CN110780386A - 一种光纤激光合束器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的光纤激光合束器包括纤芯按照在光纤长度方向上重合的方式依次熔接的输入光纤、渐变折射率光纤、输出光纤，其中渐变折射率光纤与输入光纤的数量和排列方式相同，处于对应位置上的渐变折射率光纤纤芯的端面中心点与输入光纤纤芯的端面中心点非重合熔接，处于对应位置上的渐变折射率光纤纤芯的端面外边沿与输入光纤纤芯的端面外边沿相切，处于对应位置上的渐变折射率光纤纤芯的端面将输入光纤纤芯的端面全部覆盖，渐变折射率光纤组束的端面中心与输出光纤的端面中心对准。本发明光纤激光合束器能够有效消除双包层光纤激光器输出激光束间的不发光暗区，实现多根双包层光纤激光器输出激光束的高效率耦合，大大提高最终合束激光光束质量。
Description
技术领域
本发明涉及光纤激光器技术领域，具体涉及一种能够有效消除双包层光纤激光器输出激光束间的不发光暗区，实现高光束质量的光纤激光合束器及其制作方法。
背景技术
采用双包层光纤的激光器是当前输出高功率、高光束质量激光束的有效途径之一。利用一根单芯双包层光纤，输出为1～5kW的光纤激光器已经商业化，被广泛用于激光切割、激光焊接等重要领域。但是，进一步提高光纤激光器的输出功率面临着非线性效应、模式不稳定性和光纤端面损伤等一系列瓶颈。通过合束的方式，将多根(通常为2n+1，n＝1，2，3……)双包层激光光纤中的多束激光合成为一束，成为大幅度提高光纤激光器输出功率的非常有潜力的方法。
目前制作光纤合束器的方法有很多种，具体分类有：(1)将多根输入光纤排列成环形，然后与一根与此环形外径相等的光纤直接熔接，一种最直接的技术方法。然而其输出的光纤直径很粗，光束质量劣化很严重，只能用于对光束质量要求不高的光纤激光器的泵浦合束和半导体激光器的能量合束等应用中。如，申请号为CN 200420074890.2，名称为《一种N×1光纤合束器》的实用新型专利申请。(2)将多根光纤进行熔融拉锥后再进行合束的方法，这种方法可以得到较细的输出光纤直径，但是会增大激光束的数值孔径，仍然导致激光束的光束质量劣化。如，美国专利US 5,864,644。(3)其他采用多芯光纤、超长拉锥、侧面耦合或空间耦合等方式，如，专利CN 201310472090.X和CN 203930134U等，这些技术方式由于工艺流程复杂，存在成品率低的问题。
对于光纤激光合束器来说，输入光纤间的不发光暗区是光束质量低下的重要障碍，因为这些暗区在光束像传输变化中的比例基本保持恒定。如何降低这些不发光暗区的比例，同时保证光纤合束器的稳定结构，是设计光纤激光合束器的关键。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光纤激光合束器及其制作方法，可有效消除双包层光纤激光器输出激光束间的不发光暗区，不仅可以实现多根双包层光纤激光器输出激光束的高效率耦合，而且可以实现高光束质量的激光输出。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种光纤激光合束器，包括输入光纤10，其传输来自激发光源的高功率激光，并具有纤芯12和包层11；输出光纤20，并具有纤芯22和包层21；其特征在于，包括渐变折射率光纤30，并具有纤芯32和包层31；其中，按照所述渐变折射率光纤的所述纤芯32与所述输入光纤的所述纤芯12在所述输入光纤长度方向上重合的方式，熔接所述渐变折射率光纤30的一侧的端面与所述输入光纤10的一侧的端面，并且按照所述输出