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0431-81702023
光学工程
高功率光纤激光器抽运耦合技术的现状和发展

摘要 抽运耦合技术是实现高功率光纤激光输出的关键技术之一。对国内外双包层光纤激光器所采用的各种端面抽运耦合技术和侧面抽运耦合技术进行了详细的介绍,并比较了各自的优缺点。分析表明,熔融拉锥光纤束端面抽运和 GTWave侧面抽运方式更有利于实现高功率光纤激光输出。

关键词 激光器;高功率光纤激光器;抽运耦合技术;双包层光纤

1 引 言

     同一般的激光器相比,光纤激光器在光束质量、体积、质量、效率、散热等方面均具有明显优势[1~3],现已广泛应用于光纤通信、激光空间远距通信、工业造船、汽车制造、激光切割、金属焊接、军事国防安全、生物医疗、大型基础建设等民用工业和军事领域[4],已成为世界各国研究的热点之一。光纤激光器和放大器的构想是Snitzer[5]在1961年所提出的,但由于光纤拉制工艺、光纤损耗、半导体激光器技术等方面的限制,在其后的20 多年里光纤激光器没有得到很好的发展。1987年,英国的南安普顿大学及美国的贝尔实验室用掺铒单模光纤实现光通信中的光放大,以此证明了掺铒光纤放大器(EDFA)的可行性[6,7]。由于当时使用的是单模光纤(SMF),无法实现高功率输出。1988年,Snitzer等[8]提出抽运光由包层进入的思想,以提高抽运耦合效率。但初期设想的圆形内包层因为完美的对称性导致抽运光的吸收效率低。直到1993年,矩形内包层的双包层光纤出现,大大提高了输出功率和效率。此后,正方形、D 形、梅花形等形状的内包层也相继出现,实验表明,这些内包层形状的光纤相对于圆形内包层形状在抽运光吸收效率上有了很大提高。1994年,Pask等[9]首先在掺镱石英光纤中实现了包层抽运技术,实验中得到了波长为1042nm,功率0.5 W 的最大激光输出,斜率效率达到80%。正是由于掺 Yb3+ 双包层光纤激光器具有更高的斜率效率,以及 Yb3+ 所具有的简单的能级结构、宽的吸收带和较宽的发射截面,使得人们的注意力逐渐转向掺 Yb3+ 双包层光纤激光器的研究。此后,光纤激光器得到了迅猛发展,输出功率不断飙升,目前,国内外多家机构都实现了单根光纤千瓦量级的输出功率。2004年,南安普敦大学的Jeong等[10]采用双端抽运方式实现了连续激光输出功率为1.36kW的掺镱大芯径(40μm)单模光纤激光器。IPG 公司在2006年报道了单模连续激光输出3kW 的掺镱光纤(YDF)激光器[11];2009年6月,IPG 公司宣布实现输出功率达10kW 的连续单模光纤激光器[12]。2006年,中国电子科技集团公司第十一研究所利用双端抽运,实现了大芯径掺镱双包层光纤激光器超过1.2kW的输出功率[13];中国科学院上海光学精密机械研究所采用国产大芯径双包层光纤,利用双端抽运获得1.75kW 的连续激光输出,斜率效率为76%[14];2010年,中国兵器装备研究院通过自制的7×1熔融拉锥耦合器实现了超过3kW 的大功率光纤激光合成功率的输出[15]。

      仔细分析高功率光纤激光器的发展,我们发现,要想获得更高的输出功率,光纤激光器需要突破的关键技术主要有有源光纤的设计及拉制工艺和高效抽运耦合技术等。现在大功率光纤激光器、光纤放大器主要采用的是双包层掺杂光纤,与半导体抽运激光器发出的多模抽运光束的发散角相比,其内包层直径很小,因此如何把抽运光高效地耦合到双包层光纤的内包层是获得高功率光纤激光输出的核心技术。

