本發(fā)明主要涉及到光纖器件，尤其是一種空芯光纖功率合束器。

背景技術：

1、在過去的幾年里，隨著光纖拉絲工藝以及泵浦源亮度的提升，光纖激光器的發(fā)展取得了重大突破，特別是在功率和亮度方面提升迅速。憑借著其出色的光束質量、高效的光-電轉換效率和便捷的熱管理，光纖激光器在諸如材料加工、醫(yī)療美容、軍事國防等領域產(chǎn)生了廣泛的應用。盡管如此，光纖激光器功率提升仍面臨一些挑戰(zhàn)。限制光纖激光器功率提升的主要困難在于在較高的傳輸功率情況下，功率密度過高會導致較強的非線性效應。這可以通過增大光纖模場面積，降低傳輸功率密度來緩解。矛盾的地方在于增大光纖模場面積固然能減弱非線性效應但無可避免地會導致光纖中高階模的激發(fā)，從而劣化輸出激光的光束質量。以高功率光纖激光器的工業(yè)應用為例，如焊接、切割等，其需求的不僅僅是更高的激光功率，還需要更好的光束質量以保證加工精度。因此，如何在保證高光束質量的前提下實現(xiàn)高功率輸出，是目前光纖激光器技術面臨的最大挑戰(zhàn)。目前光纖單纖近單模輸出功率難以進一步突破，輸出最高功率在萬瓦量級。針對一些需要更高亮度和高能量激光的應用場景，單纖可能無法滿足應用需求。

2、功率合束能夠突破單個激光器功率提升瓶頸，是近年來突破單纖激光功率提升的一種常用方案，但是由于激光最終還是匯集在一根光纖上進行傳輸，因此由于較大模場面積導致的光束質量退化的問題仍舊不可回避。

技術實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術存在的缺陷和不足，本發(fā)明的目的是提供一種空芯光纖功率合束器，通過利用空芯光纖來實現(xiàn)高功率激光的高光束質量傳輸。空芯光纖(hcf)是一種特殊結構的光纖。在空芯光纖中，傳統(tǒng)光纖的纖芯部分被氣/液體或者真空所取代。相比于普通的實心光纖，由于其獨特的空芯結構，會大大降低光在其內傳輸?shù)倪^程中與光纖材料的相互作用，從而很大程度上的減弱非線性效應。因此即便是較小模場面積的空芯光纖(單模)也能支持高功率激光的長距離傳輸。利用空芯光纖設計了相應的功率合束器，同時針對匹配空芯光纖的組束光纖尺寸進行了仿真優(yōu)選。為了保證傳輸耦合效率，需要較小的拉錐比，以及拉錐后組束光纖模場與空芯光纖模場的匹配。這樣一種空芯光纖合束器對于光纖激光器傳輸功率以及光束質量的提升有較大的意義。

2、本發(fā)明采用的技術方案是：

3、空芯光纖功率合束器，包括光纖束以及空芯光纖，所述光纖束由n根實芯光纖拉錐組束而成；所述光纖束的輸入端為光纖束大頭端，所述光纖束的輸出端即光纖束小頭端，其中光纖束中的n根實芯光纖中一根光纖位于中心作為中心光纖，其余n-1根光纖圍繞中心光纖呈中心環(huán)繞分布；

4、所述空芯光纖為嵌套型反諧振空芯光纖，由內之外依次包括外包層、嵌套環(huán)和空芯區(qū)域，所述空芯區(qū)域外圍環(huán)繞分布有n-1個嵌套環(huán)；

5、輸入光纖束的激光經(jīng)光纖束小頭端輸入空芯光纖，利用空芯光纖實現(xiàn)激光的長距離傳輸。

6、進一步地，n根實芯光纖利用套管拉錐組束的方式得到光纖束，光纖束小頭端與空芯光纖熔接。

7、進一步地，所述光纖束小端頭和空芯光纖之間通過小型氣體腔連接，所述小型氣體腔連接在所述光纖束小端頭，所述空芯光纖的輸入端固定并密封在所述小型氣體腔內，所述輸入光纖束的激光經(jīng)光纖束小頭端輸入空芯光纖。

