摘 要： 光纤激光器中存在传输角度不同的包层光,为研究腐蚀型包层光剥离器(CLS)对各角度包层光的剥离效果,实验测量了光纤腐蚀段的散射系数,仿真分析了不同传输角度下包层光的剥离度与腐蚀长度的关系。为提供角度分布不同的包层光,搭建两套剥离器测试系统,分别对双包层光纤和无芯光纤制作的包层光剥离器进行实验。在双包层光纤实验中,两系统包层光的最大传输角由10°和8°变为3°12'和3°1',接近芯中光的最大传输角度为2°27';在无芯光纤实验中,两系统包层光的最大传输角由11°和8°变为2°9'和2°12',且随剥离度的增加,最大传输角度趋近于0°,即腐蚀型包层光剥离器能够基本剥离包层光。最后在波长为1 018 nm的同带泵浦激光器上对双包层光纤制作的腐蚀型包层光剥离器进行测试,在输入功率为1 136 W情况下,其剥离度为18. 3 d B。
关键词： 光纤激光器; 高功率; 包层光剥离器; 传输角度;
Abstract： In fiber lasers,there are cladding lights with different transmission angles. In order to study the stripping effects of corroded cladding light strippers( CLS) on cladding light at various angles,we measured the scattering coefficient of the corroded section of the fiber. Meanwhile,we also simulated the relationship between the attenuation and the corrosion length of the cladding light at different transmission angles. To produce cladding light at different angles,we built two sets of stripper test systems: one to test the CLS made of doubleclad fiber and one to test the coreless fiber. In the double-clad fiber experiment,the maximum transmission angle of the two-system cladding light was changed from 10° to 3°12' and from 8° to 3°1'. These angles deviate from the maximum transmission angle of light in the core by 2°27'. In the coreless fiber experiment,the maximum transmission angle of the two-system cladding light was changed from 11° to 2° 9' and from 8° to2°12'. The maximum transmission angle approaches 0° as the cladding light attenuation increases. Finally,we tested the corroded cladding light stripper made of double-clad fiber on the tandem-pumped laser with a wavelength of 1 018 nm. The cladding light attenuation was 18. 3 dB at an input power of 1 136 W.
Keyword： fiber laser; high power; cladding light stripper; transmission angle;
1、 引言
