光纖合束器

PCF 由于其特殊的波導結構而具有單模大模場面積、大的泵浦區(qū)數(shù)值孔徑、高耐熱能力等優(yōu)點, 在光纖激光器領域受到了廣泛的關注。

PCF 具有大的模場面積。其具有大的芯-包折射率差, 空氣孔包層可以提供一個很大的數(shù)值孔徑, 此數(shù)值孔徑由空氣孔包層的空氣孔間距Δ決定, 一般在0 .55 ～ 0 .65 之間。而且, 以空氣孔為包層, 熱傳導性能較好, 可容許較大的功率密度。因此, 利用一小段PCF 光纖就可以得到較大的輸出光功率, 大大降低非線性效應。

1964 年，美國的 Snitzer 等人首次提出了光纖激光器和放大器的構想，但受當時光纖拉制工藝、光纖損耗、半導體激光器技術等方面的限制，在其后 20 多年里光纖激光器沒有得到實質(zhì)性的發(fā)展。1987年英國南安普頓大學及美國貝爾實驗室用摻鉺單模光纖實現(xiàn)光通訊中的光放大，以此證明了摻鉺光纖放大器（EDFA）的可行性。由于當時使用的是單包層光纖，纖芯直徑十分細小，只有幾微米，因此，泵浦光的耦合效率限制了激光器的輸出功率。1988 年，Snitzer 等人提出了基于雙包層光纖的包層泵浦技術，相較于傳統(tǒng)光纖，雙包層光纖多了一個可以傳光的內(nèi)包層，內(nèi)包層的橫向尺寸和數(shù)值孔徑都比纖芯大得多，從而降低了泵浦光的耦合難度，大大提升了泵浦光的耦合功率。但是初期設想的圓形內(nèi)包層因為完美的對稱性導致泵浦光的吸收效率較低。1993 年，矩形內(nèi)包層的雙包層光纖出現(xiàn)，此后，正方形、D 形、梅花形等形狀的內(nèi)包層也相繼出現(xiàn)，實驗表明，這些內(nèi)包層形狀的光纖相對于圓形內(nèi)包層形狀的光纖對泵浦光的吸收效率有了很大提高。1994 年，由 H. M. Pask 等人首先在摻鐿石英光纖中實現(xiàn)了包層泵浦技術，實驗中得到了波長為 1042nm，功率為0.5W 的最大激光輸出，斜率效率達到 80%。正是由于摻鐿雙包層光纖激光器具有更高的斜率效率，以及 Yb3 具有簡單的能級結構、較寬的吸收帶和較寬的發(fā)射截面，人們的注意力逐漸轉向摻鐿雙包層光纖激光器的研究。此后，光纖激光器得到了迅猛發(fā)展，輸出功率不斷飆升。1997 年，Polaroid 報道了輸出功率35.5W，波長 1100nm 的雙包層激光器。1999 年，SDL（Spectra Diode Laser）首次實現(xiàn)了連續(xù)功率達百瓦級的摻鐿雙包層光纖激光器，輸出功率為 110W。

2003 年 Limpert 等報道了輸出功率 500W、M2為 1.1 的摻鐿雙包層光纖激光器，而 Liu 等人將輸出功率提高到了 810W。2004 年，南安普頓大學的 Y. Jeong 等人采用雙端泵浦方式實現(xiàn)了連續(xù)激光輸出功率為 1.36kW 的摻鐿大芯徑單模光纖激光器。從 2005 到 2009 年，美國 IPG的單模光纖激光器依次突破了 2kW和 3kW，更實現(xiàn)了從 6kW 至 10kW 的跨越。 盡管光纖激光器發(fā)展迅猛，但是受熱損傷、非線性效應、光纖端面損傷、熱透鏡效應等因素的制約，單根單模光纖激光器的輸出功率不可能無限提升。

