CN112946820B - 三叉树形光子灯笼及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种三叉树形光子灯笼及其制备方法，包括N个3×1子光子灯笼，N个3×1子光子灯笼呈树形结构分布形成多层光子灯笼结构，上一层光子灯笼结构中各3×1子光子灯笼的输出光纤作为下一层光子灯笼结构中的3×1子光子灯笼的输入光纤，每个3×1子光子灯笼由三根输入光纤组束拉锥切割后与输出光纤熔接形成。本发明能够根据任意输出光纤尺寸来制作多级多孔径三叉树形光子灯笼，为进而实现更高功率、更大模场的、更高光束质量的光纤激光输出提供可能，在激光切割、光纤通信以及高能激光领域具有广阔的应用前景。

Description

三叉树形光子灯笼及其制备方法

技术领域

本发明属于激光器技术领域，具体涉及一种低损耗高模式耦合效率的三叉树形光子灯笼及其制备方法。

背景技术

光纤激光器卓越的功率放大能力、出色的热管理能力、以及易于集成到模块化系统中的特性，使其逐渐成为激光领域的研究热点。但受非线性效应限制，单根光纤激光的输出功率存在极限。为了减轻非线性效应的影响，对大模场光纤(LMA)的研发工作受到科研人员的广泛关注。然而，随着LMA光纤模场直径的增加，热致模式不稳定性(TMI)的问题逐渐凸显，其表现为：随着输出功率提升，稳态基模输出变为非稳态高阶模式输出的模式突变。

基于光子灯笼的空间模式自适应系统，能够突破单根光纤的输出功率极限，同时解决热致模式不稳定性(TMI)的问题，在多模光纤系统中高效地实现模式控制。但传统的光子灯笼只能实现单模光纤到多模光纤的一级链接，即一束单模光纤经组束拉锥后与一根多模光纤进行熔接，这类光子灯笼能够匹配的输出多模光纤尺寸受限，且在实现大模场、高功率、高光束质量基模输出时存在效率极限。

发明内容

针对传统的基于光子灯笼的模式控制系统中只能实现单模光纤到多模光纤的一级链接，在实现大模场、高功率、高光束质量基模输出时存在效率极限的问题，本发明提出了一种三叉树形光子灯笼及其制备方法，能够根据任意输出光纤尺寸来制作多级多孔径三叉树形光子灯笼，为进而实现更高功率、更大模场的、更高光束质量的光纤激光输出提供可能，在激光切割、光纤通信以及高能激光领域具有广阔的应用前景。

为实现上述技术目的，本发明采用的具体技术方案如下：

一种三叉树形光子灯笼，包括N个3×1子光子灯笼，N个3×1子光子灯笼呈树形结构分布形成多层光子灯笼结构，上一层光子灯笼结构中各3×1子光子灯笼的输出光纤作为下一层光子灯笼结构中的3×1子光子灯笼的输入光纤，每个3×1子光子灯笼由三根输入光纤组束拉锥切割后与输出光纤熔接形成。

所述树形结构分布是指将上一层光子灯笼结构中的每三个3×1子光子灯笼的输出光纤作为一组进行组束拉锥，切割后与芯径更大的输出光纤熔接形成下一层光子灯笼结构中一个3×1子光子灯笼。

进一步的，在每个3×1子光子灯笼中，相对于其输出光纤，三根输入光纤为芯径尺寸较小、支持模式较少的光纤。或者反过来说，在每个3×1子光子灯笼中，相对于其三根输入光纤，输出光纤为芯径尺寸较大、支持模式较多的光纤。

