CN114421266A - 一种基于手性耦合纤芯光纤的侧面泵浦合束器及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于手性耦合纤芯光纤的侧面泵浦合束器及其制作方法，侧面泵浦合束器结构包括：一根信号光纤和多根泵浦光纤；所述信号光纤为手性耦合纤芯光纤，所述手性耦合纤芯光纤由中心纤芯、缠绕在中心纤芯外的卫星纤芯以及自内向外包覆在卫星纤芯外的内包层和外包层组成；所述多根泵浦光纤的一端贴合在信号光纤的外壁，所述泵浦光纤为多模阶跃折射率光纤。经过拉锥预处理的泵浦光纤一端的大部分范围都能够贴合在信号光纤外壁表面，保证合束器的高信号光通过率。
Description
技术领域
本发明涉及光纤激光器技术领域，具体涉及一种基于手性耦合纤芯光纤的侧面泵浦合束器及制作方法。
背景技术
为了解决光纤激光器功率提升过程中面临的非线性效应等问题，通常采用大模场双包层光纤来实现激光器的高功率输出，但其较大的芯径可能无法保证激光器的单模输出。手性耦合纤芯光纤可突破传统光纤归一化截止频率的限制，在大芯径的光纤中实现稳定单模输出。手性耦合纤芯光纤是由中心纤芯和至少一根螺旋型围绕在纤芯周围的卫星纤芯组成，该结构可以有选择地将中心纤芯中的高阶模耦合到卫星纤芯中，只保留基模在中心纤芯中传输。虽然手性耦合纤芯光纤的稳定单模输出特性已得到证实，并实现了高功率激光输出，但受限于其光纤结构的特殊性，制作与之匹配的无源光纤器件(包括泵浦/信号合束器、包层光滤除器、模场适配器、光纤光栅等)难度较大，尚缺乏基于这种光纤的一系列关键光纤器件和核心技术，光纤激光器的集成化、全光纤化优势难以体现。
泵浦/信号合束器，作为实现大功率激光输出的关键器件，承担着在光纤放大器中高效率地将信号光与泵浦光耦合进双包层增益光纤中的任务，其承载功率和耦合效率的大小直接影响着激光器/放大器系统的输出功率。目前，泵浦/信号合束器按照注入方式可分为端面泵浦和侧面泵浦两类。全光纤结构端面泵浦/信号合束主要是通过熔融拉锥光纤组束技术(TFB)来实现，它是指多根光纤排列在一起，在高温下通过熔融拉锥产生锥形过渡区，直至锥腰区的锥腰直径与输出光纤尺寸相匹配，在锥腰的合适位置切断形成拉锥光纤束，并与输出光纤进行熔接。这种方法的明显缺点是：(1)输入信号光与输出信号光容易产生模场失配，为了弥补这种模场失配，需要引入额外的技术，例如加热扩芯技术(TEC)、内嵌模场适配器、引入过渡光纤等方法，大大增加了器件制备的难度；(2)灵活性差，在光纤激光系统中，很多情况下输入信号光纤与输出信号光纤需要同种尺寸光纤，但由于端面泵浦合束器输出信号光纤的包层直径必须要与输入信号光纤和泵浦光纤组成的拉锥光纤组束的输出直径匹配，因而输入信号光纤尺寸(尤其是纤芯直径)很难与输出信号光纤尺寸完全保持一致；(3)对光纤束切割和熔接工艺要求非常高，尤其是当输出光纤尺寸较大时，对应的拉锥光纤束尺寸也会相应增大，这会增加光纤束切割和熔接的困难，可能导致较大的信号光插入损耗，使合束器难以承受高功率种子光输入。由此可见，端面泵浦技术无法适用于制作基于手性耦合纤芯光纤的泵浦/信号合束器。
发明内容
针对上述已有技术存在的不足，本发明提供一种基于手性耦合纤芯光纤的侧面泵浦合束器及制作方法。
本发明是通过以下技术方案实现的。
一种基于手性耦合纤芯光纤的侧面泵浦合束器，其特征在于，所述侧面泵浦合束器结构包括：一根信号光纤和多根泵浦光纤；所述信号光纤为手性耦合纤芯光纤，所述手性耦合纤芯光纤由中心纤芯、缠绕在中心纤芯外的卫星纤芯以及自内向外包覆在卫星纤芯外的内包层和外包层组成；所述多根泵浦光纤的一端贴合在信号光纤的外壁，所述泵浦光纤为多模阶跃折射率光纤。
进一步地，所述手性耦合纤芯光纤为双包层无源手性耦合纤芯光纤或者双包层增益手性耦合纤芯光纤。
进一步地，所述手性耦合纤芯光纤的内包层直径为250-600μm。
进一步地，所述泵浦光纤的包层直径范围为125-400μm，纤芯数值孔径在0.15-0.35之间。
进一步地，所述多根泵浦光纤为两根、四根或六根，对称贴合在信号光纤的外壁。
一种上述的基于手性耦合纤芯光纤的侧面泵浦合束器的制作方法，其特征在于，所述方法包括：将泵浦光纤一端的涂覆层、以及信号光纤与泵浦光纤贴合处的涂覆层除去，分别露出泵浦光纤的包层和信号光纤的内包层；将泵浦光纤除掉涂覆层的一端进行拉锥预处理后，贴合在信号光纤的外壁；对贴合区域进行高温加热熔合，使得泵浦光纤的一端充分熔接在信号光纤的外壁。
