CN103545704B - 植入式侧面泵浦耦合方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种植入式侧面泵浦耦合方法，其特征在于：它包括一根双包层有源光纤，用于产生激光或者对激光进行放大；以及至少一根多模光纤，用于连接泵浦源；所述多模光纤采用植入式侧面泵浦方法将泵浦光耦合进入双包层有源光纤，包括如下步骤：1)分别对双包层有源光纤和多模光纤进行预处理；2)在双包层有源光纤的待耦合区域进行加热，将多模光纤植入双包层有源光纤；3)待耦合区域冷却后，对植入点进行封装，基于本发明的泵浦耦合效率高，而且便于采用多点分布式泵浦，制造工艺简单、成本低，尤其适合于高功率光纤激光器和光纤放大器。

Description

植入式侧面泵浦耦合方法

技术领域

本发明涉及高功率光纤激光器和光纤放大器研制技术领域，特别是涉及一种用于上述领域的植入式侧面泵浦耦合方法。

背景技术

作为第三代激光技术的光纤激光器、放大器由于采用了双包层光纤和高功率的多模半导体二极管，输出功率已经实现巨大飞跃，高功率的光纤激光器、放大器在激光加工、激光医疗、国防、军事等领域应用广泛。泵浦耦合技术是指如何将泵浦半导体激光器的能量有效地耦合进入双包层有源光纤，对实现高功率光纤激光输出具有非常重要的意义，目前主要有端面泵浦和侧面泵浦两种方式。

端面泵浦方式是指泵浦半导体激光器输出的泵浦光从光纤的端面耦合进入双包层有源光纤，目前主要有透镜耦合和光纤合束器耦合两种方式。端面泵浦方式耦合效率高，但存在如下不足：一是光纤端面在高功率泵浦光注入时容易烧毁，限制了光纤激光器输出功率；二是双包层有源光纤只有两个端面可供作泵浦耦合端面，不仅限制了可使用的泵浦源数量，而且也影响到整个激光器结构设计的自由度。

侧面泵浦方式是指泵浦半导体激光器输出的泵浦光从光纤的侧面耦合进入双包层有源光纤，这种泵浦方法有效解决了端面泵浦方式的弊端，不仅耦合效率高，而且实现方式灵活，容易获得更高的泵浦功率。其实现方法目前主要有：V型槽侧面泵浦耦合、嵌入反射镜式泵浦耦合、角度磨抛侧面泵浦耦合、泵浦光纤和有源光纤之间互相接触的边耦合方法（美国专利US7660034、US7221822）、外包层为泵浦光波导的双包层光纤的光源侧边耦合方法（中国专利CN1284013）、泵浦光源的侧边耦合方法（中国专利CN210590）、侧向泵浦光纤结构及其制造方法（中国专利CN201110250593）等。

分析上述侧面泵浦耦合方法，均存在明显不足：V型槽侧面泵浦耦合、嵌入反射镜式泵浦耦合、角度磨抛侧面泵浦耦合的缺点是工艺难度大，不容易实现，而且泵浦耦合效率不稳定，受工艺的影响大。泵浦光纤和有源光纤之间互相接触的边耦合方法（美国专利US7660034、US7221822）的缺点是泵浦耦合效率低，如果增加泵浦光纤和双包层有源光纤的长度来提高耦合效率，又会降低双包层有源光纤的非线性阈值，产生明显的非线性。外包层为泵浦光波导的双包层光纤的光源侧边耦合方法（中国专利CN1284013）的缺点是需要采用棱镜来耦合泵浦光，这样就不能实现全光纤化集成，不仅增加产品体积而且还影响光路的稳定性。泵浦光源的侧边耦合方法（中国专利CN210590）是将多模光纤和双包层有源光纤在耦合区进行缠绕以保持光纤接触，这种方法的缺点是多模光纤容易翘曲，进行拉锥处理又会导致光纤变细，增加信号光和泵浦光损耗。侧向泵浦光纤结构及其制造方法（中国专利CN201110250593）对美国专利US7660034、US7221822的耦合方法进行了优化，但是方法所要求的无源光纤和双包层有源光纤的折射率分布基本难以实现，并且同样存在耦合效率低的问题，从无源光纤出来没被耦合的剩余泵浦光对光纤激光器的稳定运行是个极大的隐患。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种植入式侧面泵浦耦合方法，和端面泵浦耦合方式相比，它采用了侧面泵浦的耦合方式，可有效回避信号激光逆向传输对泵浦半导体激光器造成的损坏，而且使高功率光纤激光器和放大器的设计更加灵活，更具实际操作性；和其他侧面泵浦耦合方式相比，植入式侧面泵浦耦合方法进一步回避了已有技术的弊端。

