一种模场匹配器及光纤激光器的制造方法
【专利摘要】本实用新型提供了一种模场匹配器及光纤激光器，属于光纤耦合技术领域，所述模场匹配器包括第一单模光纤、第二单模光纤和匹配光纤，所述第一单模光纤的芯径大于所述第二单模光纤的芯径，所述匹配光纤的芯径大于所述第二单模光纤的芯径，且所述匹配光纤的芯径小于所述第一单模光纤的芯径，所述匹配光纤的一端与第一单模光纤的一端耦合，所述匹配光纤的另一端与所述第二单模光纤的一端耦合。本实用新型提供的模场匹配器相比于传统的拉锥式模场匹配器，制作简单高效，成本低，稳定性及成品率高，可批量生产。此外，由于本模场匹配器可以双向使用，本实用新型提供的基于该模场匹配器的光纤激光器具有较小内部传输损耗以及较高的激光输出效率。
【专利说明】
一种模场匹配器及光纤激光器
技术领域
[0001]本实用新型涉及光纤耦合技术领域，具体而言，涉及一种模场匹配器及光纤激光器。
【背景技术】
[0002]在光纤激光器中振荡器和放大器往往具有不同的功能，振荡器一般采用小模场单模光纤，获得高光束质量单模种子源，而放大器为了获得更高功率的放大，一般采用大模场双包层光纤。因此在振荡器和放大器之间，需要一种模场匹配器作为过渡，要求具有低损耗，低光束质量扰动。一般模场匹配器采用拉锥技术，即将大模场光纤利用拉锥技术拉细，然后再与小模场光纤熔接，这样可以解决大多数模场匹配器的技术要求。然而，由于需要将大模场光纤拉锥，这对技术工艺提出了较高的要求，需要锥区平滑，没有扰动，否则不但会使激光模式发生变化，也会引起较大的插入损耗。此外，对于包层直径相同的光纤而言，拉细的光纤包层直径会随之变小再与小模场光纤熔接，会由于包层直径大小不一，增加熔接难度，降低模场匹配器成品率。
【实用新型内容】
[0003]本实用新型的目的在于提供一种模场匹配器及基于该模场匹配器的光纤激光器，实现不同模场直径的单模光纤的高效耦合，以有效地改善上述的问题。
[0004]为了实现上述目的，本实用新型实施例采用的技术方案如下:
[0005]本实用新型提供了一种模场匹配器，应用于单模光纤，包括:第一单模光纤、第二单模光纤和匹配光纤，所述第一单模光纤的芯径大于所述第二单模光纤的芯径，所述匹配光纤的芯径大于所述第二单模光纤的芯径，且所述匹配光纤的芯径小于所述第一单模光纤的芯径，所述匹配光纤的一端与第一单模光纤的一端耦合，所述匹配光纤的另一端与所述第二单模光纤的一端耦合。
[0006]优选的，所述第一单模光纤的芯径与所述第二单模光纤的芯径的差值大于等于3微米。
[0007]优选的，所述第一单模光纤的芯径与所述匹配光纤的芯径的差值在1.5-2.5微米之间，所述第二单模光纤的芯径与所述匹配光纤的芯径的差值在I.5-2.5微米之间。
[0008]优选的，所述匹配光纤的芯径为所述第一单模光纤的芯径与所述第二单模光纤的芯径的平均值。
[0009]优选的，所述匹配光纤的一端与所述第一单模光纤的一端熔接，所述匹配光纤的另一端与所述第二单模光纤的一端熔接。
[0010]优选的，通过光纤扩芯方法将所述匹配光纤与所述第一单模光纤熔接的一端的芯径增大到第一预设芯径;通过光纤扩芯方法将所述第二单模光纤与所述匹配光纤熔接的一端的芯径增大到第二预设芯径。
[0011]优选的，所述第一单模光纤的芯径为10微米，所述第二单模光纤的芯径为6微米。
[0012]优选的，所述匹配光纤为芯径为8.4微米的SMF_28e光纤。
[0013]本实用新型还提供了一种光纤激光器，包括栗浦源和激光谐振腔，所述激光谐振腔包括第一谐振部件、增益光纤和第二谐振部件，所述第一谐振部件和所述增益光纤之间通过上述模场匹配器耦合；
[0014]所述栗浦源发出的栗浦光经过所述第一谐振部件后依次经过所述第二单模光纤、所述匹配光纤及所述第一单模光纤后进入所述增益光纤。
[0015]优选的，所述第二谐振部件和所述增益光纤之间也设置有所述模场匹配器，所述增益光纤产生的信号光依次经过所述第一单模光纤、所述匹配光纤及所述第二单模光纤后进入所述第二谐振部件。
