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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(gòu)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(gè)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(yīng)用

通過改變光纖合束器的輸入光纖類型，就可以實(shí)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(dǎo)體、摻雜雙包層有源光纖等技術(shù)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(shí)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(lǐng)域起步較晚，目前取得了較大的進(jìn)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(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)高功率的光纖激光器的關(guān)鍵器件，由于西方國家對中國的技術(shù)封鎖和產(chǎn)品禁運(yùn)，嚴(yán)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(shù)的發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。

在全光纖結(jié)構(gòu)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(bào)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(yīng)，分析器件溫度分布規(guī)律，設(shè)計(jì)相應(yīng)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(shí)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(jié)構(gòu)一般為全光纖結(jié)構(gòu),光纖之間一般采用直接溶接的方式結(jié)合,端面直接溶融耦合與側(cè)面溶接親合所形成的這類結(jié)構(gòu)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(yīng)用于各類光纖激光器中。

泵浦合束器的基本原理是對光纖塑形后直接利用溶接的方式實(shí)現(xiàn)光束耦合,為達(dá)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(shù)值孔徑不大于親合輸出光纖的數(shù)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(jié)構(gòu)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型泵浦合束器主要應(yīng)用于光纖振蕩器,而由于(N 1)X1型泵浦合束器結(jié)構(gòu)中有一根信號光纖貫穿其中,因此(N 1)XI型泵浦合束器主要應(yīng)用于光纖放大器。

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后與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,拉錐后的單根泵浦光纖的數(shù)值孔徑AM,應(yīng)不大于輸出光纖的數(shù)值孔徑,而泵浦光纖拉錐前的數(shù)值孔徑AH"para" label-module="para">

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,為拉錐后輸入光纖束的直徑,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(yīng)滿足的條件。

(N 1)XI型泵浦合束器的結(jié)構(gòu)有兩種,一種為端泵型,另一種為側(cè)泵型。端泵型(N 1)XI泵浦合束器的結(jié)構(gòu)與NX1型泵浦合束器基本一致,唯一區(qū)別在于端錄型(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(shí)現(xiàn)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(cè)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,而信號光纖并沒有被拉錐。為達(dá)到高的耦合效率,它亦需滿足式1的條件,即從側(cè)面耦合到輸出光纖的光線角度不應(yīng)大于輸出光纖的臨界角。側(cè)泵浦型(N 1)XI泵浦合束器是由側(cè)面溶接親合技術(shù)發(fā)展而來的,器件的工作原理一致,但是由于其制備工藝復(fù)雜,目前市面上能夠購買的泵浦合束器大部分是端泵型的。

1999年,美國的DavidJohnDgiovanni等人[35]就提出了錐形光纖束結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)也在側(cè)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(jié)構(gòu)發(fā)展起來的。2004年,美國亞利桑那大學(xué)的Andrey等人報(bào)道了用玻璃套管法制備的NX1型泵浦合束器。由于數(shù)值孔徑的不匹配,制備的7X1型、19X1型泵浦合束器達(dá)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(jié)構(gòu)進(jìn)行了熱分析,得到了加載泵浦功率為IkW時(shí),合束器的溫升約2(rC的結(jié)論,標(biāo)志其生產(chǎn)的泵浦合束器巳可達(dá)kW級水平。實(shí)際上,ITF一直致力于高功率泵浦合束器的研制,自2007年以來,已發(fā)表多項(xiàng)泵浦合束器相關(guān)專利。如今,ITF生產(chǎn)的泵浦合束器已實(shí)現(xiàn)商品化,他們生產(chǎn)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于1.2kW,泵浦損耗可低于0.IdB,信號光損耗不大于0.5dB此類產(chǎn)品在高功率光纖激光器研究領(lǐng)域中得到普遍運(yùn)用。

2008年,武漢發(fā)表了(N 1)XI側(cè)面錄浦合束器的研制成果,這種合束器封裝后的形態(tài)。產(chǎn)品的泵浦耦合效率高于90%,信號光的插入損耗小于0.2dB。將這種側(cè)面泵浦的(N 1)XI合束器用在光纖放大器中,實(shí)現(xiàn)了400W的1064nm激光功率輸出,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(bào)道了一種錐形石英管結(jié)構(gòu)的(N 1)X1側(cè)泵型泵浦合束器。這種合束器的可耐受功率大于86W,泵浦耦合效率稍高于80%,導(dǎo)致泵浦親合效率不高的原因可能是錐形毛細(xì)管的表面并不光滑,且在錐形毛細(xì)管的末端有光線池漏。

2011年,意大利的AndreaBraglia等人用自制的“輸入光纖規(guī)則排列設(shè)備”研制了(6 1)XI端泵型泵浦合束器。同樣,他們也利用了石英套管法,制得的泵浦合束器的耦合效率約94%。同年,清華大學(xué)的Qirong.Xiao等報(bào)道了研制的7X1端泵型泵浦合束器,在對輸入光纖束合束的方法上,他們并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(jìn)行扭轉(zhuǎn)打結(jié),從而得到緊密貼合的輸入光纖束,扭轉(zhuǎn)打結(jié)法的。清華大學(xué)研制的這種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(shù)值孔徑為0.22,輸出光纖為1根20/400雙包層光纖,包層數(shù)值孔徑為0.46。經(jīng)測試,這種結(jié)構(gòu)的泵浦合束器的耦合效率為96.8%,耐受功率約1032W,達(dá)到當(dāng)時(shí)國內(nèi)泵浦合束器耐受功率的最高水平。

2012年,德國的ThomasTheeg等人報(bào)道了研制的側(cè)泵型泵浦合束器。這種結(jié)構(gòu)的泵浦合束器的制備工藝較為復(fù)雜,需先對中心的信號光纖周圍的泵浦光纖進(jìn)行獨(dú)立拉錐,然后再將它們扭轉(zhuǎn)以與信號光纖貼合,然后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(jìn)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于400W,泵浦耦合效率在89%-95%之間。同樣在2012年,清華大學(xué)的QirongXiao報(bào)道了一種(8 1)X1結(jié)構(gòu)的側(cè)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(shù)值為0.054,周圍8根泵浦光纖的尺寸在105/125ym,數(shù)值孔徑為0.15。事實(shí)上,這種方法在ITF的2011年授權(quán)的專利中有所提及?；静襟E是先將泵浦光纖獨(dú)立拉錐,然后將拉錐后的泵浦光纖均勻排列在信號光纖周圍并扭轉(zhuǎn)貼合,再用火焰將泵浦光纖與信號光纖溶接,在束腰處對其切割后再與輸出光纖溶接,這樣合束器就制備完成了。此合束器的泵浦耦合效率為96.8%,信號光傳輸效率為98%,將它用于光纖激光器中,得到了87W的激光輸出。

2013年,清華大學(xué)的Qirong,Xiao報(bào)道了耐受功率為3.01kW的7X1泵浦合束器,達(dá)到了公開報(bào)道的NX1泵浦合束器耐受功率的最高水平_。同年,Qirong,Xiao報(bào)道了一種(2 1)XI側(cè)泵型泵浦合束器,泵浦光纖為200/220um,數(shù)值孔徑為0.22的多模光纖,信號光纖的內(nèi)包層直徑250um,數(shù)值孔徑0.46。泵浦光纖錐區(qū)長度約2.5cin,泵浦光和信號光的耦合效率均大于96%,單臂耐受功率達(dá)到200W水平。