[发明专利]大功率弱拉锥低损耗泵浦/信号合束器

说明书

技术领域

本发明属于光纤激光器领域，涉及一种泵浦/信号合束器，尤其涉及一种信号光损耗低、适用于包含少数高阶模式的光纤激光功率放大的大功率弱拉锥低损耗泵浦/信号合束器。

背景技术

与一般的激光器相比，光纤激光器在光束质量、体积、重量、效率、散热等方面均有明显优势，已经成为激光器领域最热门的研究方向之一。主振荡功率放大（MOPA）结构是实现光纤激光大功率输出的常用结构，这种结构通常由振荡器和一级放大器或者更多级放大器组成。基于熔融拉锥技术的光纤泵浦/信号合束器（tapered fiber bundle，简称TFB合束器）可以将信号光与泵浦光高效的耦合进入光纤放大器的双包层光纤中，因此TFB合束器已经成为实现MOPA结构大功率激光输出的核心元器件。

在高功率激光输入的情况下，合束器内部由损耗光导致的热效应越来越显著，使合束器内部产生温升。当温度足够高时，将使合束器在结构上失效。因此降低合束器内部损耗，减少温升，提高合束器可以承受的极限功率，已经成为进一步提高光纤激光器功率的关键之一。合束器内部温升主要来自于对损耗光的吸收，其中损耗光包括：泵浦光损耗光和信号光损耗光。通常情况下后者是造成合束器温升的重要原因，而信号光损耗光主要在拉锥区和熔接点处产生。

目前已有泵浦/信号合束器的相关专利，US7373070B2号美国专利文献公开了一种强拉锥结构泵浦/信号合束器，该泵浦/信号合束器的输入信号光纤与输出光纤均是纤芯为20微米、内包层为400微米、数值孔径为0.06/0.46的双包层光纤（以下简称20/400光纤），泵浦光纤是纤芯为200微米、包层为220微米、数值孔径为0.22的单包层光纤。这种合束器需要先将输入信号光纤的包层进行化学刻蚀，将其内包层外径变为约200微米以便与泵浦光纤扭转形成光纤组束，为了保证光纤组束能与输出光纤尺寸匹配，要对光纤组束进行强拉锥（拉锥比例1.65）。该专利文献所采用的20/400光纤的纤芯支持LP₀₁与LP₁₁两个模式，由于拉锥比例为1.65，导致这种合束器对于LP₁₁模式的损耗很大（2dB）。强拉锥结构合束器在主振荡功率放大（MOPA）结构光纤激光器的应用方面有不足之处：（1）LP₀₁模式损耗较大，在高功率信号光输入时并不理想。前述美国专利是基于降低LP₀₁模式损耗而设计，即通过拉锥，改变输入信号光纤纤芯的模场直径（MFD），使其等于输出光纤纤芯的MFD，以此实现LP₀₁模式的光学匹配和低损耗，然而即使在模场直径匹配条件满足的情况下，熔接点处LP₀₁模式的损耗仍有0.25至0.3dB，在高功率信号光输入时并不理想；（2）高阶模式损耗很大或无法耦合进入输出光纤纤芯，这会导致合束器损坏与激光器效率的下降，进一步限制最终输出激光功率的提升。在前述美国专利中指出，熔点处LP₀₁模式损耗的增加不仅带来更多的废热，同时会导致输出光纤中的模式退化，即高阶模式的产生。这导致在后续的光纤振荡器或光纤放大器的增益光纤中，这些高阶模式会与LP₀₁模式产生干涉，引发增益不稳定。增益不稳定会导致脉冲激光的产生，这些脉冲激光的峰值功率会超过光纤纤芯材料的破坏阈值，最终导致纤芯的损毁。因此，前述美国专利的核心理念是在降低LP₀₁模式损耗的同时，保证高阶模式不进入输出光纤的纤芯，即高阶模式在合束器内部的损耗很大。实际上，前述美国专利公开的合束器由于拉锥比例过大，高阶模式在拉锥区已经进入输入信号光纤的内包层，而且在熔接点处模场失配严重，损耗很大。虽然前述美国专利中提出抑制高阶模式进入输出光纤可以避免脉冲激光的产生从而保护光纤激光器，但是高阶模式在合束器内部因损耗很大而产生的大量损耗光却会导致合束器内部产生更多废热，这严重影响了合束器的安全运行甚至会损坏合束器，并且合束器因为损耗光导致的的破坏阈值低于脉冲光产生的纤芯材料破坏阈值。此外，采用纤芯支持少数模式的大模场光纤搭建的光纤激光器，在输出光功率较高的情况下，其输出光中大多会包含少数的高阶模式，如果采用前述美国专利所述的合束器进一步放大包含少数高阶模式的光纤激光，将会导致高阶模式全部损耗而引起激光器的最终输出效率下降。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种可降低信号光的损耗、用于包含少数高阶模式的光纤激光功率放大的大功率弱拉锥低损耗泵浦/信号合束器。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：