阅读说明：本技术 一种光纤合束分束器 (Optical fiber beam combining and splitting device ) 是由 刘玙 吴文杰 宋华青 黄珊 陶汝茂 沈本剑 李敏 冯曦 于 2021-04-01 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种光纤合束分束器,属于激光器技术领域,所述光纤合束分束器采用型结构,其在应用效果上是将根输入光纤中的激光合成后分配到根输出光纤中,等效于使用个型结构光纤合束器,其中,为输入光纤数量,为输出光纤数量,其光学结构为一体化结构,充分利用了根输入光纤组成的光纤束横截面上外圈相比内圈能容纳更多光纤数量的特点,使相比于型结构光纤合束器,光纤的等效拉锥比得以降低,本发明既有助于减少激光器中光学器件的数量,简化激光器的布局、排线和集成,又有助于激光器小型化和轻量化,同时,采用型结构,能够降低光纤的拉锥比例,有效提升合成效率,减少热负载,抑制温升速率。(The invention relates to an optical fiber beam combiner and splitter, which belongs to the technical field of lasers and adopts A structure of a mold which will be effective in application Laser light in root input fiber is synthesized and distributed to Root output fiber, equivalent to use An The optical fiber beam combiner with the structure of the model is provided with a beam splitter, in order to input the number of optical fibers, for outputting the quantity of optical fibers, the optical structure is an integrated structure, and the full use of The outer ring of the cross section of the optical fiber bundle consisting of the input optical fibers can contain more optical fibers than the inner ring, so that the optical fiber bundle can contain more optical fibers than the inner ring The optical fiber beam combiner with the structure has the advantages that the equivalent tapering ratio of the optical fibers is reduced, the number of optical devices in the laser is reduced, the layout, the wiring and the integration of the laser are simplified, the miniaturization and the light weight of the laser are facilitated, and meanwhile, the optical fiber beam combiner with the structure adopts The tapered structure can reduce the tapering proportion of the optical fiber, effectively improve the synthesis efficiency, reduce the heat load and inhibit the temperature rise rate.)

一种光纤合束分束器

技术领域

本发明属于激光器技术领域，具体地说涉及一种光纤合束分束器。

背景技术

光纤激光器普遍采用激光二极管作为泵浦源。为提高激光功率，一般使用泵浦合 束器件将多个激光二极管出射的泵浦光合成注入到光纤激光器的增益光纤中。对于全纤化 激光器来说，此类泵浦合束器件即为光纤泵浦合束器（US 2018/0102623 A1），其型 结构——N根泵浦纤输入、1根光纤输出，能够直接叠加最多N个泵浦源中的泵浦光到同一根 光纤中，如图1所示。光纤合束器是在熔融拉锥光纤束的基础上制备的光纤器件，将一束光 纤剥去涂覆层，然后以一定方式排列在一起，在高温中加热使之熔化，同时拉伸光纤束，光 纤加热区域熔融成为熔锥光纤束，如申请号为CN201811150456.0，名称为光纤合束器制备 方法及光纤合束器。

对于MOPA构型的光纤激光器以及反向泵或双向泵光纤激光器，不仅要求泵浦合束 器能够叠加泵浦源，还需要其能够直通传输信号激光，这种情况下泵浦合束器采用型结构，表示N根泵浦纤围绕1根信号纤的横截面分布，将N路泵浦光与1 路信号光集成到同一根光纤中，因此也通常被称为泵浦信号集束器，如图2所 示。目前，由于泵浦信号集束器工艺复杂，其结构多为和，N数值难以做到18以上。因此，为进一步提升泵浦光功率，光纤激光器通常 采用泵浦合束器-集束器级联结构，如图3所示，通过级联N₂个泵浦合束器能够叠加个激光二极管。

