光束净化组件及装置

技术领域

本申请涉及光纤及激光应用领域，尤其是涉及一种光束净化组件及装置。

背景技术

近年来在激光技术高功率化的发展趋势推动下，很多高功率激光系统为了达到更高的输出功率，不得不在一定程度上牺牲输出光束的光束质量，为了改善光束质量常常使用针孔对光束进行过滤，但是这种方法只能用于多模程度不是很高的光束，并且会在光束过滤时大量消耗光束能量，净化效率极低。

发明内容

本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本申请提出一种光束净化组件，能够在保证光束质量的同时，提高净化效率。

本申请还提出一种具有上述光束净化组件的光束净化装置。

根据本申请的第一方面实施例的光束净化组件，包括：

光纤耦合器，用于接收初始光束，并将所述初始光束分为第一光束、第二光束；

多模光纤环形器，所述多模光纤环形器的第一端口与所述光纤耦合器的第一输出端口耦合连接，用于接收所述第一光束；

第一多模光纤，所述第一多模光纤的一端与所述多模光纤环形器的第二端口连接；

单模光纤环形器，所述单模光纤环形器的第一端口与所述光纤耦合器的第二输出端口耦合连接，用于接收所述第二光束；

第一单模光纤，所述第一单模光纤的一端与所述单模光纤环形器的第二端口连接；

第二单模光纤，所述第二单模光纤的一端与所述单模光纤环形器第三端口连接；

锥形光纤，所述锥形光纤的一端与所述第二单模光纤的另一端连接，所述锥形光纤的另一端与所述第一多模光纤的另一端连接。

根据本申请实施例的光束净化组件，至少具有如下有益效果：通过设置锥形光纤，使得光束通过单模光纤进入多模光纤后仍能保持其在单模光纤中的基模形态，并利用受激布里渊散射放大效应的原理，实现光束质量的改善、提高输出光束的质量，并且该光束净化组件对光束的净化效率很高，可以达到90％。

根据本申请的一些实施例，所述光束净化组件还包括：第二多模光纤，所述第二多模光纤的一端与所述光纤耦合器，另一端与所述多模光纤环形器连接。

根据本申请的一些实施例，所述第一光束与所述第二光束的能量比值为99:1。

根据本申请的一些实施例，还包括：第一透镜，与所述多模光纤环形器的第三端口连接，用于将输出光束转化为空间光束。

根据本申请的一些实施例，还包括：光纤-空间耦合器，与所述多模光纤环形器的第三端口连接，用于将输出光束转化为空间光束。

根据本申请的一些实施例，所述第一多模光纤的长度大于100米。

根据本申请的一些实施例，所述第一单模光纤的长度大于1000米。

根据本申请的第二方面实施例的光束净化装置，包括根据本申请的第一方面实施例的光束净化组件，还包括：

光源组件；

第三多模光纤，所述第三多模光纤的输入端与所述光源组件连接；

光纤隔离器，所述光纤隔离器的一端与所述第三多模光纤的输出端连接，另一端与所述光束净化组件连接。

根据本申请实施例的光束净化装置，至少具有如下有益效果：光束净化装置包括上述光束净化组件，通过设置锥形光纤，使得光束通过单模光纤进入多模光纤后仍能保持其在单模光纤中的基模形态，并利用受激布里渊散射放大效应的原理，实现光束质量的改善、提高输出光束的质量，并且该光束净化组件对光束的净化效率很高，可以达到90％。

根据本申请的一些实施例，所述光源组件包括：激光器；第二透镜，用于对所述激光器发出的光束进行耦合。

根据本申请的一些实施例，所述第二透镜还可以为光纤空间耦合器。

本申请的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

下面结合附图和实施例对本申请做进一步的说明，其中：

图1为本申请实施例光束净化组件的结构示意图；

图2为图1中锥形光纤700的示意图；

图3A为本申请实施例中锥形光纤输入端的光斑形态示意图；

图3B为本申请实施例中锥形光纤输出端的光斑形态示意图；

图4为本申请实施例光束净化装置的结构示意图；

图5A为本申请实施例激光器发出光束的波形图；

图5B为本申请实施例输出光束的波形图。

附图标记：

光纤耦合器100、多模光纤环形器200、第一多模光纤300、单模光纤环形器400、第一单模光纤500、第二单模光纤600、锥形光纤700、第二多模光纤800、第一透镜900、光源组件1000、激光器1100、第二透镜1200、第三多模光纤2000、光纤隔离器3000。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

