光纖合束器是獲取高功率光纖激光器的核心部件频祝，通過光纖合束器輸出的激光一般為高階模式，光束質(zhì)量較差脆淹。本文介紹了光纖合束器的工作原理和輸出激光M2的計(jì)算公式常空，并且基于輸入激光的不同模式進(jìn)行仿真分析，探究不同輸入激光模式對(duì)輸出激光光束質(zhì)量的影響未辆。
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首先咐柜，建立基本的仿真模型。在光纖功率合束器輸入光纖束拉錐過程中光纖會(huì)發(fā)生延展和塌縮攘残。延展指的是光纖長(zhǎng)度伸長(zhǎng)而橫截面積縮小的過程拙友；塌縮指的是光纖熔融粘連的過程。在仿真過程中為了簡(jiǎn)化模型歼郭，我們假定光纖先延展后塌縮遗契。在塌縮過程中，輸入光纖束的橫截面會(huì)變成排布緊密的花瓣形病曾，使得光纖芯徑縮小牍蜂。如下圖1所示。圖中淺灰色部分是拉錐輸入光纖束外層低折射率玻璃套管泰涂，深灰色部分是輸入光纖之間的空氣間隙鲫竞，白色部分則是輸入光纖
圖1 輸入光纖束橫截面示意圖 （a）塌縮前 （b）塌縮后
在仿真過程中我們?cè)O(shè)置輸入光纖芯徑和包層直徑分別為30μm和250μm，輸出光纖芯徑為50um逼蒙，包層無限大从绘，此時(shí)可以計(jì)算得到合束器的拉錐比為0.069，并且將輸入光纖纖芯相對(duì)于包層和包層相對(duì)于套管的數(shù)值孔徑分別為 0.06 和 0.22。纖芯折射率為 1.45124僵井，輸入光纖包層和輸出光纖纖芯折射率均為1.45陕截，玻璃套管和輸出光纖包層折射率設(shè)定為相同的 1.43321。在輸入光纖束拉錐區(qū)域中批什，錐區(qū)長(zhǎng)度為 15mm农曲，錐腰長(zhǎng)度為 5mm。光場(chǎng)的入射波長(zhǎng)為 1.08 μm驻债。
在光纖激光器中朋蔫，常見的激光模式為L(zhǎng)P01,LP02和LP11。因此却汉，分別針對(duì)100%LP01 模驯妄、80%LP01+20%LP02 模式和80%LP01+20%LP11 模式三種情況進(jìn)行仿真。圖2是入射模式分別為80%LP01+20%LP02 和 80%LP01+20%LP11 情況下的光纖內(nèi)光束質(zhì)量合砂∏嗳樱可以看到80%LP01+20%LP02模式下的M2基本都保持在1.05左右，而80%LP01+20%LP11模式下y方向的M2在1.05~1.15范圍內(nèi)振蕩翩伪，分析可得振蕩的主要原因是激光的波前在光線內(nèi)周期性振蕩微猖。
圖2 不同模式下光纖內(nèi)光束質(zhì)量
為了更好的對(duì)比，我們模擬了基模激光分別從三臂輸入光纖合束器的情況缘屹，在Z=14mm處的光場(chǎng)分布如下圖3所示凛剥。激光計(jì)算可得三路合成時(shí)x，y方向上的平均光束質(zhì)量分別為5.77和5.80轻姿，這樣的結(jié)果顯然不夠理想犁珠。
圖3 基模三臂入射時(shí)Z=14mm處光場(chǎng)分布
為了更為具體地確認(rèn)入射激光中LP02模和LP11模對(duì)光束質(zhì)量的影響，特意加入了一個(gè)中間模式——80%LP01+10%LP02+10%LP11互亮。隨后我們對(duì)四種情況進(jìn)行仿真犁享，得到了四種模式下激光入射到光纖功率合束器后再Z=25mm處的光場(chǎng)分布，如圖4所示豹休。
圖4四種模式下激光入射到光纖功率合束器后再Z=25mm處的光場(chǎng)分布
根據(jù)上圖可以發(fā)現(xiàn)炊昆，激光模式中存在的20%LP02模式對(duì)光斑質(zhì)量沒有太大影響，而LP11模式對(duì)光束質(zhì)量的影響比較大威根。為了進(jìn)一步得到對(duì)比結(jié)果凤巨，計(jì)算四種模式下的光束質(zhì)量M^2并得到了如圖5所示的結(jié)果。
圖5四種模式激光在輸入光纖為30/250μm光纖功率合束器中的光束質(zhì)量
根據(jù)圖片結(jié)果可以明顯得到80%LP01+20%LP02模式下的光束質(zhì)量和單純基模輸入的光束質(zhì)量曲線高度重合洛搀，80%LP01+10%LP02+10%LP11模式下的M^2則略高于前兩者敢茁。
由此我們可以得到，除基模外僅含有LP11模的激光比含有同功率占比的LP02模的激光對(duì)于光線功率合束器輸出激光光束質(zhì)量的影響更大姥卢。
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