发明内容

发明人对现有的泵浦合束器-集束器级联结构进行反复研究，发现其存在两方面 问题：一是使用器件的数量较多，总共需要个合束/集束器，既增加了光纤激光器的 布局、排线和集成的复杂度，又违背了光纤激光器小型化轻量化的发展趋势。二是对泵浦光 纤的拉锥比例较大，使泵浦光的亮度守恒条件（，其中，为输入 激光的数值孔径，为输出光纤的数值孔径，TR为合束/集束器的拉锥比例）趋近临界或 难以保持，泵浦光损耗较高，合束/集束器的输出光纤发热严重。

具体的，以目前科研和工业用激光器常用的泵浦合束器级联 泵浦信号集束器结构为例：合束器的输入光纤直径为125μm，输出光纤的通光口径为 220μm，数值孔径为0.22，合束器的拉锥比为。若连接现在通用的百瓦 功率激光二极管（其激光数值孔径一般为0.15），经过合束器锥区后，激光数值孔径变为，超出了合束器输出光纤数值孔径的限制，使合成损耗高达数个百 分点甚至十个百分点，泵浦合束器热负载极高，输出光纤发热严重，甚至还会影响到 后级级联的集束器的合成效率，加重后级集束器的热负载。

针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，现提出一种光纤合束分束器，能够大幅降低光纤拉锥比，降低损耗。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种光纤合束分束器，采用型结构，其在应用效果上是将P根输入光纤中 的激光合成后分配到M根输出光纤中，P表示输入光纤的数量，M表示输出光纤的数量，其等 效于M个型结构光纤合束器，具备根输入光纤、M根输出光纤，表示 输入光纤的数量，M表示输出光纤的数量，P₁表示型结构光纤合束器输入光纤的数 量，其中，，通过利用根输入光纤组成的光纤束横截面上外 圈相比内圈能容纳更多光纤数量的特点，相比于型结构光纤合束器，光纤的等效拉 锥比得以降低，合成效率得以提升。

由于型结构在应用效果上是将P根输入光纤中的激光合成（相当于合束） 后分配（相当于分束）到M根输出光纤中，即型结构同时起到合束和分束的效果，因 此，将主题名称命名为光纤合束分束器，其属于全新结构。

进一步，所述输入光纤为多模光纤、单模光纤或少模光纤。

进一步，所述输入光纤连接激光二极管或光纤激光器。

进一步，所述输出光纤的数量M与等效的型结构光纤合束器的数量相等。

进一步，P₁无特定要求，可以是整数或非整数，即所述光纤合束分束器的输入光纤和输出光纤的数量比例不一定成整数。

进一步，所述光纤合束分束器的后级级联光纤合束器或光纤集束器，或所述光纤合束分束器可以直接应用，激光功率经合束分束后进行重新分配。

进一步，后级级联的光纤合束器采用型结构时，P₂表示后级级联的光纤合束 器的输入光纤的数量，后级级联的光纤集束器采用型结构时，P₂表示后级级联 的光纤集束器的输入泵浦纤的数量，且。

进一步，当光纤合束分束器的数量为1时，所述后级级联的光纤合束器的输入光纤 的数量与光纤合束分束器的输出光纤的数量相等，即，所述后级级联的光纤集束 器的输入泵浦纤的数量与光纤合束分束器的输出光纤的数量相等，即。

进一步，当光纤合束分束器的数量为P₃时，且，所述后级级联的光纤合束 器的输入光纤的数量与P₃个光纤合束分束器的输出光纤的总数量相等，即， 所述后级级联的光纤集束器的输入泵浦纤的数量与光纤合束分束器的输出光纤的总数量 相等，即。

本发明的有益效果是：

既有助于减少激光器中光学器件的数量，简化激光器的布局、排线和集成，又有助 于激光器小型化和轻量化，同时，采用型结构，能够降低光纤的拉锥比例，有效提升 合成效率，减少热负载，抑制温升速率。

附图说明

图1是光纤泵浦合束器的结构示意图；

图2是泵浦信号集束器的结构示意图；

图3是泵浦合束器-集束器级联结构的示意图；

图4是本发明的整体结构示意图；

图5是光纤合束分束器级联光纤集束器的示意图。

附图中：1-输入光纤、2-输出光纤。

具体实施方式

为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。此外，以下实施例中提到的方向用词，例如“上”“下”“左”“右”等仅是参考附图的方向，因此，使用的方向用词是用来说明而非限制本发明创造。

