一种用于高功率光纤激光器系统的侧泵合束器

摘要

本发明适用于光纤器件领域，提供一种用于高功率光纤激光器系统的侧泵合束器，包括一根信号光纤，所述信号光纤包括纤芯和包层，其特征在于，所述信号光纤中部拉锥形成拉锥区，所述拉锥区包括平直区以及位于平直区两端的锥区，所述平直区的包层部分形成有一段第一包层腐蚀区，所述第一包层腐蚀区的侧壁端面上通过折射率匹配粘合液粘合有若干泵浦光纤，所述平直区且位于第一包层腐蚀区前侧为毛化区域。本合束器通过对未耦合进包层的泵浦光进行重新回收，提高了耦合效率，避免了热积累损伤光纤；通过对信号光纤拉锥后再进行泵浦光侧面耦合，有效地滤除部分高阶模，降低了高阶模带来的应力敏感性，优化了光束质量。

说明书

技术领域

本发明属于光纤器件领域，尤其涉及一种用于高功率光纤激光器系统的侧泵合束器。

背景技术

光纤合束器是组成光纤激光器的核心元件之一，泵浦合束器用于将泵浦光和信号光耦合进有源光纤中，从而实现激光放大；信号合束器用于激光组束，以实现更高的输出功率。光纤合束器的实现思路主要有分为端面耦合和侧面耦合两种。端面耦合通过将输入光纤与输出光纤端面对熔，因而具有高耦合效率，是制作高功率合束器的主要方法，但是端面泵浦同样存在缺点，一方面，因为涉及到端面重熔，不可避免将引入额外损耗；另一方面，由于输入光纤组束尺寸要与输出光纤匹配，因此在一些情况下（如，信号光纤、泵浦光纤、输出光纤尺寸分别为20/400、200/220、20/400）需要对输入光纤拉锥，这使得输入信号光纤与输出光纤模场失配，影响光束质量。

侧面泵浦技术主要实现方式是，将泵浦光纤拉锥至一定尺寸后，在高温下将拉锥后的泵浦光纤和信号光纤烧合，使泵浦光耦合至信号光纤内包层，最后从一侧的锥区将泵浦光纤断开。相比起端面耦合，侧面耦合方式在制作工艺上更简单方便，信号传输路径上不存在熔点，信号损耗更小，并且具有更好的反向隔离度，能够更好地保护泵浦源免受回光损伤，因而更适用与后向泵浦系统。但是未耦合进信号纤包层的剩余泵浦光将从泵浦光纤断面泄露，造成热积累，因此，侧面泵浦方法一般用于中低功率的合束器制作。

阻碍侧泵合束器应用于高功率光纤激光器系统还有其他原因，为了避免非线性效应及端面损伤等不利影响，高功率光纤激光器中通常采用大模场有源光纤作为增益介质，因此需要大模场无源光纤来制作与之匹配的无源器件。对于侧面泵浦方案来说，在高温下将软化的泵浦光纤与信号光纤进行贴合，由于光纤之间的挤压，不可避免地会引入外部应力，而大模场光纤中的高阶模对应力敏感，使得光场分布及光斑圆度等参数容易受到扰动，因此光束经过侧泵合束器后通常会出现光斑恶化。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种用于高功率光纤激光器系统的侧泵合束器，旨在解决上述侧面泵浦合束器存在的技术问题。

本发明采用如下技术方案：

所述用于高功率光纤激光器系统的侧泵合束器，包括一根信号光纤，所述信号光纤包括纤芯和包层，所述信号光纤中部拉锥形成拉锥区，所述拉锥区包括平直区以及位于平直区两端的锥区，所述平直区的包层部分形成有一段第一包层腐蚀区，所述第一包层腐蚀区的侧壁端面上通过折射率匹配粘合液粘合有若干泵浦光纤，所述平直区且位于第一包层腐蚀区前侧为毛化区域。

