CN100480829C - 一种双包层光纤侧面泵浦耦合体光栅及其实现方法 - Google Patents

Abstract

一种双包层光纤侧面泵浦耦合体光栅具有如下结构特征：在双包层光纤的内包层表面存在一排长度与LD阵列慢轴的长度一致的一组结构相同的相互平行、紧密排列的等腰三角横槽，等腰三角横槽坡面角α不小于sin^-1(n₀/n₂)，等腰三角横槽宽度H等于λ/n₂sin2α。其实现方法包括去除外包层、对内包层为加工方式的刻蚀，以及对等腰三角横槽的抛光和镀介质膜处理，形成内包层耦合体光栅。高功率LD阵列输出的激光垂直穿过光纤射到内包层耦合体光栅上可简单经济地将泵浦光直接耦合进双包层光纤的内包层，是一种高效的高功率泵浦结构。

Description

一种双包层光纤侧面泵浦耦合体光栅及其实现方法

技术领域

本发明涉及大功率双包层光纤激光器侧面泵浦耦合结构及其实现方法，尤其是一种双包层光纤侧面泵浦耦合体光栅及其实现方法，属于特种光纤技术领域。

背景技术

大功率的双包层激光器和放大器在国防军事，工业上先进的激光制造加工，精密焊接以及激光雷达等方面有着至关重要的应用。此类大功率的双包层激光器和放大器的泵浦源一般为激光二极管阵列。因此，如何将激光二极管阵列的泵浦光高效的耦合进双包层光纤中便成为了制作大功率激光器和放大器的技术关键。

泵浦耦合技术作为高功率激光器和光纤放大器的核心技术，目的是要把几百瓦甚至上千瓦的激光二极管LD泵浦光功率耦合进直径只有数百微米的双包层光纤内包层，以获得高的泵浦效率。在高功率激光器的发展过程中，端面泵浦耦合技术是最早提出的一种方式，在这种耦合方式中，输入的泵浦光功率受到光纤端面最大承受功率的限制，因为需要占用端面，需要分光镜将信号光与抽运光复用以后注入双包层光纤的端面，这样双包层光纤就不能同其他光纤直接熔接导致插入损耗增大。此外，该方式需要采用高精度的多维光纤调节系统，也带来了因调节系统的漂移引起的系统稳定性的问题。有鉴于此，光纤侧面泵浦耦合技术被提出并且逐渐展开研究。它最大的优势就是：侧面泵浦可以解放光纤的两个端面作为高功率激光激射的发射端，并且通过采用多点泵浦可以不受端面无法承受过高功率的限制，制作上千乃至上万瓦功率的激光武器。

针对双包层光纤的特点先后发展出多种侧面泵浦耦合技术。例如V型槽侧面耦合技术，参见[Electron.Lett(电子快报).vol.33No.25 1997 p2127以及中国专利03141900.3双包层光纤激光器侧面耦合泵浦装置]是将光纤的侧面刻蚀一个v型槽，依据几何光学原理泵浦光线通过V型槽坡面全反射高耦合效率地注入内包层。由于不能伤及双包层光纤的纤芯，V型槽的深度和沿纤宽度有限，通常只能用于单支激光二极管的侧面泵浦，不适用于LD阵列。再例如先把泵浦光源耦合进多模光纤中，然后再从双包层光纤的侧面耦合，参见[中国专利03128067.6泵浦光源的光纤侧边耦合方法]。这种方法的不足是需先把泵浦光源耦合进多模光纤中这一中间环节，存在很大损耗，而且LD阵列发出的光也很难高效的耦合到多模光纤中去。再例如利用黏附在光纤侧面的二元金属光栅进行侧面耦合，参见[Electron.Lett(电子快报).vol.39 No.3 2003 p276]。这种方法由于需要使用折射率匹配液将二元金属光栅黏附在双包层光纤的侧面，所以无法承受大功率LD阵列侧面泵浦时产生的高温，无法应用到大功率LD阵列的侧面泵浦中。所以无法实现大功率泵浦光的侧面耦合，也就无法制作数千乃至兆瓦级功率的激光武器。

