CN105026971B

CN105026971B - 低模式大功率光纤合束器

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Publication number: CN105026971B
Application number: CN201480010220.0A
Authority: CN
Inventors: 瓦伦丁·弗明; 安德雷·阿布拉莫夫; 德米特里·莫恰洛夫
Original assignee: IPG Photonics Corp
Current assignee: IPG Photonics Corp
Priority date: 2013-02-28
Filing date: 2014-02-21
Publication date: 2019-02-19
Anticipated expiration: 2034-02-21
Also published as: US9217840B2; EP2962141A4; ES2862900T3; EP2962141A1; KR102162811B1; US20140241385A1; CN105026971A; WO2014133904A1; JP2016510135A; KR20150123824A; JP6580995B2; EP2962141B1

Abstract

大功率光纤激光器系统配置有合束器端光纤，所述合束器端光纤剥离为合束器输出光纤。所述系统还包光剥离器，所述光剥离器沿所述合束器的端部和输出光纤延伸，并且配置有具有相应折射率的位置连续的区域。沿光信号的正向传播方向，上游区域包括聚合物材料，所述聚合物材料的折射率大于所述合束器端光纤的包层的折射率。这一区域配置为去除通过所述合束器端部和输出光纤之间的接合部渗透到所述合束器包层中的反向反射芯区导引光。中间区域包括聚合物材料，所述聚合物材料的折射率小于所述合束器输出光纤的包层的折射率，因此可以防止包层导引信号光在材料下方去耦合包层。下游区域配置有聚合物材料，所述聚合物材料的折射率小于所述合束器输出光纤的折射率。下游区域的聚合物材料填充有多个光漫射体，所述光漫射体对包层导引信号光的高数值孔径射线进行散射。

Description

低模式大功率光纤合束器

相关申请的交叉引用

本发明涉及与本申请人共同向美国专利商标局USPTO递交的美国临时申请，将其全部合并在此作为参考。

技术领域

本公开涉及大功率光纤激光器系统。具体地，本公开涉及大功率低损耗低模式(“LM”)光纤系统，所述光纤系统发射kW级别的高质量激光输出并且配置有包层模式吸收器，所述包层模式吸收器操作为有效地滤除不想要的正向传播包层光和反向反射的包层光。

背景技术

大功率kW级别光纤激光器系统用于多种应用中。随着光纤激光器的商业部署逐渐成熟，要求对于光纤激光器的功率、质量和可靠性的强烈关注。随着这一领域目前的进展，在达到数千瓦级别的越来越高的功率级别下实现了可靠性要求。为了支持所需的功率级别，在合束器(combiner)中将多个单模(“SM”)光纤激光器系统光学和机械地耦接在一起。为了在kW功率级别处有效地执行并且在低模式(“LM”)输出下发射输出，合束器应该成功地解决结构性难题，其中这里尤其感兴趣的一些是例如光纤的机械耦合以及沿正向和反向反射方向的功率损耗。

通常，制造大功率合束器的工艺包括：熔融光纤束中相应光纤激光器/放大器的已对准输出光纤；锥形化光纤束；将锥形光纤束解理并接合为系统输出传输光纤。合束器的制造(初始假设为拦腰切割的领结结构)会导致包层的结构性缺陷(毛边)，在合束器的部署期间毛边可能进一步不利地影响输出激光束的质量及其功率。

在光纤激光器系统的输出达到数kW的情况下，正向传播的芯区引导光在传播通过包层以及空气-石英界面时趋向于渗透至包层。一旦处于包层中，大功率信号光在围绕包层并屏蔽光纤免受机械负荷的聚合物涂层上引入热负荷。

因此，需要一种能够装置，能够有效地处理从芯区去耦的正向传播信号光的不希望结果。

除了正向传播信号光之外，从要进行激光处理的表面反射的光(因此也称作反向反射光)也会损坏合束器本身和合束器上游的系统部件。与正向传播的光类似，不得不在反向反射光传播回各自光纤激光器系统之前从波导中去除所述反向反射光。