在本申请的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请的描述中，若干的含义是一个以上，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本申请的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本申请中的具体含义。

本申请的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

下面参考图1和图2描述根据本申请实施例的光束净化组件。

如图1和图2所示，根据本申请实施例的光束净化组件，包括光纤耦合器100、多模光纤环形器200、第一多模光纤300、单模光纤环形器400、第一单模光纤500、第二单模光纤600和锥形光纤700。

光纤耦合器100用于接收初始光束后，并将初始光束分为第一光束、第二光束，第一光束从光纤耦合器100的第一输出端口输出，第二光束从光纤耦合器100的第二输出端口输出；多模光纤环形器200的第一端口与光纤耦合器100的第一输出端口耦合连接，用于接收第一光束；第一多模光纤300的一端与多模光纤环形器200的第二端口连接；单模光纤环形器400的第一端口与光纤耦合器100的第二输出端口耦合连接，用于接收第二光束；第一单模光纤500的一端与单模光纤环形器400的第二端口连接；第二单模光纤600的一端与单模光纤环形器400第三端口连接；锥形光纤700的一端与第二单模光纤600的另一端连接，另一端与第一多模光纤300的另一端连接。

例如，如图1所示，光纤耦合器100接收外部输入的初始光束，将初始光束分为第一光束、第二光束两部分，其中光纤耦合器100的耦合比为99:1，第一光束具有初始光束99％的能量、第二光束具有初始光束1％的能量。多模光纤环形器200的第一端口与光纤耦合器100的第一输出端口耦合连接、第二端口与第一多模光纤300连接；单模光纤环形器400的第一端口与光纤耦合器100的第二输出端口耦合连接、第二端口与第一单模光纤500连接、第三端口与第二单模光纤600连接；锥形光纤700的一端与第二单模光纤600连接，另一端与第一多模光纤300连接，从而形成光路。

第一光束从多模光纤环形器200的第一端口输入、第二端口输出，正向进入第一多模光纤300中，成为受激布里渊散射放大效应的泵浦光。第二光束从单模光纤环形器400的第一端口、第二端口输出，进入第一单模光纤500中，第二光束在第一单模光纤500内发生受激布里渊散射产生效应。受激布里渊散射产生效应产生的斯托克斯光从第一单模光纤500原路返回至单模光纤环形器400，由第二端口输入、第三端口输出至第二单模光纤600。第二单模光纤600中的基模光束由锥形光纤700诱导进入第一多模光纤300中，基模光束反向进入第一多模光纤300中作为受激布里渊散射放大效应的种子光。单模光纤环形器400和第一单模光纤500用于形成受激布里渊散射产生效应，使用单模光纤环形器400和第一单模光纤500的成本低，且不需要外加电源，可以理解的是，还可以使用相位调制器等器件进行代替单模光纤环形器400和第一单模光纤500产生布里渊散射产生效应。在第一多模光纤300中，由于种子光经过了一次受激布里渊散射产生效应，与泵浦光的频率差值刚好为光纤的布里渊频率差值，因此泵浦光与种子光相遇后会发生受激布里渊散射放大效应，使得泵浦光中的大部分能量转移至种子光中，从而实现光束的净化、提高了输出光束的质量。光束从多模光纤环形器200的第一端口输出，输出光束为光纤光。

其中，锥形光纤700通过熔融拉锥法获得，也可以通过直接拉锥的方式获得，如图2所示，锥形光纤700的锥度较小，满足光纤的慢变近似条件，锥形光纤700一端与第二单模光纤600连接，另一端与第一多模光纤300连接。种子光从第二单模光纤600进入锥形光纤700的光斑形态示意图如图3A所示，从第一多模光纤300输出的光斑形态示意图如图3B所示。种子光在从第二单模光纤600进入第一多模光纤300的传输过程中，能够保持其本身的基模形态，因此最终才能在输出质量良好的光束。

根据本申请实施例的光束净化组件，通过设置锥形光纤，使得光束通过单模光纤进入多模光纤后仍能保持其在单模光纤中的基模形态，并利用受激布里渊散射放大效应的原理，实现光束质量的改善、提高输出光束的质量，并且该光束净化组件对光束的净化效率很高，可以达到90％。

在本申请的一些实施例中，光束净化组件还包括：第二多模光纤，第二多模光纤的一端与光纤耦合器，另一端与多模光纤环形器连接。如图1所示，第二多模光纤800设置于光纤耦合器100与多模光纤环形器200之间，一端与光纤耦合器100的输出端耦合连接，另一端与多模光纤环形器200的第一端口连接，用于传输第一光束。其中，第二多模光纤800采用大芯径的多模光纤。

