用于有效光束组合的成形光纤制造技术

在一些实施方式中，光纤光学组合器可以包括具有一几何形状的包封管绑在包封管内成束的多个光纤。在一些实施方式中，多个光纤包括至少一根具有纤芯和围绕纤芯的非圆形包层的光纤。相对于全部具有圆形包层的多个光纤，非圆形包层可以导致多个光纤具有更大的管填充因子和更低的预期光束参数乘积增加因子。因子和更低的预期光束参数乘积增加因子。因子和更低的预期光束参数乘积增加因子。

【技术实现步骤摘要】
用于有效光束组合的成形光纤
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本专利申请要求享有于2021年4月20日提交的美国临时专利申请第63/201,243号的优先权，该申请题为“SHAPED FIBERS FOR HIGH EFFICIENCY BEAM COMBINATION”在先申请的公开内容被认为是本专利申请的一部分，并通过引用结合到本专利申请中。


[0003]本专利技术总体上涉及一种光束组合器和具有非圆形包层的成形光纤，该非圆形包层使得成形光纤能够在包封管内被有效地成束。

技术介绍

[0004]在光学系统中，光束质量通常是指在特定条件下(例如，光束发散度有限)激光束聚焦的紧密程度。例如，高光束质量意味着平滑的波前(wavefront)(例如，光束轮廓上的强相位相关性)，使得用透镜聚焦光束使得光束能够聚焦在波前是平面的地方。另一方面，光束质量差的光束可能具有使光束聚焦更加困难的加扰波前(例如，给定光斑尺寸的光束发散度增加)。经常用于量化光束质量的一个度量是光束参数乘积(BPP)，它被定义为光束半径(在光束腰部测量)和光束发散半角(在远场测量)的乘积。通常，波束质量随着BPP值的增加而降低，反之亦然(例如，较高的BPP与较低的波束质量相关联，而较低的BPP与较高的波束质量相关联)。一般来说，可实现的最小BPP值是λ/π，这对应于波长为λ的理想高斯光束。例如，波长为1064纳米(nm)的光束的最小可能BPP值约为0.339毫米乘以毫弧度(mm
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mrad)。在一些情况下，当光束通过诸如薄透镜这样的非像差光学器件时，BPP可以保持不变或者可以最小程度地增加(例如，不会变得明显更差)(例如，如果透镜在光束腰部产生具有较小半径或较大半径的焦点，则光束发散将相应地增加或减少)。然而，非理想光学器件会导致BPP值显著增加，从而破坏光束质量。例如，在一个或多个光学部件导致光束半径增加而光束发散半角没有相应减小的情况下，BPP值可以显著增加。

