泵浦合束器4合束器基本结构及损耗来源分析

按照应用方式，端面泵浦的合束器可以分为N×1和(N 1)×1两种类型。N×1型是由N根同类型光纤经熔融拉锥截断，再与一根双包层光纤熔接而成，而(N 1)×1泵浦合束器(PumpCombiner)是一类由多根泵浦光纤与信号光纤结合组成的用于泵浦耦合的光纤器件。型是使N根同类型光纤紧密围绕中心一信号光纤合束熔融拉锥截断之后，再与一根折射率分布匹配的双包层光纤熔接而成。前者适用于光纤激光器结构中，后者适用在光纤放大器系统中。

合束器在设计和制造上要满足亮度守恒原理：NA1D1≤NA2D2，D1和NA1分别为输入光纤组的横截面积和数值孔径，D2和NA2分别为输出光纤的横截面积和数值孔径，否则泵浦光无法有效地传导进双包层光纤中，造成大量的光泄露。合束器作为一个无源光学耦合器件，在制造过程中难免引入各种损耗，造成从各臂输入的光功率损失，而这部分损失能量会以热量的形式耗散或者沉积，沉积的热量导致了合束器结构中各部位的温度升高。合束器的损耗大致由以下几种情况造成：数值孔径变形，端面的不匹配，熔接点损耗，弯曲损耗，工艺的缺陷等。不同制作工艺情况下得到的合束器的特性各有所差异，文中从整体角度考虑，对两类国产合束器进行实际测试，分析泵光损耗、回光功率、环境温度等不同情况下，合束器功率和温度分布特性。

1999年,美国的DavidJohnDgiovanni等人[35]就提出了锥形光纤束结构的泵浦合束器,虽然是以端泵型泵浦合束器的概念提出的,但这种锥形光纤束结构也在侧泵型泵浦合束器中得到延伸。迄今为止,几乎所有的泵浦合束器都是由这种锥形光纤束的结构发展起来的。2004年,美国亚利桑那大学的Andrey等人报道了用玻璃套管法制备的NX1型泵浦合束器。由于数值孔径的不匹配,制备的7X1型、19X1型泵浦合束器达到的耦合效率分别为70%和30%。

2006年,加拿大的ITF的FranpoisSeguin等人对NX1泵浦合束器的封装结构进行了热分析,得到了加载泵浦功率为IkW时,合束器的温升约2(rC的结论,标志其生产的泵浦合束器巳可达kW级水平。实际上,ITF一直致力于高功率泵浦合束器的研制,自2007年以来,已发表多项泵浦合束器相关专利。如今,ITF生产的泵浦合束器已实现商品化,他们生产的高功率泵浦合束器,如7X1型、(6 1)XI型泵浦合束器的耐受功率大于1.2kW,泵浦损耗可低于0.IdB,信号光损耗不大于0.5dB此类产品在高功率光纤激光器研究领域中得到普遍运用。

2008年,武汉发表了(N 1)XI侧面录浦合束器的研制成果,这种合束器封装后的形态。产品的泵浦耦合效率高于90%,信号光的插入损耗小于0.2dB。将这种侧面泵浦的(N 1)XI合束器用在光纤放大器中,实现了400W的1064nm激光功率输出,其中泵浦合束器中信号光的功率为70W。

2010年,来自德国的CesarJauregui等人报道了一种锥形石英管结构的(N 1)X1侧泵型泵浦合束器。这种合束器的可耐受功率大于86W,泵浦耦合效率稍高于80%,导致泵浦亲合效率不高的原因可能是锥形毛细管的表面并不光滑,且在锥形毛细管的末端有光线池漏。