[0016]本实用新型提供的模场匹配器由第一单模光纤、匹配光纤及第二单模光纤构成。相比于传统的拉锥式模场匹配器，制作简单高效，成本低，稳定性及成品率高，可批量生产。
[0017]此外，与传统的拉锥式模场匹配器相比，本实用新型提供的模场匹配器可以正向使用，即可以将外部光束从第二单模光纤高效耦合至第一单模光纤中，并保持单模特性;也可以反向使用，即可以将外部光束从第一单模光纤中高效耦合至第二单模光纤，有效地提高了模场匹配器的适用性。
[0018]本实用新型的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型实施例而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
【附图说明】
[0019]为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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的附图。通过附图所示，本实用新型的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本实用新型的主旨。
[0020]图1示出了本实用新型第一实施例提供的一种模场匹配器的结构示意图；
[0021 ]图2示出了本实用新型第二实施例提供的一种光纤激光器的结构示意图。
[0022]其中，【附图说明】分别为:
[0023]模场匹配器100;第一单模光纤110;匹配光纤120;第二单模光纤130;增益光纤200;第一谐振部件310;第二谐振部件320;栗浦源400;波分复用器500。
【具体实施方式】
[0024]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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
[0025]在光纤激光器中振荡器和放大器往往具有不同的功能，振荡器一般采用小模场单模光纤，获得高光束质量单模种子源，而放大器为了获得更高功率的放大，一般采用大模场双包层光纤。因此在振荡器和放大器之间，需要一种模场匹配器作为过渡，要求具有低损耗，低光束质量扰动。而传统的拉锥型模场匹配器制作复杂、成品率低、成本高、对仪器设备要求较高，因此，本实用新型实施例提供了一种应用于单模光纤的模场匹配器，可以简单高效的实现不同芯径的单模光纤之间的高效连接。
[0026]第一实施例
[0027]本实用新型实施例提供的模场匹配器，如图1所示，包括第一单模光纤110、第二单模光纤130和匹配光纤120。第一单模光纤110的芯径大于第二单模光纤130的芯径，匹配光纤120的芯径大于第二单模光纤130的芯径，且匹配光纤120的芯径小于第一单模光纤110的芯径，匹配光纤120的一端与第一单模光纤110的一端耦合，匹配光纤120的另一端与第二单模光纤130的一端親合。
[0028]其中，第一单模光纤110和第二单模光纤130的芯径可以根据用户需要设计，而匹配光纤120则根据第一单模光纤110的芯径和第二单模光纤130的芯径设计，具体的，匹配光纤120的芯径大小在第一单模光纤110的芯径和第二单模光纤130的芯径之间。需要说明的是，所述芯径为光纤的纤芯直径。例如，可以将常用的芯径为10微米的单模光纤作为第一单模光纤110，例如可以采用Nufern公司的芯径为10微米，包层直径为125微米的光纤，将芯径为6微米的单模光纤作为第二单模光纤130，例如可以采用Nufernl060XP光纤和Corning Hi1060光纤，此时，匹配光纤120的芯径应该在6?10微米之间，例如，可以选用SMF-28e光纤，SMF-28e光纤的芯径为8.4微米。