技术实现思路

[0005]在一些实施方式中，光纤光学组合器包括具有一几何形状的包封管和在包封管内成束的多个光纤，其中多个光纤包括至少一个光纤，该光纤具有:纤芯；和围绕纤芯的非圆形包层。
[0006]在一些实施方式中，光学组件包括被配置成发射各自光束的多个激光模块；馈送光纤；以及耦合在多个激光器模块和馈送光纤之间的光纤光学组合器，其中该光纤光学组合器包括在包封管内成束的多个光纤，并且其中在包封管内成束的多个光纤每一个包括纤芯和围绕该纤芯的非圆形包层。
[0007]在一些实施方式中，一种方法，包括:接收多个预制件，每个预制件具有纤芯和围绕纤芯的圆形包层；通过从围绕多个预制件中的每一个的纤芯的圆形包层去除材料，形成具有非圆形形状的多个光纤；和将多个光纤在具有一几何形状的包封管内成束。
附图说明
[0008]图1A
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1B是说明光束组合器的一个或多个例子的图。
[0009]图2A
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2E是图示能够实现有效光束组合的成形光纤的一个或多个示例性实施方式的图
[0010]图3是与制造能够实现有效光束组合的成形光纤相关的示例过程的流程图。
具体实施方式
[0011]以下示例性实施方式的详细描述参考了附图。不同附图中的相同附图标记可以标识相同或相似的元件。
[0012]各种激光器架构允许高功率激光源以高光束质量(例如，高辐射率或亮度)工作。然而，现有的激光器结构具有局限性，并且一些激光器应用需要比通过任何已知的激光器技术可获得激光功率和/或亮度的更高的激光功率和/或亮度。在需要高激光功率的激光应用中出现的另一个问题是，高功率激光系统的开发和制造数量很少，使得设备成本很高。解决高功率激光系统中的挑战和/或限制的一个潜在解决方案是使用光束组合，这是指一种光学系统，其中来自多个激光源(例如，在激光阵列中)的输出被组合以获得单个输出光束。因此，使用可扩展的光束组合技术可以产生功率可扩展的激光源，即使单个激光器是不可扩展的。
[0013]例如，图1A
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1B是示出光束组合器的一个或多个示例100的示意图，该光束组合器可用于缩放多千瓦(multi
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kilowatt)光纤激光器中的功率。如图1A所示，可以使用激光模块和组合器方法来配置一个或多个激光模块110以获得最大功率，然后可以通过光纤光学组合器120组合多个激光模块110，以获得更大的总系统功率。在激光模块和组合器方法中使用的常见策略是将几个输入光纤130熔合成束，将该束装入包封管(例如玻璃管)中，并将管折叠到输入光纤130上。输入光纤130可以在锥形化区域122上被蚀刻和/或逐渐锥形化，以获得目标初始直径(例如，直到输入光纤130的纤芯尺寸与输出光纤140匹配)。然后，在光纤束中熔合的输入光纤130可以在锥形腰部124(例如，光纤光学组合器120的直径最小的位置)被劈开，然后，成束的输入光纤130可以被拼接到输出光纤140。
[0014]例如，如图1A所示，所示的光纤光学组合器120是3∶1组合器，其中三根输入光纤130作为一束被装入玻璃管或另一合适的包封管136中。每个输入光纤130包括圆形纤芯132和围绕圆形纤芯132的圆形包层134。该组件然后可以被熔合并逐渐锥形化，这导致光从纤芯132泄漏到相应的包层134中。因此，熔合包层134被离开激光模块110的光照射。如图1A进一步所示，熔合且锥形化的组件的直径与输出光纤140(例如，目标馈送光纤)的纤芯142的直径尺寸匹配。组合束和输出光纤140然后被拼接，完成光纤光学组合器120。可选地，输入光纤130(例如，来自激光模块110的输出光纤)可以被蚀刻和熔合，但是不是锥形的。在这种情况下，光可以保留在输入光纤130的纤芯132中，并且输出(馈送)光纤140的纤芯直径与包围纤芯132的熔合包层138相匹配。具体而言，本文中可能仅参考锥形化情况来描述一些实施方式，但是应当理解，本文中描述的实施方式也适用于蚀刻和熔合情况。
[0015]在使用光束组合的光学组件或光学系统中，一个设计目标是倍增输出功率，但是另一个重要的设计目标是保持光束质量，使得辐射率几乎与输出功率一样增加。因此，在使用图1A所示的激光模块和组合器方法的光学系统中，典型的目标是组合激光模块110，使得
光束参数乘积(beam parameter product：BPP)尽可能小地增加并且没有功率损失。例如，如上所述，BPP通常指光束半径和光束发散角的乘积。BPP类似于或类似于熵，因为对于大多数材料加工应用，具有较低BPP的光束是优选的。此外，BPP通常很容易增加，但是很难或不可能减少。
[0016]在组合了N个激光模块110的光学系统中，理论上完美的组合器120将输出BPP增加为单个输入激光模块110的BPP的倍。定性地说，BPP增加的发生是因为总光束面积增加了N倍，而发散角保持不变，并且BPP缩放为面积的平方根。完美的组合器120将与来自激光模块110的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光纤光学组合器，包括:具有一几何形状的包封管；和在包封管内成束的多个光纤，其中多个光纤包括至少一个光纤，该光纤具有:纤芯；和围绕纤芯的非圆形包层。2.根据权利要求1所述的光纤光学组合器，其中所述非圆形包层具有由一个或多个参数量化的形状，所述一个或多个参数定义了完美圆的一个或多个被去除部分，以实现所述非圆形包层的目标形状。3.根据权利要求2所述的光纤光学组合器，其中所述非圆形包层的形状是具有平坦边缘的近似圆形，并且其中所述一个或多个参数包括平坦深度参数，所述平坦深度参数的值等于所述至少一个光纤的半径与从所述至少一个光纤的中心到所述平坦边缘的距离之间的差。4.根据权利要求3所述的光纤光学组合器，其中所述包封管的内半径等于所述多个光纤的半径与所述平坦深度参数值之间的差。5.根据权利要求3所述的光纤光学组合器，其中所述平坦深度参数的值基于所述包封管的输入端处的、所述包封管的第一内径与所述包封管的输出端处、的所述包封管的第二内径的比或者从所述包封管的输入端到所述包封管的输出端的长度中的一个或多个。6.根据权利要求1所述的光纤光学组合器，其中，所述非圆形包层具有基于在所述包封管内成束的多个光纤的数量的几何结构。7.根据权利要求1所述的光纤光学组合器，其中，相对于全部具有圆形包层的多个光纤，非圆形包层使得多个光纤具有更大的管填充因子和更低的预期光束参数(BPP)乘积增加因子。8.根据权利要求7所述的光纤光学组合器，其中所述管填充因子和预期BPP增加因子基于所述包封管中被所述多个光纤占据的面积。9.根据权利要求1所述的光纤光学组合器，其中所述包封管从所述包封管的输入端到所述包封管的输出端逐渐锥形化。10.根据权利要求1所述的光纤光学组合器，其中所述包封管的输出端的尺寸与耦合到所述包封管的输出端的馈送光纤的纤芯直径匹配。11.一种光学组件，包括:多个激光模块，被配置为发射各自的光束；馈送光纤；和光纤光学组合器，耦合在多个激光器模块和馈送光纤之间，其中该光纤光学组合器包括在包封管内成...

【专利技术属性】
技术研发人员：MH门德尔，P格雷格，RD福尔哈伯，J格雷格，JJ莫雷海德，
申请(专利权)人：朗美通经营有限责任公司，
类型：发明
国别省市：