在本申请的一些实施例中，第一光束与第二光束的能量比值为99:1。初始光束通过耦合比为99:1的光纤耦合器后，分为第一光束、第二光束，其中第一光束与第二光束的能量比值为99:1。第一光束经过第二多模光纤、多模光纤环形器、第一多模光纤后，成为受激布里渊散射放大效应的泵浦光；第二光束经过单模环形器、第一单模光纤、第二单模光纤后，进入第一多模光纤成为受激布里渊散射放大效应的种子光。泵浦光与种子光相遇后发生受激布里渊散射放大效应，使得泵浦光的大部分能量转移到种子光中，从而完成对光束的净化。可以理解的是，第一光束与第二光束的能量比值为其他比值，根据实际需求进行设定。

在本申请的一些实施例中，还包括：第一透镜，与多模光纤环形器的第三端口连接，用于将输出光束转化为空间光束。当输出光束要求为空间光束时，如图1所示，光束净化组件还包括第一透镜900，第一透镜900与多模光纤环形器200的第三端口连接。泵浦光与种子光在第一多模光纤300中相遇后发生受激布里渊散射放大效应，使得泵浦光的大部分能量转移到种子光中，从而形成斯托克斯光。斯托克斯光反向传输至多模光纤环形器200中，由第二端口输入，第三端口输出，多模光纤环形器200第三端口与第一透镜连接，用于对输出光束进行处理，转换为空间光束。其中，第一透镜900为凸透镜。

在本申请的一些实施例中，还包括：光纤-空间耦合器，光纤-空间耦合器与多模光纤环形器的第三端口连接，用于将输出光束转化为空间光束。泵浦光与种子光在第一多模光纤中相遇后发生受激布里渊散射放大效应，使得泵浦光的大部分能量转移到种子光中，从而形成斯托克斯光。斯托克斯光反向传输至多模光纤环形器中，由第二端口输入，第三端口输出，多模光纤环形器第三端口与光纤-空间耦合器连接，用于对输出光束进行处理，转换为空间光束。

在本申请的一些实施例中，第一多模光纤的长度大于100米。第一多模光纤是产生受激布里渊散射放大效应的器件，因此为了提高布里渊增益，使用的第一多模光纤长度往往较长；第一多模光纤的长度选择在100米以上，能够有效提高布里渊增益，增强光束净化能力。可以理解的是，第一多模光纤的长度可以根据输入光束的的功率和脉冲宽度进行适应性调节。

在本申请的一些实施例中，第一单模光纤的长度大于1000米。第一单模光纤是发生受激布里渊散射产生效应的器件，由于第二光束只有初始光束1％的能量，因此即使第一单模光纤的纤芯直径很小、光束的功率密度较大，也不容易产生受激布里渊散射效应。根据受激布里渊散射的增益公式：G＝gIL，其中g为介质系数、I为光强、L为光纤长度，在介质确定的情况下，g为常数。当光纤与入射功率一定时，要发生受激布里渊散射效应，光纤的长度需要足够长，比较合适的长度在1000米以上。

在一些实施例中，本申请实施例还提供一种光束净化装置，包括：根据本申请上述实施例中任一项中的光束净化组件、光源组件、第三多模光纤和光纤隔离器，第三多模光纤的输入端与光源组件连接，光纤隔离器的一端与第三多模光纤的输出端连接，另一端与光束净化组件连接。

如图4所示，光源组件1000与第三多模光纤2000连接，第三多模光纤2000用于将光源组件1000发出的初始光源传输至净化组件进行处理，在第三多模光纤2000与光束净化组件之间还设置有光纤隔离器3000。光纤隔离器3000是一种非互易性器件，只允许光束往一个方向进行传输，防止光束往其他方向尤其是反方向传输，减少反射光对光源输出功率稳定性产生的影响。

通过本申请实施例的光束净化装置，光束净化装置包括上述光束净化组件，通过设置锥形光纤，使得光束通过单模光纤进入多模光纤后仍能保持其在单模光纤中的基模形态，并利用受激布里渊散射放大效应的原理，实现光束质量的改善、提高输出光束的质量，通过该光束净化装置输出光的光束质量因子M

在本申请的一些实施例中，光源组件包括：激光器；第二透镜，用于对所述激光器发出的光束进行耦合。如图4所示，激光器1100发出光束后，第二透镜1200对光束进行耦合，将光束耦合进入第三多模光纤2000中，通过第三多模光纤2000对光束进行传输。其中，第二透镜1200使用的是凸透镜，激光器1100发出的光束为质量较差的空间光束，空间光束通过光纤耦合器后得到初始光束，初始光束进入光束净化组件中进行处理，将初始光束进行净化，提高输出光束的质量。