进一步的，在每个3×1子光子灯笼中，3根输入光纤成正三角形紧密排布，利用套管法实现3根输入光纤组束，然后进行熔融拉锥、切割后与输出光纤熔接即成。具体地，套管法中采用一个低折射率的玻璃管实现3根输入光纤的单模光纤束的组束。为了使组束而成的光纤束更为紧密，所述玻璃管的管腔尺寸与待组束而成的光纤束的形状尺寸相适应，所述玻璃管的尺寸要求满足：将3根输入光纤成正三角形紧密排布并套入玻璃管内后，3根输入光纤充满玻璃管且玻璃管内的各光纤之间以及各光纤与玻璃管之间紧密贴合。利用套管法组束形成的单模光纤束后，对含单模光纤束的玻璃管进行熔融拉锥，使得光纤束熔紧无空气孔，且拉锥后形成的光纤束腰区外接圆直径与输出光纤纤芯直径匹配(相同或者基本相同)，即可。

三叉树形光子灯笼的制备方法，包括：

(1)根据设计要求，确定多层光子灯笼结构的层数，选择合适的光纤作为各层光子灯笼结构中的3×1子光子灯笼的输入光纤以及输出光纤；

(2)选取第一层光子灯笼结构中的3×1子光子灯笼的输入光纤以及输出光纤，将输入光纤进行组束、拉锥、切割后与芯径更大的输出光纤熔接形成第一层光子灯笼结构中的3×1子光子灯笼；

(3)选取下一层光子灯笼结构中的3×1子光子灯笼的输出光纤，上一层光子灯笼结构中各3×1子光子灯笼的输出光纤作为下一层光子灯笼结构中的3×1子光子灯笼的输入光纤，分别基于步骤(2)相同的方法进行组束、拉锥、切割后与芯径更大的输出光纤熔接形成下一层光子灯笼结构中的3×1子光子灯笼；

(4)重复步骤(3)，直至完成最后一层光子灯笼结构，形成三叉树形光子灯笼结构。

进一步地，步骤(1)中，在每个3×1子光子灯笼中，相对于其输出光纤，三根输入光纤为芯径尺寸较小、支持模式较少的光纤。或者反过来说，在每个3×1子光子灯笼中，相对于其三根输入光纤，输出光纤为芯径尺寸较大、支持模式较多的光纤。

步骤(2)中，对于第一层光子灯笼结构中的任意一个3×1子光子灯笼，将选择的输入光纤的一端剥掉长度为7-8cm左右的涂覆层，3根输入光纤成正三角形紧密排布，利用低折射率的玻璃管实现三根输入光纤的组束，其中玻璃管的一端为腰锥端，3根输入光纤剥掉涂覆层的一端伸入到玻璃管的腰锥端组束，所述玻璃管的管腔尺寸与待组束而成的光纤束的形状尺寸相适应，所述玻璃管的尺寸要求满足：将3根输入光纤成正三角形紧密排布并套入玻璃管内后，3根输入光纤充满玻璃管且玻璃管内的各光纤之间以及各光纤与玻璃管之间紧密贴合。利用套管法组束形成的光纤束后，对含光纤束的玻璃管进行熔融拉锥，使得光纤束熔紧无空气孔，光纤束在高温下熔紧且其直径按比例缩小直至形成的光纤束腰区外接圆直径与输出光纤纤芯直径匹配(相同或者基本相同)；将拉锥好的含光纤束的玻璃管利用切割刀在腰区进行切割，端面切割平整后与输出光纤熔接，即可。

本发明的有益效果如下：

1、本发明将传统3×1光子灯笼按树形结构进行级联，能够根据任意输出光纤尺寸来制作多级多孔径三叉树形光子灯笼，突破了单个光子灯笼输入输出光纤尺寸选择限制，提高了其实用价值。

2、本发明的子光子灯笼为3×1子光子灯笼，模式在该结构中经模式演化可高耦合效率、低损耗的演化成基模，突破了传统多孔径(孔径数＞3)光子灯笼基模模式演化效率极限，降低了模式耦合损耗和插入损耗；

3、本发明可以配合自适应控制系统，对最低层(即第一层)输入光纤的输入光场进行调制，进而在最高层输出光纤实现更高功率、更大模场的、更高光束质量的光纤激光输出。

附图说明

图1为第一层光子灯笼结构中的任意一个3×1子光子灯笼结构示意图；

图2为本发明一实施例具有三层结构、四个熔接点的9×3×1树形光子灯笼结构示意图；

图3为具有N层结构三叉树形光子灯笼结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例1对本发明作进一步说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

