CN114167549A

CN114167549A - 光纤激光合束装置

Info

Publication number: CN114167549A
Application number: CN202111062486.8A
Authority: CN
Inventors: 宋奎岩; 张昆; 张利明; 李尧; 余洋
Original assignee: CETC 11 Research Institute
Current assignee: CETC 11 Research Institute
Priority date: 2021-09-10
Filing date: 2021-09-10
Publication date: 2022-03-11

Abstract

本发明公开了一种光纤激光合束装置，包括：沿激光的传播光路上依次设置的：光纤束、透镜和输出光纤，光纤束包括多根以预设排列规则和预设排列距离排列的输入光纤，激光经过光纤束后形成多束第一光束；透镜具有输入端面和输出端面，多束第一光束由输入端面输入透镜，经由输出端面输出多束第二光束；多束第二光束最终入射到输出光纤。根据本发明的光纤激光合束装置，基于单个折射率渐变透镜的合束方法，结构简单，无须进行光束准直整形等设计，经单个透镜即可实现高效率耦合。另外，可以根据需要合束的激光的数量，在光线束中设置对应数量的输入光纤，在避免了对光纤的直接加工的同时实现对合束比的自由设计。

Description

光纤激光合束装置

技术领域

本发明涉及光纤激光器技术领域，尤其涉及一种光纤激光合束装置。

背景技术

近年来，随着光纤激光器的快速发展，其关键元器件的研究成为进一步提高光纤激光器性能的关键技术。其中光纤激光合束器的研究成为光纤激光器领域的重要研究课题，如何将光纤激光耦合进双包层光纤或大模场光纤，并实现激光高效率利用率成为迫在眉睫的任务。

现有技术中的熔融拉锥型光纤合束器，包括：N个进光光纤经过熔融拉锥后从中部切断，再与出光光纤熔接。该方法直接对光纤进行加工，拉锥过程工艺控制难度大，容易造成激光泄露。

在另一现有技术中的光纤合束器，包括：两根光纤发射出的激光需要经历一系列准直，整形透镜组，然后经多介质膜光栅被反射，再经透镜组聚焦耦合到一根输出光纤中。该方法虽然避免对光纤进行直接加工，但是其结构十分复杂，装调难度高，不适合进行大批量工程化生产。

发明内容

本发明实施例提供一种光纤激光合束装置，用简化现有光线合束装置的结构，降低制造难度。

本发明实施例提供的光纤激光合束装置，其特征在于，包括：沿激光的传播光路上依次设置的：

光纤束，所述光纤束包括多根以预设排列规则和预设排列距离排列的输入光纤，所述激光经过所述光纤束后形成多束第一光束；

透镜，具有输入端面和输出端面，多束所述第一光束由所述输入端面输入所述透镜，经由所述输出端面输出多束第二光束；

输出光纤，多束所述第二光束最终入射到所述输出光纤。

根据本发明实施例的光纤激光合束装置，基于单个折射率渐变透镜的合束方法，结构简单，无须进行光束准直整形等设计，经单个透镜即可实现高效率耦合。同时，本申请的技术方案可实现低损耗光束耦合的同时，使合束装置结构紧凑，容易加工和装配。另外，可以根据需要合束的激光的数量，在光线束中设置对应数量的输入光纤，在避免了对光纤的直接加工的同时实现对合束比的自由设计。

根据本发明的一些实施例，所述透镜为径向渐变折射率透镜。

在本发明的一些实施例中，所述光纤束、所述透镜以及所述输出光纤同轴。

根据本发明的一些实施例，所述透镜的所述输入端面为平面，所述输出端面为棱锥形状。

根据本发明的一些实施例，所述光纤束中所述输入光纤的数量与所述输出端面的锥面的数量相同。

在本发明的一些实施例中，所述光纤束中多根所述输入光纤的排列规则与所述输出端面的锥面的排列规则相对应。

根据本发明的一些实施例，所述光纤束中任意相邻的两根所述输入光纤的轴线之间的排列距离大于所述输入光纤的包层直径。在本发明的一些实施例中，所述输入光纤为单模光纤或多模光纤。