进一步地，将泵浦光纤与信号光纤之间靠近贴合区域的位置用紫外胶进行固定。
进一步地，所述高温加热熔合过程的热源采用的是氢氧焰，氢气流量为200-220cm3/min，氧气流量为50-60cm3/min，加热时间60s-100s。
本发明的有益技术效果，相比于利用端面泵浦方式来解决双包层手性耦合纤芯光纤的信号/泵浦耦合可能引发的模场失配、光纤纤芯结构变形、信号光插入损耗大等问题，利用侧面泵浦的方式可以不破坏或不截断手性耦合纤芯光纤本身的特殊纤芯结构，保证了高功率信号光在经过合束器时也能保证低损耗输出，更适合于制作基于手性耦合纤芯光纤的泵浦/信号合束器。经过拉锥预处理的泵浦光纤一端的大部分范围都能够贴合在信号光纤外壁表面，保证了合束器的高信号光通过率。采用本发明的侧面泵浦合束器可以提供良好的反向隔离性能，适用于反向泵浦结构的手性耦合纤芯光纤激光器。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为泵浦光纤拉锥结构示意图。
图3为经过高温加热熔合后合束器的显微镜示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
如图1所示，一种基于手性耦合纤芯光纤的侧面泵浦合束器，结构包括：一根信号光纤1和多根泵浦光纤2；信号光纤为手性耦合纤芯光纤，手性耦合纤芯光纤为双包层无源手性耦合纤芯光纤或者双包层增益手性耦合纤芯光纤，手性耦合纤芯光纤由中心纤芯3、缠绕在中心纤芯外的卫星纤芯4以及自内向外包覆在卫星纤芯外的内包层5和外包层6组成，内包层直径为250-600μm；多根泵浦光纤的一端贴合在信号光纤的外壁，泵浦光纤为多模阶跃折射率光纤，泵浦光纤的包层直径范围为125-400μm，纤芯数值孔径在0.15-0.35之间。优选，多根泵浦光纤为两根、四根或六根，对称贴合在信号光纤的外壁。
在本实施例中，所涉及的两根泵浦光纤型号为105/125μm 0.22NA，泵浦光纤数量为2根，手性耦合纤芯光纤2的包层直径为250μm。
在本实施里中，所述的制作方法包括以下步骤：
(1)采用涂覆层剥除器将两根泵浦光纤一端(远离泵浦光入射方向一侧，距离光纤端面10cm左右的位置)的涂覆层、以及信号光纤与泵浦光纤贴合处的涂覆层除去，露出手性耦合纤芯光纤的内包层和泵浦光纤的包层；
(2)将剥除涂覆层的两根泵浦光纤夹持固定在光纤拉锥机的拉伸平台上，通过火焰或电弧放电的方式加热泵浦光纤，并沿泵浦光纤轴向施加反向力向两侧拉伸光纤，使泵浦光纤在应力及高温的共同作用下熔融并变细，使其剥除涂覆层部分能够形成一段完整的拉锥区7(具体结构如图2所示)，包括第一过渡区9、锥腰区8和第二过渡区10，锥腰区8直径控制在15-22μm，第一过渡区9长度控制在2cm左右；
(3)将两个泵浦光纤2和手性耦合纤芯光纤1水平放置在夹持器上，两根泵浦光纤对称地置于手性耦合纤芯光纤1两侧，通过微调两个泵浦光纤的位置使其在没有扭转和缠绕的情况下舒展地贴合在手性耦合纤芯光纤1外壁表面，避免制作过程中信号光纤因泵浦光纤重力产生弯曲或变形等现象；同时，确保泵浦光纤的拉锥区7都能紧密贴合在手性耦合纤芯光纤1的外壁表面，且呈现自然伸直状态(远离泵浦光入射方向的第二过渡区10无需紧密贴合在手性耦合纤芯光纤)；光纤的固定采用机械夹持和负压吸附共同作用的方式进行；
(4)对贴合区域进行高温加热熔合，热源采用的是氢氧焰，氢气流量为：200-220cm3/min，氧气流量为：50-60cm3/min，加热温度可根据氢气和氧气的流量来控制，加热温度为1600℃以上，加热时间60s-100s。让泵浦光纤充分熔接在手性耦合纤芯光纤的外壁表面，形成一段坚固的贴合区域(图3中的A区)，加热过程中两边光纤束夹持器的位置基本保持不变，确保手性耦合纤芯光纤1不发生形变，且两根泵浦光纤2呈自然伸直状态，无明显软化变形；而远离泵浦光入射方向的过渡区10(见图3中的B区)由于超出火头加热范围，且并未贴合在手性耦合纤芯光纤表面，因此加热熔合完毕后可手动将这两段光纤取离合束器(如图3的子图(见图3的C区)，断裂点一般位于火头加热的边缘位置，即受热熔合与未受热熔合的交界处；
(5)在靠近贴合区域之前的一段泵浦光纤与信号光纤之间(未剥除涂覆层的部分)用紫外胶进行固定，避免光纤束从夹持器上拿取的过程中出现松动或脱落。
