大直徑光纖端帽的制作與熔接

朱心宇，王國政，王 薊*，馬 威，張 野，張 辰，陳 明

(1.長春理工大學理學院電子科學與技術系，吉林長春 130022; 2.長春德信光電有限責任公司，吉林長春 130103

1 引 言

光纖激光器具有一系列突出的優點，如光-光轉換效率高、光束質量好、結構緊湊、散熱裝置簡單等。因此，近年來高功率光纖激光器受到了國內外研究人員的熱切關注［1-5］。但同時激光功率的不斷提高也帶來了諸多問題。由于雙包層光纖芯徑很小，傳輸高功率激光時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解決高功率密度帶來的損傷問題。

目前國內外廣泛采用電極放電、火焰法、燈絲法等方式來熔接光纖，利用的是熱傳遞和熱輻射原理，但當熔接大芯徑雙包層光纖時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CO2激光的良好吸收特性來對光纖進行熔接，其熱源的熱量更容易控制。同時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周圍沒有任何的附著污染物，還可以保證當大功率激光傳輸時不會引起熔點溫度過高而燒毀光纖［6-9］。但是，目前大多數典型的CO2激光器輸出功率的穩定性不高，這樣就很難保證光纖熔接的質量，而具有先進功率反饋控制技術和穩定技術的LZM-100型CO2光纖熔接機卻可以很好地保障熔接過程的可靠性和一致性。本文通過實驗，驗證了使用CO2激光器熔接機熔接的光纖端帽可以承受507 W連續激光輸出，并可長時間穩定工作沒有發生損傷，光纖端帽的加入也未對激光器系統的轉換效率和光束質量等性能造成影響。

2 光纖端帽結構設計圖

光纖端帽是由純石英組成的，當激光由傳能光纖進入到光纖端帽后，由于失去了纖芯的束縛因而會在端帽中發散。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，同時也提高了光纖對端面缺陷的容忍度，有效地避免端面損傷的發生［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題，入射端被設計成圓錐形狀并且做拋光處理，同時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 光纖端帽設計圖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，滿足全反射條件的最大傳輸角設為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，但過小的角度會導致端帽長度變長，綜合考慮熔接端帽時的夾持器具和機械加工等因素，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 光纖端帽實物圖Fig.2 Real figure of the fiber end cap

3 測試實驗裝置

光纖端帽是大功率傳能光纖的重要組成部分，被廣泛應用于高功率光纖激光器系統中。以往大多數測試實驗都是利用脈沖激光對光纖端帽的性能進行測試，而很少利用高功率連續激光對光纖端帽的實際應用效果進行測試，因此利用高功率連續激光測試端帽更有意義。連續激光器的系統結構如圖3所示。泵浦源由5組共計35個中心波長為915 nm的半導體激光器構成，合束器由5個7×1多模泵浦合束器和1個(6+1)×1泵浦/信號合束器構成，增益光纖由50 m長的Nufern LMA-YDF-20/400-Ⅷ光纖構成，諧振腔是由對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成。諧振腔后接ITF公司生產的包層功率剝離器(CPS)對包層光進行了剝除，最后利用CO2熔接機把端帽熔接在傳能光纖上。

圖3 全光纖激光器結構圖Fig.3 Equipment of the all fiber laser

3.1 端帽對激光光譜和斜率效率的影響

系統搭建完成后，利用CO2光纖熔接機將傳能光纖熔接上端帽。通過實驗觀察，當輸出功率達到507 W時，系統可以長時間穩定運行且沒有發生任何端面損傷。為了探究端帽的加入對輸出的激光光譜是否會造成影響，利用光譜儀對輸出的激光進行測量。圖4是端帽輸出的激光光譜圖，測試結果顯示激光的中心波長為1 080.31 nm，線寬為0.30 nm，并在1 075～1 085 nm 范圍內無其他波長的激光輸出，滿足了光纖光柵對輸出波長的要求，說明端帽的加入未對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激光器系統轉換效率的影響，分別測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。出于實驗安全的考慮，對比實驗并未將5組泵源全部打開，只是開啟了其中的2組，使輸出功率達到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。實驗發現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%。通過分析可知，這是因為當8°角光纖端面與空氣直接接觸時，會有一部分輸出激光由于菲涅爾反射從端面反射回來，從而降低了效率。而端帽的輸出端鍍有高透膜，其透過率為99.8%，所以輸出的功率會更大些，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輸出功率對比

為了對光纖端帽的輸出保護性能進行一個直觀的比較，分別測試了熔接有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。測試結果如圖6所示，通過QBH輸出激光時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

實驗結果表明，利用端帽輸出激光與利用QBH輸出激光相比較，系統的效率并沒有降低，而是有所上升。這是因為帶有水冷裝置的QBH會有大約1%～2%的插入損耗，同時QBH與大芯徑傳能光纖熔接時還會有一定的熔接損耗，而這些損耗都是不可避免的。而端帽本身沒有水冷裝置，不會帶來過高的插入損耗，同時利用具有功率反饋控制技術的LZM-100型CO2光纖熔接機完成傳能光纖與端帽的熔接，也進一步降低了熔接帶來的損耗，所以端帽的效率會高于QBH。光纖端帽雖然沒有額外的熱處理裝置，但在實驗中通過熱像觀察儀觀測熔接點處的溫度并沒有超過30℃，這又很好地說明了本文所使用的LZM-100 CO2激光器光纖熔接機熔接的端帽獲得了比較理想的熔接效果。

3.3 端帽對光束質量的影響

激光的光束質量是光纖激光器性能的一個重要評定參數，為了測試端帽的加入是否會對輸出激光的光束質量造成影響，本文用Spiricon M2-200光束質量分析儀分別測試了端帽輸出激光的光束質量和QBH輸出激光的光束質量。端帽輸出激光時的光束質量結果如圖7所示，測得x方向與y方向的M2分別為2.10和2.24。QBH輸出激光的光束質量結果如圖8所示，測得x方向與y方向的M2分別為1.85和2.20。實驗結果表明，端帽的加入對激光的光束質量沒有造成明顯的影響。

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

圖8 QBH輸出激光的光束質量Fig.8 Beam quality of the fiber laser with QBH

4 結 論

綜合考慮端帽的夾持器具和實際加工情況等因素，完成了端帽的設計與制作。利用具有功率反饋控制技術的LZM-100 CO2激光器熔接機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鍵工藝和方法，成功地實現了507 W高功率連續激光的穩定傳輸，為滿足更高功率激光傳輸時所需要的端帽的制作奠定了基礎。通過實驗，驗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程中的可靠性與穩定性，而且不會對系統的轉換效率與光束質量造成影響。

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