2011年,意大利的AndreaBraglia等人用自制的“输入光纤规则排列设备”研制了(6 1)XI端泵型泵浦合束器。同样,他们也利用了石英套管法,制得的泵浦合束器的耦合效率约94%。同年,清华大学的Qirong.Xiao等报道了研制的7X1端泵型泵浦合束器,在对输入光纤束合束的方法上,他们并没有用石英玻璃套管法,而是利用特殊的夹具对7根输入光纤束进行扭转打结,从而得到紧密贴合的输入光纤束,扭转打结法的。清华大学研制的这种7X1端泵型泵浦合束器的输入光纤为7根200/220的多模光纤,数值孔径为0.22,输出光纤为1根20/400双包层光纤,包层数值孔径为0.46。经测试,这种结构的泵浦合束器的耦合效率为96.8%,耐受功率约1032W,达到当时国内泵浦合束器耐受功率的最高水平。

2012年,德国的ThomasTheeg等人报道了研制的侧泵型泵浦合束器。这种结构的泵浦合束器的制备工艺较为复杂,需先对中心的信号光纤周围的泵浦光纤进行独立拉锥,然后再将它们扭转以与信号光纤贴合,然后再利用高温将之馆接在信号光纤上,在此过程中,需对火焰温度的进行控制,以保证信号光纤不会变形。这种合束器的耐受功率大于400W,泵浦耦合效率在89%-95%之间。同样在2012年,清华大学的QirongXiao报道了一种(8 1)X1结构的侧泵型泵浦合束器,这种合束器的信号光纤纤芯直径较大,为lOOum,纤芯数值为0.054,周围8根泵浦光纤的尺寸在105/125ym,数值孔径为0.15。事实上,这种方法在ITF的2011年授权的专利中有所提及。基本步骤是先将泵浦光纤独立拉锥,然后将拉锥后的泵浦光纤均匀排列在信号光纤周围并扭转贴合,再用火焰将泵浦光纤与信号光纤溶接,在束腰处对其切割后再与输出光纤溶接,这样合束器就制备完成了。此合束器的泵浦耦合效率为96.8%,信号光传输效率为98%,将它用于光纤激光器中,得到了87W的激光输出。

2013年,清华大学的Qirong,Xiao报道了耐受功率为3.01kW的7X1泵浦合束器,达到了公开报道的NX1泵浦合束器耐受功率的最高水平_。同年,Qirong,Xiao报道了一种(2 1)XI侧泵型泵浦合束器,泵浦光纤为200/220um,数值孔径为0.22的多模光纤,信号光纤的内包层直径250um,数值孔径0.46。泵浦光纤锥区长度约2.5cin,泵浦光和信号光的耦合效率均大于96%,单臂耐受功率达到200W水平。

泵浦合束器的基本原理是对光纤塑形后直接利用溶接的方式实现光束耦合,为达到高的耦合效率,泵浦合束器满足的条件是:耦合输入光纤(束)的数值孔径不大于亲合输出光纤的数值孔径NA_out即:

NA_in<=NA_out(式1-1)

泵浦合束器的分类可以从结构上分为两大类,一类为NX1型泵浦合束器,另一类为(N 1)XI型泵浦合束器。NX1型泵浦合束器主要应用于光纤振荡器,而由于(N 1)X1型泵浦合束器结构中有一根信号光纤贯穿其中,因此(N 1)XI型泵浦合束器主要应用于光纤放大器。

NX1型泵浦合束器是一种端泵型泵浦合束器。将N根泵浦光纤合束拉锥后与1根输出光纤馆接,此即形成了NX1型泵浦合束器。

按照公式的要求,拉锥后的单根泵浦光纤的数值孔径AM,应不大于输出光纤的数值孔径,而泵浦光纤拉锥前的数值孔径AH"para" label-module="para">

NA_in*D_in=N_at*D_out(式1-2)

其中,为拉锥前输入光纤束的总直径,为拉锥后输入光纤束的直径,即输出光纤的直径,将可得:

NA_in*D_in<=NA_out*D_out(式1-3)

