CN210296855U - 一种基于空芯反谐振光纤的高功率泵浦剥离器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种基于空芯反谐振光纤的高功率泵浦剥离器，涉及光纤和激光光电子领域，包括输入传输光纤、空芯反谐振光纤、散热器和输出传输光纤。选用特定的空芯反谐振光纤，利用空芯反谐振光纤对泵浦波长损耗极大，对信号光损耗小的特点制成泵浦剥离装置。输入光纤为连接放大器尾纤与空芯反谐振光纤，空芯反谐振光纤置于散热器的凹槽内部，光纤最外侧玻璃套管紧贴散热器侧壁，尽可能增大接触面积，利于散热；输出光纤的一端与空芯反谐振光纤的末端熔接相连。相较于传统的泵浦剥离器，本实用新型热分布均匀，可在更高功率条件下工作，泵浦剥除效率高，结构简单，制作容易，且稳定性强。
Description
技术领域
本实用新型涉及光纤和激光光电子领域，具体涉及一种基于空芯反谐振光纤的高功率泵浦剥离器。
背景技术
高功率光纤激光器是近年来光电子技术领域，激光制造技术领域炙手可热的研究热点之一，其已在工业制造、生物医疗、能源勘探、军事国防等领域获得了广泛应用。高功率光纤激光器融合了光纤的波导特性和半导体的抽运特性，具有光束质量好、效率高、散热性好、结构紧凑、柔性传输等优点。
近年来高功率光纤激光器输出功率的不断提升，主要由于主振荡功率放大结构（MOPA,Master Oscillator Power Amplifier）的采用，MOPA结构一般利用光纤振荡器作为种子源，利用多级放大器进行功率放大，不同纤芯直径的掺杂稀土离子的有源光纤作为增益介质。通常主放大器采用包层泵浦形式，由于泵浦光和信号光在同一根光纤中同向传输，在高功率运转下，输出端会存在泵浦光残留，泵浦光与信号光混杂在一起，影响激光性能。为了增加激光器输出激光的光束质量，获得高品质、纯净的信号光，需要在主功率放大器的增益光纤后连接高功率泵浦剥离器进行残余泵浦光的剥离。
目前制作高功率光纤激光器中采用的泵浦剥离器主要有三种方法：第一种是引入高折射率光纤涂覆层的方法，将双包层光纤的原有低折射率包层去除，直接在裸露的光纤上涂覆高折射率材料（如高折射率紫外胶，高折射率匹配液），使得泵浦光无法在内包层传输，达到泵浦剥离的目的。这种方法剥除效率低，泵浦光只在涂覆有高折射率材料的位置泄露，会导致能量泄露位置集中，器件局部过热，无法承受太高功率，额外的高折射率材料也增加了器件的成本。第二种是引入包层缺陷的方法，该方法在光纤外包层上打一个或多个“V”型槽的办法，破坏了包层的波导结构，使包层泵浦光在缺陷处泄露出去。这种方法不需要高折射率材料从而节约了成本，但同样存在泄露位置集中，器件局部容易过热导致无法承受高功率的问题，且在微米级的光纤上刻槽同样需要复杂且精密的设备，操作难度也较大。除此之外，这两种技术只能剥除包层中的泵浦光，但对光纤纤芯内的部分泵浦光则无法有效剥除，剥除效率一般仅在90%左右。第三种方法是采用空间结构光谱滤波器件将泵浦光剥离，常用的是二向色镜或布拉格光栅。这种方法能剥除纤芯和包层的残余泵浦光，但空间结构器件的引入会使得系统的复杂性和不稳定性增加，破坏了全光纤化结构，不利于实际应用。
实用新型内容
为解决传统高功率激光器中泵浦剥离器的问题，如：能量泄露位置集中，器件局部过热，无法承受太高功率；只能剥除包层中的泵浦光，剥除效率较低；需要额外使用高折射率材料，增加成本；需要复杂且精密的设备，操作难度也较大；空间结构器件的引入会使得系统的复杂性和不稳定性增加等诸多问题，本实用新型提供一种结构紧凑、散热效果好的基于空芯反谐振光纤的用于高功率光纤激光器的泵浦剥离器。利用空芯反谐振光纤对特定谐振波长损耗极大，对非谐振波长损耗小的特点制成泵浦剥离装置，泵浦剥离装置前后端均采用全光纤化熔接，无需空间器件。结构紧凑、稳定性好，即可实现高效率的泵浦剥除，同时器件的热量分布均匀，散热效果好，可耐受更高功率。
为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
一种基于空芯反谐振光纤的高功率泵浦剥离器，包括输入传输光纤、空芯反谐振光纤、散热器和输出传输光纤。输入光纤为与主放大器增益光纤匹配的双包层无源光纤，空芯反谐振光纤置于散热器的凹槽内部，光纤最外侧玻璃套管紧贴散热器侧壁并固定；输入传输光纤与空芯反谐振光纤的一端熔接相连，熔点用紫外胶固定；输出光纤的一端与空芯反谐振光纤的另一端熔接相连，熔点用紫外胶固定。空芯反谐振光纤包括低折射率纤芯区域，高折射率包层区域；高折射率包层区域分为一圈微毛细管和石英玻璃套管。