光纤的所述纤芯22与所述渐变折射率光纤的所述纤芯32在所述渐变折射率光纤的长度方向上重合的方式，熔接所述输出光纤20的一侧的端面与所述渐变折射率光纤30的所述与输入光纤10端面熔接的另一侧的端面；其中所述渐变折射率光纤30与所述输入光纤10的数量和排列方式相同，处于对应位置上的所述渐变折射率光纤的所述纤芯32的端面中心点与所述输入光纤的所述纤芯12的端面中心点非重合熔接，处于对应位置上的所述渐变折射率光纤的所述纤芯32的端面外边沿与所述输入光纤的所述纤芯12的端面外边沿相切，并且处于对应位置上的所述渐变折射率光纤的所述纤芯32的端面将所述输入光纤的所述纤芯12的端面全部覆盖；所述渐变折射率光纤30组成的渐变折射率光纤组束的端面中心与所述输出光纤20的端面中心对准。
进一步的，所述渐变折射率光纤30为抛物线型渐变折射率光纤，其长度为1/2自成像长度。
进一步的，所述输入光纤10组成的输入光纤组束外部套有第一石英玻璃管41，所述渐变折射率光纤30组成的渐变折射率光纤组束外部套有第二石英玻璃管42，所述输出光纤20与所述渐变折射率光纤组束熔接侧的外部套有第三石英玻璃管43，所述第一石英玻璃管41、第二石英玻璃管42、第三石英玻璃管43的外径相同。
为实现本发明的目的，本发明还提供一种光纤激光合束器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：制作输入光纤组束；
选取若干根输入光纤，分别将输入光纤一端的涂覆层剥除，露出一段光纤包层裸露段，将裸露的光纤穿入中空的第一石英玻璃管中，使输入光纤形成紧密对称的排列，所述第一石英玻璃管内径与输入光纤组束的外径尺寸相匹配，在所述第一石英玻璃管外端与输入光纤的接缝处点胶固定，制成输入光纤组束；
步骤二：熔融输入光纤组束，得到输入光纤阵列；
将上述排列整齐的输入光纤组束连同外部的第一石英玻璃管一起，水平放置在切割设备两端的V型槽上，并通过V型槽拉紧输入光纤组束，加热使输入光纤组束与所述第一石英玻璃管融为一体，使所述第一石英玻璃管紧密套在输入光纤组束的外部，得到输入光纤阵列；
步骤三：切割输入光纤阵列；
将融为一体的输入光纤阵列放置在切割设备的V型槽上，并两端拉紧，使用光纤切割刀将输入光纤阵列进行切割；
步骤四：制作渐变折射率光纤组束；
按照以上步骤一，选取若干根抛物线型渐变折射率光纤，采用与所述第一石英玻璃管外径相同的第二石英玻璃管，将渐变折射率光纤穿入中空的第二石英玻璃管中，使渐变折射率光纤形成紧密对称的排列，所述渐变折射率光纤与所述输入光纤的数量和排列方式相同，所述第二石英玻璃管内径与渐变折射率光纤组束的外径尺寸相匹配，制成渐变折射率光纤组束；
步骤五：熔融渐变折射率光纤组束，得到渐变折射率光纤阵列；
按照以上步骤二，将上述排列整齐的渐变折射率光纤组束与所述第二石英玻璃管融为一体，使所述第二石英玻璃管紧密套在渐变折射率光纤组束的外部，得到渐变折射率光纤阵列；
步骤六：切割渐变折射率光纤阵列；
采用切割设备或研磨光纤端面的方式，将渐变折射率光纤阵列进行切割，使渐变折射率光纤阵列的长度为1/2自成像长度；
步骤七：熔接输入光纤阵列与渐变折射率光纤阵列；
通过电弧或CO2激光器等外部加热的方法，将渐变折射率光纤阵列与输入光纤阵列熔接到一起，在熔接时，使处于对应位置上的渐变折射率光纤的纤芯的端面中心点与输入光纤的纤芯的端面中心点非重合熔接，使处于对应位置上的渐变折射率光纤的纤芯的端面外边沿与输入光纤的纤芯的端面外边沿相切，并且处于对应位置上的渐变折射率光纤的纤芯的端面将输入光纤的纤芯的端面全部覆盖；
步骤八：制作输出光纤阵列；