总之，为了在LM波导的输出处获得高达数kW的光功率，合束器需要满足以下条件的特定结构：

(1)将输入光纤可靠地固定在一起，而不会恶化输出光束的质量；

(2)有效地分配和利用正向和反向传播光的功耗；以及

(3)保护光纤免受由于热引入形变导致的环境污染。

还需要一种基于上述SM-LM合束器并且能够发射达到数kW的高质量光参数乘积的大功率光纤激光器系统。

因此，需要一种配置有包层吸收器的LM大功率光纤激光器系统，所述包层吸收器配置为满足上述条件。

发明内容

根据本公开的一个方面，相应的各个SM光纤激光器系统的输出光纤具有多层结构，以便改进SM输出光纤之间的可靠耦合，并且最小化SM-LM合束器的制造期间损坏光纤芯区的可能性。多层结构包括内部层和外部层。内部层包括二氧化硅(SiO₂)，而外部层由掺杂有氟(“F”)离子并且具有相对较低的熔化温度的SiO₂制成。外部层的存在实质上最小化了合束器的制造期间对各个光纤部件的损坏。

根据本公开的另一个方面，SM-LM合束器配置有吸收器，所述吸收器能够有效地去除不想要的正向传播光和反向反射光。吸收器配置有三个连续的区域，负责去除具有两个起始源的不想要的光。一个源包括当导引正向传播的信号光通过接合部区域时正向传播信号光的损耗。另一个源具有反向反射光的起点，在沿反向传播方向从工件的表面反射时将反向反射光耦合到系统输出的芯区中，并且当朝着SM输出光纤导引时得到前往相应光纤的包层的路径。

沿信号光的正向传播方向观看，上游区域配置为防止反向反射光到达各个SM光纤激光器系统。所述区域由折射率比石英的折射率高的聚合物来限定。

中间区域配置为防止在上游接合部处损耗并且沿正向传播方向沿包层导引的信号光的大孔径射线逃离合束器。构成这一区域的聚合物配置有与石英折射率实质上相同或者小于石英折射率的折射率。

下游区域配置为在正向传播信号光离开中间区域之后对正向传播信号光进行散射。这是通过折射率等于或小于石英折射率且填充有光漫射体的聚合物受体材料实现的，光漫射体将输出光纤外部的包层光逐渐导引至热沉。

另一个方面涉及包括所公开的合束器在内的大功率LM光纤激光器系统。所述系统配置有滤波接合部，用于去除合束器进一步朝着工件传播之后剩余的信号光的大孔径射线。滤波接合部包括折射率比石英折射率高的材料。所述系统还具有下游部件-包层模式吸收器，配置为将耦合到系统的输出光纤的包层中的反向反射光最小化并且提供反向反射光的去除。

附图说明

根据结合附图的以下特定描述，所公开结构的以上和其他特征和优点将变得更加清楚明白，其中：

图1是所公开的大功率光纤激光器系统的正式图；

图2是图1的系统的SM-LM合束器部件的示意图；

图2a-2d是沿图2的A-A线、B-B线、C-C线和D-D线得到的相应截面图；

图3示出了所公开的SM-LM合束器的优选几何形状；

图4是所公开系统的滤波器接合部部件的示意图，操作为去除包层导引的正向传播信号光；以及

图5是所公开系统的系统包层模式吸收器部件的示意图，配置为去除反向反射的包层导引光。

具体实施方式

现在对本公开的优选实施例提供详细参考。在可能的情况下，相同或类似的参考数字在附图和说明书中用于表示相同或类似的部分或步骤。附图是按照非常简化的形式并且没有精确按比例绘制。

图1示出了能够发射高达数kW高质量光束的大功率光纤激光器系统10的示意图。所述系统10配置有多个SM光纤激光器系统，每一个SM光纤激光器系统操作为按照单横模或者实质上单横模发射辐射。SM激光器系统配置有相应的SM输出光纤16，SM输出光纤在SM-LM合束器18中彼此对准并且进一步地机械和光学耦合。