8、進一步地，所述空芯光纖的輸出端熔接有光纖端帽，實現(xiàn)激光輸出。

9、進一步地，所述空芯光纖的輸出端固定并密封在一小型氣體腔內，同時通過小型氣體腔實現(xiàn)激光輸出。

10、進一步地，所述空芯光纖的外包層利用飛秒激光加工有冷卻氣體充氣孔，利用冷卻氣體充氣孔向空芯光纖的空芯區(qū)域充入冷卻氣體，所述冷卻氣體為無需尾氣處理的二氧化碳或氮氣。

11、進一步地，n根實芯光纖在拉錐組束前，各實芯光纖的纖芯直徑小于20?μm。

12、進一步地，通過控制所述光纖束的拉錐比，使得拉錐組束形成的光纖束小頭端的光纖模場面積與空芯光纖的模場面積相同。

13、進一步地，所述空芯光纖的各嵌套環(huán)為圓形嵌套環(huán)，各嵌套環(huán)的內部設有m個子嵌套環(huán)，m大于等于0，各嵌套環(huán)直徑相同，通過設計嵌套環(huán)直徑b與空芯光纖的空芯區(qū)域直徑a的比值以提高空芯光纖中傳輸?shù)募す庠诟吖β是闆r下的模式純凈度。

14、當嵌套環(huán)直徑b/空芯光纖空芯區(qū)域直徑a的最佳值為30%，在保證基模泄露損耗較小的情況下最大化高階模在嵌套環(huán)中的功率占比，增大高階模泄露損耗。

15、當嵌套環(huán)直徑b/空芯光纖空芯區(qū)域直徑a大于30%（如達到35%）時，高階模泄露程度較高，基模的泄露也比較高。

16、當嵌套環(huán)直徑b/空芯光纖空芯區(qū)域直徑a小于等于15%時，雖然基模在嵌套環(huán)中損耗較小，但高階模的功率也基本不分布在嵌套環(huán)中，泄露損耗較小。

17、進一步地，通過優(yōu)化設計嵌套環(huán)壁厚d/嵌套環(huán)直徑b以減低基模泄露、增大高階模嵌套環(huán)占比。

18、與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明能夠產(chǎn)生以下技術效果：

19、本發(fā)明設計一種空芯光纖功率合束器，通過多根光纖拉錐組束后與空芯光纖的低損耗連接（可以是插接、空間對準、也可以是熔接，具體連接方式根據(jù)光纖束的拉錐組束時是否套管確定），實現(xiàn)高光束質量高功率激光在空芯光纖中的弱展寬，低非線性傳輸。

20、進一步地，本發(fā)明還通過仿真設計組束光纖的組束結構以及拉錐比來實現(xiàn)低損耗低光束質量退化率的激光耦合，通過利用飛秒加工微結構，從外部向空芯光纖內部通入低溫氣體，以起到降低高功率傳輸產(chǎn)生的熱效應，能進一步降低非線性效應。

技術特征：

1.空芯光纖功率合束器，其特征在于，包括光纖束以及空芯光纖，所述光纖束由n根實芯光纖拉錐組束而成；所述光纖束的輸入端為光纖束大頭端，所述光纖束的輸出端即光纖束小頭端，其中光纖束中的n根實芯光纖中一根光纖位于中心作為中心光纖，其余n-1根光纖圍繞中心光纖呈中心環(huán)繞分布；

2.根據(jù)權利要求1所述的空芯光纖功率合束器，其特征在于，n根實芯光纖利用套管拉錐組束的方式得到光纖束，光纖束小頭端與空芯光纖熔接。

3.根據(jù)權利要求2所述的空芯光纖功率合束器，其特征在于，所述光纖束小端頭和空芯光纖之間通過小型氣體腔連接，所述小型氣體腔連接在所述光纖束小端頭，所述空芯光纖的輸入端固定并密封在所述小型氣體腔內，所述輸入光纖束的激光經(jīng)光纖束小頭端輸入空芯光纖。