选取输出光纤，采用与所述第一石英玻璃管、第二石英玻璃管外径相同的第三石英玻璃管，将输出光纤穿入中空的第三石英玻璃管中，所述第三石英玻璃管内径与输出光纤的外径尺寸相匹配，按照以上步骤二，将输出光纤与所述第三石英玻璃管融为一体，使所述第三石英玻璃管紧密套在输出光纤的外部，得到输出光纤阵列；
步骤九：切割输出光纤阵列；
按照以上步骤三，将输出光纤阵列进行切割；
步骤十：熔接渐变折射率光纤阵列与输出光纤阵列；
按照以上步骤七，将输出光纤阵列与渐变折射率光纤阵列熔接到一起，在熔接时，使渐变折射率光纤阵列的端面中心与输出光纤阵列的端面中心对准，通过电弧或CO2激光器等外部加热的方法，将渐变折射率光纤组束与输出光纤熔接，同时将第二石英玻璃管与第三石英玻璃管熔接，制成光纤激光合束器。
本发明通过采用长度为1/2自成像长度的渐变折射率光纤为传输呈像元件，将由双包层光纤激光器中输出激光束紧密汇聚后，传入一根细纤芯、低数值孔径的传能光纤中，与现有技术相比，本发明的有益效果是：能够有效消除双包层光纤激光器输出激光束间的不发光暗区，不仅可以实现多根双包层光纤激光器输出激光束的高效率耦合，而且大幅度提高了最终合束输出的激光光束质量。
附图说明
图1是聚焦成像系统的成像示意图；
图2是输入光束的光场分布图；
图3是图2所示输入光束聚焦成像后输出光束的光场分布图；
图4是另一输入光束的光场分布图；
图5是图4所示输入光束聚焦成像后输出光束的光场分布图；
图6是抛物线型渐变折射率光纤的折射率分布图；
图7是抛物线型渐变折射率光纤的自成像规律图；
图8是本发明优选实施例的光纤激光合束器的结构示意图；
图9是本发明输入光纤与渐变折射率光纤熔接端面的横截面示意图；
图10是本发明实施例1双包层光纤的横截面排列示意图；
图11是本发明实施例1经过渐变折射率光纤输出光束的横截面位置示意图；
图12是本发明实施例1经过渐变折射率光纤输出光束的横截面位置示意图；
图13是本发明实施例2双包层光纤的横截面排列示意图；
图14是本发明实施例3双包层光纤的横截面排列示意图；
图15是本发明提供的光纤激光合束器制作方法流程图；
图16是本发明优选实施例的输入光纤组束的横截面示意图；
图17是本发明优选实施例的渐变折射率光纤组束的横截面示意图；
图18是本发明实施例的输出光纤的横截面示意图；
附图标记说明：
1：输入光束；2：输出光束；3：聚焦成像点；4：聚焦成像系统；10：输入光纤；11：输入光纤包层；12：输入光纤纤芯；20：输出光纤；21：输出光纤包层；22：输出光纤纤芯；30：渐变折射率光纤；31：渐变折射率光纤包层；32：渐变折射率光纤纤芯；33：第一端面；34：中间端面；35：第二端面；36：光束传输变化；300：经过渐变折射率光纤输出光束光斑；301：光束在渐变折射率光纤中传输轨迹；41：第一石英玻璃管；42：第二石英玻璃管；43：第三石英玻璃管。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的说明。应当理解，此处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。
如图1所示，聚焦成像系统4中聚焦成像示意图，输入光束1之间的间距为L1，经过聚焦成像系统4形成聚焦成像点3，聚焦成像后的输出光束2之间的间距为L2，初始输入光束1的尺寸与其间距L1的比值和其聚焦成像输出光束2的尺寸与其间距L2的比值基本相等，输入光束的聚焦成像点3的光斑大小是输入光束1和其间距L1的空间傅立叶变换，也与其间距L1成正比；如图2～3、图4～5所示，为光束间距对组束光束质量的影响示意图，当输入光束的间距较小时的输入光场分布如图2，其输出光束的光场分布如图3，当输入光束的间距较大时的输入光场分布如图4，其输出光束的光场分布如图5，可以看出，在初始输入光束的间距较小时，其焦点光斑直径也较小，而初始输入光束的间距较大时，其焦点光斑直径也较大，即，输入光束的间距越小，输出光束的中心光斑权重越大，能量越集中，光束质量也越好。
