產品 求購 供應 文章 問題

0431-81702023
光學工程
高功率光纖激光器抽運耦合技術的現狀和發展

摘要 抽運耦合技術是實現高功率光纖激光輸出的關鍵技術之一。對國內外雙包層光纖激光器所采用的各種端面抽運耦合技術和側面抽運耦合技術進行了詳細的介紹,并比較了各自的優缺點。分析表明,熔融拉錐光纖束端面抽運和 GTWave側面抽運方式更有利于實現高功率光纖激光輸出。

關鍵詞 激光器;高功率光纖激光器;抽運耦合技術;雙包層光纖

1 引 言

     同一般的激光器相比,光纖激光器在光束質量、體積、質量、效率、散熱等方面均具有明顯優勢[1~3],現已廣泛應用于光纖通信、激光空間遠距通信、工業造船、汽車制造、激光切割、金屬焊接、軍事國防安全、生物醫療、大型基礎建設等民用工業和軍事領域[4],已成為世界各國研究的熱點之一。光纖激光器和放大器的構想是Snitzer[5]在1961年所提出的,但由于光纖拉制工藝、光纖損耗、半導體激光器技術等方面的限制,在其后的20 多年里光纖激光器沒有得到很好的發展。1987年,英國的南安普頓大學及美國的貝爾實驗室用摻鉺單模光纖實現光通信中的光放大,以此證明了摻鉺光纖放大器(EDFA)的可行性[6,7]。由于當時使用的是單模光纖(SMF),無法實現高功率輸出。1988年,Snitzer等[8]提出抽運光由包層進入的思想,以提高抽運耦合效率。但初期設想的圓形內包層因為完美的對稱性導致抽運光的吸收效率低。直到1993年,矩形內包層的雙包層光纖出現,大大提高了輸出功率和效率。此后,正方形、D 形、梅花形等形狀的內包層也相繼出現,實驗表明,這些內包層形狀的光纖相對于圓形內包層形狀在抽運光吸收效率上有了很大提高。1994年,Pask等[9]首先在摻鐿石英光纖中實現了包層抽運技術,實驗中得到了波長為1042nm,功率0.5 W 的最大激光輸出,斜率效率達到80%。正是由于摻 Yb3+ 雙包層光纖激光器具有更高的斜率效率,以及 Yb3+ 所具有的簡單的能級結構、寬的吸收帶和較寬的發射截面,使得人們的注意力逐漸轉向摻 Yb3+ 雙包層光纖激光器的研究。此后,光纖激光器得到了迅猛發展,輸出功率不斷飆升,目前,國內外多家機構都實現了單根光纖千瓦量級的輸出功率。2004年,南安普敦大學的Jeong等[10]采用雙端抽運方式實現了連續激光輸出功率為1.36kW的摻鐿大芯徑(40μm)單模光纖激光器。IPG 公司在2006年報道了單模連續激光輸出3kW 的摻鐿光纖(YDF)激光器[11];2009年6月,IPG 公司宣布實現輸出功率達10kW 的連續單模光纖激光器[12]。2006年,中國電子科技集團公司第十一研究所利用雙端抽運,實現了大芯徑摻鐿雙包層光纖激光器超過1.2kW的輸出功率[13];中國科學院上海光學精密機械研究所采用國產大芯徑雙包層光纖,利用雙端抽運獲得1.75kW 的連續激光輸出,斜率效率為76%[14];2010年,中國兵器裝備研究院通過自制的7×1熔融拉錐耦合器實現了超過3kW 的大功率光纖激光合成功率的輸出[15]。

      仔細分析高功率光纖激光器的發展,我們發現,要想獲得更高的輸出功率,光纖激光器需要突破的關鍵技術主要有有源光纖的設計及拉制工藝和高效抽運耦合技術等。現在大功率光纖激光器、光纖放大器主要采用的是雙包層摻雜光纖,與半導體抽運激光器發出的多模抽運光束的發散角相比,其內包層直徑很小,因此如何把抽運光高效地耦合到雙包層光纖的內包層是獲得高功率光纖激光輸出的核心技術。

