一种中红外波段光纤抽运/信号合束器的制作方法

本发明属于光纤激光器领域，尤其涉及一种中红外波段光纤抽运/信号合束器。

背景技术：

中红外波段的光纤激光器近年来在气象监测、激光雷达、生物医疗、材料加工、国防安全等领域发挥着越来越重要的应用。基于非石英材料(如氟化物玻璃、碲酸盐玻璃、硫化物玻璃等)的软玻璃光纤没有石英光纤在中红外波段强烈的声子共振吸收损耗，能够支持中红外波段光纤激光的产生和低损耗传输。尤其是，近年来Er³⁺、Ho³⁺和Dy³⁺等稀土离子掺杂的ZBLAN光纤(氟化物光纤的一种，具体组分为ZrF₄-BaF₂-LaF₃-AlF₃-NaF)的迅速发展，使得国内外多家研究单位报道了输出功率在瓦量级的中红外激光(参见S.D.Jackson，Towards high-power mid-infrared emission from a fibre laser，Nature Photonics，6(7)，423-431(2012).(S.D.Jackson，面向高功率中红外光纤激光输出，自然光电子，2012年，第6期第7卷))。这些掺杂ZBLAN光纤可以提供增益在2.7～3.1μm之间的激光辐射。但受限于软玻璃光纤的物理特性，尚缺乏基于软玻璃光纤的一系列关键光纤器件(如光纤光栅、光隔离器、光纤抽运/信号合束器、模场适配器等)和核心技术(如软玻璃光纤处理、软玻璃光纤熔接等)。这导致中红外光纤激光器研究绝大多数采用空间抽运结构，丧失了光纤激光器本应具有的结构简单、稳定性高、易于集成等优点。

近年，加拿大Laval大学报道的世界上第一个全光纤结构的Er³⁺掺杂3μm光纤激光器，获得了工作波长在2.94μm、平均功率达30.5W的激光输出(参见V.Fortin，M.Bernier，S.T.Bah，and R.Vallée，30W fluoride glass all-fiber laser at 2.94μm，Optics Letter 40(12)，2882-2885(2015)；V.Fortin等，30W、2.94μm全光纤氟化物光纤激光器，光学快报，2015年，第40期第12卷)。然而光纤光栅带来的热以及质量下降将会限制这种直接从谐振腔输出的激光功率的进一步的提升，采用主振荡功率放大(MOPA)结构是进一步实现大功率光纤激光放大输出的常用结构，这种结构通常由振荡器和一级放大器或者更多级放大器组成。其中核心元器件为大功率光纤抽运/信号合束器，该器件可以高效率地将信号光与抽运光耦合进入的双包层增益光纤中，实现全光纤结构、高效率的激光放大输出。在多级主振荡功率放大结构中，特别要求抽运/信号合束器具有低的信号光插入损耗、高的抽运光耦合效率。目前基于MOPA结构已经实现了1μm波段单根光纤输出功率大于10KW的激光。必然地，采用MOPA结构对于中红外波段的光纤激光进行功率提升将带来更高功率的中红外激光输出。

现有的光纤抽运/信号合束器的信号光纤、抽运光纤和输出光纤均采用石英光纤制备。由于石英光纤在波长大于2.4μm以上增强的声子共振吸收损耗，因而不能用其来传输波长位于2.4μm以上的激光信号，这也就说明现有石英光纤抽运/信号合束器无法用于中红外波段的光纤激光的放大。技术资料显示，目前尚无任何关于中红外波段的光纤抽运/信号合束器的任何设计与报道。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种信号光损耗低、抽运光耦合效率高的中红外波段光纤抽运/信号合束器。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种中红外波段光纤抽运/信号合束器，该抽运/信号合束器包括信号光纤、抽运光纤、石英玻璃套管和输出光纤。所述信号光纤的一端与所述抽运光纤的一端从石英玻璃套管的同一端插入并固定，进行熔融拉锥，结合为一带有拉锥区(包含锥区和腰区)的光纤组束；在腰区位置对光纤组束进行切割，切割面与所述光纤组束的几何中心线垂直，将切割后的光纤组束与所述输出光纤通过熔接连接。