美國利弗莫爾實驗室（LLNL）J.W.Dawson 等人綜合考慮熱效應、非線性光學、輸出端限制等物理因素的影響，對光纖激光輸出功率極限進行了較為詳細的分析。計算結果表明，單模寬譜光纖激光的輸出功率極限約為 36.6 kW，單頻（一般譜寬小于或等于與布里淵增益的線寬量級，即小于 100MHz）光纖激光的輸出功 率極限約為 1.86 kW。級聯(lián)泵浦方案被認為是進一步提升光纖激光器輸出功率的有效途徑。朱家健等人分析了級聯(lián)泵浦條件下，摻鐿光纖的輸出功率極限，計算結果表明利用 1018nm 泵浦的摻鐿光纖激光器單頻單橫模輸出功率極限為70.7kW。

從上述分析可知，盡管目前單根單模光纖激光器輸出功率已經(jīng)突破萬瓦級，并且存在一定的提升空間，但距離數(shù)百千瓦級高功率輸出還有著量級上的差距。 增大光纖纖芯直徑可以大幅提升光纖輸出功率，如果將多根中等功率的單模光纖激光通過全光纖的合束器合成到一根多模光纖中，就可以獲得大功率激光輸出。IPG 已經(jīng)實現(xiàn)了 50kW 的多模激光輸出，這種方法要實現(xiàn)百千瓦的輸出功率也是可行的。 光纖激光器具有的獨特優(yōu)勢以及功率的不斷提升使其應用范圍不斷擴展，目前在工業(yè)加工、生物醫(yī)療、國防軍事等領域得到了廣泛的應用。

在工業(yè)領域，激光焊接由于熱影響小、密封性好、適合在真空等特殊環(huán)境下加工，在航天航空器件中得到廣泛應用。時至今日，隨著激光功率的提高，現(xiàn)在焊接十幾毫米厚的鋼板也比較容易。用激光焊接技術取代傳統(tǒng)的鉚釘進行鋁合金飛機機身的制造，從而減輕飛機機身重量近 20%，提高強度近 20%，如今德國宇航 MBB，空中客車都應用了此項技術。2010 年，IPG 獨一無二的波長為 1070nm 的 20kW 連續(xù)商用光纖激光器，在光纖芯徑為 200μm，聚焦光斑為 420μm 的條件下，焊接厚度為 1 英寸的 304 不銹鋼，速度能夠達到 0.85m/min，焊接 0.75 英寸的鋼板能達到 2m/min。2010 年，日本獲得日本海事協(xié)會及英國勞氏船級社的許可，將 10kW 光纖激光-電弧復合焊接第一次運用于船舶制造。2011 年，一套搭載有 IPG 20KW 光纖激光器成功應用于通用電氣的高功率激光電弧復合焊接（HLAW）系統(tǒng)。此系統(tǒng)將激光焊接和電弧焊接組合在一起，能夠以速度大于 6feet/min 的單一過程，焊接超過 0.5 英寸厚的鋼板，并且能夠獲得比傳統(tǒng)多道工序焊接更好的焊接質(zhì)量，這將有望徹底改變未來工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)方式。此外，在激光打標、激光切割、激光美容等方面，光纖激光器以其特有的優(yōu)勢正在逐漸取代傳統(tǒng)激光器。自 2009 年以來，光纖激光器就已經(jīng)被銷往六大主要行業(yè)，其中包括電子、食品設備和辦公用品。2011 年，該六大行業(yè)的總銷售額達 4.86 億美元，較 2010 年增長 50%。

在國防領域，光纖激光器在體積、效率和光束質(zhì)量等方面的優(yōu)勢，在空間激光武器中有廣泛的應用前景。2004 年美國 SPATA 的“宙斯”激光掃雷系統(tǒng)采用了 IPG 的 2kW 多模光纖激光器，該系統(tǒng)在阿富汗地區(qū)成功執(zhí)行了掃雷任務。2006 年雷神構建的激光區(qū)域防護系統(tǒng)（Laser Area Defense Syetem）在戰(zhàn)術時間內(nèi)成功引爆了超過 500m 處的 60mm 迫擊炮彈。2010 年，美國海軍的激光密集陣（Laser Phalanx）光纖激光器演示系統(tǒng)成功擊落 4 架從海上飛來的無人機，此系統(tǒng)是美國空軍實驗室用 6 根 5.5kW 的 IPG光纖激光器集成，合成輸出功率達 32kW，這是美國在現(xiàn)有艦載防空平臺上首次試驗激光武器。此外，美國陸軍還把密集陣系統(tǒng)移植為地面密集陣系統(tǒng)，并賦予其百夫長（Centurion）名稱，還在百夫長平臺上研發(fā)光纖激光武器系統(tǒng)——激光百夫長。