     抽运耦合技术目前大致可分为端面抽运耦合技术和侧面抽运耦合技术。端面抽运耦合技术是从双包层光纤的一个或者两个端面将抽运光耦合到双包层光纤的内包层,常用的方式主要包括透镜端面耦合、光纤端面熔接耦合、熔融拉锥光纤束耦合等。侧面抽运耦合技术是从双包层光纤的侧面将抽运光耦合到内包层,它不占用光纤的两端,使抽运光在光纤中的分布更趋均匀,方便信号光输入输出、光纤熔接、信号测量等操作。典型的侧面抽运技术包括 V 型槽法、嵌入反射镜法、角度磨抛法、衍射光栅抽运耦合和 GTWave技术等。

      本文对各种抽运耦合技术进行详细介绍,根据抽运技术的评价标准,对这些抽运方式进行优缺点的比较,重点分析比较了熔融拉锥光纤束耦合和 GTWave技术,为进一步改进光纤激光器抽运耦合技术提供参考。

2 端面抽运

2.1 透镜端面耦合

       透镜端面耦合是将抽运光通过准直聚焦透镜组耦合到双包层光纤的内包层[10,16~21],如图1所示。光纤两个切割端面与光纤轴垂直并且无涂覆,激光谐振腔由光纤一端对抽运光高透(HT)、对信号光高反(HR)的双色片和光纤的另一端面构成,该端面有4%的反射率。信号光与抽运光的分离通过另一个双色片来实现。2009年,Jeong等[21]使用双端透镜抽运实现了单根光纤超过2.1kW 的激光输出,斜率效率达到74%,光束质量因子 犕2=1.2。这种方式通过空间耦合器件来实现抽运光的耦合,需要非常精确的调节,系统稳定性不高,扩展能力差。

2.2 光纤端面熔接耦合

       光纤端面熔接抽运耦合如图2所示,它是将一个对抽运光高透、对激光波长高反的光纤光栅分别与双包层光纤一端和大功率激光二极管(LD)的输出尾纤相熔接,此光纤光栅与双包层光纤另一个端面构成全光纤激光器谐振腔[22~25]。2009年,Feng等[25]用此方法实现了153 W 的激光输出,斜率效率为85%。这种方式简单,但是扩展能力较差。

2.3 熔融拉锥光纤束耦合

        熔融拉锥光纤束(TFB)耦合示意图如图3所示,它是将一束光纤剥去涂覆层,然后缠绕在一起,在高温中加热使之熔化,同时向光纤两端拉伸光纤束,光纤熔融区成为锥形过渡段。从锥腰切断后,将锥区输出端与双包层光纤熔接[26~30]。如果这一束光纤都是抽运光纤,则构成 犖 ×1抽运合束器;若是一束抽运光纤对称排列在一根信号光纤周围熔融拉锥,则构成(犖+1)×1耦合器。

 

      熔融拉锥光纤合束器的优点是能够将多束抽运光高效地耦合到一根光纤。但是在光纤合束器的设计和制作过程中,为了得到较低的损耗,必须满足

    

式中N为光纤合束器中的光纤数目;Di,NAi 分别为输入光纤的直径和最大数值孔径;Do,NAo 分别为输出光纤的直径和数值孔径。

      为了减少光纤束中光纤之间的空隙,光纤束要紧密排列在一起,熔锥后横截面为圆形,这样熔锥光纤束能够与输出光纤很好地熔接。而且如果是(犖+1)×1合束器,则一定要求抽运光纤围绕着中心的信号光纤对称排列。

      目前输出功率超过千瓦量级的光纤激光器大多采用这种方式。2007年,加拿大ITF实验室论证了熔融拉锥合束器可以承受千瓦量级的输出功率,如图 4 所示[31~33]。2006 年,IPG 公司基于 TFB 方式实现了3kW的功率输出[11]。2010年,中国兵器装备研究院采用7路光纤熔融拉锥,实现了3434 W 的激光合成输出,其效率为81.7%,拉锥耦合器单臂最大可承受功率达633 W[15]。

