泵浦合束器:1泵浦合束器簡介,光纖合束器的分類,光纖合束器在光纖雷射系統中的套用,

泵浦合束器的內部結構一般為全光纖結構,光纖之間一般採用直接溶接的方式結合,端面直接溶融耦合與側面溶接親合所形成的這類結構就可稱作泵浦合束器。泵浦合束器的集成度較高,穩定性較好可承受功率和親合效率也比較高。隨著光纖雷射器的全光纖化發展,泵浦合束器已作為泵浦耦合的最主要手段套用於各類光纖雷射器中。

基本介紹

中文名：泵浦合束器
外文名：pumpcombiner

1泵浦合束器簡介,光纖合束器的分類,光纖合束器在光纖雷射系統中的套用,2泵浦合束器的原理及分類,3泵浦合束器國內外發展現狀,4合束器基本結構及損耗來源分析,

1泵浦合束器簡介

光纖合束器的分類

根據使用功能分類，光纖合束器可以分為兩大類：功率合束器和泵浦合束器。功率合束器就是將多路單模雷射合束到一根光纖中輸出，用來提高雷射的輸出功率（也稱單模-多模光纖合束器）。泵浦合束器主要是將多路泵浦光合束到一根光纖中輸出，主要用來提高泵浦功率（也稱多模-多模光纖合束器）。光纖合束器按照其構成方式又可以分成兩類，不包含信號光纖的 N1 光纖合束器和包含信號光纖的（N+1）光纖合束器。

N1 光纖合束器的 N 根輸入光纖是相同的，這種器件主要用在光纖雷射器系統中。N1 光纖合束器既可以用作泵浦合束，也可以用作功率合束。如果 N1 光纖合束器的 N 路輸入光纖與多個泵浦源相連，用來提高多模泵浦光輸入功率，則是泵浦合束器；如果 N 路輸入光纖與雷射器連線，用來提高雷射合成功率，則是功率合束器。和 N1 光纖合束器不同，（N+1）1 光纖合束器中心的一根光纖是信號光纖。在製作過程中，N 根多模光纖必須緊密對稱地排列信號光纖周圍，中間的信號光纖用於信號光的輸入，這種光纖合束器主要用於光纖放大器。

光纖合束器在光纖雷射系統中的套用

通過改變光纖合束器的輸入光纖類型，就可以實現不同功能的合束器。光纖合束器在拉錐前輸入光纖端面排布示意圖，圖中的普通光纖可以是多模光纖，也可以是單模光纖，還可以是大模場光纖等。

隨著高亮度泵浦半導體、摻雜雙包層有源光纖等技術的發展，光纖雷射器的輸出功率得到飛速提升。國際上已經實現了單模10kW量級的全光纖雷射輸出。國內在高功率光纖雷射器領域起步較晚，目前取得了較大的進步，多家單位和科研院所的輸出功率已可突破千瓦。但是，國內高功率光纖雷射系統中，大都使用了國外的器件。在全光纖結構光纖雷射器/放大器中，大模場摻雜光纖、高亮度泵浦源、泵浦合束器是實現高功率的光纖雷射器的關鍵器件，由於西方國家對中國的技術封鎖和產品禁運，嚴重限制了中國高功率光纖雷射的發展。因此，研製基於國產器件的高功率光纖雷射器對中國光纖雷射技術的發展具有重要的戰略意義。

在全光纖結構光纖雷射器/放大器中，除了摻雜光纖、高亮度泵浦源外，泵浦合束的功率特性直接影響雷射器/放大器最終輸出功率。，國外商品化的光纖合束器單臂功率已經突破200W，國內尚無單臂大於50W合束器的報導。因此，研究高功率條件下，國產光纖泵浦合束器的熱效應，分析器件溫度分布規律，設計相應的熱管理方案，有助於提升合束器可承受的泵浦功率，最終實現基於國產器件高功率光纖雷射器。

2泵浦合束器的原理及分類

泵浦合束器的基本原理是對光纖塑形後直接利用溶接的方式實現光束耦合,為達到高的耦合效率,泵浦合束器滿足的條件是:耦合輸入光纖(束)的數值孔徑不大於親合輸出光纖的數值孔徑NA_out即:

NA_in<=NA_out(式1-1)

