侧面泵浦耦合技术

熔锥侧面泵浦耦合是将多根裸光纤和去掉外包层的双包层光纤缠绕在一起, 在高温火焰中加热使之熔化, 同时在光纤两端拉伸光纤, 使光纤熔融区成为锥形过渡段, 能够将泵浦光由多模光纤由双包层光纤侧面导入内包层, 从而实现定向侧面泵浦耦合。

国内外用于通讯方面光纤无源器件-光纤定向耦合器主要用于光分路或者合路连接器,采用较为成熟的熔锥法生产, 工艺较简单, 制作周期短, 适于实现微机控制的半自动化生产。但是, 这种用于通讯的单模光纤定向耦合器是将一路或一路以上输入光信号按一定比例要求分配到两路或多路输出的光信号中去。其原理决定其只能进行对输入信号光功率分配, 因此, 输出的信号光功率必定小于输入最大信号的光功率, 因而无法用于实现光功率的扩展。在双包层光纤侧面泵浦耦合技术中, 在锥形区耦合段需要将多模泵浦光纤的包层去除露出纤芯, 同时双包层的外包层也要去除露出内包层, 并且要使之能够融合在一起, 因此, 其生产工艺较为复杂, 虽然已有相关专利可供查询参考, 但是最为重要的关键过程未见报道。DIGIOVANNI 等介绍了一种双包层熔锥侧面耦合器的生产工艺, 从中也可以看出, 其生产过程与目前的单模光纤耦合器有很大不同。国外已有一些能够生产多模光纤侧面耦合器, 例如美国的OFS , 他们已将此项术用于高功率的光纤激光器以及Raman 光纤放大器等领域.

该技术先将双包层光纤外包层去除一小段, 然后在裸露的内包层刻蚀出一个V 槽, 槽的一个斜面用作反射面, 也可将两个面都用于反射。泵浦光由半导体激光器经微透镜耦合, 使泵浦光在V 槽的侧面汇聚,经过侧面反射后改变方向进入双包层光纤内包层,从而沿着光纤的轴向传输。

为了提高耦合效率,V 槽侧面的面型要求能够对泵浦光全反, 此外, 还需在泵浦光入射的内包层一侧增加一层衬底, 衬底材料的折射率应该与光纤内包层折射率相近, 并且可以加镀增透膜。利用该侧面泵浦耦合技术的光线激光放大器可以得到数瓦的激光输出。GOLDBERG 等报道的耦合效率为76 %。

该侧面泵浦耦合方式原理简单, 但工艺加工要求却很高, 因为V 槽的侧面要作为反射面, 要对其进行抛光等相应处理。加工的时候还要避免对于纤芯的破坏, 因此, 要确保槽的精细结构。此外, 由于利用了微透镜准直, LD 泵浦源、微透镜以及双包层光纤的相对位置对于耦合效率的影响较大。

嵌入反射镜式泵浦耦合方式是在V 槽侧面泵浦耦合方式上的改进,首先将双包层光纤的外包层去除一小部分, 然后在内包层上刻蚀出一个小槽, 槽的深度足够放入用来反射泵浦光的嵌入微反射镜, 但是距纤芯还有一定距离, 以保证不破坏纤芯。嵌入的微反射镜的反射面可以是平面或是根据优化设计的曲面, 为了得到高的耦合效率, 其反射面事先镀上了高反率的膜层, 入射面镀了对泵浦光的增透膜。该技术中采用了光学胶用以将嵌入微反镜的出射面和光纤内包层粘接固定, 同时光学胶还作为折射率匹配介质用来降低界面的反射损耗。LD 泵浦源应当与嵌入微反镜足够近, 以保证具有较大发散角的泵浦光能够全部照射到微反镜的反射面上。