在本发明中，泵浦光纤拉锥的第一过渡区9长度可根据平台的尺寸、加热源的运动量程、光纤束夹持器的尺寸来确定，越长的第一过渡区9越有利于泵浦耦合效率的提升，但第一过渡区9太长容易造成泵浦光纤和信号光纤不能确保紧密贴合，因此限定为2cm左右。
本发明提供的侧面泵浦合束器，是利用侧面泵浦/信号合束方法，即将泵浦光从信号光的侧面耦合进信号光纤内包层，信号光纤不被截断且不占用信号光纤两端，能最大程度减少信号光的损耗，保证信号光纤的完成光纤结构，更适用于制作基于手性耦合纤芯光纤的泵浦/信号合束器。
以上所述的仅是本发明的较佳实施例，并不局限发明。应当指出对于本领域的普通技术人员来说，在本发明所提供的技术启示下，还可以做出其它等同改进，均可以实现本发明的目的，都应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于手性耦合纤芯光纤的侧面泵浦合束器，其特征在于，所述侧面泵浦合束器结构包括：一根信号光纤和多根泵浦光纤；所述信号光纤为手性耦合纤芯光纤，所述手性耦合纤芯光纤由中心纤芯、缠绕在中心纤芯外的卫星纤芯以及自内向外包覆在卫星纤芯外的内包层和外包层组成；所述多根泵浦光纤的一端贴合在信号光纤的外壁，所述泵浦光纤为多模阶跃折射率光纤。
2.根据权利要求1所述的一种基于手性耦合纤芯光纤的侧面泵浦合束器，其特征在于，所述手性耦合纤芯光纤为双包层无源手性耦合纤芯光纤或者双包层增益手性耦合纤芯光纤。
3.根据权利要求1所述的一种基于手性耦合纤芯光纤的侧面泵浦合束器，其特征在于，所述手性耦合纤芯光纤的内包层直径为250-600μm。
4.根据权利要求1所述的一种基于手性耦合纤芯光纤的侧面泵浦合束器，其特征在于，所述泵浦光纤的包层直径范围为125-400μm，纤芯数值孔径在0.15-0.35之间。
5.根据权利要求1所述的一种基于手性耦合纤芯光纤的侧面泵浦合束器，其特征在于，所述多根泵浦光纤为两根、四根或六根，对称贴合在信号光纤的外壁。
6.一种如权利要求1-5任一所述的基于手性耦合纤芯光纤的侧面泵浦合束器的制作方法，其特征在于，所述方法包括：将泵浦光纤一端的涂覆层、以及信号光纤与泵浦光纤贴合处的涂覆层除去，分别露出泵浦光纤的包层和信号光纤的内包层；将泵浦光纤除掉涂覆层的一端进行拉锥预处理后，贴合在信号光纤的外壁；对贴合区域进行高温加热熔合，使得泵浦光纤的一端充分熔接在信号光纤的外壁。
7.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，将泵浦光纤与信号光纤之间靠近贴合区域的位置用紫外胶进行固定。
8.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述高温加热熔合过程的热源采用的是氢氧焰，氢气流量为200-220cm3/min，氧气流量为50-60cm3/min，加热时间60s-100s。
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| SVEN HOCHHEIM 等: "Integrated fiber components based on chirally-coupled-core fibers for all-fiber amplifier", PROCEEDINGS OF SPIE, pages 113570 * |
| SVEN HOCHHEIM等: "Integrated fiber components based on chirally-coupled-core fibers for allfiber amplifier", PROCEEDINGS OF SPIE, pages 113570 * |
| 雷成敏 等: "高功率全光纤侧面抽运耦合器研究进展", 光学精密工程, vol. 26, no. 7, pages 1562 - 1569 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115632298A (zh) * | 2022-10-13 | 2023-01-20 | 中国电子科技集团公司第十一研究所 | 一种大能量单模皮秒光纤激光振荡器 |
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