所述信号光纤的纤芯材料为纯二氧化锗材料，包层材料为二氧化锗和石英混合材料或者纯石英材料。

所述信号光纤为单包层结构光纤。

所述信号光纤的纤芯支持2.7～3.1μm的单模或少模激光传输，信号光纤的纤芯数值孔径可以有效将激光约束在纤芯内部，保证低损耗传输。

所述信号光纤的纤芯直径范围为2.5～30μm，包层直径范围为125～300μm，光纤纤芯直径的选取使得其支持的激光模场面积与中红外信号激光器的输出光纤支持激光模场面积相同。

所述抽运光纤与中红外光纤放大器抽运激光器的耦合光纤类型相同。

所述抽运光纤为多模石英光纤，光纤数量可以为6根或者18根，所述抽运光纤可以支持793nim，或者976nm，或者1150nm、或者1550nm激光的传输。

所述输出光纤为非掺杂双包层氟化物光纤，光纤的纤芯和包层均为氟化物玻璃材料，光纤的纤芯数值孔径在0.15～0.35之间，包层数值孔径在0.4～0.7之间。

所述输出光纤的纤芯直径范围为2.5～30μm，外包层直径范围为125～600μm，内包层直径范围为100～300μm，内包层直径小于外包层直径，具体选择的纤芯和包层直径与中红外光纤放大器所需的稀土掺杂增益光纤的纤芯和包层直径相同。

本发明中，将抽运光纤和信号光纤的一端剥除涂覆层后，插入一根石英玻璃管中，其中抽运光纤均匀排布在信号光纤周围；所述抽运光纤、信号光纤、石英玻璃套管的中轴线相互平行。然后将插有光纤的石英玻璃管进行熔融拉锥结合为一带有拉锥区的光纤组束。

本发明中，所述光纤组束的拉锥区的输入端(石英玻璃管被插入光纤的一端)与输出端(与输出光纤熔接处)处的横截面的外切圆直径之比为拉锥比例，其值一般在1～3之间，拉锥区长度的选取要满足信号光纤和抽运光纤在拉锥过程中无拉锥损耗这一条件。

本发明中，光纤组束在拉锥区的腰区处横截面的外切圆直径小于或等于输出光纤直径。

本发明中，所述光纤组束在与所述输出光纤通过端面熔接之前，需执行加热扩芯操作，扩芯后信号光纤在光纤组束末端的模场直径与输出光纤的纤芯直径相同。

本发明中，所述光纤组束与输出光纤熔接，可采用非对称电极放电加热熔接或低温熔接，信号光纤的熔接损耗低于10％，抽运光的通过率在98％以上。

与现有光纤抽运/信号合束器技术相比，本发明的有益效果在于：

1.本发明可以实现对中红外波段激光的信号光和泵浦激光合束输出，其信号光纤为二氧化锗光纤，可以支持波长在2.7～3.1μm的低损耗传输，输出光纤为双包层氟化物光纤，可以与后续掺杂氟化物光纤进行熔接连接；

2.本发明的光纤组束中信号光纤在组束完成后可以进行加热扩芯，使得其模场直径最终于输出光纤的纤芯直径相匹配，可以保证信号激光低损耗的通过该光纤抽运/信号合束器，实现高功率低损耗的信号光通过。

3.本发明的光纤组束中拉锥比例的选取，主要依据是保证抽运激光在光纤组束(拉锥区域)的高通过率，通过率通常可以控制在98％以上；由于信号光纤和抽运光纤参数的不同，信号光纤插入损耗的控制主要是光纤组束后的热扩芯技术来保证的。

4.本发明的抽运光纤为石英多模光纤，可以支持793nm，或者976nm，或者1150nm，或者1550nm的激光传输，具体的激光波长的选取与输出光纤接续的增益光纤的吸收谱决定。由于目前这些波长处的半导体激光器和光纤激光器的输出功率都可以达到数十瓦量级，因此通过本光纤抽运/信号束器，至少可以耦合大于百瓦的抽运激光进入输出光纤，保证高功率中红外光纤放大器的实现。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例中拉锥后的光纤组束的剖面主视示意图；