如图6所示，渐变折射率光纤30的纤芯为32，其折射率沿直径方向的分布呈二次抛物线(平方律分布)形状，即可以表达为n(r)＝n0[1-2Δ(r/a)2]1/2，其中a是光纤纤芯的半径，Δ为折射率变化量，则在光纤长度为
时，其中
此长度称为渐变折射率光纤的自成像长度。如图7所示，输入光束在渐变折射率光纤纤芯32中传输变化为36，输入光束沿渐变折射率光纤30的传播行为表现为自成像，即第二端面35出口光束与第一端面33入口光束的光场分布相同，自第一端面33至第二端面35之间的距离为一个自成像长度L。当渐变折射率光纤长度为自成像长度一半时，位于此处中间端面34光束的光场分布与第一端面33入口光束的光场分布呈轴向对称关系，即位于光纤纤芯端面外沿上部的入射光束输出为位于光纤纤芯端面外沿轴对称下部的出射光束，同样地，位于光纤纤芯端面外沿下部的入射光束输出为位于光纤纤芯端面外沿轴对称上部的出射光束。在这种情况下，当选择渐变折射率光纤30的长度为1/2自成像长度时，就可以将位于渐变折射率光纤纤芯端面外沿上部的入射光束输出为位于光纤纤芯端面外沿轴对称下部的出射光束。本发明中采用渐变折射率光纤的长度为1/2自成像长度。
如图8所示，本发明提供的一种光纤激光合束器，包括：作为输入光纤的双包层光纤10，在双包层光纤10的一侧的端面熔接的渐变折射率光纤30，以及与渐变折射率光纤30与双包层光纤10熔接的另一侧的端面熔接的作为输出光纤的传能光纤20，渐变折射率光纤30长度为1/2自成像长度，其中渐变折射率光纤30与双包层光纤10的数量和排列方式相同，如图9所示，处于对应位置上的渐变折射率光纤的纤芯32的端面中心点与双包层光纤的纤芯12的端面中心点非重合熔接，处于对应位置上的渐变折射率光纤的纤芯32的端面外边沿与双包层光纤的纤芯12的端面外边沿相切，并且处于对应位置上的渐变折射率光纤的纤芯32的端面将双包层光纤的纤芯12的端面全部覆盖，渐变折射率光纤30组成的渐变折射率光纤组束的端面中心与传能光纤20的端面中心对准。
作为输入光纤的双包层光纤10具有纤芯12、覆盖纤芯12的包层11，纤芯直径为d，包层外径为D，双包层光纤d/D例如可以采用10/130，20/400，25/400，30/250，30/600等规格；
渐变折射率光纤30具有纤芯32、覆盖纤芯32的包层31，渐变折射率光纤30选自为抛物线型渐变折射率光纤，渐变折射率光纤例如可以采用MM-GIF 250/280，MM-GIF 200/220，MM-GIF 105/125等规格；
作为输出光纤的传能光纤20例如可以采用双包层光纤，具有纤芯22、覆盖纤芯22的包层21，传能光纤例如可以采用50/400，30/250，100/360等规格；
为保证在两次光纤熔接时的熔接强度和熔接时的对准精度，在紧密排列的双包层光纤组束外部套有第一石英玻璃管41，在渐变折射率光纤组束外部套有第二石英玻璃管42，在传能光纤20与渐变折射率光纤组束熔接侧的前端部分的外部套有第三石英玻璃管43，所述第一石英玻璃管41、第二石英玻璃管42、第三石英玻璃管43的外径相同，所述传能光纤与渐变折射率光纤组束熔接侧外部套有第三石英玻璃管的所述前端部分的长度可根据实际情况进行调整，例如可以为50～500mm；