除了图1之外还参考图2，初始通过将输出光纤彼此对准以便限定所述合束器的上游大直径输入端来形成合束器18。随后，将对准的光纤同时熔融和拉伸成小直径输出端，小直径输出端与相应各个光纤的芯区熔成合束器端光纤19，合束器端光纤的直径实质上与合束器输出光纤20的直径相匹配并且被双包层结构包围。

合束器18的下游端光纤19还接合至无源多模(“MM”)合束器输出光纤20。依赖于SM激光器系统的个数，合束的输出可以达到高达约15kW，例如具有范围在约1.5至约4.5的光束乘积参数(“BPP”)，并且配置为使得信号光损耗不超过信号光功率的约1％。端光纤19和输出光纤20的一部分放置在外壳24中(图2)，外壳进而耦合至这里未示出的热沉。包括相应合束器输出光纤20的区域以及系统10的后续光纤部分在内的滤波接合部70(图1)以及沿下游部分设置系统的包层模式吸收器(“CMA”)80构成了系统10。

具体地，参考图2，将端光纤19沿接合部区域22接合到合束器输出光纤20的上游端部。仅作为示例，合束器18的下游端部可以包括接合部区域22之后约20-25mm的输出光纤20。逐渐变细的程度依赖于输出光纤20的直径。

通过任意合适的粘合剂将SM输出光纤16彼此固定。由于大功率以及由此而来的升高温度，粘合剂包括耐高温部件，例如所述耐高温部件可以是UV-15-TK。

参考作为沿图2中A-A线的截面图图2a和图3，在合束器18的制造初始阶段期间相应SM光纤16的包层各自具有包围芯区44的双包层结构。内部包层34包括二氧化硅(“SiO₂”)。外部包层36配置有包括掺杂有氟(“F”)离子的受体材料(例如SiO₂)在内的混合物。第二外部层的使用显著地增加了合束器18的制造工艺期间SM光纤对于机械应力的抵抗力。

合束器18的缩放比例(scaling)严格地依赖于如何有效地利用沿合束器沿相反方向传播的不想要的光。典型地，将与从波导的包层去除光相关的机制称作光剥离器或光吸收器。

回到图2，光剥离器或包层模式吸收器(“CMA”)沿合束器18以及合束器的输出光纤20的一部分设置，并且分别包括三个连续的上游、中间和下游区域26、28和30。所有这三个区域都配置为选择性地将沿相反正向和反向方向传播的杂散光最小化，以免损坏激光器系统10的光纤和其他光学部件。

沿锥形的主体部分延伸并且终止于距离接合部22上游较短距离处的上游区域26配置为在反向反射光到达各个SM激光器系统16之前至少将沿合束器输出光纤20的芯区导引的反向反射光量最小化。反向反射极大地损坏大功率光纤激光器系统。即使数百瓦的反向反射光(在所公开的系统中反向反射光可以轻易达到kW级别)也会损坏合束器18，甚至损坏合并到合束器中的各个SM系统16以及具体地损坏合束器的相应聚合物涂层。

当光从工件21反向反射时，将光耦合到传输光纤25(图1)的涂层和芯区，传输光纤配置有至少等于或大于反向反射光的入射角度的数值孔径(“NA”)。因为端光纤19和输出光纤20之间的重叠是不理想的，在系统输出光纤25和端光纤19之间沿着相应光纤的芯区传播的反向反射光填补了比端光纤19的芯区更大的面积。因此，没有限制端光纤19的芯区的光渗透到包层，并且可以通过吸收器的上游区域内的高折射率聚合物来去除，如下面将解释的。

具体地，从工件21反向反射的光耦合到MM系统传输光纤25(图1)的芯区44’(图2d)，MM系统传输光纤将反向反射光沿相反的传播方向导引至系统10的上游、并且最终将所述光传输到合束器输出光纤20的芯区中。因此，当反向反射光传播并且渗透通过接合部22(图2)进入到内部包层34中(图2a)时，应该在反向反射光耦合到相应SM光纤16(图1和2)的包层之前从包层中去除反向反射光。

转到图2和图2a，吸收器包括在外部涂层36周围的上游区域26(图2a)上延伸的层38。因为层38的折射率比构成芯区44和包层两者的石英的折射率高，层38操作为至少实质上最小化以及理想地完全去除芯区导引的反向反射光，层38管理从光纤20的芯区通过接合部22的渗透。