4.根據(jù)權利要求2或3所述的空芯光纖功率合束器，其特征在于，所述空芯光纖的輸出端熔接有光纖端帽，實現(xiàn)激光輸出。

5.根據(jù)權利要求4所述的空芯光纖功率合束器，其特征在于，所述空芯光纖的外包層利用飛秒激光加工有冷卻氣體充氣微型管道，利用冷卻氣體充氣管道向空芯光纖的空芯區(qū)域充入冷卻氣體，所述冷卻氣體為二氧化碳或氮氣。

6.根據(jù)權利要求2或3所述的空芯光纖功率合束器，其特征在于，所述空芯光纖的輸出端固定并密封在一小型氣體腔內，同時通過小型氣體腔實現(xiàn)激光輸出。

7.根據(jù)權利要求6所述的空芯光纖功率合束器，其特征在于，所述空芯光纖的外包層利用飛秒激光加工有冷卻氣體充氣孔，利用冷卻氣體充氣孔向空芯光纖的空芯區(qū)域充入冷卻氣體，所述冷卻氣體為無需尾氣處理的二氧化碳或氮氣。

8.根據(jù)權利要求1或2或3或5或7所述的空芯光纖功率合束器，其特征在于，n根實芯光纖在拉錐組束前，各實芯光纖的纖芯直徑小于20?μm。

9.根據(jù)權利要求1或2或3或5或7所述的空芯光纖功率合束器，其特征在于，通過控制所述光纖束的拉錐比，使得拉錐組束形成的光纖束小頭端的光纖模場面積與空芯光纖模場面積相同。

10.根據(jù)權利要求9所述的空芯光纖功率合束器，其特征在于，所述光纖束采用7根芯包比為20/400，na為0.065的實芯光纖通過套管拉錐組束而成，拉錐組束而成的光纖束為中心環(huán)繞結構，其中拉錐比為3.75%，拉錐組束后光纖束小頭端光纖模場面積與空芯光纖模場面積相等，所述空芯光纖的空芯區(qū)域外圍環(huán)繞分布有6個嵌套環(huán)；所述空芯光纖的各嵌套環(huán)為圓形嵌套環(huán)，各嵌套環(huán)的內部設有1個子嵌套環(huán)，各嵌套環(huán)直徑相同，光纖束小頭端與空芯光纖的輸入端熔接，其中嵌套環(huán)直徑b與空芯區(qū)域直徑a的比值為30%，嵌套環(huán)壁厚d/嵌套環(huán)直徑b為0.025。

技術總結
本發(fā)明涉及光纖器件技術領域，提出了一種空芯光纖功率合束器，包括光纖束以及空芯光纖，光纖束由n根實芯光纖拉錐組束而成；光纖束的輸入端為光纖束大頭端，光纖束的輸出端即光纖束小頭端，其中光纖束中的n根實芯光纖中一根光纖位于中心作為中心光纖，其余n?1根光纖圍繞中心光纖呈中心環(huán)繞分布；空芯光纖為嵌套型反諧振空芯光纖，由內之外依次包括外包層、嵌套環(huán)和空芯區(qū)域，所述空芯區(qū)域外圍環(huán)繞分布有n?1個嵌套環(huán)；輸入光纖束的激光經(jīng)光纖束小頭端輸入空芯光纖，利用空芯光纖實現(xiàn)激光的長距離傳輸。本發(fā)明結構簡單緊湊，耦合效率高，能夠較好地保持光束模式純度，對于光纖激光的高功率長距離傳輸具有較大的應用價值與潛在優(yōu)勢。

技術研發(fā)人員：王澤鋒,饒斌裕,陳子倫,李智賢,周智越,楊林永,李昊,王蒙,馬鵬飛,楊保來,肖虎
受保護的技術使用者：中國人民解放軍國防科技大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2025/1/9