      清华大学研究人员在此方式的基础上提出分布式包层抽运技术,如图5所示[34~36]。它包括一个激光振荡级和两个放大级。激光振荡级包括增益光纤、一个7×1合束器和一对光纤布拉格光栅(FBG)。放大级包括增益光纤和一个(6+1)×1合束器,不同的级之间以串联方式熔接起来。抽运光通过合束器进入增益光纤。为了避免抽运光泄漏,增益光纤应该足够长,以有效吸收抽运光[35]。这种抽运方式制作简单,效率高,易于实现全光纤化,降低了对抽运源的高亮度要求,很容易通过串联实现功率扩展,并且,随着功率的提高,光束质量没有明显下降。2011 年,他们用此方式实现了 1.1kW 的激光输出功率,其光 光转换效率为66.5%[35]。但是,如何降低熔接处的附加损耗,解决包层中的传输功率泄漏问题,高效、低损耗定向耦合器的封装问题等亟待突破。

      IPG 公 司 在 TFB 方 法 的 基 础 上 已 经 成 功 得 到50kW的多模输出,采用的方法是通过光纤合束器将多个单模(SM)光纤激光器合并输出,其输出光纤直径为200μm,如图6所示。这是目前得到的功率最高的多模激光输出,但是其光束质量非常差,犕2=30[37]。合束器本身限制了功率的进一步提升。因为所有单模光纤激光器的功率全部集中在合束器上,即使很小的缺陷也会导致较大的功率损失,从而在体积相对较小的光纤上产生严重的热负荷。因此降低合束器损耗和热管理对高功率多模光纤激光器的设计至关重要。

2.4 大芯径光纤端面耦合

       在(N+1)×1合束器中,中间的信号光纤是单模光纤,纤芯模场直径最大为9μm。在此基础上,ITF 提出了一种大芯径光纤端面耦合方法[38,39],如图7所示。其中信号光纤是一根能够支持少数模式的光纤(FMF),其纤芯模场直径一般为30~50μm。抽运光纤对称地排列在信号光纤周围,将所有光纤的涂覆层剥除后在高温中加热熔融,再与一根大芯径双包层光纤(LACDCF)熔接,其纤芯模场直径一般为50μm。在加热过程中,信号光纤纤芯中掺杂离子会扩散到内包层中,从而增加纤芯的大小和模式。当信号光纤纤芯的模场直径与即将要熔接的双包层光纤纤芯的模场直径相等时,停止加热。此时信号光纤与 LACDCF的模式匹配,能够保证单模传输。最后将光纤熔融束与 LACDCF相熔接。过最大拉锥比率犚,需要注意的是,多模光纤在熔接前要先拉锥,这样才能与 LACDCF实现直径匹配。并且在拉锥多模光纤时,不应超过最大拉锥比率R,

      式中ρ0 是多模光纤拉锥后的直径,ρi 是多模光纤的初始直径,NAMM 是多模光纤的数值 孔 径,犖犃DCF 是LACDCF内包层的数值孔径。这种方式需要通过近场测量装置对 LACDCF入射端进行监测,使得信号光纤和 LACDCF纤芯精确对准。

3 侧面抽运

3.1 犞型槽法

      V 形槽基本结构如图8所示[40~44]。首先,剥除一段双包层光纤的涂覆层,通过机械技术在裸露的内包层上刻蚀一个 V 形槽,槽的表面光学平滑,槽的深度不伤及纤芯。抽运光经微透镜聚焦于 V 形槽一侧面并反射进入双包层光纤内包层进行抽运。该方法有很好的功率扩展能力,Cheng等[45]采用盘形光纤激光器(图9),用10个 LD抽运,最终获得240 W 的功率输出。2004年,Snell[43]使用改进的 V 形槽法获得了超过1kW 的激光输出。由于 V 型槽对内包层造成损伤,会影响到抽运光的传输,多点抽运会增加抽运光的损耗,在高功率情况下,功率提升能力有限。另外,此方法的耦合效率对 V 型槽、微透镜和LD之间的相对位置非常敏感,对调整精度的要求很高。

