熔锥型光纤侧面泵浦耦合器的研究

申向伟，王大贵，吴中超，王晓新，何晓亮

(中国电子科技集团公司第二十六研究所，重庆 400060)

近年来，高功率光纤激光器应用广泛，如在计算机和微电子制造业中用于各种不同类型的数据存储和微电子加工,在印刷业和图像显示中用于各种图像处理,在工业制造业中用于传统工业制造加工和金属切割焊接,在医药卫生业中用于心血管病的心脏造影、激光美容等。泵浦耦合器的好坏是决定光纤激光器输出性能优劣的关键。

制作高效泵浦耦合的常用方式有光纤侧面泵浦和光纤端面泵浦两种。光纤端面泵浦制作方式会产生与泵浦光注入方向几乎垂直的熔接端面，该端面产生的反射光会沿原光路返回泵浦，对泵浦产生损坏，极大地限制了注入泵浦光功率。光纤侧面泵浦耦合方式中注入的泵浦光方向与耦合端面有较大的角度，反射光不会沿泵浦光原光路返回，避免了对泵浦光的影响，如此能够提高泵浦光的注入能量。因此，侧面泵浦耦合技术成为高功率泵浦注入技术的主要研究方向。侧面泵浦耦合技术主要有以下几种：侧面V呈槽泵浦耦合技术[1]、侧面角度磨抛泵浦耦合技术[2]、侧面嵌入反射镜泵浦耦合技术[3]及侧面熔锥泵浦耦合技术[4-6]等。侧面V槽泵浦耦合技术，因V槽嵌入内包层，对在内包层内传输的泵浦光损耗较大。侧面角度磨抛泵浦耦合技术对光纤端面磨抛工艺要求很高，且在高功率泵浦光注入下，粘合的光学胶会吸收泵浦光能量，产生分解或挥发，从而降低泵浦效率。该方法可以得到较高的耦合效率，但能承受的功率较低[7-9]。侧面V槽和侧面嵌入反射镜耦合技术都会对内包层中传输的泵浦光产生较大的损耗。侧面熔锥泵浦耦合技术不但可以实现增益光纤的多点泵浦，还可有效屏蔽增益光纤的后向传输光，这样既可提高信号光输出光功率，还可避免反射泵浦光对泵浦源的损坏。

本文使用熔融拉锥方法制作侧面泵浦耦合器，创新性地提出了在熔融拉锥过程中对粗光纤进行预拉的方式。

1.1 制作原理

熔锥侧面泵浦耦合器不仅可以提高注入增益光纤的泵浦光功率，而且可以实现增益光纤的多泵浦耦合，结构示意图如图1所示。整个耦合器由泵浦输入端、信号输入/输出端以及闲置端组成。泵浦输入端一般根据所使用的泵浦光源选择相匹配光纤。为了尽量减小与前后系统熔接损耗，信号输入/输出端光纤采用与前后系统匹配的光纤。闲置端是泵浦光纤耦合后形成的无用端，其功率较少，一般可以去掉。

全光纤化设计的光纤熔锥侧面泵浦耦合技术具备增益光纤在线泵浦和多点泵浦的功能。在有效放大信号光的同时，还可以通过熔锥斜面有效抑制后向反射光，提高整个光路系统的稳定性，对全光纤结构的高功率激光器输出功率和稳定性都具有提升作用。

1.2 实验装置

采用高温H2/O2火焰熔融拉锥方法制作侧面泵浦耦合器的装置原理图如图2所示。其主要包括915 nm泵浦光源，105/125 μm多模光纤，10/125 μm非掺杂双包层光纤，熔融型耦合平台。