嵌入反射镜式泵浦耦合避免了V 槽侧面泵浦耦合要求利用侧面作为反光面的方式, 因此, 对于槽的加工要求大大降低, 但是仍要保证槽深不能破坏纤芯。KOPLOW 等利用此方式获得了5 .2W(波长1064nm)和2 .6W(波长1550nm)的光纤激光输出。

实验获得的嵌入反射镜式泵浦耦合效率受x , y , z 3 个方向偏移失调量影响的曲线图。实验中采用了SDL-6380-A 多模半导体激光器作为泵浦源,其发光面为1μm ×100μm 长条形, 两个方向发散角分别为28°和12°, 所用的双包层光纤内包层为135μm ×135μm 正方形, 数值孔径约0 .45 。

其基本原理是在双包层光纤去一小段, 剥去涂敷层和外包层, 将内包层沿纵向进行磨抛, 得到小段用以泵浦耦合光的平面(对于内包层形状为矩形、D型、六角形等双包层光纤, 内包层已有窄平面, 如果平面宽度足够, 可以不必磨抛双包层光纤)。然后将端面按一定角度磨抛好的泵浦光纤的纤芯相对该平面紧密贴合并固定好两纤的相对位置。泵浦光即可由泵浦光纤侧面耦合进入双包层光纤的内包层.

实际上, 由于泵浦光纤按一定角度磨抛好的端面并不能完全和双包层光纤内包层紧贴, 因此, 还需要利用光学胶将其空隙填充。一方面光学胶能够将泵浦光纤端面和内包层侧面固定好, 另一方面又作为折射率匹配介质将泵浦光有效导入内包层中。由于采用了光学胶, 因此, 不必对内包层纵向进行磨抛而得到平面, 直接利用光学胶也可将泵浦光由内包层的弯曲侧面导入。通常该侧面泵浦耦合技术要求泵浦光纤端面的磨抛角A 较小(约10°), 对于光纤端面磨抛工艺提出了很高的要求。

利用该侧面泵浦耦合方式获得了高达90 %的耦合效率, 但是获得的光纤激光输出功率还未见有高于1W 的报道。可能是由于在高泵浦功率下, 光学胶难以承受其功率密度而导致挥发或分解所致。这里泵浦光纤的芯径100μm, 数值孔径0 .22 , 双包层光纤的芯径350μm , 数值孔径0 .37 。与光纤角度磨抛侧面泵浦耦合技术相类似的是微棱镜来进行侧面耦合, 但是微棱镜宽度不能大于内包层的直径, 因此, 给微棱镜的加工带来了技术上的困难。

1背景

高功率光纤激光器自从1997 年出现20W ~35W 器件, 1998 年发展到55W 后, 至1999 年已发展到110W 连续激光输出。目前, 10W ~ 20W 输出的光纤激光器已经商品化。近年来, 美国IPG Photonics和德国Jena 大学的应用物理所分别报道了单根双包层光纤连续输出功率高达135W和150W的光纤激光器。与现有的其它激光器相比, 高功率光纤激光器以其独特的高亮度(135W 激光连续输出光束质量:M2 <1 .05)和高效率(高功率输出情况下斜率效率高达50 %以上性能, 将在激光器家族中占据重要的地位。

