一种低温升光纤泵浦合束器
阅读说明：本技术 一种低温升光纤泵浦合束器 (Low-temperature-rise optical fiber pumping beam combiner ) 是由 刘玙 李雨薇 黄珊 黎玥 吴文杰 王建军 林宏奂 欧光亮 李好 黎沁 于 2021-09-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种低温升光纤泵浦合束器,所述合束器包括：输入光纤束、吸光器以及多包层输出光纤,所述输入光纤束拉锥后与多包层输出光纤熔接,所述吸光器在输入光纤束的外面,与输入光纤束在特定直径的平直段上具有光学接触,所述输入光纤束的拉锥结构和吸光器的放置位置根据吸光器的折射率与输入光纤束中的光纤的包层折射率不同而不同。本发明提供的低温升光纤泵浦合束器,通过设计吸光器折射率和合束器结构,实现泵浦废光和可传导光分开传输,并将泵浦废光在进入多包层输出光纤之前进行提前滤除,降低了由于泵浦废光进入多包层输出光纤所造成的涂覆层发热,为提高激光器的功率输出提供了可能。(The invention discloses a low temperature rise optical fiber pumping beam combiner, which comprises: the optical fiber bundle comprises an input optical fiber bundle, a light absorber and a multi-cladding output optical fiber, wherein the input optical fiber bundle is fused with the multi-cladding output optical fiber after being tapered, the light absorber is arranged outside the input optical fiber bundle and is in optical contact with the input optical fiber bundle on a straight section with a specific diameter, and the tapered structure of the input optical fiber bundle and the placement position of the light absorber are different according to the difference between the refractive index of the light absorber and the cladding refractive index of the optical fiber in the input optical fiber bundle. According to the low-temperature-rise optical fiber pumping beam combiner, the refractive index of the light absorber and the structure of the beam combiner are designed, pumping waste light and conductable light are transmitted in a split mode, the pumping waste light is filtered out in advance before entering the multi-clad output optical fiber, heating of a coating layer caused by the fact that the pumping waste light enters the multi-clad output optical fiber is reduced, and the possibility of improving the power output of a laser is provided.)
技术领域
本发明属于激光器领域，尤其涉及一种低温升光纤泵浦合束器。
背景技术
近年来，光纤激光器由于光束质量好、一体化程度高等优势，在工业及国防领域得到了广泛的应用。随着技术的发展，这些应用领域对光纤激光器的输出功率持续提出了更高的要求。为了实现光纤激光器输出功率的增长，首要需要解决的是如何为激光器注入更多的泵浦功率，因此，激光器的关键元件——光纤泵浦合束器的功率合成能力的提升对光纤激光器实现输出功率突破至关重要。