具体实验过程如下：采用输出波长为915 nm、输出功率为1 W的多模半导体激光器作为泵浦源，输出尾纤为105/125 μm、数值孔径为0.22的标准多模光纤。在泵浦源的尾纤上熔接一段同种类型的多模光纤备用。信号光纤采用10/125 μm非掺杂双包层光纤。将泵浦和信号光纤后端各预留约1 m长度(根据实际需求确定)，然后将光纤涂覆层剥除2～3 cm作为熔融耦合拉锥区域。首先将105/125 μm光纤清洗并固定在光纤夹具上进行预拉，然后清洗10/125 μm非掺杂双包层光纤，反向转动拉锥机电机，将两根光纤缠绕成一定角度，最后移动火头熔融拉锥。预拉光纤前后对照图、两根光纤缠绕图和光纤熔拉图分别如图3～5所示。

通过光功率计(PM)实时探测10/125 μm非掺杂双包层光纤的输出功率，当输出光功率最大时停止拉锥。对光纤耦合区进行封装，并采用915 nm和 1 064 nm光源分别作为泵浦光源和信号光源进行参数测试。

侧面泵浦耦合器注入的泵浦光功率通过泵浦光纤的纤芯耦合到信号光纤的内包层，实现泵浦光对信号光的放大作用。泵浦光纤(105/125 μm光纤)预拉长度决定了泵浦光纤的纤芯直径，泵浦光纤纤芯直径决定了两根光纤打结时(未熔融拉锥时)泵浦光耦合进入信号光纤(10/125 μm非掺杂双包层光纤)的功率。取泵浦光输入功率为1 W，η初表示泵浦光纤和信号光纤打结完成未熔融拉锥时，泵浦光从纤芯耦合进入信号光纤的功率与泵浦光原功率之比。图6为泵浦光纤预拉长度对η初的影响。

由图6可以看出，随着泵浦光纤预拉长度的增加，初始耦合进入信号光纤的功率不断增加，但随着泵浦光纤预拉长度的增加，泵浦光纤的纤芯逐渐变细，这样既不利于后续的熔融拉锥耦合，也不利于手工操作，所以需要合理选择泵浦光纤的预拉长度。

在上述的预拉长度基础上，使信号光纤和泵浦光纤打结熔融拉锥，使用功率计PM测量信号光纤中的输出功率η终表示两个光纤熔融拉锥后，泵浦光功率耦合到信号光纤功率与泵浦光原功率之比。图7为泵浦光纤预拉长度对η终的影响关系图。

由图7可以看出，随着泵浦光纤预拉长度的增加，耦合进入信号光纤的功率先增加后减小，在预拉长度为9 000 μm时达到最大耦合输出功率820 mW，实现了泵浦光能量(1 W)到信号光纤的82%的转化效率。最后对耦合器进行封装，并采用915 nm和1 064 nm光源分别作为泵浦光源和信号光源测试了信号光通过率，信号输入与泵浦输入的隔离度，耦合器泵浦光反向隔离度。测试结果表明，泵浦光纤-信号光纤转换效率82%，信号光损耗0.09 dB，信号光输入-泵浦光输入隔离度33 dB，泵浦光反向隔离度24 dB。泵浦合束器实物图如图8所示。

由图7可以看出，随着泵浦光纤预拉长度的增加，η终先增加后减小。在光纤、火头等参数确定的情况下，本方案泵浦光纤预拉长度9 000 μm为最佳值。我们采用自制的泵浦耦合器制作了平均20 W，峰值功率为7 kW的脉冲光纤激光器，激光器实物图和光脉冲测试图分别如图9、10所示。

该激光器经用户试用后，其性能和可靠性得到用户的认可，进一步验证了采用本方案制作泵浦耦合器的可靠性。

本文采用高温H2/O2火焰熔融拉锥方法得到了泵浦光纤-信号光纤转换效率82%，信号光损耗0.09 dB，信号光输入-泵浦光输入隔离度33 dB，泵浦光反向隔离度24 dB的高效泵浦耦合器。采用该耦合器在自制脉冲光纤激光器上进行实验，验证了该耦合器的性能和可靠性，实现了峰值功率7 kW，平均功率20 W的稳定激光输出。采用此预拉方法制作的侧面泵浦耦合器在高功率光纤激光器和放大器中具有良好的应用前景。

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