CN102044830B - 一种大功率光纤激光器的侧面耦合器及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大功率光纤激光器的侧面耦合器及制作方法，提出泵浦光纤和双包层光纤耦合时轴线异面的耦合方式，属于激光技术领域。本方法将泵浦光纤中的泵浦光直接耦合进双包层光纤的内包层，由于内包层的非对称性，泵浦光逐渐被双包层光纤纤芯中的掺杂离子吸收。由于两光纤异面，从双包层光纤纤芯泄露的信号光在泵浦光纤中将主要以螺旋光的形式存在，在一定程度上降低了泄露光照射到半导体泵浦源上的光强，对泵浦源有一定的保护作用，该泵浦方式用于大功率激光器系统，更加合理、系统寿命更长，成本更低。

Description

一种大功率光纤激光器的侧面耦合器及制作方法

技术领域

本发明涉及一种光纤侧面耦合器制作方法，属于光学与激光光电子技术领域。

背景技术

光纤激光器具有效率高、稳定性好、阈值低、光束质量好、结构紧凑体积小和散热性好等特点，同其它激光系统相比，光纤激光器占有明显的优势。自1988年Snitzer等人提出双包层光纤之后，光纤激光器和放大器获得了快速发展。特别是近年来，随着泵浦技术和双包层光纤制作工艺的发展，光纤激光器的输出功率得到显著的提高，使其在工业加工、通信行业、军事和医疗领域有着广泛的应用前景。

目前，高功率光纤激光器的实现的关键是如何使增益光纤获得高的泵浦功率，因此，泵浦耦合方法的改进是一项关键技术。目前常用的泵浦耦合技术为端面泵浦和侧面泵浦，侧面泵浦相对于端面泵浦有更大的泵浦面积，可以在双包层光纤的多个不同位置增加泵浦点提高泵浦功率，从理论上讲，可以根据需要增加泵浦激光器的数量，因此，更容易实现大功率泵浦光的耦合。端面泵浦方式受限于光纤端面面积，使得光纤端面处的光密度极高，易造成光纤端面损伤。同时光纤端面接受光斑面积太小，以至于稍微的位置偏移都会引起耦合效率的急剧下降。

侧面耦合技术发展很快，主要有DiGiovanni等人开展的熔锥侧面泵浦技术，L.Goldberg等人开展的V型槽耦合泵浦技术，J.P.Koplow等人开展的内嵌反射镜耦合技术。这些耦合方式均可采用多点阵列式侧面耦合，获得高的输出功率。但是，上述侧面耦合方式中的泵浦光纤和双包层光纤的轴线均处在一个平面上，在光纤激光器大功率运转情况下，双包层光纤中的泄露光会在泵浦点重新回到泵浦光纤，对泵浦源产生极大的损害，造成光纤激光器的寿命减短。

发明内容

本发明的目的在于克服现有泵浦耦合的上述缺陷，提出一种结构更加完善的光纤激光泵浦方法。与现有的侧面泵浦方法相比，本发明的泵浦结构既可以充分利用泵浦光纤提供的泵浦能量，又能在一定程度上防止信号光泄露对泵浦源的损害，提高光纤激光系统的使用寿命，降低成本。

本发明提出一种结构更加完善的光纤激光器侧面耦合器及其制作方法，为实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

一种侧面激光器，包括一根非圆对称的双包层光纤和与其耦合的一根或者多跟泵浦光纤。其中：双包层光纤的内包层可以是非圆对称的矩形结构、正方形结构、D型结构、正六边形结构、正八边形结构、偏心型等；一根泵浦或者多跟泵浦光纤的端面与双包层的侧面耦合；多根泵浦光纤在双包层光纤的耦合区混合密排，既有沿双包层光纤轴线方向的排列，也有沿垂轴平面的密排，尽可能多的增加耦合点提高泵浦功率。