输入光纤按照圆中心对称的形状排列，形成光纤束，根据输入光纤的数量不同，光纤束的形状也不尽相同，但都是以一根输入光纤为中心，其余输入光纤环绕其周围排列的排列方式，并且根据光纤围绕的圈数n，计算出总输入光纤的数量
(n＞1，且n为整数，包括N＝3，4，7)，下面以N＝3、N＝4、N＝7为例进行说明。
实施例1
如图10所示，本实施例以4根输入光纤的组束为例，输入光纤采用规格为20/400的双包层光纤，其光纤纤芯直径d为20μm，包层外径D为400μm，纤芯的数值孔径NA为0.06，将4根双包层光纤相邻排列，高功率激光在其纤芯中传输，由于双包层光纤的包层纤芯比值较大，其纤芯之间的距离较远；
渐变折射率光纤采用规格为MM-GIF250/280的抛物线型渐变折射率光纤，其光纤纤芯直径为250μm，包层外径为280μm，纤芯的数值孔径NA为0.122，自成像长度为65.45mm，渐变折射率光纤的长度为1/2自成像长度，将4根渐变折射率光纤与上述双包层光纤熔接，4根渐变折射率光纤采用与双包层光纤同样的方式紧密排列，使处于对应位置上的渐变折射率光纤的纤芯的端面中心点与双包层光纤的纤芯的端面中心点非重合熔接，处于对应位置上的渐变折射率光纤的纤芯的端面外边沿与双包层光纤的纤芯的端面外边沿相切，并且处于对应位置上渐变折射率光纤的纤芯的端面将双包层光纤的纤芯的端面全部覆盖；
输出光纤采用规格为50/400的传能光纤，其光纤纤芯的直径为50μm，包层外径为400μm，纤芯的数值孔径NA为0.06，将传能光纤与上述渐变折射率光纤组束与双包层光纤组束熔接的另一侧相熔接；
外部第一石英玻璃管41外径为920μm，壁厚为50μm，为保证外部第一石英玻璃管紧密套在4根双包层光纤的外部，可通过电弧或CO2激光器等外部加热的方法预先缩管；
外部第二石英玻璃管42的外径为920μm，壁厚150μm，外部第二石英玻璃管采用加热收缩的方法，紧密地包裹在4根渐变折射率光纤外部，4根双包层光纤及其外部的第一石英玻璃管与4根渐变折射率光纤及其外部的第二石英玻璃管可通过电弧或CO2激光器等外部加热的方法熔接起来；
传能光纤与渐变折射率光纤熔接侧开始部分的100mm的外部套有一根外径为920μm，壁厚为260μm的第三石英玻璃管43；4根渐变折射率光纤及其外部的第二石英玻璃管与传能光纤及其外部的第三石英玻璃管可通过电弧或CO2激光器等外部加热的方法熔接起来，制成光纤激光合束器。
如图11～12所示，高功率激光输入光束在渐变折射率光纤的传输轨迹为301，经过上述长度为1/2自成像长度的渐变折射率光纤后，其输出光斑300被偏移到每根渐变折射率光纤输出光束端面相应的轴对称的位置，即位于光纤纤芯端面外沿上部的入射光束输出为位于光纤纤芯端面外沿轴对称下部的出射光束，位于光纤纤芯端面外沿下部的入射光束输出为位于光纤纤芯端面外沿轴对称上部的出射光束，从而输出光束之间的间距被显著缩小，当采用4根20/400的双包层光纤作为输入光纤和4根250/280的渐变折射率光纤成像时，输出光纤采用50/400的双包层光纤作为传能光纤，实现了输出光纤纤芯直径减小，且不扩大输出光纤的数值孔径的目的，提高了最终合束输出的激光光束质量，光束质量的定义按照ISO 11146-2-2005标准，输出的激光光束的光束质量因子可以提高到M2＝3。
实施例2
