多模光纤合束器工作原理、定义、结构、特点及应用是什么？

  在激光技术向万瓦级功率突破的进程中，多模光纤合束器作为连接光源与传输系统的核心器件，正悄然改变着工业加工、国防安全与医疗科研的格局。它通过将多路激光束精准耦合至单根光纤，实现了光能密度的指数级提升，成为高功率光纤激光器、放大器及光交换网络中的“光能枢纽”。今天，四川梓冠光电带你深入了解一下。

  一、多模光纤合束器的定义与工作原理

  多模光纤合束器本质是一种基于熔融拉锥技术的光学耦合器件，其核心功能是将多根光纤的输出光束整合至单根光纤中。其工作原理可类比为“光纤编织术”：通过高温熔融将多根光纤紧密排列并拉伸成锥形结构，使光场在拉锥区发生绝热模式转换，最终将不同输入光束耦合至输出光纤的同一模式中。

  这一过程需严格遵循模场匹配原则。例如，在工业级6kW光纤激光器中，合束器需将4路1550nm激光束耦合至纤芯直径200μm的双包层光纤，同时保持光束质量M²<1.2。这要求输入光纤的数值孔径（NA）与输出光纤的NA值精确匹配，否则将引发模式畸变或能量损耗。

  二、多模光纤合束器的结构解析

  多模光纤合束器的结构设计体现了光学工程的精密美学。其核心部件包括：

  1、输入光纤阵列：通常采用7×1或19×1的多模光纤束，排列方式涵盖正六边形、三角形等紧凑布局，以提升光能密度。

  2、熔锥过渡区：通过氢氧焰或CO₂激光加热，使光纤束在长度10-30mm的区域内直径逐渐收缩，同时保持纤芯折射率梯度分布。

  3、输出耦合端：与双包层光纤的熔接点需满足纤芯对齐精度<1μm，并通过热扩散技术消除界面反射损耗。

  以典型(N+1)×1结构为例，中心单模光纤传输信号光，外围多模光纤传输泵浦光，二者在熔锥区实现空间隔离与能量耦合。这种设计既保证了信号光的低损耗传输，又实现了泵浦光的高效吸收。

  三、多模光纤合束器的特点

  多模光纤合束器的性能评估需兼顾三大核心指标：

  1、功率承载能力：工业级产品已实现单纤输出功率>100kW，泵浦效率突破98%，这得益于双包层光纤内包层与纤芯的数值孔径差优化。

  2、光束质量保持：通过绝热拉锥技术，可使输出光束M²值控制在1.1-1.3范围内，满足精密焊接需求。

  3、环境适应性：采用金属封装与水冷散热结构，可在-40℃至+85℃环境中稳定运行，抗电磁干扰等级达IP65。

  与传统透镜耦合方案相比，多模光纤合束器将耦合效率从60%提升至90%以上，同时将系统体积缩小80%，成为高功率激光器小型化的关键推手。

  四、多模光纤合束器的应用范围

  多模光纤合束器的应用场景正不断拓展：

  1、工业制造：在汽车焊接领域，24kW级合束器可实现30mm碳钢的一次性穿透，焊接速度提升3倍；在3D打印中，7×1合束器使金属粉末熔化效率提高400%。

  2、医疗科技：2μm波段合束器在脂肪消融手术中，可精准控制热影响区至0.5mm以内；1550nm泵浦模块则使手术机器人切割精度达10μm级。

  3、国防安全：8×1合束器构建的激光雷达系统，实现100km测距与厘米级定位精度；多波长合束干扰系统可覆盖0.8-2μm波段，形成电磁压制“光墙”。

  4、科研探索：反向合束器技术已支撑起100kW级激光平台，推动非线性光学与等离子体物理研究；保偏光纤合束器则将天文望远镜分辨率提升3倍。

  从工业4.0的智能产线到深空探测的激光通信，多模光纤合束器正以每平方毫米百万瓦级的光能密度，重新定义着人类利用光能的方式。随着熔融拉锥工艺与双包层光纤材料的持续突破，这一“隐形引擎”或将催生更多应用，为光子时代注入更强劲的动力。