     抽運耦合技術目前大致可分為端面抽運耦合技術和側面抽運耦合技術。端面抽運耦合技術是從雙包層光纖的一個或者兩個端面將抽運光耦合到雙包層光纖的內包層,常用的方式主要包括透鏡端面耦合、光纖端面熔接耦合、熔融拉錐光纖束耦合等。側面抽運耦合技術是從雙包層光纖的側面將抽運光耦合到內包層,它不占用光纖的兩端,使抽運光在光纖中的分布更趨均勻,方便信號光輸入輸出、光纖熔接、信號測量等操作。典型的側面抽運技術包括 V 型槽法、嵌入反射鏡法、角度磨拋法、衍射光柵抽運耦合和 GTWave技術等。

      本文對各種抽運耦合技術進行詳細介紹,根據抽運技術的評價標準,對這些抽運方式進行優缺點的比較,重點分析比較了熔融拉錐光纖束耦合和 GTWave技術,為進一步改進光纖激光器抽運耦合技術提供參考。

2 端面抽運

2.1 透鏡端面耦合

       透鏡端面耦合是將抽運光通過準直聚焦透鏡組耦合到雙包層光纖的內包層[10,16~21],如圖1所示。光纖兩個切割端面與光纖軸垂直并且無涂覆,激光諧振腔由光纖一端對抽運光高透(HT)、對信號光高反(HR)的雙色片和光纖的另一端面構成,該端面有4%的反射率。信號光與抽運光的分離通過另一個雙色片來實現。2009年,Jeong等[21]使用雙端透鏡抽運實現了單根光纖超過2.1kW 的激光輸出,斜率效率達到74%,光束質量因子 犕2=1.2。這種方式通過空間耦合器件來實現抽運光的耦合,需要非常精確的調節,系統穩定性不高,擴展能力差。

2.2 光纖端面熔接耦合

       光纖端面熔接抽運耦合如圖2所示,它是將一個對抽運光高透、對激光波長高反的光纖光柵分別與雙包層光纖一端和大功率激光二極管(LD)的輸出尾纖相熔接,此光纖光柵與雙包層光纖另一個端面構成全光纖激光器諧振腔[22~25]。2009年,Feng等[25]用此方法實現了153 W 的激光輸出,斜率效率為85%。這種方式簡單,但是擴展能力較差。

2.3 熔融拉錐光纖束耦合

        熔融拉錐光纖束(TFB)耦合示意圖如圖3所示,它是將一束光纖剝去涂覆層,然后纏繞在一起,在高溫中加熱使之熔化,同時向光纖兩端拉伸光纖束,光纖熔融區成為錐形過渡段。從錐腰切斷后,將錐區輸出端與雙包層光纖熔接[26~30]。如果這一束光纖都是抽運光纖,則構成 犖 ×1抽運合束器;若是一束抽運光纖對稱排列在一根信號光纖周圍熔融拉錐,則構成(犖+1)×1耦合器。

 

      熔融拉錐光纖合束器的優點是能夠將多束抽運光高效地耦合到一根光纖。但是在光纖合束器的設計和制作過程中,為了得到較低的損耗,必須滿足

    

式中N為光纖合束器中的光纖數目;Di,NAi 分別為輸入光纖的直徑和最大數值孔徑;Do,NAo 分別為輸出光纖的直徑和數值孔徑。

      為了減少光纖束中光纖之間的空隙,光纖束要緊密排列在一起,熔錐后橫截面為圓形,這樣熔錐光纖束能夠與輸出光纖很好地熔接。而且如果是(犖+1)×1合束器,則一定要求抽運光纖圍繞著中心的信號光纖對稱排列。

      目前輸出功率超過千瓦量級的光纖激光器大多采用這種方式。2007年,加拿大ITF實驗室論證了熔融拉錐合束器可以承受千瓦量級的輸出功率,如圖 4 所示[31~33]。2006 年,IPG 公司基于 TFB 方式實現了3kW的功率輸出[11]。2010年,中國兵器裝備研究院采用7路光纖熔融拉錐,實現了3434 W 的激光合成輸出,其效率為81.7%,拉錐耦合器單臂最大可承受功率達633 W[15]。

