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近年来,光纤激光器因其光束质量好、转换效率高和结构紧凑等优点,在工业加工、国防军事、生物医疗等多个领域得到了广泛应用,同时随着研究人员的不断探索,其输出功率与光束质量也在不断提升[1-2]。然而受限于热损伤、非线性效应、泵浦亮度和模式不稳定等因素的影响,单根光纤激光器输出功率的提升遇到了瓶颈[3],而通过光纤激光合成技术则可以很好地解决这一问题。其中,基于光纤功率合束器的光纤激光合成技术可以实现全光纤化,具有结构紧凑、可靠性高、成本低、稳定性好等优势,目前被广泛应用于大功率全光纤激光器系统中[4]。作为其核心元器件,能够同时承载高功率和输出高光束质量的光纤功率合束器的研制引起了国内外研究人员的广泛关注。
2011年,美国的JDSU公司采用纤芯直径为20 μm (NA=0.065)的输入光纤和纤芯直径为100 μm的输出光纤制作了7×1光纤功率合束器,对7个功率为600 W的激光器进行合成,最终合成功率为4.2 kW,光束质量为M2≈7.3[5]。2014年,德国的耶拿大学为了提高合束激光的光束质量,将合束器的输出光纤纤芯直径变为50 μm,基于套管法采用两种方案制作了7×1光纤功率合束器,实现了大于5 kW的合束激光输出,测量光束质量分别为M2≈6.5和M2≈4.6[6-7]。2018年,国防科技大学笔者课题组选用20/400 μm的输入光纤,实现了输出光纤为50/70/360 μm (纤芯NA=0.22) 的7×1光纤合束器的研制,将合成功率提高至14 kW,光束质量为M2=5.37[8]。2019年,笔者课题组减少输入光纤路数,采用20/400 μm (NA=0.065)的输入光纤以及50/400 μm (NA=0.12)的输出光纤制作了3×1光纤功率合束器,合成后激光输出功率为6.06 kW,光束质量提高至 M2≈3.69[9]。2020年,课题组为提高单路功率承载能力,采用30/250 μm的光纤作为输入光纤,50/70/360 μm (NA=0.22)作为输出光纤研制3×1光纤功率合束器,实现了单路大于4 kW的激光合束,合成功率大于13 kW,但由于输入激光的光束质量M2约为2,导致合成激光的光束质量也较差,M2约为6左右[10]。同年,中国科学院激光研究中心报道了一款7×1光纤信号合束器,采用25/250 μm的输入光纤以及纤芯直径为100 μm的输出光纤,给出此合束器理论上可以获得大于10 kW的激光功率合成输出,合束器的总传输效率为98.7%[11]。根据目前已有研究来看,光纤功率合束器尚不能较好地兼顾高功率和高光束质量。
文中在前面研究的基础上,为了在保持高光束质量的同时进一步提高合成输出功率,选用可兼顾较大功率承载能力和较好输入光束质量的25/400 μm (NA=0.065)输入光纤,同时采用较少的输入路数,基于光纤包层腐蚀技术研制了输出光纤为50/400 μm (NA=0.12)的可同时承载高功率和保持高光束质量的3×1光纤功率合束器,并对该合束器的承载功率和光束质量进行了测试。