光纤合束器的模式控制及其关键技术研究

Fiber combiner plays a key role in constructing high power fiber lasers and amplifiers. The beam coming out of the fiber combiner, however, usually exhibits poor beam quality, which limits the overall performance and application of the fiber combiner. Based on my previous work supported by the ‘Youth Science Foundation’ and the excellent fiber post-processing facility in our laboratory, this project aims at studying in depth the underlying physics of the mode propagation and conversion within the fiber combiner. In particular, we will investigate and study the following aspects. (1) Build the theoretical model of mode propagation in tapered fiber bundle and carry out numerical simulation to analyze the mode propagation characteristics. (2) Develop the simulation tool for mode conversion in fiber combiners, with focus on the mode conversion at the critical splicing point between the multimode fiber and the tapered bundle. (3) Improve the current post-processing fiber techniques, realizing the manufacture of fiber combiners，particularly the tapering and cleaving technique of fiber bundle and the low-loss splicing technique of multimode fibers. (4) Build the experiment platform for controlling the modal characteristics of fiber combiners, experimentally investigate the factors influencing the output beam quality, and demonstrate improved beam quality by controlling the modal components of the fiber combiner. The research will benefit many important areas such as high power fiber lasers research and related devices development, military, as well as commercial applications.

光纤合束器是实现大功率光纤激光输出的关键元器件，但其光束质量差严重限制了光纤合束器的应用范围。本项目拟在青年科学基金研究工作基础上，依托实验室的光纤后处理平台，深入研究光纤合束器的模式传输和转化的基础物理问题。具体内容有：1）建立多根光纤熔融组束拉锥后模式传输的理论模型并进行仿真计算，实现其模式的传输特性研究；2）建立光纤合束器模式转化的理论模型并进行仿真计算，重点研究多模光纤与熔融组束拉锥光纤熔接处的模式转化和控制问题；3）完善光纤后处理平台，实现光纤合束器的研制，重点突破熔融组束拉锥光纤的低损耗拉锥、切割技术、与多模光纤的低损耗熔接等技术；4）建立光纤合束器模式控制的实验系统，结合理论分析探寻由模式转化引起光束质量变化的内在规律及物理内涵，研究模式控制的方法，提出并实现通过模式控制来提升光束质量的方法。研究结果对大功率光纤激光的科学实验研究、器件开发、军事及商业应用等具有深远意义。

光纤功率合束器是实现高功率光纤激光的核心元器件，可将多个中等功率的光纤激光器进行功率合成，以获得更高功率的光纤激光输出，解决单根光纤激光器功率进一步提升所遇到的瓶颈问题。本项目依托实验室的光纤后处理平台，旨在攻克高功率高光束质量光纤功率合束器的关键技术，实现光纤功率合束器的国产化。本项目的实施过程中，主要研究内容有：1）建立多根光纤熔融组束拉锥后模式传输的理论模型并进行仿真计算，实现了其模式的传输特性研究；2）建立光纤合束器模式转化的理论模型并进行仿真计算，研究输出光纤与熔融组束拉锥光纤熔接后的模式转化；3）完善光纤后处理平台，实现高功率高光束质量光纤合束器的研制，重点突破熔融组束拉锥光纤的低损耗拉锥、切割技术、与多模光纤的低损耗熔接等技术；4）通过控制输出光纤的纤芯直径，实现了高功率高光束质量光纤合束器的研制。项目取得的重要结果有:1）实现了输出光纤芯径为100微米3*1\4*1\7*1光纤合束器的研制，单臂承载功率大于2kW,整体承载功率大于14kW，耦合效率大于98%，光束质量M2约为10，为工业用多模光纤激光器提供了重要的器件支撑；2）实现了输出光纤芯径为50微米3*1\4*1\7*1光纤合束器的研制，单臂承载功率大于2kW,整体承载功率大于10kW，耦合效率大于98%，光束质量M2约为5，为获得高功率高光束质量光纤激光提供了重要的技术支撑。研究结果对实现大功率高光束质量的光纤激光提供了强有力的技术支撑，同时大功率光纤激光对科学实验研究、器件开发、军事及商业应用等具有深远意义。