      清華大學研究人員在此方式的基礎上提出分布式包層抽運技術,如圖5所示[34~36]。它包括一個激光振蕩級和兩個放大級。激光振蕩級包括增益光纖、一個7×1合束器和一對光纖布拉格光柵(FBG)。放大級包括增益光纖和一個(6+1)×1合束器,不同的級之間以串聯方式熔接起來。抽運光通過合束器進入增益光纖。為了避免抽運光泄漏,增益光纖應該足夠長,以有效吸收抽運光[35]。這種抽運方式制作簡單,效率高,易于實現全光纖化,降低了對抽運源的高亮度要求,很容易通過串聯實現功率擴展,并且,隨著功率的提高,光束質量沒有明顯下降。2011 年,他們用此方式實現了 1.1kW 的激光輸出功率,其光 光轉換效率為66.5%[35]。但是,如何降低熔接處的附加損耗,解決包層中的傳輸功率泄漏問題,高效、低損耗定向耦合器的封裝問題等亟待突破。

      IPG 公 司 在 TFB 方 法 的 基 礎 上 已 經 成 功 得 到50kW的多模輸出,采用的方法是通過光纖合束器將多個單模(SM)光纖激光器合并輸出,其輸出光纖直徑為200μm,如圖6所示。這是目前得到的功率最高的多模激光輸出,但是其光束質量非常差,犕2=30[37]。合束器本身限制了功率的進一步提升。因為所有單模光纖激光器的功率全部集中在合束器上,即使很小的缺陷也會導致較大的功率損失,從而在體積相對較小的光纖上產生嚴重的熱負荷。因此降低合束器損耗和熱管理對高功率多模光纖激光器的設計至關重要。

2.4 大芯徑光纖端面耦合

       在(N+1)×1合束器中,中間的信號光纖是單模光纖,纖芯模場直徑最大為9μm。在此基礎上,ITF 提出了一種大芯徑光纖端面耦合方法[38,39],如圖7所示。其中信號光纖是一根能夠支持少數模式的光纖(FMF),其纖芯模場直徑一般為30~50μm。抽運光纖對稱地排列在信號光纖周圍,將所有光纖的涂覆層剝除后在高溫中加熱熔融,再與一根大芯徑雙包層光纖(LACDCF)熔接,其纖芯模場直徑一般為50μm。在加熱過程中,信號光纖纖芯中摻雜離子會擴散到內包層中,從而增加纖芯的大小和模式。當信號光纖纖芯的模場直徑與即將要熔接的雙包層光纖纖芯的模場直徑相等時,停止加熱。此時信號光纖與 LACDCF的模式匹配,能夠保證單模傳輸。最后將光纖熔融束與 LACDCF相熔接。過最大拉錐比率犚,需要注意的是,多模光纖在熔接前要先拉錐,這樣才能與 LACDCF實現直徑匹配。并且在拉錐多模光纖時,不應超過最大拉錐比率R,

      式中ρ0 是多模光纖拉錐后的直徑,ρi 是多模光纖的初始直徑,NAMM 是多模光纖的數值 孔 徑,犖犃DCF 是LACDCF內包層的數值孔徑。這種方式需要通過近場測量裝置對 LACDCF入射端進行監測,使得信號光纖和 LACDCF纖芯精確對準。

3 側面抽運

3.1 犞型槽法

      V 形槽基本結構如圖8所示[40~44]。首先,剝除一段雙包層光纖的涂覆層,通過機械技術在裸露的內包層上刻蝕一個 V 形槽,槽的表面光學平滑,槽的深度不傷及纖芯。抽運光經微透鏡聚焦于 V 形槽一側面并反射進入雙包層光纖內包層進行抽運。該方法有很好的功率擴展能力,Cheng等[45]采用盤形光纖激光器(圖9),用10個 LD抽運,最終獲得240 W 的功率輸出。2004年,Snell[43]使用改進的 V 形槽法獲得了超過1kW 的激光輸出。由于 V 型槽對內包層造成損傷,會影響到抽運光的傳輸,多點抽運會增加抽運光的損耗,在高功率情況下,功率提升能力有限。另外,此方法的耦合效率對 V 型槽、微透鏡和LD之間的相對位置非常敏感,對調整精度的要求很高。

