大直徑光纖端帽的制作與熔接

朱心宇，王國(guó)政，王 薊*，馬 威，張 野，張 辰，陳 明

(1.長(zhǎng)春理工大學(xué)理學(xué)院電子科學(xué)與技術(shù)系，吉林長(zhǎng)春 130022; 2.長(zhǎng)春德信光電有限責(zé)任公司，吉林長(zhǎng)春 130103

1 引 言

光纖激光器具有一系列突出的優(yōu)點(diǎn)，如光-光轉(zhuǎn)換效率高、光束質(zhì)量好、結(jié)構(gòu)緊湊、散熱裝置簡(jiǎn)單等。因此，近年來(lái)高功率光纖激光器受到了國(guó)內(nèi)外研究人員的熱切關(guān)注［1-5］。但同時(shí)激光功率的不斷提高也帶來(lái)了諸多問(wèn)題。由于雙包層光纖芯徑很小，傳輸高功率激光時(shí)容易在光纖出射端面形成很高的功率密度，而在高功率密度情況下，任何細(xì)小的端面污染和加工缺陷都可能引起光纖端面的損傷。通常需要在雙包層光纖端面上熔接光纖端帽來(lái)解決高功率密度帶來(lái)的損傷問(wèn)題。

目前國(guó)內(nèi)外廣泛采用電極放電、火焰法、燈絲法等方式來(lái)熔接光纖，利用的是熱傳遞和熱輻射原理，但當(dāng)熔接大芯徑雙包層光纖時(shí)熱源的熱量卻很難得到控制。與這些熔接方式不同的是，CO2激光熔接法利用的是石英光纖對(duì)CO2激光的良好吸收特性來(lái)對(duì)光纖進(jìn)行熔接，其熱源的熱量更容易控制。同時(shí)CO2激光器還是一種高清潔度的熱源，它不僅能夠保證熔接點(diǎn)周圍沒(méi)有任何的附著污染物，還可以保證當(dāng)大功率激光傳輸時(shí)不會(huì)引起熔點(diǎn)溫度過(guò)高而燒毀光纖［6-9］。但是，目前大多數(shù)典型的CO2激光器輸出功率的穩(wěn)定性不高，這樣就很難保證光纖熔接的質(zhì)量，而具有先進(jìn)功率反饋控制技術(shù)和穩(wěn)定技術(shù)的LZM-100型CO2光纖熔接機(jī)卻可以很好地保障熔接過(guò)程的可靠性和一致性。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了使用CO2激光器熔接機(jī)熔接的光纖端帽可以承受507 W連續(xù)激光輸出，并可長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作沒(méi)有發(fā)生損傷，光纖端帽的加入也未對(duì)激光器系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率和光束質(zhì)量等性能造成影響。

2 光纖端帽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

光纖端帽是由純石英組成的，當(dāng)激光由傳能光纖進(jìn)入到光纖端帽后，由于失去了纖芯的束縛因而會(huì)在端帽中發(fā)散。由于端帽的出射端面直徑比傳能光纖的直徑大很多，因此可以顯著地降低傳能光纖端面的功率密度，同時(shí)也提高了光纖對(duì)端面缺陷的容忍度，有效地避免端面損傷的發(fā)生［10-16］。圖1是端帽的加工尺寸圖，考慮到端帽的散熱和夾持問(wèn)題，入射端被設(shè)計(jì)成圓錐形狀并且做拋光處理，同時(shí)在出射端面鍍上增透膜以減少由于菲涅爾反射造成的端面損耗。

圖1 光纖端帽設(shè)計(jì)圖Fig.1 Design drawing of the fiber end cap

如圖1所示，激光在傳能光纖中傳輸時(shí)，滿足全反射條件的最大傳輸角設(shè)為β1。由于端帽與傳能光纖的折射率相同，所以激光在端帽中的傳輸角度也是β1。因此由幾何關(guān)系可知激光的光斑出射直徑為

