[发明专利]一种基于方形光纤合束器的激光合束系统

说明书

本发明公开了一种基于方形光纤合束器的激光合束系统，所述激光合束系统包括：子束模块、合束器、相位控制模块和激光探测器，其中合束器又包括：多根光纤的尾纤、玻璃管和方形光纤，多根尾纤排列成正方形阵列，并与方形光纤垂直连接，玻璃管套在多根尾纤的外周起到保护与加强连接的作用。本发明公开的激光合束系统能够以简单的结构实现基于光波导自成像原理的激光合束技术，提高了合束系统性能的稳定性，降低了激光合束系统的复杂程度，经本发明的激光合束系统进行合束的光束质量接近1，合束效率接近100%。

技术领域

本发明属于光纤激光器领域，尤其涉及一种基于方形光纤合束器的激光合束系统。

背景技术

光纤激光器具有转换效率高、光束质量好、热管理方便、结构紧凑等优点，在工业领域、光通信领域及国防领域有着广泛的应用。但受限于热损伤、非线性效应等因素的影响，单根单模光纤激光器的功率不可能无限提升，为了获得更高功率的高亮度激光源，一般采用多路激光相干合成的方式得到高功率输出激光。目前的光纤激光相干合成技术，按照各激光子单元合束方式的不同，可以分为分孔径相干合成技术与共孔径相干合成技术两类。分孔径相干合成指各子光束由分立孔径输出，在发射近场各路光束中心之间存在一定间距，在发射远场各路光束进行有效的相干合成；共孔径相干合成指各子光束由一个共同的孔径发射，在发射近场各路光束中心完全重合，最终表现为一路激光输出。

在共孔径相干合成技术中，根据原理的不同，可将合成技术分为以下几类：基于偏振棱镜的合成技术、基于衍射元件的合成技术、基于熔融拉锥光纤合束器的合成技术和基于光波导自成像原理的合成技术。基于偏振棱镜的合成技术是利用偏振合束器通过级联合束的方式实现多路光束的相干合成；基于衍射元件的合成技术主要是利用光路可逆原理，将衍射光学元件逆向使用从而实现多路光束合成，以上两种方式都是将光纤激光束转换为空间光束，当合成激光光束增加时，使用的空间光学元件数量增加，会大大增加合束系统的复杂程度，稳定度差，散热问题难以解决，不便于热管理。基于熔融拉锥光纤束的光纤合束器是将多根光纤放入玻璃管中进行拉锥，输入光纤逐渐变细，通过纤芯聚拢，实现激光相干合束，虽然是全光纤结构，降低了系统的复杂程度，但这种合成方式由于是通过多根光纤拉锥而成的，因此不可避免的会出现旁瓣，影响合成后的光束质量和合成效率；基于光波导自成像原理的合成技术主要利用自成像效应，即多束输入激光会在光波导中周期性的成像，它具有完全消除旁瓣的潜力，在相干合成中能够实现接近百分之百的合成效率和接近于1的光束质量，因此基于光波导自成像原理的合成技术是激光相干合束的首选。

现有的激光合束系统主要包括三个模块：子束模块、合束模块和相位控制模块，基于不同原理的激光合束系统，其合束模块结构也不全相同，目前国内外基于光波导自成像原理的激光合束系统的合束模块绝大多数采用复杂的光学系统空间结构，即将子束模块的多束激光经过排布或准直后利用空间光学元件进行合束，例如通过空间微透镜准直后打入光波导器件中，这种合束模块由于需要空间光学元件，复杂程度高，稳定性差，而且还存在由于子束模块输出光纤端面发热、光波导器件散热困难而导致的合成功率难以提升的问题。

因此，亟需一种激光合束系统，该合束系统能够以简单的结构实现基于光波导自成像原理的激光合束技术，提高激光合束质量及合束效率。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种激光合束系统，该合束系统为全光纤结构，能够实现基于光波导自成像原理的激光合束技术，结构简单、合束效率高、合束质量好。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：所述激光合束系统包括：子束模块、合束器、相位控制模块和激光探测器；所述子束模块、合束器和激光探测器沿激光传输的方向依次相连，所述相位控制模块分别与子束模块和激光探测器相连；所述子束模块包括多根光纤；所述合束器包括：多根尾纤、玻璃管和方形光纤，所述多根尾纤是子束模块中多根光纤的尾纤，所述多根尾纤放置在玻璃管内，且在玻璃管内排布为正方形阵列，所述方形光纤的纤芯截面划分为与多根尾纤排布阵列一致的多个方形子区域阵列，所述多根尾纤与方形光纤垂直连接，且每根尾纤的纤芯中心与其所对应的方形光纤纤芯截面的方形子区域中心重合。