3.2 嵌入反射鏡側面抽運耦合

       嵌入反射鏡側面抽運耦合方式是在 V 型槽刻蝕方式上的改進,其原理如圖10所示[46]。首先剝除一段雙包層光纖的外包層,然后在內包層上刻蝕出一個凹槽,凹槽可以是任意合適的形狀,只要它能夠提供足夠大的角度接收抽運光入射進內包層。凹槽的大小要能夠容納反射鏡,還要保證不會破壞纖芯。反射鏡是一個等腰直角三角體,但其斜邊是一個鍍有高反射膜的凸面作為反射面,反射面設計成一定的曲率來減小抽運光的發散;為了減小抽運光的反饋,鏡上的入射面鍍了一層增透膜。反射鏡通過光學環氧膠在與光纖內包層粘接固定,同時也作為折射率匹配介質用來降低界面的反射損耗。

       Koplow 等[46]利用此方式獲得了5.2 W(1064nm)和2.6 W(1550nm)的光纖激光輸出,最大耦合效率約為80%。這種方式可擴展性較強,適用于LD陣列,將光纖盤繞或并排,同時在光纖上刻蝕凹槽,再將反射鏡放置在凹槽陣列上。該方案不需要精確對準,減小了對準失調帶來的耦合損耗,光學膠的使用不需要凹槽表面光學平滑。但這種方式對光纖內包層帶來損傷,此外光學膠的耐熱問題依舊存在。

3.3 角度磨拋側面抽運耦合

     角度磨拋側面抽運耦合方式如圖11所示,將多模光纖一端按一定角度α磨拋,通過折射率匹配液將其與剝去涂覆層的雙包層光纖內包層平面緊密貼合并用折射率相近的光學膠固定。抽運光從多模光纖直接耦合進入雙包層光纖內包層,并抽運摻雜的纖芯。磨拋角度α對抽運耦合效率有較大的影響,若α太大,抽運光進入雙包層光纖內包層后不滿足全內反射的條件,導致耦合效率降低;若α太小,抽運光纖和雙包層光纖內包層的接觸面積過大,也會降低耦合效率。通常α約為10°[47~50]。

      2003年,清華大學研究人員利用三根多模抽運光纖角度磨拋側面耦合的方法獲得了1.38 W 的功率輸出,實現了多點抽運耦合[50]。2011年,他們利用7×1合束器將抽運光注入到傳能光纖,再用角度磨拋方法側面抽運雙包層光纖,最終得到了102.5 W 的功率輸出,斜率效率為77.1%[51],如圖12所示。這種方法的優點是可以獲得高的耦合效率,已有報道的最高耦合效率達到90%[49]。不過這種方式依然會對光纖內包層造成損傷,并且同樣由于光學膠的耐熱問題,功率提升受到限制。

3.4 衍射光柵側面抽運耦合

        衍射光柵側面抽運耦合是抽運光通過雙包層光纖內包層表面附加反射型或透射型衍射光柵的衍射作用耦合入光纖內包層,其結構如圖13所示[52]。將光柵用折射率匹配光學膠固定在光纖內包層上,抽運光從光纖另一側入射,其+1階和-l階衍射光進入內包層中傳輸。+1階和-1階衍射光在內包層中必須滿足全反射條件,因此要適當選取光柵的折射率、條紋深度和寬度。

 

 

