本发明专利技术公开了一种实现LP01模场直径低损耗变换的光纤模场适配器，包括光纤激光器的输出端光纤（10）、大孔径输送光纤（30）和热膨胀芯光纤（20），光纤激光器为V值小于3.83的单模或近单模光纤激光器；热膨胀芯光纤（20）由热膨胀芯光纤包层（21）和位于热膨胀芯光纤包层（21）内的热膨胀芯光纤纤芯（22）组成；大孔径输送光纤（30）的端部经拉锥处理，自然形成与大孔径输送光纤（30）依次相连的锥形区域（40）和拉锥后小孔径区域（50）；热膨胀芯光纤（20）的两端通过电弧放电分别与光纤激光器的输出端光纤（10）和拉锥后小孔径区域（50）熔接。本发明专利技术还同时公开了上述光纤模场适配器的制备方法。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于光纤激光器领域；涉及到一种用于不同几何结构光纤之间的LPtll模式模场转换适配器，尤其适用于单模或近单模高功率光纤激光器输出端光纤到大口径输送光纤之间的低损耗模场直径转换。
技术介绍
高功率光纤激光器可广泛应用在金属切割焊接等加工领域。要提高金属加工的速度和效率，激光器输出光必须具有较高的亮度，也即较高的光束质量，理论上当激光器输出单模高斯分布光场时是该激光器具有最高的光束质量(即M2=l)。为获得单模激光，目前，一种相对简单的光纤激光器解决方案是采用较小纤芯直径的掺稀土元素双包层光纤作为增益光纤，同时也采用相应较小的光纤外包层直径以提高泵浦光的包层吸收效率。激光器主体部分中与增益光纤相匹配的被动光纤亦为单模或近单模光纤，并具有相同的包层直径。这种解决方案的优势表现在首先，该类激光器的光纤结构保证了只有基模LPtll才能在光波导中稳定传播并获得增益放大；其次，由于增益光纤外包层直径较小，泵浦吸收效率得到了提高，增益光纤长度也会随之缩短，从而有效降低了激光器的成本；同时，较小的光纤外径赋予光纤较大的柔性，有利于光纤的铺设，弯曲和缠绕，从而大大降低了工程实施的难度。但是，这种单模激光器的结构在实际应用中也面临着诸多挑战，特别是由于纤芯直径较小，随着光纤激光器功率的增加，非线性效应尤其是拉曼效应将严重制约激光器转换效率。为了有效抑制拉曼效应，需要尽量缩短激光器主体结构中被动光纤的长度。实际应用中可以采用具有较大纤芯直径和较小数值孔径的特种光纤作为输送光纤，通过输送光纤将高亮度的激光输送至待加工金属物件。由于输送光纤的末端要与特殊光学组件(比如圆柱形石英晶体)进行连接处理，工艺上通常要求输送光纤的包层直径不能小于300微米。因此，激光器输出端的单模光纤必须与一条具有较大纤芯直径和较大包层直径的输送光纤进行熔接处理。在安装输送光纤到激光器输出端时，通常不能直接将输送光纤与激光器输出端光纤进行简单的熔接操作，这是因为首先，两段光纤中光的LPtll模场直径相差较大，直接对接会由于模场失配而造成较大光功率损耗，模场直径是衡量单模光纤光学特性的一个重要参数，它表征了一个特定波长的光在传播方向横截面上的光场大小，模场直径的大小不仅取决于光纤的物理结构，还和光波导中所传播的光场的波长有关。当光信号传播经过模场直径存在突变的光纤连接处时，模场失配就会导致光场损耗发生，其中损耗大小可由下式进行估算Γ ΛI /MDFl MDP2\_5] tes(dB) = 20_ 2 [Jim + J1fh) 其中，MDFl和MDF2分别为连接处两端光纤中各自的模场直径值。由于通常单模激光器输出端光纤与输送光纤的LPtll模场直径存在较大差异，直接将二者进行光纤熔接必然会由于模场失配而造成较大的熔接损耗。其次，两段光纤包层外径不一致会增加光纤熔接操作的难度，在熔接操作时，两段外径相差较大的光纤接受电弧放电而产生的热效应并不一致，高温下熔接区域的物理形变对来自光纤表面张力的影响非常敏感，从而导致相连区域机械形变复杂，这不仅影响到熔接区域的光学性质，而且降低了熔接操作的可重复性，反映在批量生产中导致熔接操作一致性差。基于以上原因，通常在进行输送光纤与单模光纤激光器的连接操作时，必须采用特殊工艺制作一种光纤模场适配器作为连接媒介，实现LPtll模场直径在两种光纤之间低损耗变换，从而有效地将单模激光器产生的高亮度光输送至待加工物件。目前已知的一种解决模场失配光纤间的连接方案是对较小模场直径的光纤采用特殊加热方式(如丙烷焰燃烧器)预先进行长时间加热，从而达到扩散纤芯，增加模场直径的目的。但是该方案无法在工业界广泛应用的电弧放电型熔接机上进行操作，另外长时间高电强度的加热对光纤可能造成永久性损伤。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种新型的全光纤模场适配器，用于对单模或近·单模激光器产生的光场进行低损耗LPtll模场直径变换，从而将高功率光纤激光器的输出光高效率地耦合进大孔径的输送光纤。