�(cè)面泵�耦合�是一種新型器�,耦合器包括泵浦輸入端、信號輸入端和輸出端及一個無用端�。耦合器的信號輸入、輸出端光纖一般為無源的雙包層光纖,泵浦輸入端一般根�(jù)所使用泵浦光源的情�,選擇相應(yīng)的匹�多模光纖,無用端有少量的光功率,要妥善處理以免造成危害�
光纖激光器具有光束�(zhì)量好、結(jié)�(gòu)緊湊、體積小、質(zhì)量輕、易散熱、工作穩(wěn)定等眾多�(yōu)�(diǎn)。在大功率光纖激光器和放大器的研究中,實現(xiàn)泵浦光功率高�、安全的耦合是其�(guān)鍵技�(shù)之一,泵浦方法主要包括光纖端面泵浦和光纖側(cè)面泵浦兩種。現(xiàn)有的�(cè)面泵浦耦合技�(shù)主要�:V槽側(cè)面泵浦耦合、嵌入反射鏡式泵浦耦合、角度磨拋側(cè)面泵浦耦合和熔錐側(cè)面泵浦耦合等。通過對比�(jié)�(gòu)緊湊�、耦合效率、系�(tǒng)�(wěn)�。制作原理熔錐側(cè)面泵浦耦合可以大幅度提高泵浦光功率,實現(xiàn)增益光纖的多�(diǎn)泵浦。側(cè)面泵浦耦合器是一種新型器�,耦合器包括泵浦輸入端、信號輸入端和輸出端及一個無用端�。耦合器的信號輸入、輸出端光纖一般為無源的雙包層光纖,泵浦輸入端一般根�(jù)所使用泵浦光源的情�,選擇相應(yīng)的匹配多模光�,無用端有少量的光功率,要妥善處理以免造成危害�
與普通光纖耦合器不�,�(cè)面泵浦耦合器的主要�(shè)計目的是為了實現(xiàn)泵浦光功率向信號傳輸光纖的單向耦合,因此拉錐完成�,兩根光纖的纖芯之間相距較�(yuǎn),能量耦合主要�(fā)生在�(cè)面泵浦光纖的纖芯與信號光纖的包層之間,泵浦功率從泵浦輸入端光纖的纖芯耦合�(jìn)入信號傳輸光纖的�(nèi)包層,而在信號傳輸光纖的纖芯中傳輸?shù)募す庑盘?包括正向和反向光),被限制在傳輸光纖的纖芯中與泵浦輸入端不發(fā)生能量耦合,因此�(cè)面泵浦耦合器就起到了泵浦耦合與信號隔離的雙重作用�
光纖�(cè)面泵浦耦合器通過全光纖化�(shè)計實�(xiàn)了在線泵�,它可以實�(xiàn)增益光纖的多�(diǎn)泵浦,有利于提高光纖激光器和放大器的轉(zhuǎn)換效率和輸出功率,更重要的是它可以有效地屏蔽增益光纖中的后向傳輸光,保護(hù)泵浦光源的安全工�,這對于高功率全光纖化�(jié)�(gòu)的激光器和放大器的研究意義重��
在高功率光纖激光器和放大器的研究中,實�(xiàn)泵浦光功率高�、安全地耦合是其�(guān)鍵技�(shù)之一,目前的泵浦方法主要包括光纖端面泵浦和光纖側(cè)面泵浦兩�?,F(xiàn)有的�(cè)面泵浦耦合技�(shù)主要有:V槽側(cè)面泵浦耦合、嵌入反射鏡式泵浦耦合、角度磨拋側(cè)面泵浦耦合等,每一種技�(shù)均有非常明顯的優(yōu)缺點(diǎn)�
V槽側(cè)面泵浦耦合的原理非常簡單,根據(jù)報道V形槽�(cè)面耦合效率可以高達(dá)90%左右,可耦合�(shù)瓦的泵浦功率。但是由于利用了微透鏡�(zhǔn)�,LD泵浦�、微透鏡以及雙包層光纖之間的相對位置對于耦合效率的影響較大,同時,由于V槽嵌入內(nèi)包層,因此對于內(nèi)包層�(nèi)傳輸?shù)谋闷止庥休^大損�,不利于多點(diǎn)注入式泵浦功率的�(kuò)��
嵌入反射鏡式泵浦耦合方式是在V槽刻蝕方式上的改�(jìn),該方法可以耦合�(shù)瓦泵浦功�,效率達(dá)91%的實驗已有報�。由于多模二極管抽運(yùn)激光無需�(jīng)過光束整形即可�(jìn)入內(nèi)包層,因此采用內(nèi)嵌反射鏡�(cè)面抽�(yùn)的方法具有耦合效率�、成本低、簡單易行等�(yōu)�(diǎn)。但與V槽側(cè)面泵浦法相似,在�(nèi)包層中刻槽會影響泵浦光的傳輸,因此嵌入透鏡式泵浦耦合難以用于雙包層光纖的多點(diǎn)泵浦。角度磨拋側(cè)面泵浦耦合是將端面按一定角度磨拋好的泵浦光纖用折射率相近的光學(xué)膠膠合在雙包層光纖的�(nèi)包層�,并固定好兩纖的相對位置,泵浦光即可由泵浦光纖側(cè)面耦合�(jìn)入雙包層光纖的內(nèi)包層。通常該技�(shù)要求泵浦光纖端面的磨拋角較大(約80度),對于光纖端面磨拋工藝提出了很高的要�。更致命的弱�(diǎn)是,在高泵浦功率�,光�(xué)膠難以承受其功率密度會導(dǎo)�?lián)]�(fā)或分�,使耦合效率下降。雖然該耦合方式獲得了高�(dá)90%的耦合效率,但是獲得的光纖激光輸出功率也僅僅�1W左右�
光纖�(cè)面泵浦耦合器是一種實�(xiàn)�(cè)面泵浦耦合的新型器�,耦合器包括泵浦輸入端、信號輸入端和輸出端三個可用端�。耦合器的信號輸入、輸出端光纖一般為無源的雙包層光纖,泵浦輸入端一般根�(jù)所使用泵浦光源的情�,選擇相�(yīng)的匹配多模光纖,閑置端可以取�。與普通光纖耦合器不�,側(cè)面泵浦耦合器的主要�(shè)計目的是為了實現(xiàn)泵浦光功率向信號傳輸光纖的單向耦合,因此拉錐完成后,兩根光纖的纖芯之間相距較遠(yuǎn),能量耦合主要�(fā)生在�(cè)面泵浦光纖的纖芯與信號光纖的包層之間,泵浦功率從泵浦輸入端光纖的纖芯耦合�(jìn)入信號傳輸光纖的�(nèi)包層,而在信號傳輸光纖的纖芯中傳輸?shù)募す庑盘枺òㄕ蚝头聪蚬�?,被限制在傳輸光纖的纖芯中與泵浦輸入端不�(fā)生能量耦合,因此側(cè)面泵浦耦合器就起到了泵浦耦合與信號隔離的雙重作用,泵浦輸入端對反向傳輸信號光的隔離度一般能�(dá)�15dB以上�
光纖�(cè)面泵浦耦合器通過全光纖化�(shè)計實�(xiàn)了在線泵�,它可以實現(xiàn)增益光纖的多�(diǎn)泵浦,有利于提高光纖激光器和放大器的轉(zhuǎn)換效率和輸出功率,更重要的是它可以有效的屏蔽增益光纖中的后向傳輸光,保護(hù)泵浦光源的安全工�,這對于高功率全光纖化�(jié)�(gòu)的激光器和放大器的研究意義重大�
(一)實驗裝置及方法
根據(jù)光纖�(cè)面泵浦耦合器的工作原理和結(jié)�(gòu)�(shè)�,采用了熔融拉錐工藝以及最基本�2×1耦合方式,實�(xiàn)把一根泵浦多模光纖中的泵浦光耦合�(jìn)雙包層光纖。在本論文的大多�(shù)�(yīng)用中,主要是�915nm泵浦光由泵浦輸入端注入到增益光纖��1060nm種子光由信號輸入端注�,耦合后的光功率從輸出端輸出。閑置端沒用,但是有較弱的光功率,要作妥善處�。實驗裝置原理:該裝置為一套熔融拉錐系�(tǒng),主要包括步�(jìn)電機(jī)控制的平行拉伸裝置和火焰�(jìn)給裝置組�,同時配有其他監(jiān)測、控制和顯示�(shè)�。具體的實驗過程為:首先截取約兩米長的泵浦輸入端光纖和信號傳輸光纖各一根,在中間的合適位置剝除一定長度的保護(hù)層作為耦合區(qū)�,雙包層光纖則要剝除外包層和保護(hù)層,然后對耦合區(qū)域�(jìn)行充分的清洗;清洗完畢后將兩光纖置于夾具上固定,�(zhuǎn)移到拉錐平臺�,使加熱裝置的火頭處于耦合區(qū)域的中間位置,調(diào)整拉錐參�(shù)�(jìn)行熔融拉�,實時監(jiān)測兩根光纖的輸出功率和分光比,當(dāng)�(dá)到所需的參�(shù)時停止拉�;然后對耦合區(qū)域�(jìn)行適�(dāng)?shù)姆庋b,是各個參�(shù)的測��
(二)拉錐工藝的研究