光纤激光器具有光束质量好,转换效率高,结构紧凑等优点,被广泛应用于工业加工、军事国防等领域[1,2]。随着光纤激光技术的不断发展,其输出功率也在不断提高,受限于泵浦亮度、合束器的承载功率和增益光纤的热效应,传统结构的光纤激光器功率只能达到数千瓦[3,4,5,6]。同带泵浦技术可以有效规避以上问题,进一步地提高光纤激光器的功率[7]。但同带泵浦结构的激光器中存在大量传输角度较小的包层光,这要求剥离器对该部分包层光有很好的衰减效果,即较高的剥离度,以保证激光器具有较好的光束质量和稳定性。
包层光剥离器主要的制作方法有:重涂高折胶、软金属吸收、裸光纤表面微加工和化学腐蚀[8]。Wetter等人[9]采用两种折射率较高的胶水制作剥离器,包层光的输入功率为78 W,最终剥离度为30 d B,器件的最高温度为55℃。Wei等人[10]在此基础上进行改进,使用3种不同折射率的胶水设计了一款级联剥离器,使其温度分布更加均匀,在输入功率为150 W时,剥离度为18 dB,最高温度为64℃。Amin等人[11]通过软金属铟吸收包层光,在输入功率为150 W时,最大剥离度为12.4 d B,最高温度为36℃,且光纤的热分布均匀。但由于金属对红外吸收系数小,其有效剥离长达28 cm,体积过大,不具有实际应用价值。Boehme等人[12]先将石英沉积于裸光纤表面,再用环形CO2激光在沉积层进行微加工,使其表面形成特殊结构,以达到剥离包层光的目的。在200 W的包层光功率下,剥离度为10 dB,最高温度为135℃。Boyd等人[13]使用CO2激光在光纤内包层表面生成周期性沟道制作剥离器,在输入功率为200 W时,剥离度为20 dB,最高温度为80℃。Yin[14]通过分段腐蚀光纤,使包层光沿光纤方向均匀剥离,最终在输入功率为670 W时,剥离度为20 d B,光纤无明显热点。Yan[15]则通过3段腐蚀消除了光纤进光端局部过热的问题。Ping[16]将不同折射率的高折胶和化学腐蚀相结合,制作了一款级联包层光剥离器,总长为1.5 m,在输入功率为1 187 W时,剥离度为26.59 dB,最高温度不超过35℃。目前关于剥离器的研究主要集中在提高剥离功率和温度控制两方面。Kliner等人[17]采用刻蚀胶腐蚀光纤内包层,虽然对两种不同数值孔径包层光进行剥离实验,但实验剥离功率较低,仅为500 W,不适用于更高功率的同带泵浦激光器。
本文主要研究腐蚀型包层光剥离器对不同传输角度包层光的剥离作用,实验测量了光纤腐蚀段粗糙度较大时的散射系数,仿真得到剥离器对传输角度不同包层光的剥离度与腐蚀长度的关系。采用双包层光纤和无芯光纤制作包层光剥离器对不同传输角度包层光进行剥离测试,并对功率为1 136 W的同带泵浦结构激光器进行剥离实验。
2、 理论研究
腐蚀型包层光剥离器一般用氢氟酸溶液腐蚀光纤内包层,使其表面形成具有一定粗糙度的结构,包层光在腐蚀段传输时发生散射,从而被剥离。该类型剥离器的剥离度与包层表面粗糙度、包层剩余直径及腐蚀长度有关。为简单分析腐蚀型包层光剥离器对传输角度不同包层光的剥离作用,建立了理论模型,模型中仅以子午光纤为例进行分析,且不考虑纤芯对包层光传输的影响。
假设光纤包层折射率为n1,涂覆层折射率为n2,光纤中包层光在真空中的波长为λ。根据模式理论,当传输常数β满足n2·k<β<n1·k时,该部分光能在光纤包层传输,其中k=2π/λ,β=n·k·cosα,α表示光线与光纤轴线的夹角,如图1所示。即各种不同角度包层光可用传输角α表示,α的最大值由光纤包层的数值孔径确定。
图1 剥离器模型示意图
Fig.1 Stripper model diagram
光纤包层的数值孔径为NA,包层光的最大传播角度为αmax,则存在:n1·sinαmax=NA。包层光与光纤轴线夹角的范围为:0≤α≤αmax。Pin为包层光的输入功率,Pout为输出功率,Q(α)为包层光在光纤整个腐蚀段的反射次数,L为光纤腐蚀长度,D为包层剩余直径,Rs为包层-空气界面的反射率,A剥离器的剥离度,则存在:
当光纤包层表面粗糙度与包层光的波长相比较小时,根据标量散射理论可得到此时的反射率Rs[18]:
其中,R0为理想光滑表面反射率,σ为光纤表面粗糙度,θi为入射角。
当光纤表面粗糙度较大,远大于激光波长时,属于非选择性散射,此时的散射系数为常数,与传输光的波长无关。实验腐蚀了直角三棱镜的一直角面,使其粗糙度与光纤表面粗糙度达到同一量级,测得He-Ne激光入射角在[0,αmax]范围时,该粗糙面的反射率约为0.15。