参照图1和3，本发明一实施例中，提供一种三叉树形光子灯笼，包括N个3×1子光子灯笼，N个3×1子光子灯笼呈树形结构分布形成多层光子灯笼结构，上一层光子灯笼结构中各3×1子光子灯笼的输出光纤作为下一层光子灯笼结构中的3×1子光子灯笼的输入光纤，每个3×1子光子灯笼由三根输入光纤组束拉锥切割后与输出光纤熔接形成。

所述树形结构分布是指将上一层光子灯笼结构中的每三个3×1子光子灯笼的输出光纤作为一组进行组束拉锥，切割后与芯径更大的输出光纤熔接形成下一层光子灯笼结构中一个3×1子光子灯笼。

在每个3×1子光子灯笼中，相对于其输出光纤，三根输入光纤为芯径尺寸较小、支持模式较少的光纤，也即相对于其三根输入光纤，输出光纤为芯径尺寸较大、支持模式较多的光纤。

本发明一实施例中，提供三叉树形光子灯笼的制备方法，包括：

(1)根据设计要求，确定多层光子灯笼结构的层数K，选择合适的光纤作为各层光子灯笼结构中的3×1子光子灯笼的输入光纤以及输出光纤；

(2)选取第一层光子灯笼结构中的3×1子光子灯笼的输入光纤以及输出光纤，将输入光纤进行组束、拉锥、切割后与芯径更大的输出光纤熔接形成第一层光子灯笼结构中的3×1子光子灯笼。

图1为第一层光子灯笼结构中的任意一个3×1子光子灯笼结构示意图，对于第一层光子灯笼结构中的任意一个3×1子光子灯笼，将选择的输入光纤101的一端剥掉长度为7-8cm左右的涂覆层，3根输入光纤101成正三角形紧密排布，利用低折射率的玻璃管102实现三根输入光纤的组束，其中玻璃管102的一端为腰锥端103，3根输入光纤剥掉涂覆层的一端伸入到玻璃管的腰锥端103组束，所述玻璃管102的管腔尺寸与待组束而成的光纤束的形状尺寸相适应，所述玻璃管102的尺寸要求满足：将3根输入光纤101成正三角形紧密排布并套入玻璃管102内后，3根输入光纤101充满玻璃管102且玻璃管102内的各光纤之间以及各光纤与玻璃管102之间紧密贴合。利用套管法组束形成的光纤束后，对含光纤束的玻璃管102进行熔融拉锥，使得光纤束熔紧无空气孔，光纤束在高温下熔紧且其直径按比例缩小直至形成的光纤束腰区外接圆直径与输出光纤纤芯直径匹配(相同或者基本相同)；将拉锥好的含光纤束的玻璃管利用切割刀在腰区进行切割，端面切割平整。

第一层光子灯笼结构中的任意一个3×1子光子灯笼的输出光纤104为多模光纤，将输出光纤的一端剥去光纤涂覆层并且擦拭干净，确保光纤包层无污染物，用切割刀在将剥去涂覆层的输出光纤一端105的端头切割平整，保证端面质量良好。

将腰区端面切割平整后的光纤束以及玻璃管，利用熔接机设置相应的参数与剥去涂覆层的输出光纤一端105熔接，得到完整的光子灯笼，熔接过程保证光纤束中心与输出光纤的纤芯对准，以降低插入损耗，减少对系统光斑特性的影响。

(3)选取下一层光子灯笼结构中的3×1子光子灯笼的输出光纤，上一层光子灯笼结构中各3×1子光子灯笼的输出光纤作为下一层光子灯笼结构中的3×1子光子灯笼的输入光纤，分别基于步骤(2)相同的方法进行组束、拉锥、切割后与芯径更大的输出光纤熔接形成下一层光子灯笼结构中的3×1子光子灯笼；