端帽入射端的錐角β2越小越有利于散熱，但過(guò)小的角度會(huì)導(dǎo)致端帽長(zhǎng)度變長(zhǎng)，綜合考慮熔接端帽時(shí)的夾持器具和機(jī)械加工等因素，選取β2=30°，L1=10 mm，L2=5 mm，L3=3 mm。由式(1)和式(2)可知 L=18 mm，Dspot=Dcore+2×L×tanβ1=1.477 mm，DQB=8 mm。

圖2 光纖端帽實(shí)物圖Fig.2 Real figure of the fiber end cap

3 測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置

光纖端帽是大功率傳能光纖的重要組成部分，被廣泛應(yīng)用于高功率光纖激光器系統(tǒng)中。以往大多數(shù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)都是利用脈沖激光對(duì)光纖端帽的性能進(jìn)行測(cè)試，而很少利用高功率連續(xù)激光對(duì)光纖端帽的實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行測(cè)試，因此利用高功率連續(xù)激光測(cè)試端帽更有意義。連續(xù)激光器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。泵浦源由5組共計(jì)35個(gè)中心波長(zhǎng)為915 nm的半導(dǎo)體激光器構(gòu)成，合束器由5個(gè)7×1多模泵浦合束器和1個(gè)(6+1)×1泵浦/信號(hào)合束器構(gòu)成，增益光纖由50 m長(zhǎng)的Nufern LMA-YDF-20/400-Ⅷ光纖構(gòu)成，諧振腔是由對(duì)1 080 nm激光具有99.62%反射率的高反光柵和11.43%反射率的低反光柵構(gòu)成。諧振腔后接ITF公司生產(chǎn)的包層功率剝離器(CPS)對(duì)包層光進(jìn)行了剝除，最后利用CO2熔接機(jī)把端帽熔接在傳能光纖上。

圖3 全光纖激光器結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Equipment of the all fiber laser

3.1 端帽對(duì)激光光譜和斜率效率的影響

系統(tǒng)搭建完成后，利用CO2光纖熔接機(jī)將傳能光纖熔接上端帽。通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察，當(dāng)輸出功率達(dá)到507 W時(shí)，系統(tǒng)可以長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行且沒(méi)有發(fā)生任何端面損傷。為了探究端帽的加入對(duì)輸出的激光光譜是否會(huì)造成影響，利用光譜儀對(duì)輸出的激光進(jìn)行測(cè)量。圖4是端帽輸出的激光光譜圖，測(cè)試結(jié)果顯示激光的中心波長(zhǎng)為1 080.31 nm，線寬為0.30 nm，并在1 075～1 085 nm 范圍內(nèi)無(wú)其他波長(zhǎng)的激光輸出，滿足了光纖光柵對(duì)輸出波長(zhǎng)的要求，說(shuō)明端帽的加入未對(duì)輸出激光的光譜造成影響。

圖4 端帽輸出激光的光譜圖Fig.4 Emission spectra of the fiber laser with a end cap

為了探究光纖端帽對(duì)激光器系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率的影響，分別測(cè)量熔接有光纖端帽的光纖的輸出激光功率和未熔接光纖端帽的光纖的輸出激光功率。出于實(shí)驗(yàn)安全的考慮，對(duì)比實(shí)驗(yàn)并未將5組泵源全部打開(kāi)，只是開(kāi)啟了其中的2組，使輸出功率達(dá)到180 W左右。如圖5所示，在相同的泵浦功率下，兩種情況的輸出功率有所不同。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)熔接有端帽的光纖其輸出激光的斜效率約為64.05%，而8°角端面直接輸出激光的斜率效率約為60.78%。通過(guò)分析可知，這是因?yàn)楫?dāng)8°角光纖端面與空氣直接接觸時(shí)，會(huì)有一部分輸出激光由于菲涅爾反射從端面反射回來(lái)，從而降低了效率。而端帽的輸出端鍍有高透膜，其透過(guò)率為99.8%，所以輸出的功率會(huì)更大些，因此效率也就更高。

圖5 端帽輸出功率與端面輸出功率對(duì)比圖Fig.5 Output power vs.pump power of the fiber with and without end cap，respectively.