进一步的，所述信号光纤位于拉锥区前侧的包层还形成有第二包层腐蚀区，所述第二包层腐蚀区还贴合设置有监测光纤。

进一步的，所述毛化区域通过毛化膏腐蚀形成。

进一步的，所述泵浦光纤与第一包层腐蚀区的连接端为拉锥平直部，所述第一包层腐蚀区的深度大于泵浦光纤拉锥平直部直径2~3μm，所述第一包层腐蚀区的侧壁端面为垂直面。

进一步的，所述信号光纤为双包层大模场光纤，所述泵浦光纤为单包层光纤。

进一步的，所述第二包层腐蚀区底面距离纤芯表面10μm。

本发明的有益效果是：本发明侧泵合束器，通过对未耦合进包层的泵浦光进行重新回收，提高了耦合效率，避免了热积累损伤光纤；通过对信号光纤拉锥后再进行泵浦光侧面耦合，有效地滤除部分高阶模，降低了高阶模带来的应力敏感性，优化了光束质量。

附图说明

图1是本发明第一实施例提供的侧泵合束器的结构图；

图2是本发明第二实施例提供的侧泵合束器应用示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

实施例一：

图1示出了本发明实施例提供的用于高功率光纤激光器系统的侧泵合束器的结构，为了便于说明仅示出了与本发明实施例相关的部分。

如图1所示，本实施例提供的用于高功率光纤激光器系统的侧泵合束器，包括一根信号光纤01，所述信号光纤包括纤芯011和包层012，所述信号光纤中部拉锥形成拉锥区，所述拉锥区包括平直区以及位于平直区两端的锥区，图示中，两个锥区标记为013和014，所述平直区的包层部分形成有一段第一包层腐蚀区015，所述第一包层腐蚀区015的侧壁端面上通过折射率匹配粘合液04粘合有若干泵浦光纤，图示有两根泵浦光纤，上方的泵浦光纤标记为02，下方的泵浦光纤标记为03，所述平直区且位于第一包层腐蚀区前侧为毛化区域06。

本结构中，所述信号光纤为双包层大模场光纤，纤芯直径可为20~100μm，包层直径为250~800μm，纤芯折射率大于包层折射率，由此构成纤芯-包层波导结构，信号光在纤芯中传输，泵浦光在包层内传输。信号光纤拉锥形有两个对称的拉锥锥区，满足绝热拉锥条件，并对拉锥的平直区进行腐蚀，形成第一包层腐蚀区，腐蚀深度不宜过大，泵浦光纤与第一包层腐蚀区的连接端为拉锥平直部，第一包层腐蚀区的腐蚀深度大于泵浦光纤拉锥平直部直径2~3μm即可。腐蚀光纤表面要求平滑，第一包层腐蚀区的侧壁端面为垂直面。

图示中的泵浦光纤具体为单包层光纤，可采用105/125、135/155、200/220、220/242等规格的光纤，泵浦光纤以信号光纤为中心对称排列在其周围，在满足合束器亮度守恒定律的前提下，其数量不限。合束器亮度守恒定律表述为：

其中，N为光纤合束器输入光纤的数量，R

泵浦光纤也要拉锥，拉锥形成有拉锥平直部，拉锥平直区断开端面通过粘合液粘合至第一腐蚀区侧壁端面。粘合液折射率与信号光纤包层一致，在紫外灯照射下可快速固化，主要用于将泵浦光纤拉锥平直部端面与信号光纤腐蚀后的包层侧壁端面粘合在一起，重新回收未耦合进信号光纤包层的泵浦光。

其中的毛化区域可采用毛化膏涂覆光纤包层，破坏平滑的表面结构，从而滤除包层激光，毛化区域位于第一包层腐蚀区之前。

下面具体列举一实例：

设计规格为（2+1）×1的一合束器，即包含两跟泵浦光纤和一根信号光纤，本实施例中，信号光纤芯包比为30/400，泵浦光纤芯包比为200/220，需要特别说明的是，本实施例以（2+1）×1合束器为例，但泵浦光纤数量并不限定为2，可以为2、4、6等。