发明内容

为了克服现有双包层光纤侧面泵浦耦合技术的不足，本发明提供一种双包层光纤侧面泵浦耦合体光栅及其实现方法。

本发明是解决用LD阵列侧面泵浦双包层掺杂光纤时，耦合效率低，实现成本大，工艺较为复杂的问题，以实现工艺简单而且高效和低成本的大功率掺杂光纤激光器以及光纤放大器的光纤侧面耦合结构与耦合方法，为制作大功率激光武器提供可能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

双包层光纤侧面泵浦耦合体光栅的结构特征是：在双包层光纤或微结构双包层光纤的或矩形或D型或圆角矩形或六边形或八边形的非圆形内包层表面上，在垂直双包层光纤的方向上，存在一组结构相同的相互平行、紧密排列的等腰三角横槽，等腰三角横槽坡面角α不小于，等腰三角横槽宽度H等于 $\frac{\mathrm{\λ}}{n_2\sin 2\mathrm{\α}}.$

双包层光纤侧面泵浦耦合体光栅的实现方法，包括以下步骤：

步骤1：将增益介质掺杂纤芯的双包层光纤或微结构双包层光纤的一段去除外包层，露出或矩形或D型或圆角矩形或六边形或八边形的非圆形内包层表面，去除外包层的长度与LD阵列的慢轴方向的长度一致。除外包层的方法或为聚合物外包层的剥除，或为石英外包层的外圆磨工艺和腐蚀抛光法去除。

步骤2：在该段双包层光纤的内包层表面上，在垂直双包层光纤的方向上，刻蚀出一组结构相同的相互平行、紧密排列的等腰三角横槽，等腰三角横槽坡面角α不小于，等腰三角横槽宽度H等于

。n₀为介质膜材料折射率，n₂为内包层介质折射率。

步骤3：对等腰三角横槽进行抛光处理或进行抛光和镀介质膜处理，形成内包层表面耦合体光栅。

步骤4：LD阵列输出的激光，在LD阵列快轴方向经柱透镜准直，垂直穿过光纤射到内包层表面耦合体光栅上。

本发明具有明显的有益效果和经济潜力。

首先，直接在双包层光纤的内包层表面制作一组结构相同的相互平行、紧密排列的等腰三角横槽并进行抛光或抛光加镀介质膜处理，可以实现在光纤的侧面制作一个内包层表面耦合体光栅，利用这个耦合体光栅的闪耀衍射特性很容易就可以将LD阵列直接出射的泵浦光高效率地以大于内全反射的角度衍射进光纤的内包层中，使之成为双包层光纤内包层导模，进而为纤芯掺杂的增益介质高效吸收，有利于耦合效率的提高。

其次，本发明直接制作在光纤的内包层上，与光纤组成一个一体化的光学耦合元件，结构简单，加工成本经济。另外，由于没有中间对泵浦光做额外处理的过程，省去了中间复杂的光束整形的过程，可以不使用昂贵的光束整形装置。而且，借助本发明可以直接采用廉价的大功率LD阵列进行侧面泵浦。这些因素都可以大大降低进入大功率双包层光纤激光器的门槛，促进其发展。

再则，没有中间对泵浦光做额外处理的过程，还可以大大减少对泵浦光的损耗，而获得高的转换效率，实现工艺简单而且高效和低成本的光纤侧面耦合结构。

最后，本发明可以实现在一段增益光纤上制作多个内包层表面耦合体光栅，形成耦合体光栅组，实现多个泵浦源同时激励。这为实现更高功率(上千瓦量级)的泵浦光的注入提供了便利，可进一步推动双包层光纤激光器和光纤放大器输出功率水平的提高。