[0029]芯径差值超过预设范围的两根单模光纤，若直接熔接将存在很大的光能量损耗，不利于光能量的高效利用。此外，损耗的能量进入包层并转化为热量堆积，很容易导致熔接点处的温度过高而损伤光纤，因而，普通单模光纤与大模场光纤的连接需要一个能够有效降低传输损耗的模场匹配器100。其中，所述预设范围可以为3微米。此时，可以将本实用新型实施例提供的模场匹配器的第一单模光纤110的芯径设计为与芯径较大的单模光纤的芯径匹配，第二单模光纤130的芯径设计为与芯径较小的单模光纤的芯径匹配，例如，大芯径较大的单模光纤可以是光纤激光器中的增益光纤200，芯径较小的单模光纤可以是光纤激光器中的振荡器的尾纤。此时，一方面，外部光束可以从芯径较小的单模光纤进入第二单模光纤130，通过匹配光纤120高效耦合至第一单模光纤110，进而传输至芯径较大的单模光纤；另一方面，外部光束可以从芯径较大的单模光纤进入第一单模光纤110，通过匹配光纤120高效耦合至第二单模光纤130，进而传输至芯径较小的单模光纤。
[0030]例如，要实现光束从芯径为10微米的第一传导光纤，传输至芯径为6微米的第二传导光纤时，第一单模光纤110采用芯径为10微米的单模光纤，第二单模光纤130采用芯径为6微米的单模光纤，匹配光纤120采用芯径为8.4微米的SMF-28e光纤，将芯径为8.4微米的SMF-28e光纤的一端与芯径为10微米的单模光纤的一端连接，将芯径为8.4微米的31^-286光纤的另一端与芯径为6微米的单模光纤的一端连接，形成本实用新型实施例提供的模场匹配器100。使用时，将该模场匹配器100用于要实现光束高效传输的芯径为10微米的第一传导光纤与芯径为6微米的第二传导光纤之间，即将该模场匹配器100中，芯径为10微米的单模光纤的远离SMF-28e光纤的一端与第一传导光纤连接，芯径为6微米的单模光纤的远离SMF_28e光纤的一端与第二传导光纤连接，此时，该模场匹配器100的插入损耗可以小于0.5dB0
[0031]本实用新型实施例提供的模场匹配器制作简单高效，成本低，稳定性及成品率高，可批量生产，避免了传统模场匹配器中因拉锥锥区不均匀引起的插入损耗增大，有效地降低了传输过程的光能量损耗。此外，由于本实用新型实施例提供的模场匹配器可以双向使用，即当正向使用时，外部光束可以从第二单模光纤130进入匹配光纤120，再进入第一单模光纤110，反向使用时，外部光束可以从第一单模光纤110进入匹配光纤120，再进入第二单模光纤130。因此，外部光束既可以从较大模场直径的单模光纤保持单模特性并高效耦合至较小模场直径的单模光纤中，又可以从较小模场直径的单模光纤保持单模特性并高效耦合至较大模场直径的单模光纤中，相对于拉锥式模场匹配器，有效地提高了模场匹配器的适用性。
[0032]根据预选设定的第一单模光纤110和第二单模光纤130设计匹配光纤120时，优选的，第一单模光纤110的芯径与匹配光纤120的芯径的差值可以在1.5-2.5微米之间，第二单模光纤130的芯径与匹配光纤120的芯径的差值也可以在1.5-2.5微米之间。当然，当匹配光纤120的芯径为第一单模光纤110的芯径与第二单模光纤130的芯径的平均值时，模场匹配器100的親合效果最佳，光传输损耗最小。
[0033]具体的，本实用新型实施例提供的模场匹配器的加工方式可以为:所述匹配光纤120的一端与第一单模光纤110的一端熔接，所述匹配光纤120的另一端与所述第二单模光纤130的一端熔接。具体的，本模场匹配器100中，第一单模光纤110包括第一连接端和第二连接端，匹配光纤120包括第三连接端和第四连接端，第二单模光纤130包括第五连接端和第六连接端。其中，第一单模光纤110的第一连接端用于与芯径跟所述第一单模光纤110适配的外部器件例如光纤激光器中的增益光纤200连接，第一单模光纤110的第二连接端与匹配光纤120的第三连接端熔接，匹配光纤120的第四连接端与第二单模光纤130的第五连接端熔接，第二单模光纤130的第六连接端用于与芯径跟所述第二单模光纤130适配的外部器件例如光纤激光器中的振荡器的尾纤连接。