一种侧面激光器的制作方法，包括如下步骤：

1)取一根双包层光纤，其内包层是非圆对称的，其结构可以是矩形结构、正方形结构、D型结构、正六边形结构、正八边形结构、偏心型等；

2)在双包层光纤的靠近中央部分，选取一段去除双包层光纤的涂覆层和外包层，并用酒精清洁干净；

3)对双包层光纤去除涂覆层和外包层这一段区域进行加热熔融，在表面张力作用下，非圆对称的内包层形成一个圆柱形的耦合区域(A)，该圆柱的半径为r，则

其中，区域s为双包层光纤内包层和纤芯的截面积区域。

4)取一根泵浦光纤，将泵浦光纤与双包层光纤耦合的端面进行去涂覆层操作，并清洗干净；

5)将泵浦光纤的端面进行精确研磨抛光处理，使处理端面的圆弧曲率半径为r，其弧形中心轴线方向与双包层光纤轴线平行，与泵浦光纤的轴线成角度θ₁₂，相当于泵浦光纤与双包层光纤并排，泵浦光纤在两光纤轴线形成的平面内绕泵浦点先旋转一个角度θ₁，接着，在垂直θ₁所在平面旋转一个角度θ₂，形成异面耦合，两光纤轴线所成夹角为θ₁₂，即cosθ₁₂＝cosθ₁cosθ₂。其中，角度θ₁和θ₂应根据所选双包层光纤和泵浦光纤的参数选择，使泵浦光能高效率的耦合进泵浦光纤。

6)将泵浦光纤的处理断面与双包层光纤的圆柱形耦合区光学密接触并熔接在一起，再用低折射率的聚合物涂敷、封装形成异面耦合器。

上述技术方案中还可以包括如下步骤：

7)另取N₁根泵浦光纤，与所述步骤中的4)、5)对N₁根泵浦光纤进行处理；

8)将N₁根泵浦光纤沿双包层光纤轴线方向在熔融后的圆形区耦合，与所述步骤6)进行处理；

上述技术方案中还可以包括如下步骤：

9)另取N₂根泵浦光纤，与所述步骤中的7)对N₂根泵浦光纤进行处理；

10)将N₂根泵浦光纤在双包层光纤轴线的垂直平面内与熔融后的圆形区耦合的排列方式，与所述步骤6)进行处理；

上述技术方案中还可以包括如下步骤：

11)将泵浦光纤在双包层光纤的耦合区混合密排，既有沿双包层光纤轴线方向的排列，也有沿垂轴平面的密排，尽可能多的增加耦合点提高泵浦功率。

上述技术方案中，所述步骤7)中泵浦光纤的数量N₁的选择，

其中d′为泵浦光纤的直径，，[ ]为取整，L_z为泵浦光在双包层光纤(1)中传输，发生全反射的最短步长，L_z＝2d₁·tanθ_c，其中d₁为内包层的直径，θ_c为内包层与外包层交界面的全反射临界角，

n₁和n₂分别为双包层光纤的内包层和外包层的折射率。

上述技术方案中，所述步骤9)中泵浦光纤的数量N₂的选择，

其中，d₁为双包层光纤的内包层直径，d′为泵浦光纤的纤芯直径。

这种异面的光纤耦合器的制作方法有如下优点：

它是通过选取双包层光纤(1)和泵浦光纤(2)的参数(d，n等参数)，然后磨抛、熔接制作而成，操作方便，耦合效率高；

它能实现多级异面耦合结构，从而实现高功率的耦合输出，同时的能有效的保护泵浦源，提高系统的使用寿命。

附图说明

图1是本发明中第一种异面侧面泵浦耦合器结构图；

图2是本发明中一种异面侧面泵浦耦合光路原理图；

图3是本发明中采用的非对称结构的双包层光纤截面图；

图4是本发明中双包层光纤熔融加热形变后示意图；

图5是本发明中泵浦光纤端面磨抛后的端面图；

图6是本发明中第一种多点异面耦合器结构示意图

图7是本发明中第二种多点异面耦合器结构示意图

图8是本发明中混合密排的异面耦合器结构示意图

图中：1、双包层光纤，101、双包层光纤的纤芯，102、双包层光纤的内包层，103、双包层光纤的外包层，104、双包层光纤的涂覆层，2、泵浦光纤，201、泵浦光纤的纤芯，202、泵浦光纤的包层，3、半导体泵浦源，A、加热熔融变形区，B、泵浦光纤的处理端面。

