側面泵浦耦合技術

側面耦合技術主要有內包層“V”型槽耦合技術、內包層內嵌反射鏡耦合技術、斜角光纖耦合技術（包括側面熔接、膠合兩種途徑）、稜鏡耦合技術以及光纖盤耦合技術等形式。

基本介紹

• 中文名：側面泵浦耦合技術
• 外文名：side-pumpingcoupler technology

1背景

高功率光纖雷射器自從1997 年出現20W ～35W 器件, 1998 年發展到55W 後, 至1999 年已發展到110W 連續雷射輸出。目前, 10W ～ 20W 輸出的光纖雷射器已經商品化。近年來, 美國IPG Photonics和德國Jena 大學的套用物理所分別報導了單根雙包層光纖連續輸出功率高達135W和150W的光纖雷射器。與現有的其它雷射器相比, 高功率光纖雷射器以其獨特的高亮度(135W 雷射連續輸出光束質量:M2 <1 .05)和高效率(高功率輸出情況下斜率效率高達50 %以上性能, 將在雷射器家族中占據重要的地位。

側面耦合技術主要有內包層“V”型槽耦合技術、內包層內嵌反射鏡耦合技術、斜角光纖耦合技術（包括側面熔接、膠合兩種途徑）、稜鏡耦合技術以及光纖盤耦合技術等形式。根據技術原理來劃分，內包層“V”型槽耦合技術和內包層內嵌反射鏡耦合技術的原理基本類似，分別是利用 V 形槽斜面處和內嵌的反射鏡的全內反射實現泵浦光與雙包層光纖內包層間的耦合，該技術對工藝要求較高，而且不能實現多點分散式泵浦。而斜角光纖耦合技術和稜鏡耦合技術剛好解決了多點分散式泵浦的問題。 斜角光纖耦合技術和稜鏡耦合技術屬於同一種泵浦原理的耦合技術，但從工藝難度相比而言，斜角光纖耦合技術最容易實現，根據有關理論分析,斜角光纖的耦合效率與端面斜角有關，最大耦合效率時存在唯一一個最佳角度，該最大耦合效率值與光纖參數有關。另外，斜角光纖耦合技術對於非尾纖輸出的條狀半導體雷射器泵浦光的耦合特別有效，將數根矩形光纖或玻璃絲排列成光纖排，前端面與條狀 LD 輸出面通過微柱透鏡耦合，後端的光纖或玻璃絲各自獨立，每根末端均磨成斜角，分別在雙包層光纖內包層側面的不同位置耦合，適用於多點泵浦。 利用二元衍射光柵進行側面耦合，也是一種可以實現側面、分散式多點泵浦的耦合技術，該技術將衍射光柵放置在光纖內包層的表面，不會損害光纖的外表面，對 TM 偏振入射光具有高達 94%的耦合效率。由於這種方法使用了折射率匹配液，所以不能承受大功率的泵浦光。張帆等人提出一種基於亞波長衍射光柵理論的介質－金屬－介質的對稱夾層結構,這種結構因為沒有使用諸如折射率匹配液、光學固化膠等難以承受較高溫度的黏接物質,所以可以用於大功率雷射二極體陣列的側面泵浦,其耦合效率可以達到 80%以上。

由於光纖雷射輸出具有光束質量好(基模輸出)、功率密度高、不需要複雜的散熱裝置、工作時間長、性能穩定等優點。其套用領域不斷拓寬, 已從目前最為成熟的光纖通訊網路方面迅速地向其它更為廣闊的雷射套用領域擴展, 諸如金屬和非金屬材料的加工與處理、雷射雕刻、雷射產品打標、雷射焊接、焊縫清理、精密打孔、雷射檢測和測量、雷射圖形藝術成像、雷射雷達系統、污染控制、感測技術和空間技術以及雷射醫學等等。國內也有學者對其作為雷射武器的能力進行了分析。