[0034]由于第一单模光纤110的芯径和第二单模光纤130的芯径均与匹配光纤120的芯径存在差异，为了保证第一单模光纤110与匹配光纤120及第二单模光纤130与匹配光纤120之间的低损耗熔接，本实施例中需要先对匹配光纤120及第二单模光纤130进行扩芯处理。具体的，所述扩芯处理的实施方式可以为:通过光纤扩芯方法将匹配光纤120的第三连接端的芯径增大到第一预设芯径;通过光纤扩芯方法将第二单模光纤130的第五连接端的芯径增大到第二预设芯径，即增大匹配光纤120的第三连接端及第二单模光纤130的第五连接端的模场直径，以便于实现第一单模光纤110的第二连接端与匹配光纤120的第三连接端之间以及匹配光纤120的第四连接端与第二单模光纤130的第五连接端之间的高效熔接，如图1所示。其中，第一预设芯径根据第一单模光纤110的芯径设置，第二预设芯径根据匹配光纤120的芯径设置。
[0035]需要说明的是，光纤扩芯方法主要有:加热扩芯法、反拉锥法、腐蚀法、熔拉法等。本实施例中，优选采用光纤加热扩芯技术。针对于单模光纤，光纤加热扩芯技术可以有效地降低熔接损耗，以降低模场匹配器100的光能量传输损耗。光纤加热扩芯技术的基本原理为:普通单模光纤的掺杂物质为锗，当光纤温度超过1200°C时，纤芯中的锗会向包层扩散，纤芯的折射率降低，数值孔径变小，可以等效纤芯直径变大。
[0036]具体的，实现第一单模光纤110的第二连接端与匹配光纤120的第三连接端之间高效熔接的实施方式可以为:第一单模光纤110的第二连接端与匹配光纤120的第三连接端熔接前，先通过光纤熔接机放电对匹配光纤120的第三连接端进行加热扩芯，使得匹配光纤120的第三连接端的芯径增大到第一预设芯径，此后，再对第一单模光纤110的第二连接端与扩芯后的匹配光纤120的第三连接端进行熔接。
[0037]此外，实现第一单模光纤110的第二连接端与匹配光纤120的第三连接端之间高效熔接的实施方式还可以为:第一单模光纤110的第二连接端与匹配光纤120的第三连接端熔接前，先通过光纤拉锥机的火焰对匹配光纤120的第三连接端进行加热扩芯，使得匹配光纤120的第三连接端的芯径增大到第一预设芯径。
[0038]同理，匹配光纤120的第四连接端与第二单模光纤130的第五连接端之间高效熔接的实现方式与上述第一单模光纤110的第二连接端与匹配光纤120的第三连接端之间高效熔接的实现方式相同，此处不再赘述。
[0039]第二实施例
[0040]本实施例提供了一种基于第一实施例中提供的模场匹配器的光纤激光器，如图2所示，所述光纤激光器包括栗浦源400和激光谐振腔，所述激光谐振腔包括第一谐振部件310、增益光纤200和第二谐振部件320，所述第一谐振部件310和所述增益光纤200之间通过如第一实施例所述的模场匹配器100耦合。栗浦源400发出的栗浦光可以经过波分复用器500输入至第一谐振部件310，透过第一谐振部件310的栗浦光依次经过第二单模光纤130、匹配光纤120及第一单模光纤110后进入增益光纤200。
[0041]其中，第一谐振部件310和第二谐振部件320可以均采用光纤光栅，增益光纤200可以为掺稀土离子的玻璃光纤，例如掺镱光纤、掺铒光纤、掺铥光纤等。
[0042]另外，所述第二谐振部件320和所述增益光纤200之间也设置有上述模场匹配器100，栗浦光进入增益光纤200后，增益光纤200产生的信号光依次经过所述第一单模光纤110、所述匹配光纤120及所述第二单模光纤130后进入所述第二谐振部件320，经第二谐振部件320反射后在激光谐振腔内多次振荡以输出激光。
[0043]本实施例提供的光纤激光器通过上述模场匹配器100实现了第一谐振部件310与增益光纤200之间以及第二谐振部件320与增益光纤200之间的高效耦合。栗浦源400发出的栗浦光可以经过波分复用器500输入至第一谐振部件310，透过第一谐振部件310的栗浦光依次经过第二单模光纤130、匹配光纤120及第一单模光纤110后进入增益光纤200，增益光纤200产生的信号光依次经过第一单模光纤110、匹配光纤120及所述第二单模光纤130后进入第二谐振部件320;第二谐振部件反射回的信号光又依次经过第二单模光纤130、匹配光纤120及第一单模光纤110返回增益光纤200放大后再依次经过第一单模光纤110、匹配光纤120及第二单模光纤130到达第一谐振部件310，完成一次振荡。因此，本光纤激光器中，光束既可以从较大模场直径的增益光纤200保持单模特性并高效耦合至较小模场直径的第一谐振部件310或第二谐振部件320的尾纤中，又可以从较小模场直径的第一谐振部件310或第二谐振部件320的尾纤保持单模特性并高效耦合至较大模场直径的增益光纤200中。