本发明是通过这样的技术方案实现的：一种植入式侧面泵浦耦合方法，其特征在于：包括一根双包层有源光纤，用于产生激光或者对激光进行放大；以及至少一根多模光纤，用于连接泵浦源；所述多模光纤采用植入式侧面泵浦方法将泵浦光耦合进入双包层有源光纤。

上述技术方案中，所述双包层有源光纤包括低折射率涂层、纯石英内包层和掺有稀土离子的石英纤芯。

所述双包层有源光纤的涂层折射率为1.31或1.37中的一个，固化方式为紫外光固化或者热固化。

所述双包层有源光纤的纯石英内包层形状为圆形、方形、矩形、月牙形或八角形中的一种，其包层直径为125μm、200μm、250μm、300μm、400μm、600μm、800μm中的一个。

所述双包层有源光纤的纤芯掺有镱、銩、铒、钬、钕或镨中的一种或多种稀土离子，纤芯数值孔径为0.05或者0.08，纤芯直径为9μm、10μm、15μm、20μm、25μm、30μm、50μm或100μm中的一个。

上述技术方案中，所述多模光纤直径为62.5μm、100μm、125μm、200μm、220μm、400μm、500μm、600μm或800μm中的一种，数值孔径为0.15或者0.22，或为上述不同直径、不同数值孔径多模光纤的组合。

上述技术方案中，它采用植入式侧面泵浦方法将泵浦光耦合进入双包层有源光纤，具体步骤如下：1)分别对双包层有源光纤和多模光纤进行预处理；2)在双包层有源光纤的待耦合区域进行加热，将多模光纤植入双包层有源光纤；3)待耦合区域冷却后，对植入点进行封装。

进一步地，所述步骤1）中，视泵浦点位置需要，选择双包层光纤开始段、中间段或者尾端，（能否详细解释/描述具体怎样定？），多模光纤一个尾端，分别用光纤剥线钳或者刀片将涂层剥除一小段露出包层，长度5-10cm，用纯度为99.9%的无水乙醇擦干净裸露的包层表面，放密封的洁净盒内保存备用

所述步骤2）中，采用氢氧焰、乙炔焰或电弧放电中的一种方式对双包层有源光纤剥去涂层的裸包层进行加热，直至该区域石英刚好熔融为止，再将处理好的多模光纤尾端植入熔融双包层有源光纤包层，植入深度以刚好进入包层不深入到纤芯为准，关闭加热源。

所述步骤3）中，待植入点温度降至常温后，移至刻有V型槽的铝块或者铜块内，在植入点周围灌满折射率为1.31或者1.37的低折射率紫外胶以覆盖双包层有源光纤裸露的全部区域，用紫外光照射使之全部固化，加盖并用螺丝固定，完成封装。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：和端面泵浦耦合方式相比，它采用了侧面泵浦的耦合方式，可有效回避信号激光逆向传输对泵浦半导体激光器造成的损坏，而且使高功率光纤激光器和放大器的设计更加灵活，更具实际操作性；和其他侧面泵浦耦合方式相比，植入式侧面泵浦耦合方法进一步回避了已有技术的弊端，其优势体现在：1）没有独立的空间光学元件，保证了耦合光路的全光纤化，泵浦激光全程在光纤内低损耗传输；2）和美国专利US7660034、US7221822和中国专利CN201110250593相比，本方法的单点耦合效率高，而且泵浦耦合效率的高低只取决于耦合点的工艺质量，与双包层有源光纤长度、内包层形状设计等没有任何联系，不必通过增加光纤长度来提高耦合效率；3）和中国专利CN210590相比，本方法泵浦多模光纤的尾端直接植入双包层有源光纤的包层，不需要缠绕和拉锥，不仅很好的解决了光纤翘曲的问题，还解决了拉锥工艺引起光纤变细的问题。通过上述问题的优化，植入式侧面泵浦耦合方法实现了真正安全可靠、高效、可多点分布式泵浦的设计目标，尤其适合于高功率光纤激光器、放大器的研制。