以普通双包层光纤为例,光纤内包层的直径为400μm,数值孔径为0.46,折射率为1.46,则能容纳包层光的最大传输角为18°22'。假设被腐蚀光纤包层的剩余直径为300μm,包层-空气界面的反射率为0.15,角度分别为12°、6°、4°、3°、2°、1°的包层光初始功率相等。仿真得到剥离器对不同传播角度包层光的衰减效果,如图2所示。结果显示剥离器对传输角度越大的包层光剥离效果越好。
图2 不同传输角度包层光的剩余功率随腐蚀长度变化
Fig.2Residual power of cladding light at different transmission angles varies with corrosion length
3、 实验与分析
3.1、 实验装置
包层光在光纤包层的传输角度可通过包层光在光纤端面出射时的发散角得到。光纤出射光发散角的传统测量方法是远场光强法,通过针孔光阑和功率计确定光斑尺寸,但用该方法测量多模激光时,由于光斑功率不稳定,测量结果存在较大误差。本文基于远场光强法,对测量系统进行改进,改进后系统由可调光阑、凸透镜和功率计组成,如图3所示。
图3 发散角测量系统
Fig.3 Divergence angle measuring system
可调光阑用于改变光纤出射光的光斑尺寸,凸透镜使光束汇聚于功率计靶面,功率计则用于记录该尺寸光斑对应的功率值。调节光阑,当功率为最大功率的95%时,可调光阑的孔径即为光纤出射光光斑直径,再结合光纤的出射端面与屏的距离,即可得到出射光的最大发散角。逐步缩小可调光阑直径,记录对应功率值的变化,得到所有角度出射光的功率占比。使用该系统测量已标定半导体激光器的最大发散角,得知其与标准值之间的误差为4%,小于给定误差范围8%。
光纤激光器中的包层光由两部分组成:未被完全吸收的传输角度较大的泵浦光,由于熔接错位、模式不匹配、光纤弯曲等原因泄露到光纤包层传输角度较小的激光。为模拟这两部分包层光搭建了两套测试系统,如图4所示,图4(a)(为A系统)中半导体激光器(LD)的中心波长为976 nm(输出端光纤:105/125μm,NA 0.13)。图4(b)(为B系统)中光纤激光器(FL)的中心波长为1 080 nm,M2<1.2(输出端光纤:20/400μm,NA0.06/0.46)。两激光器输出端都与(6+1)×1合束器的泵浦光纤(220/242μm,NA 0.22)熔接,腐蚀光纤的一端与合束器输出端的光纤(20/400μm,NA 0.06/0.46)熔接,另一端斜切8°出光,经测量系统得到光纤出射光的发散角。
图4 不同传输角度包层光的剥离实验整体结构图,(a)为半导体激光器系统,(b)为光纤激光器系统
Fig.4 Overall structural diagram of the stripping test of cladding light at different transmission angles.(a)Semiconductor laser system and(b)fiber laser system
3.2 、实验结果分析
3.2.1、 双包层光纤
使用长为3 m的Nufern LMA-GDF-20/400光纤制作包层光剥离器,纤芯和包层数值孔径分别为0.065和0.46。腐蚀前测量系统A、B包层光的最大传输角度分别为:9°42'和8°8'。腐蚀该光纤直至两测试系统的剥离度不再增加,最终腐蚀长度为8 cm,剥离器在系统A的剥离度达21 d B,包层光的最大传输角度变为3°16'。剥离器在系统B的剥离度为14.9 dB,包层光的最大传播角度变为3°1'。经过剥离,两系统包层光的最大传输角度都接近纤芯的最大容纳角为2°27',说明腐蚀型包层光离器在两系统中均起到了较好的剥除效果。
由于测试系统中部分包层光经合束器耦合进入纤芯,不能被剥除,部分传输角度较小的包层光受限于实际腐蚀长度,包层有剩余直径,不能被完全剥离,导致剥离器在B测试系统的剥离度偏小。
3.2.2 、无芯光纤
在双包层光纤剥离实验中,由于实际腐蚀长度有限,光纤中存在纤芯,剥离后包层光的最大传输角仍大于3°。为排除纤芯的影响,改用无芯光纤制作腐蚀型剥离器。该光纤有别于双包层光纤,其为单层结构,涂覆层的内部是直径为400μm的玻璃棒,其数值孔径为0.37。将长3 m的无芯光纤分别与两测试系统熔接,腐蚀前测量半导体激光器和光纤激光器两系统包层光的最大传输角度分别为:11°13'和8°2'。为验证仿真结果,初始腐蚀长度为0.5 cm,通过腐蚀减小光纤的剩余直径,达到该长度下的最大剥离度。之后腐蚀长度依次增加,每次腐蚀结束后,将腐蚀光纤依次熔接在两系统后,对比测试两系统的剥离度和不同剥离度下各角度包层光的功率密度占比。