实施例一：

如图4所示，一种光纤合束分束器，采用型结构，其在应用效果上是将P根 输入光纤1中的激光合成后分配到M根输出光纤2中，其等效于将多个光纤合束器集成合并 在一起，以减少光学器件数量。

具体的，将光纤合束分束器视为在光学结构上集成了M个型结构光纤合束 器，具备根输入光纤1、M根输出光纤2，通过利用根输入光纤组成的光纤 束横截面上外圈相比内圈能容纳更多光纤数量的特点，相较于原来的型光纤合束 器，能够大幅降低光纤的等效拉锥比，提升合成效率，降低光学器件损耗，其中，，所述光纤合束器具备P₁根输入光纤、1根输出光纤。

此外，光纤合束分束器具备合束和分束的功能。所述输入光纤1为多模光纤、单模光纤或少模光纤，即光纤合束分束器可以是对泵浦光的合束分束器，也可以是对信号光的合束分束器。相对应的，所述输入光纤1可以连接激光二极管，也可以连接光纤激光器。此外，所述光纤合束分束器的后级可以级联光纤合束器或光纤集束器，光纤合束分束器也可以直接应用，激光功率经合束分束后进行重新分配。

当光纤合束分束器的后级级联光纤合束器或光纤集束器时，后级级联的光纤合束 器采用型结构时，P₂表示后级级联的光纤合束器的输入光纤的数量，后级级联的光 纤集束器采用型结构时，P₂表示后级级联的光纤集束器的输入泵浦纤的数量， 且。

具体的，当光纤合束分束器的数量为1时，所述后级级联的光纤合束器的输入光纤 的数量与光纤合束分束器的输出光纤的数量相等，即，所述后级级联的光纤集束 器的输入泵浦纤的数量与光纤合束分束器的输出光纤的数量相等，即。当光纤合 束分束器的数量为P₃时，且，所述后级级联的光纤合束器的输入光纤的数量与P₃个 光纤合束分束器的输出光纤的总数量相等，即，所述后级级联的光纤集束器 的输入泵浦纤的数量与光纤合束分束器的输出光纤的总数量相等，即。

实施例二：

如图5所示，本实施例与实施例一相同的部分不再赘述，不同的是：

光纤合束分束器设置数量为2，光纤合束分束器的后级级联光纤集束器，后级级联 的光纤集束器采用型结构，则光纤集束器的的输入泵浦纤的数量。由于光纤合束分束器在光学结构上集成了M个型结构光纤合束器，具 备根输入光纤、M根输出光纤，也就是说，所述输出光纤的数量与型结构光 纤合束器的数量相等。同时，P₁无特定要求，可以是整数或非整数，即所述光纤合束分束器 的输入光纤和输出光纤的数量比例不一定成整数。

实施例三：

以目前科研和工业用激光器常用的泵浦合束器级联泵浦信 号集束器结构为例（如图3所示），将光纤合束分束器视为合并3个光纤合束器（相当 于泵浦合束器）形成光纤合束分束器（如图4所示），则图3所示结构转变为图5所示 结构，光学器件总数量减少4个。同时，图4相较于图1和图2，仅在输入光纤1的横截面上多排 布一圈输入光纤，即输入光纤1的横截面面积稍大于现有技术，但是，图4却明显减少了光学 器件总数量，同时，还能够有效降低合成损耗及光致热能。

设定合束分束器同样使用直径125μm的输入光纤，和纤芯/包层直径的输出光纤，输出光纤的数值孔径为0.22，则合束分束器的拉锥比是。若连接现在通用的百瓦功率激光二极管（其 激光数值孔径一般为0.15），那么经过合束分束器后，激光数值孔径变为，比输出光纤数值孔径小，合成效率能够做到接近100%。在此条件 下，合束分束器热负载非常低，能够有效抑制其输出光纤乃至后级级联光纤集束器的单位 功率温升速率。

以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。