从光纤放大器的增益光纤输出的信号首先进入输入传输光纤，输入传输光纤的纤芯中包含信号光和泵浦光，随后传输至空芯反谐振光纤，泵浦光一部分进入空芯反谐振光纤的低折射率纤芯区域，由于空芯反谐振光纤对谐振波长表现出高损耗特性，可设计的空芯反谐振光纤的谐振波长为泵浦光波长，泵浦光在低折射率纤芯区域传输损耗极大，会泄露到包层中去；另一部分泵浦光直接进入空芯反谐振光纤的高折射率包层区域，由于高折射率包层区域没有导光模式，泵浦光在该区域传输同样损耗极大。信号光从输入传输光纤的纤芯输入到空芯反谐振光纤中，由于信号光波长远离空芯反谐振光纤的谐振波长，信号光可以在空芯反谐振光纤的低折射率纤芯区域低损耗传输，经过空芯反谐振光纤的信号光通过熔接耦合的方式进入输出传输光纤，泵浦剥离得以实现。高损耗的泵浦光会以热的形式转移到空芯反谐振光纤外壁上，最终由紧密连接的散热器传导到外部。
作为优选，所述的输入传输光纤是无源大模场无源双包层光纤，纤芯直径在20μm-50μm之间。
作为优选，所述的空芯反谐振光纤的纤芯直径在20μm-100μm之间。
作为优选，所述的空芯反谐振光纤的包层毛细管数量在4-9个之间，直径在10μm-50μm之间，毛细管玻璃厚度在200nm-800nm之间。
作为优选，所述的空芯反谐振光纤的最外侧玻璃套管直径在100μm-800μm之间。
作为优选，所述的空芯反谐振光纤的长度在30cm-80cm之间。
作为优选，所述的散热器为紫铜或其他金属材质，且内部有半圆形通道，空芯反谐振光纤安置于通道内。
作为优选，所述的输出传输光纤是无源大模场无源双包层光纤，纤芯直径在20μm-150μm之间。
作为优选，所述输入传输光纤与空芯反谐振光纤以熔接方式连接。
作为优选，所述输出传输光纤与空芯反谐振光纤以熔接方式连接。
本实用新型提供一种基于空芯反谐振光纤的高功率泵浦剥离器，剥离核心器件为空芯反谐振光纤，用散热器对其进行散热，以便在高功率条件下运行，空芯反谐振光纤两端分别以熔接的方式连接无源大模场无源双包层光纤，保证器件的全光纤化，结构简单，性能稳定。利用空芯反谐振光纤作为泵浦剥离核心器件的优势在于：
1.空芯反谐振光纤的损伤阈值高，且泵浦剥离在整个光纤中完成，热分布均匀，可在更高功率条件下工作。
2.利用空芯反谐振光纤作为剥离器不仅可以剥除包层中的泵浦光，同时也可以剥除纤芯中的泵浦光，泵浦剥除效率高。
3.剥离器采用全光纤化结构，无需引入空间器件，无需对光纤结构进行破坏或使用高折射率材料，结构简单，制作容易，且稳定性强。
附图说明
图1为本实用新型的基于空芯反谐振光纤的高功率泵浦剥离器的结构示意图。
图2为本实用新型的高功率泵浦剥离器中的反谐振光纤的结构示意图。
其中，1.输入传输光纤，2. 空芯反谐振光纤，3.散热器，4. 输出传输光纤，201.空芯反谐振光纤的低折射率纤芯区域，202.空芯反谐振光纤的微毛细管，203.空芯反谐振光纤的石英玻璃套管。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本实用新型做进一步说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本实用新型，但不限定本实用新型。
如图1所示，本实用新型实施例提供一种基于空芯反谐振光纤的高功率泵浦剥离器，包括：输出传输光纤1、空芯反谐振光纤2、散热器3和输出传输光纤4。
所述输入传输光纤1用于将光纤放大器输出的激光低损耗的导入到空芯反谐振光纤2中，输入光纤1可选用美国Nufern公司的无源大模场面积双包层光纤，型号为FUD-4003、FUD-4322、LMA-GDF-30/250-M或LMA-GDF-25/400-M等。
所述空芯反谐振光纤2其结构如图2所示，包括低折射率纤芯区域201，202.空芯反谐振光纤的微毛细管，203.空芯反谐振光纤的石英玻璃套管。为保证有效剥除泵浦光且散热均匀，空心反谐振光纤的长度大于30cm，空芯反谐振光纤2的谐振原理可用以下理论解释：空芯反谐振光纤是利用反谐振理论(antiresonant reflecting optical waveguide，ARROW)进行导光的，即在空芯反谐振光纤中，当毛细管壁壁厚度t确定时，波长满足式