现有的泵浦合束器一般采用多包层光纤作为输出光纤，这种多包层光纤采用折射率比包层材料低的聚合物材料作为表面涂覆层，其表面涂覆层的耐受温度一般只有一百多摄氏度。在合束过程中，由于泵浦合束器的理论本征损耗以及材料和工艺方面的缺陷，必然存在漏光现象，漏光（泵浦废光）会部分转化成热能沉积在泵浦合束器多包层输出光纤的涂覆层上，导致涂覆层发热，而且发热情况随功率的增大趋于严重，这严重限制了光纤激光器泵浦功率乃至输出功率的提高。
如果不先解决泵浦合束器多包层输出光纤的发热问题，而只通过提高输入泵浦光功率来实现光纤激光器输出功率的增长，这是不现实的，因为随着输入泵浦光功率的提高，泵浦合束器多包层输出光纤的发热也会趋于严重，当发热温度超过多包层光纤的涂覆层耐受温度时，必然对多包层输出光纤造成损伤，严重时会导致整个系统损坏。
因此为了提高光纤激光器的功率，必须要改善泵浦合束器中多包层光纤的发热情况，现有技术主要通过提高泵浦光源（泵源）的亮度来降低合束器温升，比如使用泵浦波段的光纤激光器代替激光二极管（LD）作为泵源，然而这种方法的缺点是成本高昂、体积庞大、电光转换效率低，不能满足大部分激光应用的要求故使用受到限制。
因此，亟需从泵浦合束器自身结构改进出发解决上述泵浦合束器多包层输出光纤的发热问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种低温升光纤泵浦合束器，该合束器通过设计合适结构及设置各部件的折射率，将泵浦废光与可传导光的光路分开，并将泵浦废光在进入多包层输出光纤之前进行提前滤除来解决泵浦合束器多包层输出光纤发热的问题。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：一种低温升光纤泵浦合束器，所述合束器 包括：输入光纤束、吸光器以及多包层输出光纤；所述输入光纤束中光纤的包层折射率 小于所述吸光器的折射率；所述输入光纤束拉锥后与多包层输出光纤熔接，所述输入光 纤束拉锥依次形成锥区Ⅰ、平直段I、锥区Ⅱ和平直段II；设置所述平直段I的外径为，其中和分别是多包层输出光纤中泵浦光传导的那一层包 层的外径和数值孔径，为输入光纤束中光纤的纤芯数值孔径，设置平直段II（24）的外 径等于多包层输出光纤（3）中泵浦光传导的那一层包层的外径；
所述吸光器的表面设置有光增透结构或者光散射结构，所述吸光器套在输入光纤束的外面，且与输入光纤束在平直段I上有光学接触。
优选的，所述吸光器的光增透结构为光学增透薄膜。
优选的，所述吸光器的外表面设置的光散射结构为通过物理或者化学的手段获得的表面毛化结构。
一种低温升光纤泵浦合束器，所述合束器包括：输入光纤束、吸光器以及多包层输 出光纤；所述输入光纤束中的光纤的包层折射率大于吸光器的折射率，且所述输入 光纤束拉锥后与多包层输出光纤熔接，输入光纤束拉锥形成锥区和平直段，平直段的外径 是与多包层输出光纤中泵浦光传导的那一层包层的外径相同；
所述吸光器的折射率为，其中是多包层输出光纤中泵 浦光传导的那一层的的包层数值孔径，且吸光器表面设置有光增透结构或者光散射结构， 吸光器套在输入光纤束的外面且与所述输入光纤束的平直段上有光学接触。
优选的，所述吸光器的光增透结构为光学增透薄膜。
优选的，所述吸光器的外表面设置的光散射结构为通过物理或者化学的手段获得的表面毛化结构。
本发明的有益效果是：本发明提供的低温升光纤泵浦合束器，该器件通过设计吸光器折射率和合束器结构，将泵浦废光和可传导光的光路分开传输，并将泵浦废光在进入多包层输出光纤之前进行提前滤除，大幅缓解了多包层输出光纤涂覆层的热负载，降低了泵浦合束器对光纤激光器功率提高的限制，应用本发明公开的低温升光纤泵浦合束器将能够大幅度提升光纤激光器的输出功率。
附图说明
图1为本发明实施例1中的低温升光纤泵浦合束器结构示意图；
图2为本发明实施例2中的低温升光纤泵浦合束器结构示意图；
图中：1. 输入光纤束 2. 吸光器 3. 多包层输出光纤 21. 锥区Ⅰ 22. 平直段I23. 锥区Ⅱ 24. 平直段II 25. 锥区 26. 平直段。
具体实施方式
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
一种如图1或者图2所示的低温升光纤泵浦合束器，该合束器包括：输入光纤束1、吸光器2以及多包层输出光纤3，所述输入光纤束1拉锥后与多包层输出光纤3熔接，吸光器2在输入光纤束1的外面，与输入光纤束1在特定直径的平直段上具有良好光学接触。