泵浦合束器的分類可以從結構上分為兩大類,一類為NX1型泵浦合束器,另一類為(N+1)XI型泵浦合束器。NX1型泵浦合束器主要套用於光纖振盪器,而由於(N+1)X1型泵浦合束器結構中有一根信號光纖貫穿其中,因此(N+1)XI型泵浦合束器主要套用於光纖放大器。

NX1型泵浦合束器是一種端泵型泵浦合束器。將N根泵浦光纖合束拉錐後與1根輸出光纖館接,此即形成了NX1型泵浦合束器。

按照公式的要求,拉錐後的單根泵浦光纖的數值孔徑AM,應不大於輸出光纖的數值孔徑,而泵浦光纖拉錐前的數值孔徑AH?與其拉錐後的數值孔徑AM,的關係為:

NA_in*D_in=N_at*D_out(式1-2)

其中,為拉錐前輸入光纖束的總直徑,為拉錐後輸入光纖束的直徑,即輸出光纖的直徑,將可得:

NA_in*D_in<=NA_out*D_out(式1-3)

式(1-3)即為NX1型泵浦合束器應滿足的條件。

(N+1)XI型泵浦合束器的結構有兩種,一種為端泵型,另一種為側泵型。端泵型(N+1)XI泵浦合束器的結構與NX1型泵浦合束器基本一致,唯一區別在於端錄型(N+1)XI泵浦合束器的輸入光纖束由N根泵浦光纖圍繞一根信號光纖組成,因此信號光纖也被拉錐了。為實現高的泵浦親合效率,端泵浦型的(N+1)XI泵浦合束器也需要滿足式(1-3)的要求。側泵型(N+1)XI泵浦合束器則是在一根信號光纖的外圍分布N根被拉錐的泵浦光纖,而信號光纖並沒有被拉錐。為達到高的耦合效率,它亦需滿足式1的條件,即從側面耦合到輸出光纖的光線角度不應大於輸出光纖的臨界角。側泵浦型(N+1)XI泵浦合束器是由側面溶接親合技術發展而來的,器件的工作原理一致,但是由於其製備工藝複雜,目前市面上能夠購買的泵浦合束器大部分是端泵型的。

3泵浦合束器國內外發展現狀

1999年,美國的DavidJohnDgiovanni等人[35]就提出了錐形光纖束結構的泵浦合束器,雖然是以端泵型泵浦合束器的概念提出的,但這種錐形光纖束結構也在側泵型泵浦合束器中得到延伸。迄今為止,幾乎所有的泵浦合束器都是由這種錐形光纖束的結構發展起來的。2004年,美國亞利桑那大學的Andrey等人報導了用玻璃套管法製備的NX1型泵浦合束器。由於數值孔徑的不匹配,製備的7X1型、19X1型泵浦合束器達到的耦合效率分別為70%和30%。

2006年,加拿大的ITF的FranpoisSeguin等人對NX1泵浦合束器的封裝結構進行了熱分析,得到了載入泵浦功率為IkW時,合束器的溫升約2(rC的結論,標誌其生產的泵浦合束器巳可達kW級水平。實際上,ITF一直致力於高功率泵浦合束器的研製,自2007年以來,已發表多項泵浦合束器相關專利。如今,ITF生產的泵浦合束器已實現商品化,他們生產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於1.2kW,泵浦損耗可低於0.IdB,信號光損耗不大於0.5dB此類產品在高功率光纖雷射器研究領域中得到普遍運用。

2008年,武漢發表了(N+1)XI側面錄浦合束器的研製成果,這種合束器封裝後的形態。產品的泵浦耦合效率高於90%,信號光的插入損耗小於0.2dB。將這種側面泵浦的(N+1)XI合束器用在光纖放大器中,實現了400W的1064nm雷射功率輸出,其中泵浦合束器中信號光的功率為70W。

2010年,來自德國的CesarJauregui等人報導了一種錐形石英管結構的(N+1)X1側泵型泵浦合束器。這種合束器的可耐受功率大於86W,泵浦耦合效率稍高於80%,導致泵浦親合效率不高的原因可能是錐形毛細管的表面並不光滑,且在錐形毛細管的末端有光線池漏。