單模光纖的自然限制, 使得在單模纖芯內傳輸的雷射具有模式好、光束質量高等優點。但是, 單模纖芯的芯徑小, 難以將高功率的泵浦光耦合入內, 因此, 難以獲得高功率的光纖雷射輸出。為了將更多的泵浦光功率耦合進入光纖, 採用了包層泵浦技術,研製出雙包層光纖。在雙包層光纖中, 泵浦光在尺寸較大的內包層中傳輸, 由於內包層的尺寸通常在幾十甚至數百微米, 能夠容納數以萬計的傳輸模式,因而能夠很好地與高功率的半導體雷射器(LD)相匹配, 從而獲得高的泵浦功率。同時雙包層光纖的纖芯芯徑仍然保持在幾個微米或者十幾個微米, 因此, 由內包層限制的泵浦光經過摻雜稀土離子的纖芯時, 將會引起稀土離子的能級粒子數反轉, 導致光的受激輻射放大, 在諧振腔的作用下, 能夠獲得高功率高光束質量的雷射輸出。

泵浦耦合技術作為高功率光纖雷射器和光纖放側面泵浦耦合方式大器的核心技術之一, 目的是要把幾十瓦甚至數百瓦的LD 泵浦光功率耦合入直徑只有數百微米的雙包層光纖內包層, 以獲得高的泵浦功率。在高功率光纖雷射器的發展過程中, 端面泵浦耦合技術是較為簡單的方式。該方式通常是先將LD 發出的泵浦光耦合進入多模光纖, 或直接用微透鏡對LD 的較大發散角泵浦光進行準直, 然後再通過透鏡系統將泵浦光聚焦由光纖端面耦合入雙包層光纖。光纖端面被用來進行端面泵浦耦合, 因此, 無法與其它光纖融接以用於光纖放大器。此外, 該方式需採用高精度的多維光纖調節系統, 也帶來了因調節系統的漂移引起的系統穩定性問題。有鑒於此, 光纖側面泵浦耦合技術用於將泵浦光耦合進入雙包層光纖內包層的研究也逐漸展開。針對於雙包層光纖的特點先後發展了多種側面泵浦耦合技術。

2側面泵浦耦合方式

熔錐側面泵浦耦合方式

熔錐側面泵浦耦合是將多根裸光纖和去掉外包層的雙包層光纖纏繞在一起, 在高溫火焰中加熱使之熔化, 同時在光纖兩端拉伸光纖, 使光纖熔融區成為錐形過渡段, 能夠將泵浦光由多模光纖由雙包層光纖側面導入內包層, 從而實現定向側面泵浦耦合。

國內外用於通訊方面光纖無源器件—光纖定向耦合器主要用於光分路或者合路連線器,採用較為成熟的熔錐法生產, 工藝較簡單, 製作周期短, 適於實現微機控制的半自動化生產。但是, 這種用於通訊的單模光纖定向耦合器是將一路或一路以上輸入光信號按一定比例要求分配到兩路或多路輸出的光信號中去。其原理決定其只能進行對輸入信號光功率分配, 因此, 輸出的信號光功率必定小於輸入最大信號的光功率, 因而無法用於實現光功率的擴展。在雙包層光纖側面泵浦耦合技術中, 在錐形區耦合段需要將多模泵浦光纖的包層去除露出纖芯, 同時雙包層的外包層也要去除露出內包層, 並且要使之能夠融合在一起, 因此, 其生產工藝較為複雜, 雖然已有相關專利可供查詢參考, 但是最為重要的關鍵過程未見報導。DIGIOVANNI 等介紹了一種雙包層熔錐側面耦合器的生產工藝, 從中也可以看出, 其生產過程與目前的單模光纖耦合器有很大不同。國外已有一些能夠生產多模光纖側面耦合器, 例如美國的OFS , 他們已將此項術用於高功率的光纖雷射器以及Raman 光纖放大器等領域.

V 槽側面泵浦耦合

該技術先將雙包層光纖外包層去除一小段, 然後在裸露的內包層刻蝕出一個V 槽, 槽的一個斜面用作反射面, 也可將兩個面都用於反射。泵浦光由半導體雷射器經微透鏡耦合, 使泵浦光在V 槽的側面匯聚,經過側面反射後改變方向進入雙包層光纖內包層,從而沿著光纖的軸向傳輸。

為了提高耦合效率,V 槽側面的面型要求能夠對泵浦光全反, 此外, 還需在泵浦光入射的內包層一側增加一層襯底, 襯底材料的折射率應該與光纖內包層折射率相近, 並且可以加鍍增透膜。利用該側面泵浦耦合技術的光線雷射放大器可以得到數瓦的雷射輸出。GOLDBERG 等報導的耦合效率為76 %。