根据本发明的一些实施例，所述输出光纤为双包层光纤、大模场单模光纤或多模光纤。

附图说明

图1为根据本发明实施例的光纤激光合束装置的结构示意图；

图2为根据本发明实施例的光纤激光合束装置的光纤追踪示意图；

图3为根据本发明实施例的光纤激光合束装置的输出光纤入射端面的光场强度分布示意图。

附图标记：

合束装置1000

光纤束1，输入光纤11，第一光束A，

透镜2，输入端面21，输出端面22，第二光束B，

输出光纤3。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明进行详细说明如后。

需要说明的是，本发明实施例中的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。

在相关技术中，多光束光纤进行合束输出是目前光纤激光器技术的关键技术之一，主要包括泵浦光合束和多束信号光功率合束。目前的主要技术途径包括空间耦合合束和光纤拉锥合束，但是这两种技术途径存在光路结构复杂，无法避免对光纤进行直接加工等问题。

本发明旨在一定程度上解决上述技术问题，提出了一种光纤激光合束装置 1000，其特征在于，如图1和图2所示，合束装置包括沿激光的传播光路上依次设置的光纤束1、透镜2和输出光纤3，其中光纤束1包括多根以预设排列规则和预设排列距离排列的输入光纤11，激光经过光纤束1后形成多束第一光束 A，透镜2具有输入端面21和输出端面22，多束第一光束A由输入端面21输入透镜2，经由输出端面22输出多束第二光束B，多束第二光束B最终入射到输出光纤3。

根据本发明实施例的光纤激光合束装置1000，基于单个折射率渐变透镜的合束方法，结构简单，无须进行光束准直整形等设计，经单个透镜2即可实现高效率耦合。同时，本申请的技术方案可实现低损耗光束耦合的同时，使合束装置1000结构紧凑，容易加工和装配。另外，可以根据需要合束的激光的数量，在光线束中设置对应数量的输入光纤11，在避免了对光纤的直接加工的同时实现对合束比的自由设计。

根据本发明的一些实施例，如图1所示，透镜2为径向渐变折射率透镜。

在本发明的一些实施例中，如图1所示，光纤束1、透镜2以及输出光纤3 同轴。

根据本发明的一些实施例，如图1所示，透镜2的输入端面21为平面，输出端面22为棱锥形状。

在本发明的一些实施例中，如图1所示，输出端面22的斜面与光轴之间的角度满足傍轴条件。值得说明的是，设锥面与光轴的角度为φ，φ的角度越小越满足傍轴条件，因此像差也越小。

根据本发明的一些实施例，如图1所示，光纤束1中输入光纤11的数量与输出端面22的锥面的数量相同。根据实际需要合束的输入光纤11的数量，选择具有相同锥面的输出端面22，由此，实现对合束比的自由设计。

在本发明的一些实施例中，如图1所示，光纤束1中多根输入光纤11的排列规则与输出端面22的锥面的排列规则相对应。例如，当需要将五束激光束合束时，选择五根输入光纤11组成的光纤束1和输出端面22的棱锥的面的数量为5的透镜2，其中，光纤束1的排布方式与锥面的排布方式相同，即每根输入光纤11与一个锥面对应设置。

根据本发明的一些实施例，如图1所示，光纤束1中任意相邻的两根输入光纤11的轴线之间的排列距离大于输出光纤3的包层直径，便于后期进行光纤耦合调节。

在本发明的一些实施例中，如图1所示，输入光纤11为单模光纤或多模光纤。单模光纤或多模光纤的输入光纤11均可以适用于本申请实施例的光纤激光合束装置，因此可以根据实际需求自由选择使用单模光纤或多模光纤。