高能光纖激光廣闊的市場前景吸引了世界上眾多的科研機構和企業(yè)。國外光纖激光器的主要生產(chǎn)廠家有 IPG、SPI、JDSU、Coherent、ROFIN 和 TRUMPF等，英國 Southampton 大學、Bath 大學、美國 Michigan 大學、德國 Jena 大學等也不斷推陳出新，使得高功率光纖激光器從實驗室快速商品化走向市場。

美國的 IPG已經(jīng)推出了產(chǎn)品化的單模萬瓦光纖激光器和 50kW 的多模連續(xù)光纖激光器。而 ROFIN 旗下的 Nufern也推出了 kW 量級單模光纖放大器系統(tǒng)。國內(nèi)的武漢銳科、中科梅曼、創(chuàng)鑫激光和國科世紀等都進入光纖激光器領域。2012 年，西安中科梅曼成功推出了國內(nèi)首臺擁有自主知識產(chǎn)權的 kW 工業(yè)級光纖激光器。清華大學、國防科技大學、中科院上海光機所、西安光機所、中國兵器裝備研究院等多家科研單位也實現(xiàn)了千瓦級光纖激光輸出。

光纖激光器具有光束質(zhì)量好、結構緊湊、體積小、質(zhì)量輕、易散熱、工作穩(wěn)定性好等眾多優(yōu)點, 已經(jīng)成為世界各國的研究熱點?，F(xiàn)在大功率光纖激光器、光纖放大器采用的雙包層摻雜光纖, 相對于從半導體泵浦激光器發(fā)出的多模泵浦光束的大發(fā)散角,其內(nèi)包層的直徑很小, 因此把泵浦光有效耦合到摻雜雙包層光纖的內(nèi)包層是一個難題。人們發(fā)明了很多泵浦耦合技術, 大體上可分為端面泵浦和側面泵浦。端面泵浦技術是從雙包層光纖的一個或者兩個端面將泵浦光耦合到內(nèi)包層, 主要采用直接熔接耦合、透鏡組耦合和錐導管耦合等方式。側面泵浦耦合技術是從雙包層光纖的側面將泵浦光耦合到內(nèi)包層, 主要有分布包層泵浦耦合 、微棱鏡側面耦合、V 型槽側面耦合 、嵌入透鏡式側面泵浦耦合 、角度磨拋側面泵浦耦合 、光柵側面泵浦耦合等。

通過對耦合效率、系統(tǒng)穩(wěn)定性、結構緊湊性、復雜度、可擴展性、制作難易程度等相關指標的對比發(fā)現(xiàn), 利用光纖合束器的分布包層泵浦耦合技術具有很大的優(yōu)勢, 可以滿足高功率光纖激光器泵浦耦合的需要。隨著空氣包層光子晶體光纖(PCF)制造工藝的日臻成熟, 空氣包層PCF 的大數(shù)值孔徑、大模場直徑有利于提高光纖激光器、光纖放大器的泵浦功率和泵浦效率, 減小光纖激光器、光纖放大器的非線性效應, 有利于提高輸出功率。下面就采用傳統(tǒng)雙包層光纖和空氣包層PCF 制作光纖合束器的主要制作工藝進行分析。

光纖合束器是在熔融拉錐光纖束（Taper Fused Fiber Bundle，TFB）的基礎上制備的光纖器件。它是將一束光纖剝?nèi)ネ扛矊樱缓笠砸欢ǚ绞脚帕性谝黄?，在高溫中加熱使之熔化，同時向相反方向拉伸光纖束，光纖加熱區(qū)域熔融成為熔錐光纖束。從錐腰切斷后，將錐區(qū)輸出端與一根輸出光纖熔接。TFB 最初的提出是將泵浦光纖和信號光纖熔錐合束到一根雙包層增益光纖中，應用在高功率摻餌光纖放大器（EDFA）上。在后來的發(fā)展中，這種全光纖的合束器有了多種形變。