侧面耦合技术主要有内包层"V"型槽耦合技术、内包层内嵌反射镜耦合技术、斜角光纤耦合技术(包括侧面熔接、胶合两种途径)、棱镜耦合技术以及光纤盘耦合技术等形式。根据技术原理来划分，内包层"V"型槽耦合技术和内包层内嵌反射镜耦合技术的原理基本类似，分别是利用 V 形槽斜面处和内嵌的反射镜的全内反射实现泵浦光与双包层光纤内包层间的耦合，该技术对工艺要求较高，而且不能实现多点分布式泵浦。而斜角光纤耦合技术和棱镜耦合技术刚好解决了多点分布式泵浦的问题。 斜角光纤耦合技术和棱镜耦合技术属于同一种泵浦原理的耦合技术，但从工艺难度相比而言，斜角光纤耦合技术最容易实现，根据有关理论分析,斜角光纤的耦合效率与端面斜角有关，最大耦合效率时存在唯一一个最佳角度，该最大耦合效率值与光纤参数有关。另外，斜角光纤耦合技术对于非尾纤输出的条状半导体激光器泵浦光的耦合特别有效，将数根矩形光纤或玻璃丝排列成光纤排，前端面与条状 LD 输出面通过微柱透镜耦合，后端的光纤或玻璃丝各自独立，每根末端均磨成斜角，分别在双包层光纤内包层侧面的不同位置耦合，适用于多点泵浦。 利用二元衍射光栅进行侧面耦合，也是一种可以实现侧面、分布式多点泵浦的耦合技术，该技术将衍射光栅放置在光纤内包层的表面，不会损害光纤的外表面，对 TM 偏振入射光具有高达 94%的耦合效率。由于这种方法使用了折射率匹配液，所以不能承受大功率的泵浦光。张帆等人提出一种基于亚波长衍射光栅理论的介质-金属-介质的对称夹层结构,这种结构因为没有使用诸如折射率匹配液、光学固化胶等难以承受较高温度的黏接物质,所以可以用于大功率激光二极管阵列的侧面泵浦,其耦合效率可以达到 80%以上。

由于光纤激光输出具有光束质量好(基模输出)、功率密度高、不需要复杂的散热装置、工作时间长、性能稳定等优点。其应用领域不断拓宽, 已从目前最为成熟的光纤通讯网络方面迅速地向其它更为广阔的激光应用领域扩展, 诸如金属和非金属材料的加工与处理、激光雕刻、激光产品打标、激光焊接、焊缝清理、精密打孔、激光检测和测量、激光图形艺术成像、激光雷达系统、污染控制、传感技术和空间技术以及激光医学等等。国内也有学者对其作为激光武器的能力进行了分析。

单模光纤的自然限制, 使得在单模纤芯内传输的激光具有模式好、光束质量高等优点。但是, 单模纤芯的芯径小, 难以将高功率的泵浦光耦合入内, 因此, 难以获得高功率的光纤激光输出。为了将更多的泵浦光功率耦合进入光纤, 采用了包层泵浦技术,研制出双包层光纤。在双包层光纤中, 泵浦光在尺寸较大的内包层中传输, 由于内包层的尺寸通常在几十甚至数百微米, 能够容纳数以万计的传输模式,因而能够很好地与高功率的半导体激光器(LD)相匹配, 从而获得高的泵浦功率。同时双包层光纤的纤芯芯径仍然保持在几个微米或者十几个微米, 因此, 由内包层限制的泵浦光经过掺杂稀土离子的纤芯时, 将会引起稀土离子的能级粒子数反转, 导致光的受激辐射放大, 在谐振腔的作用下, 能够获得高功率高光束质量的激光输出。

泵浦耦合技术作为高功率光纤激光器和光纤放侧面泵浦耦合方式大器的核心技术之一, 目的是要把几十瓦甚至数百瓦的LD 泵浦光功率耦合入直径只有数百微米的双包层光纤内包层, 以获得高的泵浦功率。在高功率光纤激光器的发展过程中, 端面泵浦耦合技术是较为简单的方式。该方式通常是先将LD 发出的泵浦光耦合进入多模光纤, 或直接用微透镜对LD 的较大发散角泵浦光进行准直, 然后再通过透镜系统将泵浦光聚焦由光纤端面耦合入双包层光纤。光纤端面被用来进行端面泵浦耦合, 因此, 无法与其它光纤融接以用于光纤放大器。此外, 该方式需采用高精度的多维光纤调节系统, 也带来了因调节系统的漂移引起的系统稳定性问题。有鉴于此, 光纤侧面泵浦耦合技术用于将泵浦光耦合进入双包层光纤内包层的研究也逐渐展开。针对于双包层光纤的特点先后发展了多种侧面泵浦耦合技术。