具体实施方式

现结合附图及具体实施例对本发明作进一步的描述。

实施例1

图1是本发明的光纤侧面耦合器，本实施例中的光纤侧面耦合器包括双包层光纤1、泵浦光纤2。双包层光纤1与泵浦光纤2的耦合中轴线是异面的。该异面相当于双包层光纤1和泵浦光纤2并排，选取两光纤交线上任意一点为固定点，然后泵浦光纤2在两光纤形成的平面内先旋转一个角度θ₁，接着，在垂直θ₁所在平面旋转一个角度θ₂，形成异面耦合。如图2所示，半导体泵浦源3的输出通过泵浦光纤2耦合进双包层光纤内包层(102)，被双包层光纤纤芯(101)的掺杂离子吸收，光纤激光器运转时，信号光在双包层光纤(1)中传输时，由于各种原因会发生光泄漏，对于一般结构的光纤耦合器，需要加入隔离器等装置来降低返回光的强度。特别是在大功率下运转时，这种保护尤为重要，否则会导致泵浦源(3)的烧毁。对于本发明结构的耦合器，光从内包层(102)耦合进泵浦光纤(2)，由于异面的关系，使得泄露光一部分直接从侧壁泄露出去，同时，剩余的泄露光也主要以螺旋光的形式出射，如图2所示，降低了正对着泵浦光纤(2)端面的半导体泵浦源(3)接受到得光密度，可以在一定程度上起到保护泵浦源(3)的作用，延长系统的使用寿命。

本实施例的一种光纤侧面耦合器制作方法包括如下步骤：

1)取一根双包层光纤，其内包层是非圆对称的，如图3所示，其结构可以是矩形结构、正方形结构、D型结构、正六边形结构、正八边形结构、偏心型等；

2)在双包层光纤的靠近中央部分，选取一段去除双包层光纤的涂覆层和外包层，并用酒精清洁干净；

3)对双包层光纤去除涂覆层和外包层这一段区域进行加热熔融，在表面张力作用下，非圆对称的内包层形成一个圆柱形的耦合区域(A)，如图4所示，该圆柱的半径为r，则

其中，区域s为双包层光纤内包层和纤芯的截面积区域。

4)取一根泵浦光纤，将泵浦光纤与双包层光纤耦合的端面进行去涂覆层操作，并清洗干净；

5)如图5所示，将泵浦光纤的端面进行精确研磨抛光处理，使处理端面的圆弧曲率半径为r，其弧形中心轴线方向与双包层光纤轴线平行，与泵浦光纤的轴线成角度θ₁₂，相当于泵浦光纤与双包层光纤并排，泵浦光纤在两光纤轴线形成的平面内绕泵浦点先旋转一个角度θ₁，接着，在垂直θ₁所在平面旋转一个角度θ₂，形成异面耦合，两光纤轴线所成夹角为θ₁₂，即cosθ₁₂＝cosθ₁cosθ₂。其中，角度θ₁和θ₂应根据所选双包层光纤和泵浦光纤的参数选择，使泵浦光能高效率的耦合进泵浦光纤。

6)将泵浦光纤的处理断面与双包层光纤的圆柱形耦合区光学密接触并熔接在一起，再用低折射率的聚合物涂敷、封装形成异面耦合器。

实施例2

如图6所示，本实施例的一种光纤侧面耦合器制作方法还包括如下步骤：

7)另取N₁根泵浦光纤，

其中d′为泵浦光纤的直径，[ ]为取整，L_z为泵浦光在双包层光纤(1)中传输，发生全反射的最短步长，L_z＝2d₁·tanθ_c，其中d₁为内包层的直径，θ_c为内包层与外包层交界面的全反射临界角，

n₁和n₂分别为双包层光纤的内包层和外包层的折射率。与所述步骤中的4)、5)对N₁根泵浦光纤进行处理。

8)将N₁根泵浦光纤沿双包层光纤轴线方向在熔融后的圆形区耦合，与所述步骤6)进行处理。

实施例3

如图7所示，本实施例的一种光纤侧面耦合器制作方法还包括如下步骤：

9)另取N₂根泵浦光纤，

其中，d₁为双包层光纤的内包层直径，d′为泵浦光纤的纤芯直径。与所述步骤中的7)对N₂根泵浦光纤进行处理；

10)将N₂根泵浦光纤在双包层光纤轴线的垂直平面内与熔融后的圆形区耦合的排列方式，与所述步骤6)进行处理。

实施例4

如图8所示，本实施例的一种光纤侧面耦合器制作方法还包括如下步骤：

11)将泵浦光纤在双包层光纤的耦合区混合密排，既有沿双包层光纤轴线方向的排列，也有沿垂轴平面的密排，尽可能多的增加耦合点提高泵浦功率。

Claims (7)

1.一种大功率光纤激光器的侧面耦合器，包括一根非圆对称的双包层光纤和与其耦合的一根或者多根泵浦光纤；其中：双包层光纤的内包层可以是非圆对称的矩形结构、正方形结构、D型结构、正六边形结构、正八边形结构、偏心型；一根泵浦或者多根泵浦光纤的端面与双包层的侧面耦合；多根泵浦光纤在双包层光纤的耦合区混合密排，既有沿双包层光纤轴线方向的排列，也有沿垂轴平面的密排；其特征在于：双包层光纤和泵浦光纤的异面耦合，相当于泵浦光纤(2)与双包层光纤(1)并排，泵浦光纤(2)在两光纤轴线形成的平面内绕泵浦点先旋转一个角度θ₁，接着，在垂直θ₁所在平面旋转一个角度θ₂，形成异面耦合。