[0044]由于本实施例提供的光纤激光器采用了上述第一实施例提供的可以双向使用的模场匹配器，相对于采用拉锥式模场匹配器的光纤激光器，能够有效地减小第一谐振部件与增益光纤以及增益光纤与第二谐振部件之间的传输损耗，进而有效地提高了本光纤激光器的激光输出效率。其中，所述模场匹配器100的具体结构和原理参见第一实施例，此处不再赘述。
[0045]需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0046]在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”、“耦合”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
[0047]以上所述，仅为本实用新型的【具体实施方式】，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
【主权项】
1.一种模场匹配器，其特征在于，包括:第一单模光纤、第二单模光纤和匹配光纤，所述第一单模光纤的芯径大于所述第二单模光纤的芯径，所述匹配光纤的芯径大于所述第二单模光纤的芯径，且所述匹配光纤的芯径小于所述第一单模光纤的芯径，所述匹配光纤的一端与第一单模光纤的一端耦合，所述匹配光纤的另一端与所述第二单模光纤的一端耦合。2.根据权利要求1所述的模场匹配器，其特征在于，所述第一单模光纤的芯径与所述第二单模光纤的芯径的差值大于等于3微米。3.根据权利要求2所述的模场匹配器，其特征在于，所述第一单模光纤的芯径与所述匹配光纤的芯径的差值在1.5-2.5微米之间，所述第二单模光纤的芯径与所述匹配光纤的芯径的差值在1.5-2.5微米之间。4.根据权利要求3所述的模场匹配器，其特征在于，所述匹配光纤的芯径为所述第一单模光纤的芯径与所述第二单模光纤的芯径的平均值。5.根据权利要求1-4中任一项所述的模场匹配器，其特征在于，所述匹配光纤的一端与所述第一单模光纤的一端熔接，所述匹配光纤的另一端与所述第二单模光纤的一端熔接。6.根据权利要求5所述的模场匹配器，其特征在于，所述匹配光纤与所述第一单模光纤熔接的一端的芯径为第一预设芯径;所述第二单模光纤与所述匹配光纤熔接的一端的芯径为第二预设芯径。7.根据权利要求1所述的模场匹配器，其特征在于，所述第一单模光纤的芯径为10微米，所述第二单模光纤的芯径为6微米。8.根据权利要求1所述的模场匹配器，其特征在于，所述匹配光纤为芯径为8.4微米的SMF-28e 光纤。9.一种光纤激光器，其特征在于，包括栗浦源和激光谐振腔，所述激光谐振腔包括第一谐振部件、增益光纤和第二谐振部件，所述第一谐振部件和所述增益光纤之间通过如权利要求1-8中任一项所述的模场匹配器耦合； 所述栗浦源发出的栗浦光经过所述第一谐振部件后依次经过所述第二单模光纤、所述匹配光纤及所述第一单模光纤后进入所述增益光纤。10.根据权利要求9所述的光纤激光器，其特征在于，所述第二谐振部件和所述增益光纤之间也设置有所述模场匹配器，所述增益光纤产生的信号光依次经过所述第一单模光纤、所述匹配光纤及所述第二单模光纤后进入所述第二谐振部件。
【文档编号】G02B6/02GK205427234SQ201620021902
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年1月11日
【发明人】赵磊, 李超, 梁小宝, 黄志华, 黎玥, 徐振源, 封建胜, 张昊宇, 周泰斗, 温静, 王建军, 景峰
【申请人】中国工程物理研究院激光聚变研究中心