3.2 嵌入反射镜侧面抽运耦合

       嵌入反射镜侧面抽运耦合方式是在 V 型槽刻蚀方式上的改进,其原理如图10所示[46]。首先剥除一段双包层光纤的外包层,然后在内包层上刻蚀出一个凹槽,凹槽可以是任意合适的形状,只要它能够提供足够大的角度接收抽运光入射进内包层。凹槽的大小要能够容纳反射镜,还要保证不会破坏纤芯。反射镜是一个等腰直角三角体,但其斜边是一个镀有高反射膜的凸面作为反射面,反射面设计成一定的曲率来减小抽运光的发散;为了减小抽运光的反馈,镜上的入射面镀了一层增透膜。反射镜通过光学环氧胶在与光纤内包层粘接固定,同时也作为折射率匹配介质用来降低界面的反射损耗。

       Koplow 等[46]利用此方式获得了5.2 W(1064nm)和2.6 W(1550nm)的光纤激光输出,最大耦合效率约为80%。这种方式可扩展性较强,适用于LD阵列,将光纤盘绕或并排,同时在光纤上刻蚀凹槽,再将反射镜放置在凹槽阵列上。该方案不需要精确对准,减小了对准失调带来的耦合损耗,光学胶的使用不需要凹槽表面光学平滑。但这种方式对光纤内包层带来损伤,此外光学胶的耐热问题依旧存在。

3.3 角度磨抛侧面抽运耦合

     角度磨抛侧面抽运耦合方式如图11所示,将多模光纤一端按一定角度α磨抛,通过折射率匹配液将其与剥去涂覆层的双包层光纤内包层平面紧密贴合并用折射率相近的光学胶固定。抽运光从多模光纤直接耦合进入双包层光纤内包层,并抽运掺杂的纤芯。磨抛角度α对抽运耦合效率有较大的影响,若α太大,抽运光进入双包层光纤内包层后不满足全内反射的条件,导致耦合效率降低;若α太小,抽运光纤和双包层光纤内包层的接触面积过大,也会降低耦合效率。通常α约为10°[47~50]。

      2003年,清华大学研究人员利用三根多模抽运光纤角度磨抛侧面耦合的方法获得了1.38 W 的功率输出,实现了多点抽运耦合[50]。2011年,他们利用7×1合束器将抽运光注入到传能光纤,再用角度磨抛方法侧面抽运双包层光纤,最终得到了102.5 W 的功率输出,斜率效率为77.1%[51],如图12所示。这种方法的优点是可以获得高的耦合效率,已有报道的最高耦合效率达到90%[49]。不过这种方式依然会对光纤内包层造成损伤,并且同样由于光学胶的耐热问题,功率提升受到限制。

3.4 衍射光栅侧面抽运耦合

        衍射光栅侧面抽运耦合是抽运光通过双包层光纤内包层表面附加反射型或透射型衍射光栅的衍射作用耦合入光纤内包层,其结构如图13所示[52]。将光栅用折射率匹配光学胶固定在光纤内包层上,抽运光从光纤另一侧入射,其+1阶和-l阶衍射光进入内包层中传输。+1阶和-1阶衍射光在内包层中必须满足全反射条件,因此要适当选取光栅的折射率、条纹深度和宽度。

 

 

