高效率光纖合束器關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、光纖激光器具有轉(zhuǎn)換效率高、光束質(zhì)量好、熱管理方便及結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點，在近幾年得到了飛速發(fā)展，已在工業(yè)制造和國防安全等領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用，同時也是未來高功率激光發(fā)展的重要方向之一。光纖合束器是實現(xiàn)高功率光纖激光的核心元器件，在單臺激光器中可將多個高功率泵浦源輸出的功率進行合成為光纖激光器提供更高的泵浦功率。更為重要的是，光纖合束器可將多個中等功率的光纖激光器進行功率合成，以獲得更高功率的光纖激光輸出，徹底解決單根光纖激光器由于非線性效應(yīng)、

2、光纖端面損傷、熱透鏡效應(yīng)等因素存在功率瓶頸的限制。攻克光纖合束器的關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)高效率高功率光纖功率合束器研制，為獲得大功率光纖激光奠定強有力的技術(shù)和光纖器件支撐，已成為當(dāng)今光纖激光領(lǐng)域亟需解決的關(guān)鍵問題?；诖耍菊撐膰@大功率光纖合束器的研制展開了全面的理論與實驗研究，主要內(nèi)容包括：
　　全面回顧了各種光纖合束器的發(fā)展歷史，尤其是在近年來取得的飛速發(fā)展及其在光纖激光器屢屢取得重大突破過程中發(fā)揮的關(guān)鍵作用，闡明了光纖合束器對于高

3、功率光纖激光器發(fā)展的重要意義，提出了開展光纖合束器關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)研究，尤其是研究光纖激光經(jīng)合束器合成后，在獲得高功率光纖激光輸出的同時如何實現(xiàn)高光束質(zhì)量。
　　詳細(xì)介紹了單根光纖拉錐后的模場分布，闡述了纖芯模式到包層模式的轉(zhuǎn)化過程，利用光束傳輸法分析了多根光纖熔融合束拉錐過程中的模場變化情況，介紹了制作高效光纖合束器所遵循的兩個基本準(zhǔn)則——絕熱拉錐和亮度守恒，模擬計算了這兩個準(zhǔn)則對于合束器傳輸效率的影響。
　　詳細(xì)說明了光纖合

4、束器的制作流程及關(guān)鍵技術(shù)，通過長期的探索嘗試，實現(xiàn)并掌握了制作光纖合束器的關(guān)鍵技術(shù)，包括多根光纖緊密組束、組束后任意直徑和長度的低損耗熔融拉錐、熔錐光纖束的切割及與輸出光纖的低損耗熔接等，這些技術(shù)的掌握為各種不同類型光纖合束器的制作奠定了基礎(chǔ)、提供了技術(shù)支撐。
　　基于兩個基本準(zhǔn)則建立了泵浦合束器傳輸損耗理論模型，分析了拉錐比例、合束拉錐區(qū)長度、錐腰區(qū)域長度、光纖束形變對光束傳輸和損耗的影響。結(jié)果表明：在拉錐比例滿足亮度守恒準(zhǔn)則的

5、情況下，合束拉錐區(qū)域越長，傳輸效率越高；錐腰區(qū)域越短，傳輸效率越高。基于掌握的制作泵浦合束器的關(guān)鍵技術(shù)，制作了不同型號的泵浦合束器，均獲得了非常高的傳輸效率及高功率的合束輸出：兩種輸入光纖為105/125μm的7×1泵浦合束器均獲得了400 W以上的功率輸出，傳輸效率均大于98％，另一種輸入光纖為220/242μm的7×1泵浦合束器獲得了3.81 kW的功率輸出，傳輸效率為98.4%。
　　建立了功率合束器模式的傳輸和轉(zhuǎn)化模型，定

6、量分析了熔錐光纖束占空比的大小、制作方法的選擇、輸出光纖纖芯直徑大小以及輸入臂數(shù)量對于功率合束器最終輸出光束質(zhì)量的影響，研究結(jié)果表明：當(dāng)熔錐光纖束的占空比盡可能小、輸入光纖束盡可能平行排列、輸出光纖的芯徑越小、輸入臂數(shù)量越少時，功率合束器的光束質(zhì)量越好。
　　基于理論分析和模擬計算的結(jié)果，分別實現(xiàn)了輸出光纖為100μm和50μm的N×1功率合束器，傳輸效率均大于99%，其中輸出光纖為100μm的7×1功率合束器單臂可承載500 W