附图说明

图1为去除外包层示意图；

图2为刻蚀等腰三角横槽示意图；

图3为泵浦光入射示意图；

图4为镀介质膜示意图；

图5为泵浦光入射示意图；

图6去除多段外包层示意图；

图7为刻蚀多组等腰三角横槽示意图；

图8为多个泵浦光同时注入示意图；

图中：外包层1，内包层2，纤芯3，等腰三角横槽4，内包层2表面耦合体光栅5，等腰三角横槽4坡面角α，等腰三角槽4坡面交角β，等腰三角横槽4宽度H，外包层材料折射率n₃，内包层材料折射率n₂，纤芯材料折射率n₁，介质膜材料折射率n₀，泵浦激光波长λ，介质膜6，柱透镜7，LD阵列8。

具体实施方式

实施例1：

一种激光二极管阵列双包层光纤侧面泵浦耦合体光栅，沿轴剖面如图3所示。在双包层光纤的矩形内包层2表面上，在垂直双包层光纤的方向上，存在一组结构相同的相互平行、紧密排列的等腰三角横槽4，等腰三角横槽4坡面角α不小于

，等腰三角横槽4宽度H等于

双包层掺杂光纤采用聚合物外包层，聚合物外包层1材料折射率n₃为1.37，矩形内包层2材料折射率n₂为1.444，纤芯3材料折射率n₁为1.45，泵浦激光波长λ为975纳米。如图1、2、3所示，激光二极管阵列双包层光纤侧面泵浦耦合体光栅实现方法，包括如下步骤：

步骤一：将聚合物外包层1双包层掺杂光纤剥除掉一段外包层1，露出内包层2表面，剥除的长度与LD阵列8的慢轴方向的长度一致，一般为1厘米。如图1所示。

步骤二：利用一个精确度可达1纳米的Aerotech公司的ABL1000系列三维精密光学调节系统在该段内包层2D型的平表面在垂直双包层光纤的方向上刻蚀出一组结构相同的相互平行、紧密排列的等腰三角横槽4，等腰三角横槽4宽度H等于676纳米，等腰三角横槽4坡面角α等于44°。将等腰三角横槽4的两个坡面抛光，并用丙酮清洗干净，形成内包层2表面耦合体光栅5。如图2所示。

步骤三：LD阵列8输出的激光，在LD阵列8快轴方向经柱透镜7准直，垂直穿过双包层光纤射到内包层2表面耦合体光栅5上。如图3所示。由于入射泵浦光满足全反射条件而被束缚双包层光纤内包层2以内传输，最终被双包层光纤的增益介质掺杂纤芯3吸收。

实施例2：

一种激光二极管阵列微结构双包层光纤侧面泵浦表面镀介质膜耦合体光栅，沿轴剖面如图5所示。在微结构双包层光纤的D形内包层2表面上，在垂直双包层光纤的方向上，存在一组结构相同的相互平行、紧密排列的等腰三角横槽4，等腰三角横槽4坡面角α不小于

，等腰三角横槽4宽度H等于 $\frac{\mathrm{\λ}}{n_2\sin 2\mathrm{\α}}.$

一种激光二极管阵列微结构双包层光纤侧面泵浦表面镀介质膜耦合体光栅的实现，如图1、2、3、4所示，双包层掺杂光纤采用微结构双包层光纤，外包层1折射率n₃等效为1.2，D形内包层2材料折射率n₂为1.444，纤芯3材料折射率n₁为1.45，泵浦激光波长λ为915纳米，介质膜材料折射率n₀为1.12，采用如下步骤实现：

步骤一：将双包层掺杂光纤使用腐蚀抛光法去除一段石英外包层1，露出内包层2表面，去除的长度与LD阵列8的慢轴方向的长度一致，一般为1厘米。如图1所示。

步骤二：利用一个精确度可达1纳米的Aerotech公司的ABL1000系列三维精密光学调节系统在该段内包层2表面在垂直双包层光纤的方向上刻蚀出一组结构相同的相互平行、紧密排列的等腰三角横槽4，等腰三角横槽4宽度H等于648纳米，等腰三角横槽4坡面角α等于51°，如图2所示。将等腰三角横槽4的两个坡面抛光，并用丙酮清洗干净，镀介质膜6形成多个串连的内包层2表面耦合体光栅5，如图4所示。