参考图2和图2b，中间区域28从上游区域26的端部在合束器光纤端部19的下游端部上(图2)延伸通过接合部22，并且终止于相距输出光纤20的端区域一定距离处。将输出光纤沿中间区域28从保护性包层剥离。替代地，聚合物层39覆盖输出光纤20的内部包层42，内部包层42的折射率至少等于或大于聚合物层39的折射率。因此，层39配置为通过防止正向传播信号光从包层42去耦合来最小化正向传播信号光的损耗。

参考图2、图2c和图2d，吸收器的下游区域30配置有聚合物层40，聚合物层40配置为最小化沿合束器输出光纤20的包层42导引的正向传播信号光的量。区域30在输出光纤20从保护性涂层剥离的较大部分上延伸，并且部分地覆盖仍然具有保护性层26(图2d)的光纤下游端。保护性层26沿合束器输出光纤20的端区域保持完整，以改进光纤20与外壳24的耦合。

与中间区域28的聚合物层39类似，层40配置有诸如硅胶之类的受体材料，所述受体材料的折射率实质上等于石英的折射率。然而，沿区域30的受主材料掺杂有多种漫射体，包括例如Al₂O₃的微粒。漫射体不会吸收入射到漫射体上的光；漫射体全方向地散射，其中散射光的一部分导引至光纤20外部。因此，当入射到漫射体上时，低NA正向传播包层导引光可以部分地导引至密封材料、外壳24、并且最终导引至这里未示出的热沉。选择漫射体的浓度和分布以沿区域30(图2)提供低NA单一光的实质上均匀去除。

应该将吸收的光(正向传播光或反向反射传播光)有效地传输至热沉；否则可能会不可逆地危及合束器18的结构完整性。包封合束器18以及输出光纤20由吸收器保护的部分在内的外壳24配置有半球形凹槽25(图2和图2a)，用于容纳合束器18并且对于整个激光器系统的机械和热学稳定性有贡献。选择外壳24的材料具有较高的热阻和较低的热膨胀系数，从而在所公开的光纤激光器系统的操作期间在升高的温度下外壳24的形变程度最小化。否则，外壳的形变可能会损坏光纤。优选地，材料包括层叠有金或钨铜(CuW)伪合金带的铜层。在将吸收器机制设置在外壳24中时，外壳24内的凹槽25和其他自由空间填充有封装材料，封装材料进一步对于所公开结构的机械和热学完整性有贡献。

简要地，回到图1，系统10可以具有包括数个光电二极管探测器在内的可靠监测系统。例如，传感器100定位于合束器18的上游附近以检测沿芯区44传播的反向反射光(图2a)。传感器102配置为测量合束器18输出处的信号光的输出功率。光电二极管104定位为检测沿系统吸收器80的包层传播的反向反射光。可以通过传感器106监测信号光的功率损耗，传感器106能够感测在接合部22附近导引的光。传感器的全部或一部分可以配置为检测散射光，如在美国临时申请序号No.61/653,108中公开的那样，将其全部内容合并在此作为参考。

回到图3，SM-LM合束器18优选地包括13个SM光纤16，其中12个光纤包围中心光纤。所有13个光纤16各自均保持其自己的几何形状，如上所述，所述几何形状包括无形变的多个同心包层，由于只将附加外部包层38(图2a)彼此熔融，因此无形变。因为形变不明显或者根本无形变，合束器18的特征在于最小的损耗和较高的光束乘积参数。通常，可以将13/1合束器描述为具有交替的峰或凸起和谷的连续外周。可以容易地更改所示几何形状。例如，去除外部六个光纤产生了7/1合束器，而在相应相邻峰对之间添加的附加6个光纤限定了19/1合束器。例如，13/1相比19/1合束器的优势包括更高的光束乘积参数、更加时间有效的制造过程、更加容易的测试和维护。