图2是本发明实施例的中红外光纤抽运/信号合束器的剖面主视示意图；

图3为图2中A-A处的剖面示意图；

图4为图2中B-B处的剖面示意图；

图5为图2中C-C处的剖面示意图；

图例说明：

1、信号光纤；2、抽运光纤；3、石英套管；4、输出光纤；5、锥区；6、腰区；7、腰区切割位置；21～26、抽运光纤；8、腰区等效光纤；81、腰区等效光纤包层；82、腰区等效光纤纤芯；41、输出光纤包层；42、输出光纤纤芯。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示的实施例中，所述输入信号光纤1的一端与所述抽运光纤2的一端插入石英玻璃套管3固定后，进行熔融拉锥结合为一带有拉锥区(包含锥区5和腰区6)的光纤组束。并在腰区位置7处对光纤组束进行垂直切割，然后将切割后的光纤组束与输出光纤4通过端面熔接相连接，得到一种如图2所示的中红外波段光纤抽运/信号合束器。

本实施例中将1根信号光纤1和6根抽运光纤21～26的涂覆层材料去除后组束插入石英玻璃管3中，确保输入信号光纤1位于光纤组束的中心，其横截面如图3所示；并将光纤组束加热至熔融状态进行拉锥，拉锥比例为2，锥区5的长度为1cm；当光纤组束的外径大小为250μm时，减小加热强度，当腰区长度为5mm时停止加热和拉锥过程。光纤组束中拉锥比例的选取，可以保证抽运激光在光纤组束(拉锥区域)的通过率为99％。拉锥完成后的光纤组束如图1所示。

本实施例中对石英玻璃套管3拉锥时，信号光纤1的纤芯直径按等比例变小，在腰区6处信号光纤1的纤芯直径仅为5μm；为了与接续的输出光纤4实现低损耗信号光通过，需要对腰区6进行加热扩芯处理；采用氢氧焰对腰区6进行加热，加热时间为20分钟，加热后腰区6处信号光纤1的纤芯中的二氧化锗扩芯进入包层中增加了纤芯模场面积大小，使得锥区的位置7处信号光纤模场面积与输出光纤4的纤芯模场面积相等。降低信号激光通过该光纤抽运/信号合束器的损耗，实现高功率低损耗的信号光通过。

本实施例中，加热扩芯结束后在腰区6的中间位置7处对拉锥后的光纤组束进行垂直切割；切割位置7处的光纤组束形成了腰区等效光纤8，其截面如图4所示。腰区等效光纤8的横截面结构由等效光纤包层81和腰区等效光纤纤芯82组成。其中信号光纤1的包层、抽运光纤21～26和玻璃套管3在加热拉锥过后形成了腰区等效光纤8的等效光纤包层81。拉锥后的信号光纤1的纤芯再经加热扩芯后形成等效光纤纤芯82。

本实施例中，光纤组束与输出光纤4在切割位置7处采用温熔接技术进行熔接，得到本发明提供的中红外波段光纤抽运/信号合束器。

本实施例中信号光纤1为单包层结构光纤，其纤芯材料为纯二氧化锗材料，可以支持波长在2.7～3.1μm的低损耗传输。包层材料为纯石英材料，纤芯/包层直径为10μm/125μm。

石英玻璃套管3的内径为400μm，外径为500μm。

输出光纤4为非掺杂双包层氟化物光纤，纤芯和内包层均为氟化物玻璃材料，可以与后续掺杂氟化物光纤进行熔接连接。纤芯/内包层直径分别为20μm/250μm，纤芯/包层数值孔径分别为0.27/0.46；输出光纤4的外包层为丙烯酸树脂材料的涂覆层，直径为450μm；涂覆层材料去除之后的光纤横截面图如图5所示，其中41为输出光纤内包层，42为输出光纤纤芯。

抽运光纤2为纤芯/包层直径为105μm/125μm的多模石英光纤，光纤的纤芯数值孔径为0.15，光纤数量为6根。多模石英光纤可以支持793nm，或者976nm，或者1150nm，或者1550nm的激光传输，具体的激光波长的选取与输出光纤接续的增益光纤的吸收谱决定。由于目前这些波长处的半导体激光器和光纤激光器的输出功率都可以达到数十瓦量级，因此通过本光纤抽运/信号束器，至少可以耦合大于百瓦的抽运激光进入输出光纤，保证高功率中红外光纤放大器的实现。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。