2011年,義大利的AndreaBraglia等人用自製的“輸入光纖規則排列設備”研製了(6+1)XI端泵型泵浦合束器。同樣,他們也利用了石英套管法,製得的泵浦合束器的耦合效率約94%。同年,清華大學的Qirong.Xiao等報導了研製的7X1端泵型泵浦合束器,在對輸入光纖束合束的方法上,他們並沒有用石英玻璃套管法,而是利用特殊的夾具對7根輸入光纖束進行扭轉打結,從而得到緊密貼合的輸入光纖束,扭轉打結法的。清華大學研製的這種7X1端泵型泵浦合束器的輸入光纖為7根200/220的多模光纖,數值孔徑為0.22,輸出光纖為1根20/400雙包層光纖,包層數值孔徑為0.46。經測試,這種結構的泵浦合束器的耦合效率為96.8%,耐受功率約1032W,達到當時國內泵浦合束器耐受功率的最高水平。

2012年,德國的ThomasTheeg等人報導了研製的側泵型泵浦合束器。這種結構的泵浦合束器的製備工藝較為複雜,需先對中心的信號光纖周圍的泵浦光纖進行獨立拉錐,然後再將它們扭轉以與信號光纖貼合,然後再利用高溫將之館接在信號光纖上,在此過程中,需對火焰溫度的進行控制,以保證信號光纖不會變形。這種合束器的耐受功率大於400W,泵浦耦合效率在89%-95%之間。同樣在2012年,清華大學的QirongXiao報導了一種(8+1)X1結構的側泵型泵浦合束器,這種合束器的信號光纖纖芯直徑較大,為lOOum,纖芯數值為0.054,周圍8根泵浦光纖的尺寸在105/125ym,數值孔徑為0.15。事實上,這種方法在ITF的2011年授權的專利中有所提及。基本步驟是先將泵浦光纖獨立拉錐,然後將拉錐後的泵浦光纖均勻排列在信號光纖周圍並扭轉貼合,再用火焰將泵浦光纖與信號光纖溶接,在束腰處對其切割後再與輸出光纖溶接,這樣合束器就製備完成了。此合束器的泵浦耦合效率為96.8%,信號光傳輸效率為98%,將它用於光纖雷射器中,得到了87W的雷射輸出。

2013年,清華大學的Qirong,Xiao報導了耐受功率為3.01kW的7X1泵浦合束器,達到了公開報導的NX1泵浦合束器耐受功率的最高水平_。同年,Qirong,Xiao報導了一種(2+1)XI側泵型泵浦合束器,泵浦光纖為200/220um,數值孔徑為0.22的多模光纖,信號光纖的內包層直徑250um,數值孔徑0.46。泵浦光纖錐區長度約2.5cin,泵浦光和信號光的耦合效率均大於96%,單臂耐受功率達到200W水平。

4合束器基本結構及損耗來源分析

按照套用方式，端面泵浦的合束器可以分為N×1和(N+1)×1兩種類型。N×1型是由N根同類型光纖經熔融拉錐截斷，再與一根雙包層光纖熔接而成，而(N+1)×1泵浦合束器(PumpCombiner)是一類由多根泵浦光纖與信號光纖結合組成的用於泵浦耦合的光纖器件。型是使N根同類型光纖緊密圍繞中心一信號光纖合束熔融拉錐截斷之後，再與一根折射率分布匹配的雙包層光纖熔接而成。前者適用於光纖雷射器結構中，後者適用在光纖放大器系統中。

合束器在設計和製造上要滿足亮度守恆原理：NA1D1≤NA2D2，D1和NA1分別為輸入光纖組的橫截面積和數值孔徑，D2和NA2分別為輸出光纖的橫截面積和數值孔徑，否則泵浦光無法有效地傳導進雙包層光纖中，造成大量的光泄露。合束器作為一個無源光學耦合器件，在製造過程中難免引入各種損耗，造成從各臂輸入的光功率損失，而這部分損失能量會以熱量的形式耗散或者沉積，沉積的熱量導致了合束器結構中各部位的溫度升高。合束器的損耗大致由以下幾種情況造成：數值孔徑變形，端面的不匹配，熔接點損耗，彎曲損耗，工藝的缺陷等。不同製作工藝情況下得到的合束器的特性各有所差異，文中從整體角度考慮，對兩類國產合束器進行實際測試，分析泵光損耗、回光功率、環境溫度等不同情況下，合束器功率和溫度分布特性。

泵浦合束器