图4示出了系统10的滤波接合部区域70，配置为防止正向传播或信号光的高NA射线到达系统光纤23的输出端，如图1所示。这些射线在逃离合束器输出光纤20和系统输出光纤23之间的接合部72之后沿包层导引。系统输出光纤23可以配置有比光纤20高的NA，并且优选地是MM无源光纤。

光纤20和23每一个均分别从接合部区域70内的保护性聚合物层78剥离。相对较低折射率(约140)的聚合物和在聚合物中掺杂了漫射体(例如Al₂O₃)的混合物覆盖了输出光纤20的剥离区域74。系统输出光纤23的剥离区域76涂覆有具有高折射率的聚合物。该结构被包封在外壳77中，外壳优选地由镀金的铜制成。

图5示出了设置在系统输出光纤23的下游端区域和传输光纤25之间的系统CMA80。吸收器80配置有MM无源光纤90，MM无源光纤90与聚合物94和92相结合来剥离沿传输光纤25的包层传播的反向反射光。传输光纤25还熔融到光纤90的下游面96，并且传输光纤的包层88从将要进行激光处理的工件接收反向反射光。

除了图5之外还参考图1和图2，系统光纤23的芯区84的直径与相应的合束器端光纤19、合束器输出光纤20和系统传输光纤25的芯区直径匹配。系统传输光纤25的包层88的直径同样形成为等于这些光纤的包层直径。然而，剥离光纤90的外部直径可以比其余光纤的直径大数倍。光纤90增加的包层直径允许耦合的反向反射光降低其功率密度，这进而热学地分布卸除了光纤的保护性涂层，例如聚合物92和94。可以通过构造光纤90的下游面96的直径小于光纤的上游端98的直径来逐渐地增加光纤90的包层直径。这可以通过提供另一个较小光纤或者对沿剥离光纤的纵轴具有瓶状截面的单片光纤进行整形来进行。

包围光纤90的下游面96的聚合物92配置有比石英/包层88更低的折射率。较低的折射率将反向反射光的传播限制在包层88。剥离光纤90的面上游98覆盖有聚合物94，聚合物94的折射率大于石英的折射率，以将相对低密度的反向反射包层传播光从波导去耦合。

在不脱离本发明的精神和实质性特征情况下可以对所公开结构进行多种改变。因此，应该将以上描述中包含的所有事物解释为只是说明性的并且是按照限制性的方式描述，本公开的范围由所附权利要求限定。

Claims

1.一种低模式LM大功率合束器，包括：

多个单模SM无源光纤，导引相应的SM输出，所述SM光纤捆扎在一起以限定朝着端光纤变窄的锥形，所述端光纤具有至少一个包层以及将合束的LM信号光沿传播方向导引的芯区；

多模合束器输出光纤，对接至所述端光纤以限定接合部，所述多模合束器输出光纤具有包围导引LM光的芯区的包层，所述LM光入射到部分地反射入射光以将反射光的一部分耦合到多模合束器输出光纤的芯区的工件上，所述多模合束器输出光纤的芯区沿相反传播方向导引反射光；以及

包层模吸收器CMA，包围所述端光纤，并且在所述多模合束器输出光纤的一部分上延伸，所述包层模吸收器配置有：

上游区域，沿所述端光纤延伸并且终止于到所述接合部的上游一定距离处，所述上游区域配置为剥离耦合到所述多模合束器输出光纤的芯区并且通过所述接合部渗透进入端光纤的包层中的那部分反射光，所述上游区域由折射率比芯区的折射率高的材料来限定；

中间区域，在所述接合部以及与所述接合部邻接的相应端光纤和多模合束器输出光纤的区域上延伸，所述中间区域配置为防止去耦合渗透到所述多模合束器输出光纤的包层的一部分LM光，所述中间区域配置有与芯区折射率实质上相同或者小于芯区折射率的折射率；

下游区域，在所述多模合束器输出光纤上延伸并且终止于到所述多模合束器输出光纤的下游端部一定距离处，所述下游区域配置为对沿所述包层导引的LM光的低数值孔径NA射线进行散射，所述下游区域配置有折射率等于或小于芯区的折射率的材料。