为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种实现LPtll模场直径低损耗变换的光纤模场适配器，包括光纤激光器的输出端光纤和大孔径输送光纤，光纤激光器为V值小于3. 83的单模或近单模光纤激光器；光纤激光器的输出端光纤由激光器输出端光纤包层和位于激光器输出端光纤包层内的激光器输出端光纤纤芯组成；大孔径输送光纤由大孔径输送光纤包层和位于大孔径输送光纤包层内的大孔径输送光纤纤芯组成；激光器输出端光纤纤芯中传播的LPtll模场直径小于大孔径输送光纤纤芯中传播的LPtll模场直经；光纤模场适配器还包括热膨胀芯光纤，所述热膨胀芯光纤由热膨胀芯光纤包层和位于热膨胀芯光纤包层内的热膨胀芯光纤纤芯组成；大孔径输送光纤的端部经拉锥处理，自然形成与大孔径输送光纤依次相连的锥形区域和拉锥后小孔径区域；锥形区域由锥形包层和位于锥形包层内的锥形输送光纤纤芯组成，拉锥后小孔径区域由拉锥后小孔径包层和位于拉锥后小孔径包层内的拉锥后小孔径输送光纤纤芯组成；热膨胀芯光纤的两端通过电弧放电分别与光纤激光器的输出端光纤和拉锥后小孔径区域熔接。作为本专利技术的实现LPtll模场直径低损耗变换的光纤模场适配器的改进熔接后与激光器输出端光纤纤芯相连的热膨胀芯光纤纤芯的端部称为熔接后热膨胀芯光纤纤芯小端部；熔接后与拉锥后小孔径输送光纤纤芯相连的热膨胀芯光纤纤芯的端部称为熔接后热膨胀芯光纤纤芯大端部；热膨胀芯光纤纤芯传播的LPtll初始模场直径介于激光器输出端光纤纤芯中传播的LPtll模场直径大小的90%到97%之间；熔接后热膨胀芯光纤纤芯小端部中传播的LPtll模式模场直径是激光器输出端光纤纤芯中传播的LPtll模式模场直径的98% 102%，熔接后热膨胀芯光纤纤芯大端部中传播的LPtll模式模场直径是拉锥后小孔径输送光纤纤芯中传播的LPtll模式模场直径的98% 102%。本专利技术还同时提供了上述实现LPtll模场直径低损耗变换的光纤模场适配器的制备方法，包括如下步骤I)、制备热膨胀芯光纤热膨胀芯光纤波导结构的设计应满足以下要求首先，包层外径应与光纤激光器的输出端光纤的包层外径一致； 其次，原始状态下热膨胀芯光纤中LPtll模场直径应小于光纤激光器的输出端光纤中的模场直径，并应留有大于5%的膨胀余量；同时为避免光场进入热膨胀芯光纤之后出现明显的颈状细化现象，热膨胀芯光纤纤芯传播的LPtll初始模场直径介于激光器输出端光纤纤芯(12)中传播的LPtll模场直径大小的90%到97%之间；第三，在保证所设计的热膨胀芯光纤能切仅能支持一个轴对称模即LP 01模稳定传播的前提下(V值小于3. 83)，通过掺杂尽量提高纤芯与包层的折射率差值Λη，以此来提高所设计光纤的热膨胀能力；热膨胀芯光纤包层外径=激光器输出端光纤包层的外径；热膨胀芯光纤纤芯的设计要满足以下两个定量条件和一个定性条件第一定量条件，初始模场直径与激光器输出端光纤相比，比值要介于90%到97%之间；第二定量条件，V值小于3. 83 ； 定性条件为Λ η要彡O. 002 ;2)、将大孔径输送光纤的端部经拉锥处理自然形成与大孔径输送光纤依次相连的锥形区域和拉锥后小孔径区域；拉锥后小孔径包层的外径=激光器输出端光纤包层的外径；拉锥后小孔径输送光纤纤芯的本文档来自技高网...
【技术保护点】
实现LP01模场直径低损耗变换的光纤模场适配器，包括光纤激光器的输出端光纤（10）和大孔径输送光纤（30），所述光纤激光器为V值小于3.83的单模或近单模光纤激光器；光纤激光器的输出端光纤（10）由激光器输出端光纤包层（11）和位于激光器输出端光纤包层（11）内的激光器输出端光纤纤芯（12）组成；大孔径输送光纤（30）由大孔径输送光纤包层（35）和位于大孔径输送光纤包层（35）内的大孔径输送光纤纤芯（36）组成；激光器输出端光纤纤芯（12）中传播的LP01模场直径小于大孔径输送光纤纤芯（36）中传播的LP01模场直经；其特征是：所述光纤模场适配器还包括热膨胀芯光纤（20），所述热膨胀芯光纤（20）由热膨胀芯光纤包层（21）和位于热膨胀芯光纤包层（21）内的热膨胀芯光纤纤芯（22）组成；大孔径输送光纤（30）的端部经拉锥处理，自然形成与大孔径输送光纤（30）依次相连的锥形区域（40）和拉锥后小孔径区域（50）；所述锥形区域（40）由锥形包层（33）和位于锥形包层（33）内的锥形输送光纤纤芯（34）组成，所述拉锥后小孔径区域（50）由拉锥后小孔径包层（31）和位于拉锥后小孔径包层（31）内的拉锥后小孔径输送光纤纤芯（32）组成；热膨胀芯光纤（20）的两端通过电弧放电分别与光纤激光器的输出端光纤（10）和拉锥后小孔径区域（50）熔接。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：董浩，
申请(专利权)人：董浩，
类型：发明
国别省市：
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