3.2 端帽輸出功率與QBH輸出功率對(duì)比

為了對(duì)光纖端帽的輸出保護(hù)性能進(jìn)行一個(gè)直觀的比較，分別測(cè)試了熔接有QBH的光纖激光器的輸出功率和熔接有端帽的光纖激光器的輸出功率。測(cè)試結(jié)果如圖6所示，通過(guò)QBH輸出激光時(shí)的光纖激光器斜率效率和熔接有端帽的光纖激光器斜率效率分別為61.73%和64.05%，最大輸出功率分別為491.8 W和507.1 W。

圖6 熔接有QBH和有端帽的光纖激光器的輸出功率隨泵浦功率變化圖Fig.6 Output power vs.pump power of the fiber lasers with QBH and end cap

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用端帽輸出激光與利用QBH輸出激光相比較，系統(tǒng)的效率并沒(méi)有降低，而是有所上升。這是因?yàn)閹в兴溲b置的QBH會(huì)有大約1%～2%的插入損耗，同時(shí)QBH與大芯徑傳能光纖熔接時(shí)還會(huì)有一定的熔接損耗，而這些損耗都是不可避免的。而端帽本身沒(méi)有水冷裝置，不會(huì)帶來(lái)過(guò)高的插入損耗，同時(shí)利用具有功率反饋控制技術(shù)的LZM-100型CO2光纖熔接機(jī)完成傳能光纖與端帽的熔接，也進(jìn)一步降低了熔接帶來(lái)的損耗，所以端帽的效率會(huì)高于QBH。光纖端帽雖然沒(méi)有額外的熱處理裝置，但在實(shí)驗(yàn)中通過(guò)熱像觀察儀觀測(cè)熔接點(diǎn)處的溫度并沒(méi)有超過(guò)30℃，這又很好地說(shuō)明了本文所使用的LZM-100 CO2激光器光纖熔接機(jī)熔接的端帽獲得了比較理想的熔接效果。

3.3 端帽對(duì)光束質(zhì)量的影響

激光的光束質(zhì)量是光纖激光器性能的一個(gè)重要評(píng)定參數(shù)，為了測(cè)試端帽的加入是否會(huì)對(duì)輸出激光的光束質(zhì)量造成影響，本文用Spiricon M2-200光束質(zhì)量分析儀分別測(cè)試了端帽輸出激光的光束質(zhì)量和QBH輸出激光的光束質(zhì)量。端帽輸出激光時(shí)的光束質(zhì)量結(jié)果如圖7所示，測(cè)得x方向與y方向的M2分別為2.10和2.24。QBH輸出激光的光束質(zhì)量結(jié)果如圖8所示，測(cè)得x方向與y方向的M2分別為1.85和2.20。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，端帽的加入對(duì)激光的光束質(zhì)量沒(méi)有造成明顯的影響。

圖7 端帽輸出激光的光束質(zhì)量Fig.7 Beam quality of the fiber laser with end cap

圖8 QBH輸出激光的光束質(zhì)量Fig.8 Beam quality of the fiber laser with QBH

4 結(jié) 論

綜合考慮端帽的夾持器具和實(shí)際加工情況等因素，完成了端帽的設(shè)計(jì)與制作。利用具有功率反饋控制技術(shù)的LZM-100 CO2激光器熔接機(jī)完成了大尺寸雙包層傳能光纖與光纖端帽的熔接。掌握了大尺寸光纖與石英端帽熔接的關(guān)鍵工藝和方法，成功地實(shí)現(xiàn)了507 W高功率連續(xù)激光的穩(wěn)定傳輸，為滿足更高功率激光傳輸時(shí)所需要的端帽的制作奠定了基礎(chǔ)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了傳能光纖熔接上光纖端帽不僅可以保證高功率激光傳輸過(guò)程中的可靠性與穩(wěn)定性，而且不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率與光束質(zhì)量造成影響。

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