根据本发明的一些实施例，如图1所示，输出光纤3为双包层光纤或大模场光纤。双包层光纤或大模场光纤的输出光纤3均可以适用于本申请实施例的光纤激光合束装置，因此可以根据实际需求自由选择使用双包层光纤或大模场光纤。

为更进一步阐述本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行详细说明如后。

本发明提供了一种光纤激光合束装置1000，如图1和图2所示，以4×1激光合束装置为例，四根输入光纤组成光纤束1，透镜2的输入端面21为平面，输出端面22加工成4棱锥形状，输出端面22的斜面与光轴的角度为

的角度越小越满足傍轴条件，因此像差也越小。

该装置的关键是径向渐变折射率透镜的制作，选取透镜2材料为SLS-1.0 的径向梯度折射率透镜，透镜2的折射率n分布为：

n＝1.5553-0.3792r² (1)

其中r为光线离中心轴的径向距离。

光纤束1的输入光纤11可以为单模光纤或多模光纤，以数值孔径为0.15，传输波长为915nm的多模光纤为实施例进行说明，输出光纤3选择纤芯直径为 20微米，包层直径为400微米的双包层光纤，其包层的数值孔径为NA＝0.46。

图3所示为ZEMAX仿真4×1合束装置的3D光线追迹图，其中四个输入光纤11在(x，y，z)三维坐标系中的位置分别为(0，0.45，0)、(0，-0.45，0)、(0.45，0，0)、(-0.45，0，0)，单位为mm，坐标选择依据主要是考虑后期光纤耦合调节，要使两点之间距离大于光纤包层直径。从图中可以看到，四根输入光纤11发射出的光线经径向渐变折射率透镜2的斜面出射后，耦合进入输出光纤3中传输，该径向渐变折射率透镜2实现了多光束合束的功能。

观察光束在耦合进入输出光纤前的光场分布，即输出光纤3入射端面位置处的光场强度分布。采用ZEMAX软件的优化功能对合束装置1000进行优化，通过对径向渐变折射率透镜2的长度、斜面角度

等参数进行优化，可明显提高合束后激光进入输出光纤3的耦合效率。经计算，优化后的斜面角度

的取值约为42.4°，此时输入光纤端面距径向渐变折射率透镜2的输入端面21的距离为 0.593mm，径向渐变折射率透镜2长度为7.45mm，径向渐变折射率透镜2的输出端面22顶点距输出光纤3端面为0.99mm。通过ZEMAX计算，合束装置1000 的耦合效率为97.64％。通过进一步对径向渐变折射率透镜的折射率分布，加工参数等进行优化设计，有望获得更高的光束合束效率。

通过具体实施方式的说明，应当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图示仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。

Claims

1.一种光纤激光合束装置，其特征在于，包括：沿激光的传播光路上依次设置的：

输出光纤，多束所述第二光束最终入射到所述输出光纤。

2.根据权利要求1所述的光纤激光合束装置，其特征在于，所述透镜为径向渐变折射率透镜。

3.根据权利要求1所述的光纤激光合束装置，其特征在于，所述光纤束、所述透镜以及所述输出光纤同轴。

4.根据权利要求1所述的光纤激光合束装置，其特征在于，所述透镜的所述输入端面为平面，所述输出端面为棱锥形状。

5.根据权利要求4所述的光纤激光合束装置，其特征在于，所述光纤束中所述输入光纤的数量与所述输出端面的锥面的数量相同。

6.根据权利要求4所述的光纤激光合束装置，其特征在于，所述光纤束中多根所述输入光纤的排列规则与所述输出端面的锥面的排列规则相对应。

7.根据权利要求1所述的光纤激光合束装置，其特征在于，所述光纤束中任意相邻的两根所述输入光纤的轴线之间的排列距离大于所述输入光纤的包层直径。

8.根据权利要求1所述的光纤激光合束装置，其特征在于，所述输入光纤为单模光纤或多模光纤。

9.根据权利要求1所述的光纤激光合束装置，其特征在于，所述输出光纤为双包层光纤、大模场单模光纤或多模光纤。