无芯光纤最终的腐蚀长度为8 cm,系统A的剥离度为27.8 d B,系统B的剥离度为23.99 dB。将两系统的理论剥离度与实验测量值相对比,如图5所示。结果表明剥离器对A系统的剥离度较高,即腐蚀型包层光剥离器对角度较大包层光的剥离度高。由于光纤包层存在斜光线,腐蚀锥区会改变包层光的传输角度,使得实验与仿真之间仍存在较小误差。
图5 剥离度与腐蚀长度关系的实验与仿真对比图
Fig.5Experimental and simulation comparison graph of the relationship between the cladding light at-tenuation and the corrosion length
经过剥离,系统A、B中包层光的最大传输角度分别变为2°9'和2°12'。实验测量了系统B中各角度包层光在不同剥离度下的归一化功率密度占比,如图6所示。
图6 系统B在不同剥离度下,不同角度包层光的功率密度占比
Fig.6The ratio of the power density of the cladding light with different angles of the system B at dif-ferent cladding light attenuation
结果表明随着剥离度的增加,包层光的最大传播角度在减小,最终趋近于0°,即腐蚀型包层光剥离器理论上可以不断提高剥离度。实验结果说明在双包层光纤激光器系统中,可以通过优化腐蚀参数,如减小腐蚀包层的剩余直径和增加腐蚀长度,来提高对各角度包层光的剥离效果。
3.3、 同带泵浦激光器剥离实验
采用Nufern LMA-GDF-20/400双包层光纤制作包层光剥离器,腐蚀长度为8 cm,封装后将该剥离器熔接在中心波长为1 018 nm的同带泵浦激光器种子源后进行剥离实验,如图7所示。其中激光器输出光纤为100/120/360μm多模光纤,纤芯直径为100μm,数值孔径为0.2。
图7 同带泵浦激光器剥离测试结构图
Fig.7Stripping test structural diagram for tandem pumping laser
实验开始测量时,剥离器的剥离度较小,在包层光剥离器与端帽之间一定长度的光纤上剥去涂覆层,涂覆高折射率胶水,进一步剥离包层光,通过测量可知,此时输出光为芯中光,将同带泵浦实验开始剥离的剩余功率减去芯中光的功率即为实际剩余包层光功率值。最终在输入功率为1 136 W时,剥离度达到18.3 dB,剥离实验的输出功率和剥离度随输入功率的变化曲线如图8所示。剥离器采用水冷结构散热,水温为15℃,在输入最高功率时,剥离器温度如图9所示。
图8 同带泵浦实验输出功率和剥离度随输入功率变化曲线
Fig.8 Curves of output power and cladding light atten-uation as a function of input power in the tandem pumping experiment
图9 输入功率为1 136 W时剥离器热像图
Fig.9 Thermal image of the CLS when the input power is 1 136 W
4、 结论
本文理论研究了包层光剥离器对不同传输角度包层光的剥离度与腐蚀长度的关系。采用双包层光纤和无芯光纤制作了腐蚀型包层光剥离器,并在传输角度不同的测试系统中进行了包层光剥除实验,实验结果与仿真结果相符合,即腐蚀型包层光剥离器对传输角度较大包层光的剥除效果更好。此外,通过增加腐蚀长度,对传输角度较小的包层光也可达到较大的剥除效果。将双包层光纤制作的包层光剥离器对波长为1 018 nm的同带泵浦激光器进行剥除实验,结果显示,在输入功率为1 136 W情况下,剥离度为18.3 d B,最高温度为37.8°,即腐蚀型包层光剥离器能够剥离同带泵浦结构激光器中传输角度较小的包层光。
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