多模光纖合束器工作原理、定義、結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)及應(yīng)用是什么？

  在激光技術(shù)向萬瓦級(jí)功率突破的進(jìn)程中，多模光纖合束器作為連接光源與傳輸系統(tǒng)的核心器件，正悄然改變著工業(yè)加工、國防安全與醫(yī)療科研的格局。它通過將多路激光束精準(zhǔn)耦合至單根光纖，實(shí)現(xiàn)了光能密度的指數(shù)級(jí)提升，成為高功率光纖激光器、放大器及光交換網(wǎng)絡(luò)中的“光能樞紐"。今天，四川梓冠光電帶你深入了解一下。

  一、多模光纖合束器的定義與工作原理

  多模光纖合束器本質(zhì)是一種基于熔融拉錐技術(shù)的光學(xué)耦合器件，其核心功能是將多根光纖的輸出光束整合至單根光纖中。其工作原理可類比為“光纖編織術(shù)"：通過高溫熔融將多根光纖緊密排列并拉伸成錐形結(jié)構(gòu)，使光場在拉錐區(qū)發(fā)生絕熱模式轉(zhuǎn)換，最終將不同輸入光束耦合至輸出光纖的同一模式中。

  這一過程需嚴(yán)格遵循模場匹配原則。例如，在工業(yè)級(jí)6kW光纖激光器中，合束器需將4路1550nm激光束耦合至纖芯直徑200μm的雙包層光纖，同時(shí)保持光束質(zhì)量M2<1.2。這要求輸入光纖的數(shù)值孔徑（NA）與輸出光纖的NA值精確匹配，否則將引發(fā)模式畸變或能量損耗。

  二、多模光纖合束器的結(jié)構(gòu)解析

  多模光纖合束器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體現(xiàn)了光學(xué)工程的精密美學(xué)。其核心部件包括：

  1、輸入光纖陣列：通常采用7×1或19×1的多模光纖束，排列方式涵蓋正六邊形、三角形等緊湊布局，以提升光能密度。

  2、熔錐過渡區(qū)：通過氫氧焰或CO?激光加熱，使光纖束在長度10-30mm的區(qū)域內(nèi)直徑逐漸收縮，同時(shí)保持纖芯折射率梯度分布。

  3、輸出耦合端：與雙包層光纖的熔接點(diǎn)需滿足纖芯對(duì)齊精度<1μm，并通過熱擴(kuò)散技術(shù)消除界面反射損耗。

  以典型(N+1)×1結(jié)構(gòu)為例，中心單模光纖傳輸信號(hào)光，外圍多模光纖傳輸泵浦光，二者在熔錐區(qū)實(shí)現(xiàn)空間隔離與能量耦合。這種設(shè)計(jì)既保證了信號(hào)光的低損耗傳輸，又實(shí)現(xiàn)了泵浦光的高效吸收。

  三、多模光纖合束器的特點(diǎn)

  多模光纖合束器的性能評(píng)估需兼顧三大核心指標(biāo)：

  1、功率承載能力：工業(yè)級(jí)產(chǎn)品已實(shí)現(xiàn)單纖輸出功率>100kW，泵浦效率突破98%，這得益于雙包層光纖內(nèi)包層與纖芯的數(shù)值孔徑差優(yōu)化。

  2、光束質(zhì)量保持：通過絕熱拉錐技術(shù)，可使輸出光束M2值控制在1.1-1.3范圍內(nèi)，滿足精密焊接需求。

  3、環(huán)境適應(yīng)性：采用金屬封裝與水冷散熱結(jié)構(gòu)，可在-40℃至+85℃環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行，抗電磁干擾等級(jí)達(dá)IP65。

  與傳統(tǒng)透鏡耦合方案相比，多模光纖合束器將耦合效率從60%提升至90%以上，同時(shí)將系統(tǒng)體積縮小80%，成為高功率激光器小型化的關(guān)鍵推手。

  四、多模光纖合束器的應(yīng)用范圍

  多模光纖合束器的應(yīng)用場景正不斷拓展：

  1、工業(yè)制造：在汽車焊接領(lǐng)域，24kW級(jí)合束器可實(shí)現(xiàn)30mm碳鋼的一次性穿透，焊接速度提升3倍；在3D打印中，7×1合束器使金屬粉末熔化效率提高400%。

  2、醫(yī)療科技：2μm波段合束器在脂肪消融手術(shù)中，可精準(zhǔn)控制熱影響區(qū)至0.5mm以內(nèi)；1550nm泵浦模塊則使手術(shù)機(jī)器人切割精度達(dá)10μm級(jí)。

  3、國防安全：8×1合束器構(gòu)建的激光雷達(dá)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)100km測距與厘米級(jí)定位精度；多波長合束干擾系統(tǒng)可覆蓋0.8-2μm波段，形成電磁壓制“光墻"。

  4、科研探索：反向合束器技術(shù)已支撐起100kW級(jí)激光平臺(tái)，推動(dòng)非線性光學(xué)與等離子體物理研究；保偏光纖合束器則將天文望遠(yuǎn)鏡分辨率提升3倍。

  從工業(yè)4.0的智能產(chǎn)線到深空探測的激光通信，多模光纖合束器正以每平方毫米百萬瓦級(jí)的光能密度，重新定義著人類利用光能的方式。隨著熔融拉錐工藝與雙包層光纖材料的持續(xù)突破，這一“隱形引擎"或?qū)⒋呱鄳?yīng)用，為光子時(shí)代注入更強(qiáng)勁的動(dòng)力。