根据亮度守恒定律，在选择合适的拉锥角度和拉锥长度时，光辐射可以在介质中无损传输，即入射和出射的光通量基本保持一致：

R

其中，R

制备时，首先采用拉锥机对信号光纤等比拉锥，拉锥比设置为1.2，平直区长度设置为50mm，拉锥后，信号光纤拉锥平直区尺寸变为25/333。在离平直区起点5mm处采用毛化膏对拉锥信号光纤平直区进行毛化处理，毛化长度为10mm。

完成毛化后，在距离毛化区终点10mm处采用氢氟酸对拉锥光纤进行腐蚀处理，腐蚀长度为20mm，腐蚀深度为30μm，形成第一包层腐蚀区。然后，分别对两根泵浦光纤拉锥，拉锥比设置为10，拉锥平直部长度设置为15mm，拉锥后，泵浦光纤拉锥平直部尺寸变为25/27.5。

对拉锥后的泵浦光纤进行切割，拉锥平直部长度保留10mm，切割端面涂抹折射率匹配的粘合液后与第一包层腐蚀区的垂直端面贴合，待粘合液固化后，使泵浦光纤尽量贴近信号光纤，同时采用氢氧焰拉锥机在距离端面粘合处后5mm的区域对贴合的泵浦光纤与信号光纤进行加热，使二者彻底烧合。

这样，当合束器处于工作状态时，信号激光从信号光纤通过拉锥区域时，由于纤芯由30μm逐渐变成20μm，一部分高阶模由纤芯泄露至包层，并在毛化区被滤除，初步改善了光束质量；同时，由于拉锥后信号光纤纤芯中的模式减少了，因此在平直区进行侧泵光纤贴合将降低光束的应力敏感性，进一步改善了光束质量。

泵浦光从侧面贴合的泵浦光纤拉锥平直区耦合进信号光纤包层中，未完全耦合的剩余泵浦光则从泵浦光纤端面通过折射率匹配粘合液重新耦合进信号光纤包层，提高了泵浦耦合效率，同时避免了泵浦光泄露造成的热积累。

另外作为一种优选结构，所述信号光纤位于拉锥区前侧的包层还形成有第二包层腐蚀区016，所述第二包层腐蚀区016还贴合设置有监测光纤07。第二包层腐蚀区腐蚀至离纤芯011约10μm，腐蚀光纤表面要求平滑，腐蚀界面不做要求。监测光纤具体为单包层光纤，如10/130规格的光纤，可用于监测系统回光、非线性效应、空间光路调整指示信号，另外，还可用于监测激光系统的光子暗化效应。

具体的，在本实例中，在距离信号光纤拉锥起始点前2cm处，在包层一侧进行局部腐蚀处理，形成第二包层腐蚀区作为监测光纤耦合窗口，窗口深度为170μm，长度为20mm。

实施例二：

本实施例提供了合束器的一种应用场景，如图2所示，（2+1）×1合束器200作为正向合束器用于光纤放大器，种子源400输出光纤尺寸为20/400，经过一个20/400-30/400模场匹配器（MFA）后注入合束器。放大级半导体激光器LD尾纤芯包比为200/220，与合束器泵浦光纤尺寸一致，通过放大合束器将泵浦光耦合进有源光纤包层。输出端熔接一个包层光剥除器，滤除包层激光改善光束质量。图示功率计300用于测量整个装置的输出功率。测试系统100的用途有多种：1）在其后放置功率计，可以监测后向回光功率；2）采用光谱仪可以观察非线性效应（主要是受激布里渊散射）；3）熔接一个可见光光源，对调整外光路，如M

综上，本发明合束器相较于相比起套管法或扭转法制作的合束器，采用侧泵耦合方法制作的合束器不存在熔点，不引入熔接损耗，提高了合束器的信号和泵浦效率，降低了烧毁风险；而且本发明采用对大模场信号光纤拉锥后再进行侧泵耦合的方案，在几乎不引入损耗的同时，有效地减小了纤芯直径，从而减少了纤芯支持模式，减弱了侧泵光纤贴合及加热过程中应力引起的模式扰动的影响，改善了光束质量；最后通过侧面耦合的方式在不占用泵浦点位和增加熔点的情况下，在合束器上集成一监测臂，可实现多种监测功能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。