成是采用相位控制技术，使得输出各路激光在远场发生相干叠加，合成后的远场功率密度正比于激光器路数的平方，能够实现非常高的能量集中度。但是相干合成要求参与合成的各光束具有相同的光谱分布，同时还要求各光束之间具有确定的相位关系。对于相位控制的要求也非常苛刻，受环境扰动的影响很大，目前还很难用于实际应用系统中。事实上，由于相位噪声的存在，各个激光器之间不能自发地实现相位锁定；同时，由于光波长较短，实现光束的精确相位控制也很难实现。相比而言，非相干合成方案不需要进行相位控制，对环境要求较小。非相干合成主要包括光谱合成、自适应光学元件合成和熔融拉锥光纤耦合器合成等方案。相比于空间结构的非相干光束合成方案，全光纤结构的光纤合束器具有结构简单紧凑、使用灵活等优点，能够避免空间光路调节，其功率的提升仅受限于光纤合束器本身。应用光纤合束器合束已经成为大功率光纤激光输出的有效选择方案。但是传统的光纤合束器一般采用多模单包层光纤将多个栗浦源耦合为一束输出，用于提高输出功率，但输出光束质量较差，不适合用于将多个光纤激光器合束输出。一些新型的光纤功率合束器结构，如中国专利信号光合束器及其制作方法(公开号CN 101866032A)，提出将多根输出光纤通过高温熔融拉锥合成一束并与输出光纤熔接的方式制作信号光合束器，可以有效提升输出功率，但输出光束质量较差。发明专利光纤功率合束器及其制备方法(公开号CN 102116902A)，提出将输出的双包层光纤内包层腐蚀后再进行熔融拉锥，可以有效提高纤芯占空比，但无法完全解决纤芯占空比不高的问题，且内包层腐蚀操作麻烦，对光纤也有一定损伤。发明专利高光束质量信号光光纤合束器及其制作方法(公开号CN 102778739A)，提出利用纤芯转接部使多个光纤与输出光纤熔接，实现信号光在熔接处的理论占空比达到I，提升输出激光光束质量，但发明中提到的纤芯转接部在实验上还是需要采用到化学腐蚀或者加热扩芯等方式来实现，同样存在前文提到的一些问题。
【发明内容】
[0003]本发明要解决的技术问题是:基于传统熔融拉锥光纤束制作的光纤合束器无法实现高的纤芯占空比，从而使得输出信号光光束质量变差。为此，本发明提出一种全新结构的熔点拉锥型光纤功率合束器及其制作方法。
[0004]—种恪点拉锥型光纤功率合束器，其特征在于:由输入信号光纤100、恪融光纤束110、拉锥过渡区光纤束120、拉锥均匀区130、熔接点140、拉锥均匀区输出光纤220、拉锥过渡区输出光纤210和输出双包层光纤200组成。
[0005]优选的，所述输入信号光纤和输出双包层光纤的包层折射率相等。
[0006]优选的，所述输入信号光纤的光纤信号激光，是单包层光纤的纤芯激光、双包层光纤的纤芯信号激光、严格的单模激光、接近单模运转的少模激光中的任一种激光。
[0007]优选的，在用于非相干合束时，输出双包层光纤纤芯支持的光纤模式数目不小于单根输入信号光纤纤芯模式数和输入光纤数的乘积。
[0008]优选的，在用于相干合成时，输出双包层光纤的数目不小于单根输入信号光纤纤芯模式数。
[0009]优选的，所述熔融光纤束110、拉锥过渡区光纤束120、拉锥均匀区130、熔接点140、拉锥均匀区输出光纤220、拉锥过渡区输出光纤210包裹在一层低折射率玻璃管300中。
[0010]—种熔点拉锥型光纤功率合束器的制造方法，其特征在于，制作过程包括:
[0011]第一步，将所有用于输入的信号光纤去除一段涂覆层，并对处理后的包层进行彻底清洁；
[0012]第二步，将输入信号光纤进行紧密排列，形成结构稳定的组束形状，然后将组束光纤两端分别插入夹具中，并使组束光纤之间存在一定的作用力；
[0013]第三步，将夹具放置到拉锥机拉伸台上，施加一定拉力拉直光纤束，然后加热信号光纤束达到熔融状态并施加一定的拉力，使得各个信号光纤相互融合形成规则的圆形结构，同时直径逐渐减小，拉锥到与输出光纤包层直径相等或者略小时停止；
[0014]第四步，测量拉锥后的信号光纤束的直径和形状，在直径等于输出光纤包层直径的位置处进行切割，同时对输出双包层光纤进行去除涂覆层、清洁和切割处理，然后将二者用熔接机进行熔接；
[0015]第五步，将熔接完成后的输入输出光纤重新放置到拉锥机拉伸台上，对熔接点附近区域进行二次拉锥，拉锥使得输入光纤束和输出光纤的所有纤芯模式都截止，光纤中只有包层模式进行传输时停止。
[0016]优选的，在所述的第二步中，通过施加扭转方式使得组束光纤之间存在一定的作用力。
[0017]—种熔点拉锥型光纤功率合束器的制造方法，其特征在于，采用低折射率玻璃管进行信号光纤组束拉锥，制作过程包括:
[0018]第一步，分别对两根完全相同低折射率玻璃管进行拉锥，使得第一根玻璃管锥腰区域的内径与所要采用的所有信号光纤紧密排列时的外径相一致，第二根玻璃管锥腰区域的内径与输出光纤包层直径相一致；
[0019]第二步，将所有用于输入的信号光纤去除一段涂覆层，并对处理后的包层进行彻底清洁，然后将所有输入信号光纤插入第一根拉锥后的低折射率玻璃管，使得光纤在玻璃管内紧密排列；
[0020]第三步，将玻璃管连同玻璃管内的光纤束放置到拉锥机拉伸台上，加热玻璃管及光纤束达到熔融状态并施加一定的拉力，使得各个信号光纤相互融合形成规则的圆形结构，同时直径逐渐减小，拉锥到包层直径比输出光纤包层直径略小时停止，在锥腰位置处将玻璃管连同光纤束进行切割；
[0021]第四步，对输出双包层光纤进行去除涂覆层、清洁和切割处理，然后将其插入第二根拉锥后的玻璃管中，放置到拉锥机上进行拉锥，拉锥到包层直径与输入光纤包层直径相等时停止，在锥腰位置处将玻璃管连同光纤进行切割；
[0022]第五步，将切割好的输入光纤束和输出光纤用光纤熔接机进行熔接，然后将熔接完成后的输入输出光纤重新放置到拉锥机拉伸台上，对熔接点附近区域进行二次拉锥，拉锥使得输入光纤束和输出光纤的所有纤芯模式都截止，光纤中只有包层模式进行传输时停止。
[0023]与现有技术相比，本发明的优点在于:通过再次拉锥熔锥光纤束和输出光纤的熔接点，可以巧妙实现两个目的，一是使得光纤束的纤芯尺寸进一步减小，多芯超模截止而激发低阶包层模式，二是将耦合进输出光纤包层的包层模式激光逐渐耦合回纤芯中。通过包层模式的过渡形式，实现在输出光纤中高亮度信号光输出。本发明在保证耦合效率和实现大功率输出的同时，能够实现高亮度的信号激光合束，对于高功率激光有着重要意义。
【附图说明】
[0024]图1为本发明的总体结构示意图；
[0025]图2为本发明信号光纤束的横截面结构示意图；
[0026]图3为本发明熔接点和输出光纤的横截面示意图；
[0027]图4为本发明制作基于熔接点拉锥法的全光纤高亮度信号光光纤合束器的总体流程图；
[0028]图5为采用低折射率玻璃管实施本发明的总体结构示意图；
[0029]图6为采用低折射率玻璃管实施本发明的信号光纤束和输出光纤横截面示意图。
【具体实施方式】
[0030]图1为本发明的总体结构示意图:整个合束器结构由输入光纤100、熔融光纤束110、拉锥过渡区光纤束120、拉锥均匀区130、熔接点140、拉锥均匀区输出光纤220、拉锥过渡区输出光纤210和输出光纤200组成。其中拉锥过渡区光纤束120的长度SL1，拉锥均匀区输入光纤130和输出光纤220的长度为L，拉锥过渡区输出光纤的长度SL2，在拉锥过程中通过控制LI和L2的长度来实现绝热拉锥。输入光纤100的包层和输出光纤200的包层折射率相等。另外，输入光纤涂覆层103和输出光纤涂覆层203在合束器制作过程中都需要去除。绝热拉锥的长度要求可参考中国专利:实现LPOl模场直径低损耗变换的光纤模场适配器(公开号 CN 102866462A)以及文献[l]J.D.Love ,W.M.Henry，W.J.Stewart，R.J.Black,
S.Lacroix,F.Gonthier,Tapered single-mode fibres and devices.1.Adiabaticitycriteria, IEE PROCEEDINGS，138( 1991) 12.文献[2]T.A.Birks，Y.W.Li，The shape offiber tapers,J.Lightwave Technol.，10(1992)432-438.
[0031]图2为本发明信号光纤束的横截面结构示意图。在输入信号光纤组束的位置上，信号光纤紧密排列，各自的纤芯和包层分别为101和102，此时信号激光104在每根信号光纤中独立传输。通过加热达到熔融状态，输入信号光纤束将逐渐转变为规则的圆形包层，形成类似多芯光纤结构，其纤芯和包层分别为111和112，此时信号激光114仍然在每根信号光纤中独立传输。随着拉锥比例的进一步增大，纤芯112和包层122的直径将等比例减小，由于相互耦合作用的增强，形成多芯光纤结构，信号激光124在各个纤芯之间耦合传输。在拉锥均匀区，多芯光纤的纤芯131由于纤芯模式截止效应而失去波导作用，信号激光134将在多芯光纤的包层132和空气形成的波导里传输。
[0032]图3为本发明熔接点和输出光纤的横截面示意图。在熔接点处同时存在输入信号光纤束纤芯141和输出光纤纤芯145，并且都由于纤芯模式截止效应而失去波导作用，信号激光144约束在包层142中传输。在输出光纤的拉锥均匀区，输出光纤纤芯221仍然不具有波导作用，信号激光224约束在包层2