(4)重复步骤(3)，完成第二层光子灯笼结构2、第三层光子灯笼结构3……直至完成最后一层即第K层光子灯笼结构k，形成三叉树形光子灯笼结构。

本发明提出了一种低损耗高模式耦合效率的三叉树形光子灯笼及制备方法，能够根据任意输出光纤尺寸来制作多级多孔径三叉树形光子灯笼。本发明一实施例中，参照图2，以一种具有三层结构、四个熔接点的9×3×1树形光子灯笼为例，具体设计参数及结构如下：

1)光纤参数选择：

以9根10/130μm(NA＝0.15)的单模光纤作为第一层光子灯笼结构中3个3×1子光子灯笼的输入光纤，以3根内径/外径大小为30/130μm(NA＝0.06)的多模光纤作为第一层光子灯笼结构中3个3×1子光子灯笼的输出光纤兼第二层光子灯笼结构中3×1子光子灯笼的输入光纤，以1根内径/外径大小为50/400μm(NA＝0.06)的多模光纤作为第二层光子灯笼结构中3×1子光子灯笼的输出光纤，选取4根低折射率玻璃管实现对每三根输入光纤的组束。

2)制作第一层光子灯笼结构1中3个3×1子光子灯笼：

对于第一层光子灯笼结构中任意一个3×1子光子灯笼：准备3根输入光纤101，(10/130μm(NA＝0.15)的单模光纤为子光子灯笼的输入光纤101，30/130μm(NA＝0.06)的多模光纤作为输出光纤104，将输入光纤101的一端剥掉长度为7-8cm左右的涂覆层，利用低折射率的玻璃管102实现三根输入光纤的组束，三根输入光纤成正三角形排布，均匀且紧密的充满玻璃管。所述玻璃管的管内形状尺寸与待组束而成的光纤束的形状尺寸相适应，玻璃管的一端为腰锥端103，其对应组束形成的光纤束的涂覆层剥离区。所述玻璃管102的管腔尺寸要求满足：将输入光纤涂覆层剥离区穿套入玻璃管内后，输入光纤的涂覆层剥离区在玻璃管的腰锥端且玻璃管内的各光纤之间紧密贴合。利用套管法组束形成光纤束后，对含光纤束的玻璃管进行熔融拉锥，使得三根光纤束在高温下熔紧并按比例缩小到与输出光纤匹配的尺寸。所述的与输出光纤匹配的尺寸为：对于子光子灯笼，拉锥后光纤束腰区直径约为30μm，玻璃管腰区直径约为65μm；对于母光子灯笼，拉锥后光纤束腰区直径约为50μm，玻璃管腰区直径约为100μm。将拉锥好的含光纤束的玻璃管利用切割刀在腰区进行切割，端面切割平整，切割角度较小。

将30/130μm(NA＝0.06)的多模光纤的一端剥去光纤涂覆层并且擦拭干净，确保光纤包层无污染物，用切割刀在将30/130μm(NA＝0.06)的多模光纤剥去涂覆层的这端的端头切割平整，保证端面质量良好。

将腰区端面切割平整后的光纤束以及玻璃管，利用熔接机设置相应的参数与输出多模光纤熔接得到完整的光子灯笼，熔接过程保证光纤束中心与输出多模光纤的纤芯对准，以降低插入损耗，减少对系统光斑特性的影响。

3)制作第二层光子灯笼结构2中3×1子光子灯笼；

第一层光子灯笼结构1中各3×1子光子灯笼的输出光纤作为第二层光子灯笼结构中的3×1子光子灯笼的输入光纤。第一层光子灯笼结构中各3×1子光子灯笼的输出光纤均为30/130μm(NA＝0.06)的多模光纤，将第一层光子灯笼结构中各3×1子光子灯笼的输出光纤的另一端剥掉长度为7-8cm左右的涂覆层，基于步骤2)相同的方法进行组束、拉锥、切割后与芯径更大的输出光纤(即内径/外径大小为50/400μm(NA＝0.06)的多模光纤)熔接形成下二层光子灯笼结构中的3×1子光子灯笼，形成三叉树形光子灯笼结构。