步骤三：LD阵列8输出的激光，在LD阵列8快轴方向经柱透镜7准直，垂直穿过双包层光纤射到内包层2耦合体光栅5上。如图5所示。由于入射泵浦光满足全反射条件而被束缚双包层光纤内包层2以内传输，最终被双包层光纤的增益介质掺杂纤芯3吸收。

实施例3：

一种多个激光二极管阵列双包层光纤侧面泵浦耦合体光栅组，沿轴剖面如图8所示。在双包层光纤的八边形内包层2表面上，在垂直双包层光纤的方向上，存在多组结构相同的相互平行、紧密排列的等腰三角横槽4，等腰三角横槽4坡面角α不小于

，等腰三角横槽4宽度H等于。这种耦合结构可被用于制作上千瓦乃至万瓦级的光纤激光器和放大器。如图6、7、8所示。

该多个激光二极管阵列双包层光纤侧面泵浦耦合体光栅组的实现，如图6、7、8所示，石英双包层掺杂光纤的聚合物外包层3材料折射率n₃为1.37，八边形内包层2材料折射率n₂为1.444，纤芯1材料折射率n₁为1.45，泵浦激光波长λ为975纳米，采用如下步骤实现：

步骤一：将聚合物外包层1双包层掺杂光纤剥除掉多段外包层1，露出内包层2表面，剥除的长度与LD阵列8的慢轴方向的长度一致，一般为1厘米。如图6所示。

步骤二：利用一个精确度可达1纳米的Aerotech公司的ABL1000系列三维精密光学调节系统在每段露出的内包层2表面在垂直双包层光纤的方向上刻蚀出一组结构相同的相互平行、紧密排列的等腰三角横槽4。每个等腰三角横槽4宽度H等于679纳米，等腰三角横槽4坡面角α均为44°。将等腰三角横槽4的两个坡面抛光后形成多个串连的内包层2表面耦合体光栅5，如图7所示。

步骤三：将多个LD阵列8沿双包层光纤排开，每个LD阵列8对着一个内包层2表面耦合体光栅5，使LD阵列8输出的激光，在LD阵列8快轴方向经柱透镜7准直，垂直穿过双包层光纤射到内包层2耦合体光栅5上，如图8所示。由于入射泵浦光满足全反射条件而被束缚双包层光纤内包层2以内传输，最终被双包层光纤的增益介质掺杂纤芯3吸收。由于使用多个LD阵列串联泵浦，泵浦水平得到极大提高，最终产生大功率激光输出。

Claims (3)

1.一种双包层光纤侧面泵浦耦合体光栅的实现方法，其特征是，包括以下步骤实现：

步骤1：将双包层光纤的一段去除外包层，露出内包层表面，去除外包层的长度与LD阵列的慢轴方向的长度一致；

步骤2：在该段双包层光纤的内包层表面上，在垂直双包层光纤的方向上，刻蚀出一组结构相同的相互平行、紧密排列的等腰三角横槽，等腰三角横槽坡面角α不小于

等腰三角横槽宽度H等于

n₀为介质膜材料折射率，n₂为内包层材料折射率；

步骤3：对等腰三角横槽进行光学处理，形成内包层表面耦合体光栅；

步骤4：LD阵列输出的激光，在LD阵列快轴方向经柱透镜准直，垂直穿过光纤射到内包层耦合体光栅上。

2.根据权利要求1所述的双包层光纤侧面泵浦耦合体光栅实现方法，其特征是：所述去除外包层的方法或为聚合物外包层的剥除，或为石英外包层的外圆磨工艺和腐蚀抛光法去除。

3.根据权利要求1或2所述的双包层光纤侧面泵浦耦合体光栅实现方法，其特征是：所述光学处理为抛光处理，或为抛光和镀介质膜处理。

Images