光纖合束器光纖合束器的分類

根據(jù)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激光合束到一根光纖中輸出，用來提高激光的輸出功率（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 N?1 光纖合束器和包含信號光纖的（N 1）光纖合束器。

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激光器系統(tǒng)中。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 N?1 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 路輸入光纖與激光器連接，用來提高激光合成功率，則是功率合束器。和 N?1 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。在制作過程中，N 根多模光纖必須緊密對稱地排列信號光纖周圍，中間的信號光纖用于信號光的輸入，這種光纖合束器主要用于光纖放大器。

光纖合束器在光纖激光系統(tǒng)中的應用

通過改變光纖合束器的輸入光纖類型，就可以實現(xiàn)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。

泵浦合束器光纖合束器的分類

根據(jù)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激光合束到一根光纖中輸出，用來提高激光的輸出功率（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激光器系統(tǒng)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 路輸入光纖與激光器連接，用來提高激光合成功率，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。在制作過程中，N 根多模光纖必須緊密對稱地排列信號光纖周圍，中間的信號光纖用于信號光的輸入，這種光纖合束器主要用于光纖放大器。

泵浦合束器光纖合束器在光纖激光系統(tǒng)中的應用

通過改變光纖合束器的輸入光纖類型，就可以實現(xiàn)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(fā)展，光纖激光器的輸出功率得到飛速提升。國際上已經(jīng)實現(xiàn)了單模10kW量級的全光纖激光輸出。國內(nèi)在高功率光纖激光器領域起步較晚，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(nèi)高功率光纖激光系統(tǒng)中，大都使用了國外的器件。在全光纖結構光纖激光器/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(xiàn)高功率的光纖激光器的關鍵器件，由于西方國家對中國的技術封鎖和產(chǎn)品禁運，嚴重限制了中國高功率光纖激光的發(fā)展。因此，研制基于國產(chǎn)器件的高功率光纖激光器對中國光纖激光技術的發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。

在全光纖結構光纖激光器/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激光器/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(jīng)突破200W，國內(nèi)尚無單臂大于50W合束器的報道。因此，研究高功率條件下，國產(chǎn)光纖泵浦合束器的熱效應，分析器件溫度分布規(guī)律，設計相應的熱管理方案，有助于提升合束器可承受的泵浦功率，最終實現(xiàn)基于國產(chǎn)器件高功率光纖激光器。

泵浦合束器的內(nèi)部結構一般為全光纖結構,光纖之間一般采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(wěn)定性較好可承受功率和親合效率也比較高。隨著光纖激光器的全光纖化發(fā)展,泵浦合束器已作為泵浦耦合的最主要手段應用于各類光纖激光器中。

光纖合束器制作。

多模光纖耦合器的研制工藝，采用了熔融拉錐后熔接的制作工藝。比較采用微透鏡轉換器等工藝而言，該工藝方法簡單靈活，效率高，制作器件的性能較好而且穩(wěn)定。實驗裝置主要包括一臺熔融拉錐機（帶特殊夾具）、一臺熔接機，其中熔融拉錐機及其夾具：

實驗所用熔融拉錐機的基本原理，只是所帶夾具經(jīng)過了特殊的設計。為了便于光纖組束，選擇7個與光纖尺寸匹配的鋼針，按照中間一個、外邊6個正六邊形排列的規(guī)則制作成鋼針束，鋼針束固定在一個圓形鋼管中間，圓形鋼管的尾端與磁性底座相擰，利用磁性底座吸附在拉伸平臺上。熔接機為愛利信的PM995熔接機，光纖融化利用的是電弧放電的方式，兩根鎢電極的針尖相對，在通電的情況下產(chǎn)生電弧放電，通過調(diào)整通電電流實現(xiàn)對不同芯徑光纖的融化。熔融狀態(tài)的光纖依靠精密電機的控制進行對中和熔接，完成光纖束錐體與輸出光纖的耦合。