      2003年,Herda等[52]利用兩個光柵側面抽運得到了1.2 W 的激光輸出,耦合效率為57%[52]。Zhang等[53]對此結構提出了改進,在雙包層光纖表面以一定周期鍍上一定厚度的金薄膜,并在其上覆蓋一層二氧化硅薄膜。因為二氧化硅的折射率與光纖的內包層折射率接近,這樣就構成了一個對稱的介質 金屬 介質的夾層結構。在光纖內包層的另一側鍍上高反膜,使得零級衍射光在光柵的作用下二次衍射,大大提高了抽運耦合效率。此后,他們又提出了雙光柵側面耦合方式,這種方式包括一個金屬反射光柵和一個介質透射光柵,這兩個光柵分別位于雙包層光纖的上下表面。經理論分析,雙光柵側面抽運方式最大的抽運耦合效率可達94.2%[54,55]。衍射光柵側面抽運方法可擴展性強,耦合效率高。這種方法雖然不會對雙包層光纖造成損傷,但對光柵的制作工藝要求較高。

3.5 GTwave抽運技術

     GTWave技術是由南安普頓 ORC實驗室所提出的[56,57]。這種方法是由一根摻雜信號光纖和至少一根多模抽運光纖彼此光學接觸組成,并且由同一種低折射率聚合物包層所涂覆,如圖14所示。GTWave是一種獨特的抽運耦合結構,與 TFB抽運方式不同的是,抽運光沿著光纖軸向逐漸耦合到信號光纖[56~61]。這種方式需要一定的長度實現抽運光的耦合,但不需要光纖外徑很大或者數值孔徑足夠高。這種結構是沿光纖長度的側面耦合而不是單點耦合,沒有發生光纖損傷或形變,提高了抽運吸收效率,可以實現很高的功率控制。此外,這種方法不需要為了提高耦合效率而設計特殊的幾何排布來防止抽運光通過抽運光纖泄漏,降低了多余的抽運損耗。

    

      GTWave的制作過程比較復雜,如圖15所示。先準備一束光纖預制棒,將這些預制棒以一定的排列方式固定在光纖拉絲塔上,以一定的拉伸速度和拉力同時拉伸這束光纖預制棒,其拉伸速度和拉力大小要能夠使得兩根相鄰光纖互相接觸,使光能穿透到相鄰光纖中。雖然目前單根光纖拉制技術很成熟,但是多根光纖的同時拉制對光纖拉制工藝及控制條件提出了一定的挑戰。

      GTWave有多根抽運光纖作為抽運注入源,可以提高功率,同時,它還有一根信號輸出端可以自由地熔接,因此可以將多個 GTWave進行級聯,構成主振蕩功率放大(MOPA)結構。這種方式也可以有效地提升功率,已經商品化。目前 SPI公司的 CW/M 產品已經可以實現超過400 W 的連 續 激 光 輸 出,實 驗 室 功 率 輸 出 則 已 超 過 500 W[62];redEnergyTM 產 品 脈 沖 輸 出 能 量 為0.8mJ,峰值功率超過15kW,重復速率為25kHz[63,64]。


       IPG 公司宣布已經成功獲得 10kW 的單根單 模 光 纖 激 光 輸 出,其 結 構 如 圖 16 所 示[37]。它 采 用 了MOPA 結構,在1070nm 波長處獲得近衍射極限的激光輸出[65]。在放大級,抽運光通過單模 多模合束器將一束波長為1018nm 的單模激光合束并由一根多模光纖輸出,然后通過側面抽運方式,將多模光纖中的抽運光沿著光纖方向逐漸耦合到摻鐿光纖中,如圖17所示[59~61]。這說明,IPG 公司的10kW 光纖激光器采用了 GTWave抽運技術。

4 不同抽運耦合方式的性能比較

      評價抽運耦合方式的標準主要包括耦合效率、系統穩定性、結構緊湊度、復雜度、可擴展性等因素。其中耦合效率是主因,它直接決定激光器的輸出功率和能量利用率;系統穩定性主要涉及到光學系統的熱力學性能變化;在產品的生產和封裝中需要考慮結構緊湊度;復雜度是指所需組件的數目及抽運耦合調節過程的難易程度;可擴展性則反映了其功率擴展能力。表1列舉了各種抽運耦合方式的優缺點及文獻公開報道的最高輸出功率。