從光纖的相對位置來說,拉錐工藝可分為平行燒拉技�(shù)和打�(jié)燒拉技�(shù)。實驗的開始階段,我們借鑒單模光纖耦合器的成功�(jīng)�,也采用了平行燒拉技�(shù),即先把兩根光纖平行固定,再�(zhuǎn)移到拉錐平臺上�(jìn)行拉錐操�。在嘗試了幾種光纖組合以�,發(fā)�(xiàn)效果并不�,從實時�(jiān)測的情況來看,兩根光纖耦合到一定程度難以繼�(xù)耦合,繼�(xù)拉錐反而會使損耗增大,而不是呈�(xiàn)周期性的耦合�(jī)�,這和單模耦合的曲線有很大差別。后面的實驗我們采用了打結(jié)燒拉技�(shù),即把兩根光纖相互纏�,然后固定在拉錐平臺上�(jìn)行拉錐。從實驗的結(jié)果來�,打�(jié)燒拉技�(shù)要比平行燒拉技�(shù)耦合效率高,這從實時�(jiān)測的�(shù)�(jù)可以直觀的反映出�。[2]
打結(jié)燒拉技�(shù)雖然一定程度上提高了側(cè)面耦合的效�,但是實驗效果仍然難以另人滿�,根�(jù)已有的文�(xiàn)報到,嘗試了泵浦傳輸光纖的預(yù)拉錐處理技�(shù)。即先把泵浦傳輸光纖拉錐一段距�,再纏繞到雙包層光纖上�(jìn)行耦合拉錐。經(jīng)過對�(yù)先拉錐的參數(shù)�(jìn)行了一段時間的摸索�,側(cè)面耦合效率有了一定的提高,從同一種光纖組合的�(jié)果來�,采用預(yù)拉錐處理后的耦合效率要比直接拉錐高出10%。由于光纖參�(shù)對耦合效率存在較大的影�,耦合器的�(yōu)化實驗對多種不同的光纖�(jìn)行了�(yōu)化組�,對每種組合逐一�(diào)整拉錐工藝的各個參�(shù),包括氫氣氧氣流�、火焰高�、拉錐速度、拉錐距離等等任何可以影響拉錐結(jié)果的因素,�(jìn)行了大量實驗� 為了減小吸收造成的附加損�,實驗在多模光纖不變的情況下,信號光纖改用無源雙包層光纖代替摻鐿雙包層光纖,�(jīng)過一定的實驗研究和參�(shù)�(yōu)化后,樣品的測試�(jié)果表�,側(cè)面耦合的效率可以達(dá)�46.4%,但是仍然很難實際應(yīng)用到光纖激光器中。一方面,無源雙包層光纖本身�915nm光的損耗太�,為0.62dB/m;另一方面,多模光纖纖芯和雙包層光纖內(nèi)包層在折射率上的差異仍然存在,這在兩種光纖的拉錐熔�(diǎn)上體�(xiàn)出來�
為了解決折射率匹配的問題,實驗在無源雙包層光纖不變的基礎(chǔ)�,選用了石英絲來代替多模光纖�(jìn)行側(cè)面耦合實驗。但是實驗中耦合效率只有39.7%。拉錐過程中明顯觀察到兩種光纖熔點(diǎn)的差�,這是因為石英絲包層為低折射率的摻氟介�(zhì),其熔點(diǎn)比石英低,當(dāng)兩光纖在同一火焰下加熱時,石英絲很快處于熔融狀�(tài)然后變形,而這時雙包層光纖還沒有到達(dá)熔點(diǎn),所以拉錐過程很難控��
,實驗采用無源雙包層光纖代替石英�,利用兩根無源雙包層光纖制作的側(cè)面泵浦耦合�,實�(xiàn)了較高的耦合效率,可�(dá)�70%,由于兩根雙包層光纖在性能上完全一�,所以解決了光纖的匹配問�,通過實驗�(yōu)�,主要性能指標(biāo)�(dá)到:泵浦光耦合效率�74%;信號光耦合效率�95%;信號輸入端與泵浦輸入端的隔離度�>50dB;泵浦輸入端對輸出端反向傳輸光的隔離�:20dB;承受峰值功率:>15kW�
95%的信號光耦合效率對于光纖激光器,尤其是光纖放大器是十分有利�,信號光功率可以幾乎沒有損耗的傳輸?shù)皆鲆婀饫w�,得到限度的利用;泵浦輸入端對輸出端反向傳輸光的隔離度達(dá)�20dB,能夠有效的阻止增益光纖中的后向傳輸光�(jìn)入泵浦源,從而保證泵浦源的安全工�,防止被損壞或燒毀�
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