光纖合束器是獲取高功率光纖激光器的核心部件，通過光纖合束器輸出的激光一般為(wei) 高階模式，光束質量較差。本文介紹了光纖合束器的工作原理和輸出激光M2的計算公式，並且基於(yu) 輸入激光的不同模式進行仿真分析，探究不同輸入激光模式對輸出激光光束質量的影響。
首先，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(hui) 發生延展和塌縮。延展指的是光纖長度伸長而橫截麵積縮小的過程；塌縮指的是光纖熔融粘連的過程。在仿真過程中為(wei) 了簡化模型，我們(men) 假定光纖先延展後塌縮。在塌縮過程中，輸入光纖束的橫截麵會(hui) 變成排布緊密的花瓣形，使得光纖芯徑縮小。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，深灰色部分是輸入光纖之間的空氣間隙，白色部分則是輸入光纖
圖1 輸入光纖束橫截麵示意圖 （a）塌縮前 （b）塌縮後
在仿真過程中我們(men) 設置輸入光纖芯徑和包層直徑分別為(wei) 30μm和250μm，輸出光纖芯徑為(wei) 50um，包層無限大，此時可以計算得到合束器的拉錐比為(wei) 0.069，並且將輸入光纖纖芯相對於(yu) 包層和包層相對於(yu) 套管的數值孔徑分別為(wei) 0.06 和 0.22。纖芯折射率為(wei) 1.45124，輸入光纖包層和輸出光纖纖芯折射率均為(wei) 1.45，玻璃套管和輸出光纖包層折射率設定為(wei) 相同的 1.43321。在輸入光纖束拉錐區域中，錐區長度為(wei) 15mm，錐腰長度為(wei) 5mm。光場的入射波長為(wei) 1.08 μm。
在光纖激光器中，常見的激光模式為(wei) LP01,LP02和LP11。因此，分別針對100%LP01 模、80%LP01+20%LP02 模式和80%LP01+20%LP11 模式三種情況進行仿真。圖2是入射模式分別為(wei) 80%LP01+20%LP02 和 80%LP01+20%LP11 情況下的光纖內(nei) 光束質量。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範圍內(nei) 振蕩，分析可得振蕩的主要原因是激光的波前在光線內(nei) 周期性振蕩。
圖2 不同模式下光纖內(nei) 光束質量
為(wei) 了更好的對比，我們(men) 模擬了基模激光分別從(cong) 三臂輸入光纖合束器的情況，在Z=14mm處的光場分布如下圖3所示。激光計算可得三路合成時x，y方向上的平均光束質量分別為(wei) 5.77和5.80，這樣的結果顯然不夠理想。
圖3 基模三臂入射時Z=14mm處光場分布
為(wei) 了更為(wei) 具體(ti) 地確認入射激光中LP02模和LP11模對光束質量的影響，特意加入了一個(ge) 中間模式——80%LP01+10%LP02+10%LP11。隨後我們(men) 對四種情況進行仿真，得到了四種模式下激光入射到光纖功率合束器後再Z=25mm處的光場分布，如圖4所示。
圖4四種模式下激光入射到光纖功率合束器後再Z=25mm處的光場分布
根據上圖可以發現，激光模式中存在的20%LP02模式對光斑質量沒有太大影響，而LP11模式對光束質量的影響比較大。為(wei) 了進一步得到對比結果，計算四種模式下的光束質量M^2並得到了如圖5所示的結果。
圖5四種模式激光在輸入光纖為(wei) 30/250μm光纖功率合束器中的光束質量
根據圖片結果可以明顯得到80%LP01+20%LP02模式下的光束質量和單純基模輸入的光束質量曲線高度重合，80%LP01+10%LP02+10%LP11模式下的M^2則略高於(yu) 前兩(liang) 者。
由此我們(men) 可以得到，除基模外僅(jin) 含有LP11模的激光比含有同功率占比的LP02模的激光對於(yu) 光線功率合束器輸出激光光束質量的影響更大。
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