[发明专利]实现平顶光束的侧泵信号合束器及其制备方法

说明书

一种实现平顶光束的侧泵信号合束器及其制备方法，属于激光光束整形技术领域。主信号光纤至少有两层波导结构，位于内层波导结构的折射率高于位于外层波导结构的折射率，主信号光纤对于传输波长的激光为多模光纤，对侧臂输入光纤进行熔融拉锥处理使其贴合在主信号光纤最内层波导结构之外的波导结构内，侧臂输入光纤的融合长度L为:0mmL≤200mm；融合深度H为：0μmH≤500μm；融合区域直径D为：5μm≤D≤500μm，通过控制侧臂输入光纤拉锥融合长度、直径和深度，改变侧臂输入光纤中信号光进入主信号光纤的光波导模式，从而在主信号光纤中实现平顶模式光斑的输出。

技术领域

本发明涉及激光光束整形技术领域，尤其涉及一种实现平顶光束的侧泵信号合束器及其制备方法。

背景技术

激光光束一般为高斯光束，高斯光束是中间强度高，径向方向强度沿高斯轮廓逐渐下降。平顶光束概念是具备光强均匀分布的激光光束。在高功率和高能量体系中，高斯光束的能量大部分集中在中心部分，容易将光学器件损坏，同时，高斯光束将会给器件带来非均匀受热，影响光束质量。在实际应用中，高斯光束由于中心光强十分高，极容易打穿物质，利用平顶光束在激光雕刻时，光强均匀，不容易对物质产生损伤，而；同时平顶光束在激光焊接时，焊接的缝隙比高斯光束更加均匀光滑。所以如何将高斯光束整形成平顶光束成为了一种迫切需要的技术手段。

传统的光束整形方式多是利用空间光学整形。方法包括但不限于以下：光阑法，多透镜阵列，二元光学元件，长焦深整形，液晶空间光调制器，双折射透镜组和非球面透镜组等等。

在光纤波导领域内，平顶光的产生方式有以下几种。

柱矢量光束聚焦整形：柱矢量光束是光纤激光器中的线偏模LP01下的四种精确模式，包括角向柱矢量偏振光，径向柱矢量偏振光和混合态柱矢量偏振光。不同于传统的线偏振光束或者椭圆偏振光束这类偏振均匀分布光束，柱矢量光束是非均匀偏振光束，在光束横截面上偏振态满足轴对称分布，每一处的偏振态和所处的位置相关。在强聚焦情况下，柱矢量光束在焦平面处可以实现光强均匀分布。在对径向柱矢量光束进行强聚焦时，在焦平面将会产生一个很强的纵向分量和一个具备环形分布的径向分量，而角向偏振光在这种情况下将只产生环形分布的角向分量。混合态柱矢量偏振光由于可以看作是前面两种柱矢量的叠加，因此在强聚焦后，会产生三种偏振方向的分量。通过控制径向柱矢量光束和角向柱矢量光束的比例，可以在焦平面出构造一个平顶光束。[文献“Focus shaping usingcylindrical vector beams”]

涡旋光束聚焦整形：涡旋光束是一种携带一定轨道角动量的光束，在光束截面上位相是非均匀分布的。涡旋光束表达式中带有位相因子exp(ilθ)，其中1为涡旋光束的轨道角量子数。研究人员发现对l＝－1的涡旋光束进行强聚焦时，可以产生纵向的实心光强分布和横向的环形分布。由于两种分量相互独立，可以进行光强的直接叠加，从而得到平顶光束。[文献“基于圆偏振涡旋光束强聚焦的平顶光束的构成”]

以上两种聚焦整形优点在于能量利用率高，缺点在于只能在焦平面上形成平顶光束，实际使用不方便操作，对于空间的整形不利于全光纤化的集成，在高功率的光纤激光器的工业应用中无法普及。

通过改变光纤结构来获得平顶模式：在普通两层阶跃光纤的基础上，在纤芯中心引入一个凹陷部分，并使该部分折射率不同于其他部分折射率，且通过理论计算得出对于凹陷部分取不同的折射率，得到不同的平顶基模模场分布。[文献“Design of WaveguideRefractive Index Profile to Obtain Flat Modal Field”]此后，国内外也都对平顶模场光纤结构进行不同的优化设计。然而对于不同模式的光导入光纤之后，想要得到平顶的光斑能量分布，需要特定的折射率分布，同一光纤对不同的入射光不具有普适性，另外制备出折射率特定分布切连续变化的光纤预制棒，要求的工艺和成本都较高。

目前，光纤侧边耦合的方案已经有提出，但是目前都是用来光纤激光器中的泵浦光传输，主信号光纤中传输信号光，侧臂输入光纤中传输泵浦光，对侧臂进入主信号纤的光束能量分布没有要求。