2.根据权利要求1所述的一种大功率光纤激光器的侧面耦合器的制作方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)取一根双包层光纤(1)，其内包层(102)是非圆对称的，其结构可以是矩形结构、正方形结构、D型结构、正六边形结构、正八边形结构、偏心型；

2)在双包层光纤(1)的靠近中央部分，选取一段去除双包层光纤的涂覆层(104)和外包层(103)，并用酒精清洁干净；

3)对双包层光纤去除涂覆层(104)和外包层(103)这一段区域进行加热熔融，在表面张力作用下，非圆对称的内包层(102)形成一个圆柱形的耦合区域(A)，该圆柱的半径为r，则

其中，区域s为双包层光纤内包层(102)和纤芯(101)的截面积区域；

4)取一根泵浦光纤(2)，将泵浦光纤(2)与双包层光纤(1)耦合的端面进行去涂覆层操作，并清洗干净；

5)将泵浦光纤的端面进行精确研磨抛光处理，使处理端面(B)的圆弧曲率半径为r，其弧形中心轴线方向与双包层光纤(1)轴线平行，与泵浦光纤的轴线成角度θ₁₂，相当于泵浦光纤(2)与双包层光纤(1)并排，泵浦光纤(2)在两光纤轴线形成的平面内绕泵浦点先旋转一个角度θ₁，接着，在垂直θ₁所在平面旋转一个角度θ₂，形成异面耦合，两光纤轴线所成夹角为θ₁₂，即cosθ₁₂＝cosθ₁cosθ₂，其中，角度θ₁和θ₂应根据所选双包层光纤(1)和泵浦光纤(2)的参数选择，使泵浦光能高效率的耦合进泵浦光纤；

6)将泵浦光纤(2)的处理断面(B)与双包层光纤(1)的圆柱形耦合区(A)光学密接触并熔接在一起，再用低折射率的聚合物涂敷、封装形成异面耦合器。

3.根据权利要求2所述的大功率光纤激光器的侧面耦合器的制作方法，还包括多点泵浦耦合器的制作方法，其特征在于：还可以包括以下步骤：

7)另取N₁根泵浦光纤(2)，按所述步骤中的4)、5)对N₁根泵浦光纤(2)进行处理；

8)将N₁根泵浦光纤(2)沿双包层光纤(1)轴线方向在熔融后的圆形区(A)耦合，按所述步骤6)进行处理。

4.根据权利要求3所述的大功率光纤激光器的侧面耦合器的制作方法，还包括多点泵浦耦合器的制作方法，其特征也可以是，还可以包括以下步骤：

9)另取N₂根泵浦光纤(2)，按所述步骤中的7)对N₂根泵浦光纤(2)进行处理；

10)将N₂根泵浦光纤(2)在双包层光纤(1)轴线的垂直平面内与熔融后的圆形区(A)耦合的排列方式，按所述步骤6)进行处理。

5.根据权利要求4所述的大功率光纤激光器的侧面耦合器的制作方法，还包括多点泵浦耦合器的制作方法，其特征也可以是，还可以包括以下步骤：

11)将泵浦光纤(2)在双包层光纤(1)的耦合区(A)混合密排，既有沿双包层光纤(1)轴线方向的排列，也有沿垂轴平面的密排，尽可能多的增加耦合点提高泵浦功率。

6.根据权利要求3所述的大功率光纤激光器的侧面耦合器的制作方法，其特征在于，所述步骤7)中泵浦光纤(2)的数量N₁的选择，

其中d′为泵浦光纤的直径，[]为取整，L_z为泵浦光在双包层光纤(1)中传输，发生全反射的最短步长，L_z＝2d₁·tanθ_c，其中d₁为内包层(102)的直径，θ_c为内包层与外包层交界面的全反射临界角，

n₁和n₂分别为双包层光纤的内包层和外包层的折射率。

7.根据权利要求4所述的大功率光纤激光器的侧面耦合器的制作方法，其特征在于，所述步骤9)中泵浦光纤(2)的数量N₂的选择，

其中，d₁为双包层光纤(1)的内包层直径，d′为泵浦光纤(2)的纤芯(201)直径。

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