具體的研究方法及途經(jīng)有以下幾點：

（1）合束器用光纖的選擇 輸入多模光纖的參數(shù)設計值為纖芯直徑62.5μm，包層直徑125μm，數(shù)值孔徑0.22和纖芯直徑105μm，包層直徑125μm，數(shù)值孔徑0.22兩種；根據(jù)(2.2)式，合束器輸出光纖的BPP參數(shù)必須大于輸入光纖束的BPP值，所以輸出光纖參數(shù)設多模光纖合束器用熔融拉錐機（a）光纖夾具計值為：纖芯直徑10μm，包層直徑125μm，數(shù)值孔徑0.46以及纖芯直徑15μm，包層直徑200μm，數(shù)值孔徑0.46兩種。

（2）光纖預處理工藝 把選擇好的輸入多模光纖截成長度相同的6段（長度2m），在預熔接處將涂覆層去除適當長度，采用超聲波清洗的辦法去除光纖表面殘留涂料以及灰塵，清洗后用酒精擦拭干凈，并密閉保存?zhèn)溆?。輸出光纖預處理過程遵循同樣的工藝。

（3）拉錐工藝 把預處理好的光纖放置到特制的光纖夾具中固定，通過流量計控制氫氣和氧氣的流量，把火焰溫度控制在適合熔融拉錐的狀態(tài)，精確調(diào)節(jié)火焰高度、拉錐速度、拉錐長度等各項參數(shù)，確保拉制出滿足需要的熔錐區(qū)結構和尺寸。

（4）熔接工藝 采用特殊的光纖切割刀將熔錐后的光纖束進行切割，用超聲波清洗切割合格的熔錐端面1～2分鐘，取出干燥。根據(jù)熔錐區(qū)的結構和尺寸，選擇適合的夾具，放到高精度的光纖熔接機上精確對準，選擇熔接機合適的熔接參數(shù)進行熔接。

（5）封裝工藝 將熔接好的合束器放置到合適尺寸的半玻管中，用膠固定，在半玻管外套上石英管，石英管兩頭用膠封堵，石英管外套不銹鋼管，確保合束器的強度滿足使用要求。

采用上述工藝，實驗分別采用不同的光纖組合進行了多模光纖合束器的研究，研制出了結構分別為 3x1、6x1 兩種多模光纖合束器。通過研究發(fā)現(xiàn)，不管采用哪一種結構類型的多模光纖合束器，所使用光纖的性能對耦合效率的影響最大。

實驗首先用纖芯直徑 105μm，包層直徑 125μm，數(shù)值孔徑 0.22 的多模光纖作為輸入輸出光纖，研制了 3x1 的多模光纖合束器，平均耦合效率的測量結果只有 30%，表明輸入光功率在耦合過程中損耗很大。所以實驗改用了纖芯直徑10μm，包層直徑 125μm，數(shù)值孔徑 0.46 的無源雙包層光纖作為輸出光纖，其BPP 值滿足式（2.2）的要求，測量發(fā)現(xiàn)合束器平均耦合效率有了明顯提高，達到了 90%，和國際同類型產(chǎn)品的性能基本一致，而且實驗和理論上預想的結果非常吻合。實驗后來又分別采用纖芯直徑 15μm，包層直徑 200μm，數(shù)值孔徑 0.46 的無源雙包層光纖和纖芯直徑 200μm，包層直徑 220μm，數(shù)值孔徑 0.46 的 PCS光纖做輸出光纖，對合束器進行了優(yōu)化，平均耦合效率分別提高到 92%和 93%，和優(yōu)化前耦合效率相比沒有明顯提高，實驗結果表明通過繼續(xù)提高輸出光纖的BPP 參數(shù)，效果已經(jīng)不太明顯，所以要進一步優(yōu)化合束器的耦合效率，必須在拉錐工藝中加強錐形的控制，減少附加損耗的產(chǎn)生，同時考慮減少熔接損耗。