附图说明

图1为植入式侧面泵浦耦合方法原理图；

图2为本发明实施例中圆形内包层有源光纤端面结构示意图；

图3为本发明实施例中八角形内包层有源光纤端面结构示意图；

图4为本发明实施例中方形内包层有源光纤端面结构示意图；

图5为本发明实施例中植入式侧面泵浦耦合方法工艺示意图；

图6为本发明实施中封装示意图；

图7为本发明多根多模光纤植入式侧面泵浦耦合法示意图；

图8为本发明多根多模光纤、多点植入式侧面泵浦耦合法示意图。

图中：1.石英纤芯，2.低折射率涂层，3.待耦合区域，4.纯石英内包，5.多模光纤，6.多模光纤尾端，7.氢氧焰、乙炔焰或电弧放电，8.双包层有源光纤；9.有V型槽的金属块（铝块或者铜块），10.盒盖，11.螺丝，12.低折射率紫外胶。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施例作进一步的详细描述：

如图1所示，一种植入式侧面泵浦耦合方法包括一根双包层有源光纤，用于产生激光或者对激光进行放大；以及一根多模光纤5，用于连接泵浦源；多模光纤5采用植入式侧面泵浦方法将泵浦光耦合进入双包层有源光纤。

如图2、图3、图4所示，双包层有源光纤包括掺有稀土离子的石英纤芯1、纯石英内包层4和低折射率涂层2。双包层有源光纤的涂层折射率为1.31、1.37中的一个，固化方式为紫外光固化或者热固化。

双包层有源光纤的纯石英内包层形状为圆形（如图2）、方形（如图4）、矩形、月牙形或八角形（如图3）中的一种，其几何尺寸为125μm、200μm、250μm、300μm、400μm、600μm，800μm中的一个。所述双包层有源光纤的纤芯掺有镱、銩、铒、钬、钕、镨中的一种或多种稀土离子，纤芯数值孔径为0.05或者0.08，纤芯几何尺寸为9μm，10μm、15μm、20μm、25μm、30μm、50μm、100μm中的一个。

所述多模光纤5直径为62.5μm、100μm、125μm、200μm、220μm、400μm、500μm、600μm、800μm中的一种，数值孔径为0.15或者0.22。

如图5所示，一根多模光纤5采用植入式侧面泵浦方法将泵浦光耦合进入双包层有源光纤，具体步骤如下：

1)分别对双包层有源光纤和多模光纤5进行预处理；2)在双包层有源光纤的待耦合区域3进行加热，将多模光纤5植入双包层有源光纤；3)待耦合区域冷却后，对植入点进行封装。

如图5所示，视泵浦点位置需要，选择双包层光纤开始段、中间段或者尾端，在多模光纤5的一个尾端，分别用光纤剥线钳或者刀片将涂层剥除一小段露出包层，长度5-10cm，用纯度为99.9%的无水乙醇擦干净裸露的包层表面，放密封的洁净盒内保存备用。

如图5所示，采用氢氧焰、乙炔焰或电弧放电7中的对双包层有源光纤剥去涂层的待耦合区域3进行加热，直至该区域石英刚好熔融为止，再将处理好的多模光纤尾端6植入熔融双包层有源光纤包层，植入深度以刚好进入包层不深入到纤芯为准，关闭加热源。

如图6所示，待植入点温度降至常温后，移至刻有V型槽的金属块9（铝块或者铜块）内，在植入点周围灌满折射率为1.31或者1.37的低折射率紫外胶12以覆盖双包层有源光纤8裸露的全部区域，用紫外光照射使之全部固化，加盖盒盖10并用螺丝11进行固定，完成封装。