本实施例以3根输入光纤的组束为例，输入光纤采用规格为20/400的双包层光纤，其光纤纤芯直径d为20μm，包层外径D为400μm，纤芯的数值孔径NA为0.06，将3根双包层光纤相邻排列，其排列方式如图13所示，渐变折射率光纤采用规格为MM-GIF200/220的抛物线型渐变折射率光纤，纤芯的数值孔径NA为0.20，自成像长度为44.4mm，渐变折射率光纤的长度为1/2自成像长度，输出光纤采用规格为30/250的传能光纤，外部第一石英玻璃管外径为865μm，壁厚为50μm，第二石英玻璃管外径为865μm，壁厚为259μm，第三石英玻璃管外径为865μm，壁厚为307.5μm，其他熔接方式如实施例1，则输出的激光光束的光束质量因子可以提高到M2＝2.1。
实施例3
本实施例以7根输入光纤的组束为例，输入光纤采用规格为20/400的双包层光纤，其光纤纤芯直径d为20μm，包层外径D为400μm，纤芯的数值孔径NA为0.06，将7根双包层光纤相邻排列，其排列方式如图14所示，渐变折射率光纤采用规格为MM-GIF300/320的抛物线型渐变折射率光纤，纤芯的数值孔径NA为0.18，自成像长度为74.5mm，渐变折射率光纤的长度为1/2自成像长度，输出光纤采用规格为100/360的传能光纤，外部第一石英玻璃管外径为1300μm，壁厚为100μm，第二石英玻璃管外径为1300μm，壁厚为170μm，第三石英玻璃管外径为1300μm，壁厚为470μm，其他熔接方式如实施例1，则输出的激光光束的光束质量因子可以提高到M2＝5。
比较例
将4根规格为20/400的双包层光纤紧密排列，然后通过一根输出光纤输出，其输出光纤的规格不低于400/450，其输出的激光光束的光束质量因子M2>20，可见其输出的激光光束的光束质量远远低于本发明实施例1～3中输出的激光光束的光束质量。
本发明还提供一种光纤激光合束器的制作方法，如图15所示，包括如下步骤：
步骤一：制作输入光纤组束；选取若干根输入光纤，分别将输入光纤一端的涂覆层剥除，露出一段长度为5～10mm的光纤包层裸露段；将裸露的光纤穿入中空的第一石英玻璃管中，使输入光纤形成紧密对称的排列，所述第一石英玻璃管内径与输入光纤组束的外径尺寸相匹配，第一石英玻璃管壁厚可为50～100μm，然后在第一石英玻璃管外端与输入光纤的接缝处点胶固定，例如可使用紫外固化胶固定，制成输入光纤组束；如图16所示，图中以4根输入光纤组束为例；
步骤二：输入光纤组束的熔融；将上述排列整齐的输入光纤组束连同外部的第一石英玻璃管一起，水平放置在切割设备两端的V型槽上，并通过V型槽拉紧输入光纤组束，然后利用氢氧焰的火头反复扫描和加热输入光纤组束及其外部的第一石英玻璃管，使输入光纤组束与第一石英玻璃管融为一体，使第一石英玻璃管紧密套在输入光纤组束的外部，得到输入光纤阵列；为保证外部第一石英玻璃管紧密套在输入光纤阵列的外部，可通过电弧或CO2激光器等外部加热的方法预先缩管；
步骤三：输入光纤阵列的切割；将融为一体的输入光纤阵列放置在切割设备的V型槽上，并两端拉紧，使用光纤切割刀例如金刚石刀将输入光纤阵列进行切割；
步骤四：制作渐变折射率光纤组束；按照以上步骤一，选取若干根抛物线型渐变折射率光纤，采用与第一石英玻璃管外径相同的第二石英玻璃管，将渐变折射率光纤穿入中空的第二石英玻璃管中，使渐变折射率光纤形成紧密对称的排列，所述渐变折射率光纤与所述输入光纤的数量和排列方式相同，所述第二石英玻璃管内径与渐变折射率光纤组束的外径尺寸相匹配，其内径小于第一石英玻璃管内径，制成渐变折射率光纤组束；如图17所示，图中以4根渐变折射率光纤组束为例；
步骤五：渐变折射率光纤组束的熔融；按照以上步骤二，将上述排列整齐的渐变折射率光纤组束与所述第二石英玻璃管融为一体，使所述第二石英玻璃管紧密套在渐变折射率光纤组束的外部，得到渐变折射率光纤阵列；