      2003年,Herda等[52]利用两个光栅侧面抽运得到了1.2 W 的激光输出,耦合效率为57%[52]。Zhang等[53]对此结构提出了改进,在双包层光纤表面以一定周期镀上一定厚度的金薄膜,并在其上覆盖一层二氧化硅薄膜。因为二氧化硅的折射率与光纤的内包层折射率接近,这样就构成了一个对称的介质 金属 介质的夹层结构。在光纤内包层的另一侧镀上高反膜,使得零级衍射光在光栅的作用下二次衍射,大大提高了抽运耦合效率。此后,他们又提出了双光栅侧面耦合方式,这种方式包括一个金属反射光栅和一个介质透射光栅,这两个光栅分别位于双包层光纤的上下表面。经理论分析,双光栅侧面抽运方式最大的抽运耦合效率可达94.2%[54,55]。衍射光栅侧面抽运方法可扩展性强,耦合效率高。这种方法虽然不会对双包层光纤造成损伤,但对光栅的制作工艺要求较高。

3.5 GTwave抽运技术

     GTWave技术是由南安普顿 ORC实验室所提出的[56,57]。这种方法是由一根掺杂信号光纤和至少一根多模抽运光纤彼此光学接触组成,并且由同一种低折射率聚合物包层所涂覆,如图14所示。GTWave是一种独特的抽运耦合结构,与 TFB抽运方式不同的是,抽运光沿着光纤轴向逐渐耦合到信号光纤[56~61]。这种方式需要一定的长度实现抽运光的耦合,但不需要光纤外径很大或者数值孔径足够高。这种结构是沿光纤长度的侧面耦合而不是单点耦合,没有发生光纤损伤或形变,提高了抽运吸收效率,可以实现很高的功率控制。此外,这种方法不需要为了提高耦合效率而设计特殊的几何排布来防止抽运光通过抽运光纤泄漏,降低了多余的抽运损耗。

    

      GTWave的制作过程比较复杂,如图15所示。先准备一束光纤预制棒,将这些预制棒以一定的排列方式固定在光纤拉丝塔上,以一定的拉伸速度和拉力同时拉伸这束光纤预制棒,其拉伸速度和拉力大小要能够使得两根相邻光纤互相接触,使光能穿透到相邻光纤中。虽然目前单根光纤拉制技术很成熟,但是多根光纤的同时拉制对光纤拉制工艺及控制条件提出了一定的挑战。

      GTWave有多根抽运光纤作为抽运注入源,可以提高功率,同时,它还有一根信号输出端可以自由地熔接,因此可以将多个 GTWave进行级联,构成主振荡功率放大(MOPA)结构。这种方式也可以有效地提升功率,已经商品化。目前 SPI公司的 CW/M 产品已经可以实现超过400 W 的连 续 激 光 输 出,实 验 室 功 率 输 出 则 已 超 过 500 W[62];redEnergyTM 产 品 脉 冲 输 出 能 量 为0.8mJ,峰值功率超过15kW,重复速率为25kHz[63,64]。


       IPG 公司宣布已经成功获得 10kW 的单根单 模 光 纤 激 光 输 出,其 结 构 如 图 16 所 示[37]。它 采 用 了MOPA 结构,在1070nm 波长处获得近衍射极限的激光输出[65]。在放大级,抽运光通过单模 多模合束器将一束波长为1018nm 的单模激光合束并由一根多模光纤输出,然后通过侧面抽运方式,将多模光纤中的抽运光沿着光纤方向逐渐耦合到掺镱光纤中,如图17所示[59~61]。这说明,IPG 公司的10kW 光纤激光器采用了 GTWave抽运技术。

4 不同抽运耦合方式的性能比较

      评价抽运耦合方式的标准主要包括耦合效率、系统稳定性、结构紧凑度、复杂度、可扩展性等因素。其中耦合效率是主因,它直接决定激光器的输出功率和能量利用率;系统稳定性主要涉及到光学系统的热力学性能变化;在产品的生产和封装中需要考虑结构紧凑度;复杂度是指所需组件的数目及抽运耦合调节过程的难易程度;可扩展性则反映了其功率扩展能力。表1列举了各种抽运耦合方式的优缺点及文献公开报道的最高输出功率。

