光纤合束器是获取高功率光纤激光器的核心部件，通过光纤合束器输出的激光一般为高阶模式，光束质量较差。本文介绍了光纤合束器的工作原理和输出激光M2的计算公式，并且基于输入激光的不同模式进行仿真分析，探究不同输入激光模式对输出激光光束质量的影响。
首先，建立基本的仿真模型。在光纤功率合束器输入光纤束拉锥过程中光纤会发生延展和塌缩。延展指的是光纤长度伸长而横截面积缩小的过程；塌缩指的是光纤熔融粘连的过程。在仿真过程中为了简化模型，我们假定光纤先延展后塌缩。在塌缩过程中，输入光纤束的横截面会变成排布紧密的花瓣形，使得光纤芯径缩小。如下图1所示。图中浅灰色部分是拉锥输入光纤束外层低折射率玻璃套管，深灰色部分是输入光纤之间的空气间隙，白色部分则是输入光纤
图1 输入光纤束横截面示意图 （a）塌缩前 （b）塌缩后
在仿真过程中我们设置输入光纤芯径和包层直径分别为30μm和250μm，输出光纤芯径为50um，包层无限大，此时可以计算得到合束器的拉锥比为0.069，并且将输入光纤纤芯相对于包层和包层相对于套管的数值孔径分别为 0.06 和 0.22。纤芯折射率为 1.45124，输入光纤包层和输出光纤纤芯折射率均为1.45，玻璃套管和输出光纤包层折射率设定为相同的 1.43321。在输入光纤束拉锥区域中，锥区长度为 15mm，锥腰长度为 5mm。光场的入射波长为 1.08 μm。
在光纤激光器中，常见的激光模式为LP01,LP02和LP11。因此，分别针对100%LP01 模、80%LP01+20%LP02 模式和80%LP01+20%LP11 模式三种情况进行仿真。图2是入射模式分别为80%LP01+20%LP02 和 80%LP01+20%LP11 情况下的光纤内光束质量。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范围内振荡，分析可得振荡的主要原因是激光的波前在光线内周期性振荡。
图2 不同模式下光纤内光束质量
为了更好的对比，我们模拟了基模激光分别从三臂输入光纤合束器的情况，在Z=14mm处的光场分布如下图3所示。激光计算可得三路合成时x，y方向上的平均光束质量分别为5.77和5.80，这样的结果显然不够理想。
图3 基模三臂入射时Z=14mm处光场分布
为了更为具体地确认入射激光中LP02模和LP11模对光束质量的影响，特意加入了一个中间模式——80%LP01+10%LP02+10%LP11。随后我们对四种情况进行仿真，得到了四种模式下激光入射到光纤功率合束器后再Z=25mm处的光场分布，如图4所示。
图4四种模式下激光入射到光纤功率合束器后再Z=25mm处的光场分布
根据上图可以发现，激光模式中存在的20%LP02模式对光斑质量没有太大影响，而LP11模式对光束质量的影响比较大。为了进一步得到对比结果，计算四种模式下的光束质量M^2并得到了如图5所示的结果。
图5四种模式激光在输入光纤为30/250μm光纤功率合束器中的光束质量
根据图片结果可以明显得到80%LP01+20%LP02模式下的光束质量和单纯基模输入的光束质量曲线高度重合，80%LP01+10%LP02+10%LP11模式下的M^2则略高于前两者。
由此我们可以得到，除基模外仅含有LP11模的激光比含有同功率占比的LP02模的激光对于光线功率合束器输出激光光束质量的影响更大。
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