2.根据权利要求1所述的合束器，其中所述CMA包括聚合物，所述聚合物具有：

第一折射率，所述第一折射率大于沿所述上游区域的所述端光纤的包层的折射率；

第二折射率，所述第二折射率至多等于与所述接合部邻接并且限定中间区域的相应光纤区域的包层的折射率；以及

第三折射率，所述第三折射率至多等于沿所述下游区域的所述多模合束器输出光纤的包层的折射率，所述下游区域的聚合物掺杂有多个漫射体，所述漫射体配置为对所述一部分LM光进行散射。

3.根据权利要求2所述的合束器，其中所述漫射体包括氧化铝Al₂O₃微粒。

4.根据权利要求1所述的合束器，其中SM光纤各自配置有：

由二氧化硅SiO₂制成的内部层；以及

由SiO₂制成并且掺杂有氟F离子的外部层。

5.根据权利要求1所述的合束器，还包括包封所述吸收器的外壳，所述多模合束器输出光纤的外部层沿下游区域的较大部分和中间区域从保护涂层剥离。

6.根据权利要求1所述的合束器，其中将13个SM光纤捆扎在一起以限定具有交替峰谷的连续外周界。

7.根据权利要求1所述的合束器，还包括六个附加光纤，从而限定了19/1合束器；或减去六个SM光纤，从而限定了7/1合束器。

8.根据权利要求7所述的合束器，其中从多模合束器输出光纤的下游端部发射LM光，所述合束器的输出具有范围在1.7和4.0之间的光束乘积参数。

9.根据权利要求1所述的合束器，还包括上游光检测器，操作为检测反向反射的芯区导引光。

10.一种大功率光纤激光器系统，包括：

根据权利要求1至9中任一项所述的合束器；

多模MM无源滤波光纤，熔融至所述多模合束器输出光纤以限定下游接合部；

滤波器，包围相应多模合束器输出光纤和传输光纤的相邻区域，并且配置为将沿传播方向的LM信号光的高NA射线的传播最小化，所述滤波器配置有上游区域和下游区域，其中所述上游区域包括折射率至多等于所述多模合束器输出光纤的包层折射率的聚合物受体材料、以及在所述受体材料中掺杂的多个漫射体；以及

所述下游区域配置有聚合物材料，所述聚合物材料的折射率大于所述多模合束器输出光纤的包层的折射率。

11.根据权利要求10所述的大功率光纤激光器系统，其中添加物包括氧化铝微粒。

12.根据权利要求10所述的大功率光纤激光器系统，其中将相应多模合束器输出光纤和MM无源滤波光纤的相邻区域从相应保护层剥离。

13.根据权利要求10所述的大功率光纤激光器系统，其中所述多模合束器输出光纤和MM无源滤波光纤配置有彼此匹配的相应芯区直径。

14.根据权利要求10所述的大功率光纤激光器系统，还包括剥离光纤，所述剥离光纤具有分别熔融至所述MM无源滤波光纤的下游端部和传输光纤的上游的相对端部，所述传输光纤配置有均接收反向反射光的芯区和包层。

15.根据权利要求14所述的大功率光纤激光器系统，其中所述MM无源滤波光纤、剥离光纤和传输光纤配置有相应的芯区，所述芯区的尺寸彼此匹配。

16.根据权利要求15所述的大功率光纤激光器系统，其中所述剥离光纤的包层的外部直径大于所述MM无源滤波光纤和传输光纤的包层的外部直径，以减小沿所述剥离光纤的包层传播的反向反射光的功率密度。

17.根据权利要求16所述的大功率光纤激光器系统，还包括包层模式吸收器CMA，所述包层模式吸收器配置有在所述传输光纤的上游端部延伸的下游区域以及在所述MM无源滤波光纤的下游端部和所述剥离光纤的整个长度上延伸的上游区域。

18.根据权利要求17所述的大功率光纤激光器系统，其中所述CMA的上游区域包括折射率大于相应MM无源滤波光纤和剥离光纤的包层的折射率的聚合物材料，并且所述CMA的下游区域的折射率小于或者匹配于所述传输光纤的包层的折射率。