综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书界定的范围为准。

Claims (7)

1.一种三叉树形光子灯笼，其特征在于：包括N个3×1子光子灯笼，N个3×1子光子灯笼呈树形结构分布形成多层光子灯笼结构，所述树形结构分布是指将上一层光子灯笼结构中的每三个3×1子光子灯笼的输出光纤作为一组进行组束拉锥，切割后与芯径更大的输出光纤熔接形成下一层光子灯笼结构中一个3×1子光子灯笼；

上一层光子灯笼结构中各3×1子光子灯笼的输出光纤作为下一层光子灯笼结构中的3×1子光子灯笼的输入光纤，每个3×1子光子灯笼由三根输入光纤组束拉锥切割后与输出光纤熔接形成。

2.根据权利要求1所述的三叉树形光子灯笼，其特征在于：在每个3×1子光子灯笼中，三根输入光纤为芯径尺寸比输出光纤小、支持模式比输出光纤少的光纤。

3.根据权利要求1或2所述的三叉树形光子灯笼，其特征在于：在每个3×1子光子灯笼中，3根输入光纤成正三角形紧密排布，利用套管法实现3根输入光纤组束，然后进行熔融拉锥、切割后与输出光纤熔接即成。

4.三叉树形光子灯笼的制备方法，其特征在于，包括：

(1)根据设计要求，确定多层光子灯笼结构的层数，选择合适的光纤作为各层光子灯笼结构中的3×1子光子灯笼的输入光纤以及输出光纤，其中三根输入光纤为芯径尺寸比输出光纤小、支持模式比输出光纤少的光纤；

(2)选取第一层光子灯笼结构中的3×1子光子灯笼的输入光纤以及输出光纤，将输入光纤进行组束、拉锥、切割后与芯径更大的输出光纤熔接形成第一层光子灯笼结构中的3×1子光子灯笼；

(3)选取下一层光子灯笼结构中的3×1子光子灯笼的输出光纤，上一层光子灯笼结构中各3×1子光子灯笼的输出光纤作为下一层光子灯笼结构中的3×1子光子灯笼的输入光纤，分别基于步骤(2)相同的方法进行组束、拉锥、切割后与芯径更大的输出光纤熔接形成下一层光子灯笼结构中的3×1子光子灯笼；

(4)重复步骤(3)，直至完成最后一层光子灯笼结构，形成三叉树形光子灯笼结构。

5.根据权利要求4所述的三叉树形光子灯笼的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，对于第一层光子灯笼结构中的任意一个3×1子光子灯笼，将选择的输入光纤的一端剥掉长度为7-8cm的涂覆层，3根输入光纤成正三角形紧密排布，利用低折射率的玻璃管实现三根输入光纤的组束；利用套管法组束形成的光纤束后，对含光纤束的玻璃管进行熔融拉锥，使得光纤束熔紧无空气孔，光纤束在高温下熔紧且其直径按比例缩小直至形成的光纤束腰区外接圆直径与输出光纤纤芯直径匹配；将拉锥好的含光纤束的玻璃管利用切割刀在腰区进行切割，端面切割平整后与输出光纤熔接，即可。

6.根据权利要求5所述的三叉树形光子灯笼的制备方法，其特征在于，所述玻璃管的一端为腰锥端，3根输入光纤剥掉涂覆层的一端伸入到玻璃管的腰锥端组束，所述玻璃管的管腔尺寸与待组束而成的光纤束的形状尺寸相适应。

7.根据权利要求6所述的三叉树形光子灯笼的制备方法，其特征在于，所述玻璃管的尺寸要求满足：将3根输入光纤成正三角形紧密排布并套入玻璃管内后，3根输入光纤充满玻璃管且玻璃管内的各光纤之间以及各光纤与玻璃管之间紧密贴合。

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