(n为石英折射率，m为正整数)的光会在石英中发生谐振，泄漏到包层外，而其余波长的光由于反谐振会反射回纤芯从而进行传输。对于常见的高功率掺镱光纤激光器，其使用泵浦波长在915nm、976nm或1018nm，所以采用毛细管壁厚度为400-500nm的空芯反谐振光纤，可将泵浦光进行剥离，同时对信号光进行低损耗的传输。
所述散热器3可选紫铜材质的散热片，具有优良的导热能力，散热器3内部设有通道，其结构为半径比空芯反谐振光纤略大的径向凹槽，使光纤安置于通道内并尽可能增大接触面积，利于散热。
所述输出传输光纤4用于将泵浦剥离后的激光低损耗的传输到器件外，输出光纤4的型号选择应以后级应用要求为准，可选用美国Nufern公司的无源大模场面积光束传输光纤，型号为FUD-4267、BD-G25/400-11FA等。
进一步的，在具体应用实例中，输入传输光纤1与空芯反谐振光纤2采用电弧放电法熔接。熔接过程应保证光纤端面清洁，熔接放电过程应适宜，避免光纤形状改变或坍塌变形。熔接过后应检验熔接点机械强度并检测熔接损耗，使熔接损耗小于10%。
进一步的，输出传输光纤4与空芯反谐振光纤2页采用电弧放电法熔接。熔接过程应保证光纤端面清洁，熔接放电过程应适宜，避免光纤形状改变或坍塌变形。熔接过后应检验熔接点机械强度并检测熔接损耗，使熔接损耗小于10%。
进一步的，空芯反谐振光纤2紧贴在散热器的凹槽通道内， 空芯反谐振光纤2与散热器用导热性优良固化胶固定，过程中保证光纤清洁。
进一步的，输入传输光纤1与空芯反谐振光纤2的熔点、输出传输光纤4与空芯反谐振光纤2的熔点都应置于散热器凹槽内，熔点附件的光纤以直线形态置于凹槽内，放置熔点开焊或局部弯曲导致过热损坏器件。
进一步的，熔点及熔点附近光纤应采用固化胶悬空固定在凹槽中心，过程中保持光纤和熔点处的洁净。
本实用新型提供一种结构紧凑、散热效果好的基于空芯反谐振光纤的用于高功率光纤激光器的高功率泵浦剥离器。选用特定的空芯反谐振光纤，利用空芯反谐振光纤对泵浦波长损耗极大，对信号光损耗小的特点制成泵浦剥离装置，前后传输光纤与空芯光纤低损耗熔接，无需空间器件。本实用新型结构紧凑、稳定性好，散热效果好，耐受功率更高。
Claims (7)
1.一种基于空芯反谐振光纤的高功率泵浦剥离器，其特征在于：包括输入传输光纤、空芯反谐振光纤、散热器和输出传输光纤，输入光纤为与放大器尾纤匹配的双包层无源光纤，空芯反谐振光纤置于散热器的凹槽内部，光纤最外侧玻璃套管紧贴散热器侧壁；输入传输光纤与空芯反谐振光纤的一端熔接相连；输出光纤的一端与空芯反谐振光纤的另一端熔接相连；空芯反谐振光纤包括低折射率纤芯区域，微毛细管和石英玻璃套管；从光纤放大器的增益光纤输出的信号首先进入输入传输光纤，输入传输光纤的纤芯中包含大量信号光和泵浦光，随后传输至空芯反谐振光纤，由于空芯反谐振光纤对谐振波长表现出高损耗特性，可设计的空芯反谐振光纤的谐振波长为泵浦光波长，泵浦光在低折射率纤芯区域传输损耗极大，会泄露到包层中去，相反信号光在光纤中可以低损耗传输，达到泵浦剥离的目的。
2.根据权利要求1所述的一种基于空芯反谐振光纤的高功率泵浦剥离器，其特征在于：所述的输入传输光纤是无源大模场无源双包层光纤，纤芯直径在20μm-50μm之间。
3.根据权利要求1所述的一种基于空芯反谐振光纤的高功率泵浦剥离器，其特征在于：所述的空芯反谐振光纤的纤芯直径在20μm-100μm之间。
4.根据权利要求1所述的一种基于空芯反谐振光纤的高功率泵浦剥离器，其特征在于：所述的空芯反谐振光纤的包层毛细管数量在4-9个之间，直径在10μm-50μm之间，毛细管玻璃厚度在200nm-800nm之间。
5.根据权利要求1所述的一种基于空芯反谐振光纤的高功率泵浦剥离器，其特征在于：所述的空芯反谐振光纤的最外侧玻璃套管直径在100μm-800μm之间，空芯反谐振光纤的长度在30cm-80cm之间。
6.根据权利要求1所述的一种基于空芯反谐振光纤的高功率泵浦剥离器，其特征在于：所述的散热器为紫铜或其他金属材质，且内部有半圆形通道，空芯反谐振光纤安置于通道内。
7.根据权利要求1所述的一种基于空芯反谐振光纤的高功率泵浦剥离器，其特征在于：所述传输光纤与空芯反谐振光纤以熔接方式连接。
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