式(1-3)即为NX1型泵浦合束器应满足的条件。

(N 1)XI型泵浦合束器的结构有两种,一种为端泵型,另一种为侧泵型。端泵型(N 1)XI泵浦合束器的结构与NX1型泵浦合束器基本一致,唯一区别在于端录型(N 1)XI泵浦合束器的输入光纤束由N根泵浦光纤围绕一根信号光纤组成,因此信号光纤也被拉锥了。为实现高的泵浦亲合效率,端泵浦型的(N 1)XI泵浦合束器也需要满足式(1-3)的要求。侧泵型(N 1)XI泵浦合束器则是在一根信号光纤的外围分布N根被拉锥的泵浦光纤,而信号光纤并没有被拉锥。为达到高的耦合效率,它亦需满足式1的条件,即从侧面耦合到输出光纤的光线角度不应大于输出光纤的临界角。侧泵浦型(N 1)XI泵浦合束器是由侧面溶接亲合技术发展而来的,器件的工作原理一致,但是由于其制备工艺复杂,目前市面上能够购买的泵浦合束器大部分是端泵型的。

泵浦合束器光纤合束器的分类

根据使用功能分类，光纤合束器可以分为两大类：功率合束器和泵浦合束器。功率合束器就是将多路单模激光合束到一根光纤中输出，用来提高激光的输出功率（也称单模-多模光纤合束器）。泵浦合束器主要是将多路泵浦光合束到一根光纤中输出，主要用来提高泵浦功率（也称多模-多模光纤合束器）。光纤合束器按照其构成方式又可以分成两类，不包含信号光纤的 N1 光纤合束器和包含信号光纤的（N 1）光纤合束器。

N1 光纤合束器的 N 根输入光纤是相同的，这种器件主要用在光纤激光器系统中。N1 光纤合束器既可以用作泵浦合束，也可以用作功率合束。如果 N1 光纤合束器的 N 路输入光纤与多个泵浦源相连，用来提高多模泵浦光输入功率，则是泵浦合束器；如果 N 路输入光纤与激光器连接，用来提高激光合成功率，则是功率合束器。和 N1 光纤合束器不同，（N 1）1 光纤合束器中心的一根光纤是信号光纤。在制作过程中，N 根多模光纤必须紧密对称地排列信号光纤周围，中间的信号光纤用于信号光的输入，这种光纤合束器主要用于光纤放大器。

泵浦合束器光纤合束器在光纤激光系统中的应用

通过改变光纤合束器的输入光纤类型，就可以实现不同功能的合束器。光纤合束器在拉锥前输入光纤端面排布示意图，图中的普通光纤可以是多模光纤，也可以是单模光纤，还可以是大模场光纤等。

随着高亮度泵浦半导体、掺杂双包层有源光纤等技术的发展，光纤激光器的输出功率得到飞速提升。国际上已经实现了单模10kW量级的全光纤激光输出。国内在高功率光纤激光器领域起步较晚，目前取得了较大的进步，多家单位和科研院所的输出功率已可突破千瓦。但是，国内高功率光纤激光系统中，大都使用了国外的器件。在全光纤结构光纤激光器/放大器中，大模场掺杂光纤、高亮度泵浦源、泵浦合束器是实现高功率的光纤激光器的关键器件，由于西方国家对中国的技术封锁和产品禁运，严重限制了中国高功率光纤激光的发展。因此，研制基于国产器件的高功率光纤激光器对中国光纤激光技术的发展具有重要的战略意义。

在全光纤结构光纤激光器/放大器中，除了掺杂光纤、高亮度泵浦源外，泵浦合束的功率特性直接影响激光器/放大器最终输出功率。，国外商品化的光纤合束器单臂功率已经突破200W，国内尚无单臂大于50W合束器的报道。因此，研究高功率条件下，国产光纤泵浦合束器的热效应，分析器件温度分布规律，设计相应的热管理方案，有助于提升合束器可承受的泵浦功率，最终实现基于国产器件高功率光纤激光器。

泵浦合束器的内部结构一般为全光纤结构,光纤之间一般采用直接溶接的方式结合,端面直接溶融耦合与侧面溶接亲合所形成的这类结构就可称作泵浦合束器。泵浦合束器的集成度较高,稳定性较好可承受功率和亲合效率也比较高。随着光纤激光器的全光纤化发展,泵浦合束器已作为泵浦耦合的最主要手段应用于各类光纤激光器中。