      从表1可以看出,1)侧面抽运耦合方式在扩展能力方面要优于端面抽运耦合方式,这是因为侧面抽运耦合“解放”了信号光纤的两个端面,不会对信号光的传输路径造成阻碍,能够实现沿光纤长度上的多点分布抽运,从而实现更高功率的抽运耦合。2)在系统稳定性和紧凑度方面,全光纤结构要优于非全光纤结构。这是因为像透镜、光栅或光学折射率匹配胶等附加器件和材料的引入,不仅对操作带来一定的要求,而且其本身的耐热问题对功率提升有很大限制。3)V型槽法、嵌入镜片法和角度磨抛法会对光纤内包层造成损伤,不利于它们在大功率光纤激光器中的应用。4)抽运光是沿光纤轴向长度耦合注入的方式(如 GTWave)要优于单点注入方式(如透镜耦合、V型槽法和熔融拉锥抽运耦合等)。这是因为后者入射功率集中,由此产生的热负荷较高,光纤入射点容易受到损伤,降低了抽运耦合效率。

      从表1中还可以看到,目前实现千瓦量级功率输出的抽运方式有透镜端面抽运耦合、V 形槽法、光纤束熔融拉锥端面耦合和 GTwave技术。当功率进一步提高时,透镜端面抽运耦合和 V 形槽法由于引入了附加器件不再是全光纤结构或光纤内包层被损伤,不能满足万瓦以上量级的高功率光纤激光输出。熔融拉锥光纤束端面耦合和 GTWave技术这两种方式都是全光纤结构,结构简单紧凑,稳定性好,可扩展能力强,大功率光纤激光器在这两种方式的基础上采用 MOPA 结构,功率提升有很大潜力[35,64,66,67]。近年来 TFB合束器已经商品化并应用在光纤激光器中,但其缺点是抽运入射点最大数目受到两个端面的限制,光纤入射端的抽运功率密度较高,很容易导致光纤端面热负荷严重使光纤端面受到损伤从而影响了输出功率,这种情况在高功率情况下会更加突出,因此需要额外的冷却装置降低对光纤的损伤。此外,TFB方式是将多束光纤进行拉锥熔融合束在一起,光纤束在高温拉锥下所受应力不均匀会产生一定的形变,随着抽运光纤路数的增多,其控制难度会增加。目前基于这种方式的光纤激光器已经实现了50kW 的输出功率,但是其光束质量非常差,光纤端面热负荷和拉锥光纤中产生的形变是必须要解决的两大难题。GTWave的优势就是抽运光纤和信号光纤是光学接触,没有对光纤进行破坏或产生形变,信号光和抽运光相互独立,抽运光沿光纤轴向逐渐耦合到信 号 光 纤 中 去,即 便 是 在 高 功 率 应 用 中,也 不 会 产 生 严 重 的 热 负 荷。值 得 一 提 的 是,基 于GTWave技术的光纤激光器结合了10kW 量级的高功率输出、近乎完美的光束质量、封装紧密、良好的系统可靠性、高效性和耐用性等优势,在战略定向能应用方面拥有一定的市场,前景非常诱人[65]。

5 结束语

        光纤激光器是新型激光器发展的代表。选择良好的抽运方式对提高光纤激光器的各项性能指标具有重要的意义。本文分别对国内外具有代表性的双包层光纤的端面抽运耦合和侧面抽运耦合技术方案做了详细介绍。经过分析比较发现,熔融拉锥光纤束和 GTWave这两种全光纤抽运耦合方式紧凑度高,稳定性好,便于封装和制造,越来越多地应用在高功率光纤激光器上。相信在不久的将来,随着光纤制作工艺的改进,抽运技术的不断更新,双包层光纤激光器将会变得更加简单、高效。

 


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