举例说明，双包层有源光纤采用八角形掺镱双包层光纤，其具体参数为：纤芯数值孔径为0.08，直径20μm；内包层形状为八角形，直径400μm；涂层为折射率为1.37紫外光固化胶。多模光纤采用数值孔径为0.15，纤芯直径为100μm，包层直径125μm的多模光纤。多模光纤采用上述植入式侧面泵浦耦合方法将泵浦光耦合进入双包层有源光纤，耦合效率可达到93%。

如图7所示，一种植入式侧面泵浦耦合方法可包括一根双包层有源光纤，用于产生激光或者对激光进行放大；以及多根多模光纤5，用于连接泵浦源；所述多根多模光纤5采用植入式侧面泵浦方法将泵浦光耦合进入双包层有源光纤，其实施方式与上述方法精神基本一致，于此不再赘述。

如图8所示，一种植入式侧面泵浦耦合方法可包括一根双包层有源光纤，用于产生激光或者对激光进行放大；以及多根多模光纤5，用于连接泵浦源；所述多根多模光纤5在双包层有源光纤的开始段、中间段或者尾端，分别采用植入式侧面泵浦方法将泵浦光耦合进入双包层有源光纤，其实施方式与上述方法精神基本一致，于此不再赘述。

凡在本发明精神和原则之内所做的任何修改、等同替换或者改进，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种植入式侧面泵浦耦合方法，包括双包层有源光纤，所述双包层有源光纤包括低折射率涂层、纯石英内包层和掺有稀土离子的石英纤芯，低折射率涂层固化方式为紫外光固化或者热固化；纯石英内包层形状为圆形、方形、矩形、月牙形或八角形中的一种，其包层直径为125μm、200μm、250μm、300μm、400μm、600μm或800μm中的一个；双包层有源光纤的纤芯掺有镱、銩、铒、钬、钕、镨中的一种或多种稀土离子，纤芯数值孔径为0.05或者0.08，纤芯直径为9μm、10μm、15μm、20μm、25μm、30μm、50μm或100μm中的一个，其特征在于：它包括一根双包层有源光纤，用于产生激光或者对激光进行放大；以及至少一根多模光纤，用于连接泵浦源；所述多模光纤采用植入式侧面泵浦方法将泵浦光耦合进入双包层有源光纤；双包层有源光纤采用了低折射率涂层直接做外包层，涂层折射率为1.31或1.37；所述多模光纤直径为62.5μm、100μm、125μm、200μm、220μm、400μm、500μm、600μm或800μm中的一种，数值孔径为0.15或者0.22，或为上述不同直径、不同数值孔径多模光纤的组合；

采用植入式侧面泵浦方法将泵浦光耦合进入双包层有源光纤，具体步骤如下：

1)分别对双包层有源光纤和多模光纤进行预处理；

2)在双包层有源光纤的待耦合区域进行加热，将多模光纤植入双包层有源光纤；

3)待耦合区域冷却后，对植入点进行封装；

所述步骤1）中，视泵浦点位置需要，选择双包层光纤开始段、中间段或者尾端，在多模光纤一个尾端，分别用光纤剥线钳或者刀片将涂层剥除一小段露出包层，长度5-10cm，用纯度为99.9%的无水乙醇擦干净裸露的包层表面，放密封的洁净盒内保存备用；

所述步骤2）中，采用氢氧焰、乙炔焰或电弧放电中的一种方式对双包层有源光纤剥去涂层的裸包层进行加热，直至该区域石英刚好熔融为止，再将处理好的多模光纤尾端植入熔融双包层有源光纤包层，植入深度以刚好进入包层不深入到纤芯为准，关闭加热源；

所述步骤3）中，待植入点温度降至常温后，移至刻有V型槽的铝块或者铜块内，在植入点周围灌满折射率为1.31或者1.37的低折射率紫外胶以覆盖双包层有源光纤裸露的全部区域，用紫外光照射使之全部固化，加盖并用螺丝固定，完成封装。