步骤六：渐变折射率光纤阵列的切割；按照以上步骤三，将渐变折射率光纤阵列进行切割，使渐变折射率光纤阵列的长度为1/2自成像长度，为保证光纤切割长度的精确度，可以采用研磨光纤端面的方式来获得；
步骤七：输入光纤阵列与渐变折射率光纤阵列的熔接；通过电弧或CO2激光器等外部加热的方法，例如采用熔接机将渐变折射率光纤阵列与输入光纤阵列熔接到一起，在熔接时，使处于对应位置上的渐变折射率光纤的纤芯的端面中心点与输入光纤的纤芯的端面中心点非重合熔接，使处于对应位置上的渐变折射率光纤的纤芯的端面外边沿与输入光纤的纤芯的端面外边沿相切，并且处于对应位置上的渐变折射率光纤的纤芯的端面将输入光纤的纤芯的端面全部覆盖；
步骤八：制作输出光纤阵列；选取输出光纤，采用与所述第一石英玻璃管、第二石英玻璃管外径相同的第三石英玻璃管，将输出光纤穿入中空的第三石英玻璃管中，所述第三石英玻璃管内径与输出光纤的外径尺寸相匹配，按照以上步骤二，将输出光纤与所述第三石英玻璃管融为一体，使所述第三石英玻璃管紧密套在输出光纤的外部，得到输出光纤阵列；
步骤九：输出光纤阵列的切割；按照以上步骤三，使用光纤切割刀例如金刚石刀将输出光纤进行切割；
步骤十：渐变折射率光纤阵列与输出光纤阵列的熔接；按照以上步骤七，将输出光纤阵列与渐变折射率光纤阵列熔接到一起，在熔接时，使渐变折射率光纤阵列的端面中心与输出光纤阵列的端面中心对准，通过电弧或CO2激光器等外部加热的方法，将渐变折射率光纤组束与输出光纤熔接，同时将第二石英玻璃管与第三石英玻璃管熔接，制成光纤激光合束器。
本发明提供的一种新型光纤激光合束器，通过采用长度为1/2自成像长度的渐变折射率光纤为传输呈像元件，将由双包层光纤激光器中输出激光束紧密汇聚后，传入一根细纤芯、低数值孔径的传能光纤中，可有效消除双包层光纤激光器输出激光束间的不发光暗区，不仅可以实现多根双包层光纤激光器输出激光束的高效率耦合，而且可以实现高光束质量的激光输出。
Claims (4)
1.一种光纤激光合束器，包括输入光纤(10)，其传输来自激发光源的高功率激光，并具有纤芯(12)和包层(11)；输出光纤(20)，并具有纤芯(22)和包层(21)；其特征在于，包括渐变折射率光纤(30)，并具有纤芯(32)和包层(31)；其中，按照所述渐变折射率光纤的所述纤芯(32)与所述输入光纤的所述纤芯(12)在所述输入光纤长度方向上重合的方式，熔接所述渐变折射率光纤(30)的一侧的端面与所述输入光纤(10)的一侧的端面，并且按照所述输出光纤的所述纤芯(22)与所述渐变折射率光纤的所述纤芯(32)在所述渐变折射率光纤的长度方向上重合的方式，熔接所述输出光纤(20)的一侧的端面与所述渐变折射率光纤(30)的所述与输入光纤(10)端面熔接的另一侧的端面；其中所述渐变折射率光纤(30)与所述输入光纤(10)的数量和排列方式相同，处于对应位置上的所述渐变折射率光纤的所述纤芯(32)的端面中心点与所述输入光纤的所述纤芯(12)的端面中心点非重合熔接，处于对应位置上的所述渐变折射率光纤的所述纤芯(32)的端面外边沿与所述输入光纤的所述纤芯(12)的端面外边沿相切，并且处于对应位置上的所述渐变折射率光纤的所述纤芯(32)的端面将所述输入光纤的所述纤芯(12)的端面全部覆盖；所述渐变折射率光纤(30)组成的渐变折射率光纤组束的端面中心与所述输出光纤(20)的端面中心对准。
2.根据权利要求1所述的光纤激光合束器，其特征在于，所述渐变折射率光纤(30)为抛物线型渐变折射率光纤，其长度为1/2自成像长度。
