束合导线

《电气工程名词》第一版。

1998年，经全国科学技术名词审定委员会审定发布。

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。

基于传统双包层光纤的光纤合束器以(6 1)×1 光纤合束器制作为例, 分析利用传统双包层光纤制作光纤合束器的工艺。(6 1)×1 光纤合束器由6 根多模光纤和1 根单模光纤熔融拉锥后和一根双包层光纤熔接在一起构成, 可称之为多模-单模-双包层光纤合束器。双包层光纤, 它由纤芯、内包层和外包层组成, 纤芯的模场直径为2ω1 , 内包层的直径为d1 , 数值孔径(NA)为DNA1 ;所示为单模光纤, 其模场直径近似于2ω1 , 包层直径为d2 , 其中d2

(3)把预拉伸后的多模光纤均匀排列在单模光纤的周围成为光纤束, 用特制的夹具将其两端固定,将光纤束放在约1 000 ℃的火焰下加热, 同时夹具围绕单模光纤纤芯方向旋转, 使夹具间的光纤束受热均匀, 并熔融。

(4)在光纤束横截面直径为d5 处切割, 形成光滑的切面, d5 约等于双包层光纤的内包层直径　(5)将切割后的光纤束与双包层光纤熔接在一起。值得注意的是, 在熔接时, 光纤束中单模光纤的纤芯与双包层光纤的纤芯必须对准。根据需要, 也可以在单模光纤的周围排列多层多模光纤,排列的多模光纤越多, 预拉伸时, 多模光纤末端的直径d4 就要越小。

另外, 以上所提到的多模-单模-双包层光纤合束器可以做成多模-多模-多模光纤合束器, 即将光纤束中间的单模光纤换成多模光纤, 工艺步骤同上。然而, 当多模光纤束输出端直径和双包层光纤内包层直径完全相匹配时, 输出光纤数值孔径却未被光完全填满, 且在合束器熔接处的光功率分布也不均匀。这是由于光纤束围绕一根中心光纤排列, 锥体中的一些光与输出光纤的纤芯方向成一角度, 所以光功率分布曲线呈四周高, 中间低, 且输出光纤中的数值孔径没有被光完全填满。

通过将光纤束特定部位拉伸, 形成一个直径为d0 的束腰, 使从多模光纤传来的光在束腰处均匀分布, 充分地注入熔接处的数值孔径, 可以显著提高耦合效率。束腰后面是一个均匀增大的反向锥体, 一直到输出光纤。在输出光纤处的光功率分布, 是完全充满输出光纤的。

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。