該側面泵浦耦合方式原理簡單, 但工藝加工要求卻很高, 因為V 槽的側面要作為反射面, 要對其進行拋光等相應處理。加工的時候還要避免對於纖芯的破壞, 因此, 要確保槽的精細結構。此外, 由於利用了微透鏡準直, LD 泵浦源、微透鏡以及雙包層光纖的相對位置對於耦合效率的影響較大。

嵌入反射鏡式泵浦耦合

嵌入反射鏡式泵浦耦合方式是在V 槽側面泵浦耦合方式上的改進,首先將雙包層光纖的外包層去除一小部分, 然後在內包層上刻蝕出一個小槽, 槽的深度足夠放入用來反射泵浦光的嵌入微反射鏡, 但是距纖芯還有一定距離, 以保證不破壞纖芯。嵌入的微反射鏡的反射面可以是平面或是根據最佳化設計的曲面, 為了得到高的耦合效率, 其反射面事先鍍上了高反率的膜層, 入射面鍍了對泵浦光的增透膜。該技術中採用了光學膠用以將嵌入微反鏡的出射面和光纖內包層粘接固定, 同時光學膠還作為折射率匹配介質用來降低界面的反射損耗。LD 泵浦源應當與嵌入微反鏡足夠近, 以保證具有較大發散角的泵浦光能夠全部照射到微反鏡的反射面上。

嵌入反射鏡式泵浦耦合避免了V 槽側面泵浦耦合要求利用側面作為反光面的方式, 因此, 對於槽的加工要求大大降低, 但是仍要保證槽深不能破壞纖芯。KOPLOW 等利用此方式獲得了5 .2W(波長1064nm)和2 .6W(波長1550nm)的光纖雷射輸出。

實驗獲得的嵌入反射鏡式泵浦耦合效率受x , y , z 3 個方向偏移失調量影響的曲線圖。實驗中採用了SDL-6380-A 多模半導體雷射器作為泵浦源,其發光面為1μm ×100μm 長條形, 兩個方向發散角分別為28°和12°, 所用的雙包層光纖內包層為135μm ×135μm 正方形, 數值孔徑約0 .45 。

角度磨拋側面泵浦耦合

其基本原理是在雙包層光纖去一小段, 剝去塗敷層和外包層, 將內包層沿縱向進行磨拋, 得到小段用以泵浦耦合光的平面(對於內包層形狀為矩形、D型、六角形等雙包層光纖, 內包層已有窄平面, 如果平面寬度足夠, 可以不必磨拋雙包層光纖)。然後將端面按一定角度磨拋好的泵浦光纖的纖芯相對該平面緊密貼合併固定好兩纖的相對位置。泵浦光即可由泵浦光纖側面耦合進入雙包層光纖的內包層.

實際上, 由於泵浦光纖按一定角度磨拋好的端面並不能完全和雙包層光纖內包層緊貼, 因此, 還需要利用光學膠將其空隙填充。一方面光學膠能夠將泵浦光纖端面和內包層側面固定好, 另一方面又作為折射率匹配介質將泵浦光有效導入內包層中。由於採用了光學膠, 因此, 不必對內包層縱向進行磨拋而得到平面, 直接利用光學膠也可將泵浦光由內包層的彎曲側面導入。通常該側面泵浦耦合技術要求泵浦光纖端面的磨拋角A 較小(約10°), 對於光纖端面磨拋工藝提出了很高的要求。

利用該側面泵浦耦合方式獲得了高達90 %的耦合效率, 但是獲得的光纖雷射輸出功率還未見有高於1W 的報導。可能是由於在高泵浦功率下, 光學膠難以承受其功率密度而導致揮發或分解所致。這裡泵浦光纖的芯徑100μm, 數值孔徑0 .22 , 雙包層光纖的芯徑350μm , 數值孔徑0 .37 。與光纖角度磨拋側面泵浦耦合技術相類似的是微稜鏡來進行側面耦合, 但是微稜鏡寬度不能大於內包層的直徑, 因此, 給微稜鏡的加工帶來了技術上的困難。