在本申请的一些实施例中，第二透镜还可以为光纤-空间耦合器。通过光纤-空间耦合器对光束进行耦合，将光束耦合进入第三多模光纤中。激光器发出的光束为质量较差的空间光束，空间光束通过光纤耦合器后得到初始光束，初始光束进入光束净化组件中进行处理，将初始光束进行净化，提高输出光束的质量。

下面参考图1至图5以一个具体的实施例详细描述根据本申请实施例的光束净化装置。值得理解的是，下述描述仅是示例性说明，而不是对本申请的具体限制。

如图1和图5所示，激光器1100发出的光束为质量较差的空间光束，空间光束由第二透镜1200耦合进入第三多模光纤2000中传输，通过光纤隔离器3000后得到初始光束，初始光束进入光束净化组件中进行处理。第二透镜1200可以采用凸透镜、光纤-空间耦合器等耦合器件。其中，激光器1100发出的光束可以为连续光束或脉冲光束，根据受激布里渊散射放大效应，当脉冲光束的宽度小于布里渊声子寿命时，无法产生受激布里渊散射放大效应。根据材料的不同，布里渊声子寿命也会有所区别，因此建议最好不小于1ns。当入射光束为脉冲光束时，入射光束的波形图如图5A所示，输出光束的波形如图5B所示，基本保持了入射光束的波形；而当入射光束为连续光束时，输出光束不会发生变化。

光束净化组件包括光纤耦合器100、多模光纤环形器200、第一多模光纤300、单模光纤环形器400、第一单模光纤500、第二单模光纤600、锥形光纤700、第二多模光纤800等。初始光束进入耦合比为99:1的光纤耦合器100中，被分为第一光束和第二光束，其中第一光束具有初始光束99％的能量，第二光束具有初始光束1％的能量。第一光束进入第二多模光纤800中，由多模光纤环形器200的第一端口输入、第二端口输出，正向进入第一多模光纤300中，成为受激布里渊散射放大效应的泵浦光。

第二光束由单模光纤环形器400的第一端口输入、第二端口输出，进入第一单模光纤500中，第二光束在第一单模光纤500内发生受激布里渊散射产生效应，产生斯托克斯光。斯托克斯光沿着第一单模光纤500原路返回至单模光纤环形器400中，由单模光纤环形器400的第二端口输入、第三端口输出进入第二单模光纤600，第一单模光纤500中的基模光束由锥形光纤700诱导进入第一多模光纤300中，该光束反向进入第一多模光纤300中作为受激布里渊散射放大效应的种子光。

在第一多模光纤300内发生受激布里渊散射放大效应，由于种子光经过了一次受激布里渊散射产生效应，与泵浦光的频率差值正好为光纤的布里渊频率差值，因此泵浦光与种子光相遇后会发生受激布里渊散射放大效应，使得泵浦光的大部分能量转移到种子光中。能量放大后的种子光反向输入至多模光纤环形器200的第二端口、由第三端口输出，在第三端口连接有第一透镜900，用于将输出光束转化为空间光束，第一透镜900可以采用凸透镜、光纤-空间耦合器等光学器件。其中第一多模光纤300的长度根据激光器1100发出光束的功率进行选择，纤芯直径大小与第二多模光纤800、第三多模光纤2000的纤芯直径大小相同，可以理解的是，第一多模光纤300的纤芯直径大小也可以根据激光器1100发出光束的功率进行选择。

本申请实施例的光束净化装置的净化效率与激光器1100发出光束的功率和能量有关，根据受激布里渊散射放大效应的原理可知，泵浦功率越高，泵浦利用率越大。当激光器1100发出的光束功率极高时，泵浦利用率可以达到99％；在有限功率下，泵浦利用率也能够达到90％。

根据本申请实施例的光束净化装置，通过设置锥形光纤能够保证输出光束具有较高的质量，光束通过单模光纤后仍能保持本身的基模，并利用受激布里渊散射放大效应的原理，实现光束质量的改善、提高输出光束的质量，并且该光束净化组件对光束的净化效率很高，可以达到90％；光束净化装置对于输入光束无特殊要求，可以用于连续光束，也可以用于脉冲光束，扩大了应用范围。

上面结合附图对本申请实施例作了详细说明，但是本申请不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本申请宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。