3.根据权利要求1或2所述的光纤激光合束器，其特征在于，所述输入光纤(10)组成的输入光纤组束外部套有第一石英玻璃管(41)，所述渐变折射率光纤(30)组成的渐变折射率光纤组束外部套有第二石英玻璃管(42)，所述输出光纤(20)与渐变折射率光纤组束熔接侧的外部套有第三石英玻璃管(43)，所述第一石英玻璃管(41)、第二石英玻璃管(42)、第三石英玻璃管(43)的外径相同。
4.一种如权利要求1所述的光纤激光合束器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：制作输入光纤组束；
选取若干根输入光纤，分别将输入光纤一端的涂覆层剥除，露出一段光纤包层裸露段，将裸露的光纤穿入中空的第一石英玻璃管中，使输入光纤形成紧密对称的排列，所述第一石英玻璃管内径与输入光纤组束的外径尺寸相匹配，在所述第一石英玻璃管外端与输入光纤的接缝处点胶固定，制成输入光纤组束；
步骤二：熔融输入光纤组束，得到输入光纤阵列；
将上述排列整齐的输入光纤组束连同外部的第一石英玻璃管一起，水平放置在切割设备两端的V型槽上，并通过V型槽拉紧输入光纤组束，加热使输入光纤组束与所述第一石英玻璃管融为一体，使所述第一石英玻璃管紧密套在输入光纤组束的外部，得到输入光纤阵列；
步骤三：切割输入光纤阵列；
将融为一体的输入光纤阵列放置在切割设备的V型槽上，并两端拉紧，使用光纤切割刀将输入光纤阵列进行切割；
步骤四：制作渐变折射率光纤组束；
按照以上步骤一，选取若干根抛物线型渐变折射率光纤，采用与所述第一石英玻璃管外径相同的第二石英玻璃管，将渐变折射率光纤穿入中空的第二石英玻璃管中，使渐变折射率光纤形成紧密对称的排列，所述渐变折射率光纤与所述输入光纤的数量和排列方式相同，所述第二石英玻璃管内径与渐变折射率光纤组束的外径尺寸相匹配，制成渐变折射率光纤组束；
步骤五：熔融渐变折射率光纤组束，得到渐变折射率光纤阵列；
按照以上步骤二，将上述排列整齐的渐变折射率光纤组束与所述第二石英玻璃管融为一体，使所述第二石英玻璃管紧密套在渐变折射率光纤组束的外部，得到渐变折射率光纤阵列；
步骤六：切割渐变折射率光纤阵列；
采用切割设备或研磨光纤端面的方式，将渐变折射率光纤阵列进行切割，使渐变折射率光纤阵列的长度为1/2自成像长度；
步骤七：熔接输入光纤阵列与渐变折射率光纤阵列；
通过电弧或CO2激光器等外部加热的方法，将渐变折射率光纤阵列与输入光纤阵列熔接到一起，在熔接时，使处于对应位置上的渐变折射率光纤的纤芯的端面中心点与输入光纤的纤芯的端面中心点非重合熔接，使处于对应位置上的渐变折射率光纤的纤芯的端面外边沿与输入光纤的纤芯的端面外边沿相切，并且处于对应位置上的渐变折射率光纤的纤芯的端面将输入光纤的纤芯的端面全部覆盖；
步骤八：制作输出光纤阵列；
选取输出光纤，采用与所述第一石英玻璃管、第二石英玻璃管外径相同的第三石英玻璃管，将输出光纤穿入中空的第三石英玻璃管中，所述第三石英玻璃管内径与输出光纤的外径尺寸相匹配，按照以上步骤二，将输出光纤与所述第三石英玻璃管融为一体，使所述第三石英玻璃管紧密套在输出光纤的外部，得到输出光纤阵列；
步骤九：切割输出光纤阵列；
按照以上步骤三，将输出光纤阵列进行切割；
步骤十：熔接渐变折射率光纤阵列与输出光纤阵列；
按照以上步骤七，将输出光纤阵列与渐变折射率光纤阵列熔接到一起，在熔接时，使渐变折射率光纤阵列的端面中心与输出光纤阵列的端面中心对准，通过电弧或CO2激光器等外部加热的方法，将渐变折射率光纤组束与输出光纤熔接，同时将第二石英玻璃管与第三石英玻璃管熔接，制成光纤激光合束器。
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