作为一种实施例，上述输入光纤束1中光纤的包层折射率小于所述吸光器2的 折射率，输入光纤束1拉锥后与多包层输出光纤3熔接，输入光纤束1拉锥依次形成如图1 中所示的锥区Ⅰ21、平直段I22、锥区Ⅱ23和平直段II24，其中平直段I22的外径为，其中和分别是多包层输出光纤3中泵浦光传导的那一层 的包层的外径和数值孔径，为输入光纤束1中光纤的纤芯数值孔径；设置平直段II （24）的外径等于多包层输出光纤（3）中泵浦光传导的那一层包层的外径；上述吸光器2的表 面设置有光增透结构或者光散射结构，增透结构可以采用光学增透薄膜，光散射结构为使 用物理或者化学的手段获得的表面毛化结构，吸光器2套在输入光纤束1的外面，且与输入 光纤束1在平直段I22上有良好的光学接触。
上述合束器结构的拉锥比，其中为输入光纤束1的原始外径，若 要通过上述合束器结构实现从输入光纤束1的纤芯到多包层输出光纤3的包层的无损传输， 泵浦光的初始数值孔径须满足以下条件。
对于无法满足无损传输条件的泵浦光线，其数值孔径，若采用传统 合束器结构，这部分光线会从输入光纤束1的纤芯耦合到多包层输出光纤3的涂覆层中，导 致功率损耗和多包层输出光纤3的涂覆层发热，此即为泵浦废光。采用本发明中的合束器结 构设计，这部分光线经过合束器的锥区Ⅰ21后，传播角度增大，数值孔径由变为，，泵浦光数值孔径大于输入光纤束1的纤芯数值孔径，这将导致 这部分光线无法继续在输入光纤束1的纤芯中继续传导，由于吸光器2的折射率高于输入光 纤束1的光纤包层折射率，因此这部分光线会从输入光纤束1的纤芯经由包层泄露到吸光器 2中，吸光器2上的光增透或光散射结构会将该泄露光导向自由空间。因此，无法满足无损传 输条件的泵浦废光在锥区Ⅱ23之前就已经被过滤出合束器，不会再继续传导到多包层输出 光纤3上加热其涂覆层。
对于满足无损传输条件的泵浦光线，其数值孔径，在经历锥区Ⅰ21 之后数值孔径变为，这部分光线将继续留在输入光纤束1的纤芯 中，不会与平直段I22上的吸光器2相接触，在经历锥区II23的时候，此部分光线数值孔径会 增大到，但仍满足多包层输出光纤3的包层光传导条件，能够耦 合到输出光纤3的包层中传导，此即为可传导光。因此，设置吸光器2的折射率大于输入 光纤束1中的光纤的包层折射率，如图1所示的合束器结构可以将泵浦废光和可传导光 的光路分开，泵浦废光提前进行滤除，大幅缓解多包层输出光纤涂覆层的热负载。
作为一个实施例如图2所示，该实施例中吸光器2的折射率小于输入光纤束1中 的光纤的包层折射率，且吸光器2的折射率为，其中是多包 层输出光纤泵浦光传导的那一层的的包层数值孔径。如图2所示输入光纤束1拉锥后与多包 层输出光纤3熔接，且输入光纤束1拉锥形成锥区25和平直段26，设置平直段26的外径是与 多包层输出光纤3中泵浦光传导的那一层包层的外径相同，吸光器2套在输入光纤束1 的外面，且与输入光纤束1在平直段26上有良好光学接触，且所述吸光器2的表面设置有光 学增透薄膜和使用物理或者化学的手段实现的外表面毛化等光增透或光散射结构。
上述合束器结构的拉锥比，其中为输入光纤束1的原始外径；对 于无法满足无损传输条件的泵浦光线，其数值孔径，在经历锥区25后，数值 孔径变为，由于合束器的多包层输出光纤的包层 数值孔径不低于输入光纤束中光纤的纤芯数值孔径，即，故这 部分光线将无法在输入光纤束1的纤芯中传导，而是会泄露到输入光纤束1的包层，再由于 包层-吸光器界面的全反射条件不满足泄露到吸光器2中，吸光器2上的光增透或者光散射 结构会将该泄露光导向自由空间。因此，无法满足无损传输条件的泵浦废光在熔点之前就 已经被过滤出合束器，不会再继续传导到多包层输出光纤3上加热其涂覆层。
对于满足无损传输条件的泵浦光线，其数值孔径，在经历锥区25后 数值孔径变为，这部分光线数值孔径未超出包层- 吸光器界面的全反射条件限制，将被束缚在泵浦光纤束中传导，不会进入吸光器2，此部分 光数值孔径亦满足多包层输出光纤3的包层光传导条件，故此部分光线能够通过熔点成功 耦合进多包层输出光纤3的包层中。因此，设置吸光器2的折射率小于输入光纤束1中的 光纤的包层折射率且与之间满足，如图2所示的合束器结构 可以将泵浦废光和可传导光的光路分开，泵浦废光提前进行滤除，大幅缓解多包层输出光 纤涂覆层的热负载。
综上，本发明公开的低温升光纤泵浦合束器可以将泵浦废光在进入多包层输出光纤之前进行提前滤除，降低了由于泵浦废光进入多包层输出光纤所造成的涂覆层发热，为提高激光器的功率输出提供了可能。
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