      從表1可以看出,1)側面抽運耦合方式在擴展能力方面要優于端面抽運耦合方式,這是因為側面抽運耦合“解放”了信號光纖的兩個端面,不會對信號光的傳輸路徑造成阻礙,能夠實現沿光纖長度上的多點分布抽運,從而實現更高功率的抽運耦合。2)在系統穩定性和緊湊度方面,全光纖結構要優于非全光纖結構。這是因為像透鏡、光柵或光學折射率匹配膠等附加器件和材料的引入,不僅對操作帶來一定的要求,而且其本身的耐熱問題對功率提升有很大限制。3)V型槽法、嵌入鏡片法和角度磨拋法會對光纖內包層造成損傷,不利于它們在大功率光纖激光器中的應用。4)抽運光是沿光纖軸向長度耦合注入的方式(如 GTWave)要優于單點注入方式(如透鏡耦合、V型槽法和熔融拉錐抽運耦合等)。這是因為后者入射功率集中,由此產生的熱負荷較高,光纖入射點容易受到損傷,降低了抽運耦合效率。

      從表1中還可以看到,目前實現千瓦量級功率輸出的抽運方式有透鏡端面抽運耦合、V 形槽法、光纖束熔融拉錐端面耦合和 GTwave技術。當功率進一步提高時,透鏡端面抽運耦合和 V 形槽法由于引入了附加器件不再是全光纖結構或光纖內包層被損傷,不能滿足萬瓦以上量級的高功率光纖激光輸出。熔融拉錐光纖束端面耦合和 GTWave技術這兩種方式都是全光纖結構,結構簡單緊湊,穩定性好,可擴展能力強,大功率光纖激光器在這兩種方式的基礎上采用 MOPA 結構,功率提升有很大潛力[35,64,66,67]。近年來 TFB合束器已經商品化并應用在光纖激光器中,但其缺點是抽運入射點最大數目受到兩個端面的限制,光纖入射端的抽運功率密度較高,很容易導致光纖端面熱負荷嚴重使光纖端面受到損傷從而影響了輸出功率,這種情況在高功率情況下會更加突出,因此需要額外的冷卻裝置降低對光纖的損傷。此外,TFB方式是將多束光纖進行拉錐熔融合束在一起,光纖束在高溫拉錐下所受應力不均勻會產生一定的形變,隨著抽運光纖路數的增多,其控制難度會增加。目前基于這種方式的光纖激光器已經實現了50kW 的輸出功率,但是其光束質量非常差,光纖端面熱負荷和拉錐光纖中產生的形變是必須要解決的兩大難題。GTWave的優勢就是抽運光纖和信號光纖是光學接觸,沒有對光纖進行破壞或產生形變,信號光和抽運光相互獨立,抽運光沿光纖軸向逐漸耦合到信 號 光 纖 中 去,即 便 是 在 高 功 率 應 用 中,也 不 會 產 生 嚴 重 的 熱 負 荷。值 得 一 提 的 是,基 于GTWave技術的光纖激光器結合了10kW 量級的高功率輸出、近乎完美的光束質量、封裝緊密、良好的系統可靠性、高效性和耐用性等優勢,在戰略定向能應用方面擁有一定的市場,前景非常誘人[65]。

5 結束語

        光纖激光器是新型激光器發展的代表。選擇良好的抽運方式對提高光纖激光器的各項性能指標具有重要的意義。本文分別對國內外具有代表性的雙包層光纖的端面抽運耦合和側面抽運耦合技術方案做了詳細介紹。經過分析比較發現,熔融拉錐光纖束和 GTWave這兩種全光纖抽運耦合方式緊湊度高,穩定性好,便于封裝和制造,越來越多地應用在高功率光纖激光器上。相信在不久的將來,隨著光纖制作工藝的改進,抽運技術的不斷更新,雙包層光纖激光器將會變得更加簡單、高效。

 


版權信息:長春市金龍光電科技有限責任公司 | 聯系電話:0431-81702023 | 網站備案號:吉ICP備07002350號-1 | EMAIL:[email protected]
35选7中奖号码