本發(fā)明涉及光纖抽運(yùn)-信號合束器，尤其涉及一種側(cè)面抽運(yùn)的中紅外波段光纖抽運(yùn)信號合束器。

背景技術(shù)：

近年來，中紅外波段光纖激光器在環(huán)境監(jiān)測、氣象探測、生物醫(yī)療、材料加工、國防安全等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。近年來Er³⁺、Ho³⁺和Dy³⁺等稀土離子摻雜的ZBLAN光纖(氟化物光纖的一種，具體組分為ZrF₄-BaF₂-LaF₃-AlF₃-NaF)的迅速發(fā)展，使得國內(nèi)外多家研究單位報(bào)道了輸出功率在瓦量級的中紅外激光(參見S.D.Jackson，Towards high-power mid-infrared emission from a fibre laser，Nature Photonics，6(7)，423-431(2012).(S.D.Jackson，面向高功率中紅外光纖激光輸出，自然光電子，2012年，第6期第7卷))。這些摻雜ZBLAN光纖可以提供增益在2.7-3.1μm之間的激光輻射。但受限于軟玻璃光纖的轉(zhuǎn)變溫度低、熔點(diǎn)低、易折斷、導(dǎo)熱性差等物理特性，目前尚缺乏基于軟玻璃光纖的一系列關(guān)鍵光纖器件(如光纖光柵、光纖隔離器、光纖抽運(yùn)-信號合束器、模場適配器等)和核心技術(shù)(如軟玻璃光纖處理、軟玻璃光纖熔接等)。這導(dǎo)致中紅外光纖激光器研究絕大多數(shù)采用空間抽運(yùn)結(jié)構(gòu)，喪失了光纖激光器本應(yīng)具有的結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性高、易于集成等優(yōu)點(diǎn)。

近年來，加拿大Laval大學(xué)報(bào)道了世界上第一個(gè)全光纖結(jié)構(gòu)的摻鉺離子(Er³⁺)3μm波段光纖激光器，獲得了工作波長在2.94μm、平均功率達(dá)30.5W的激光輸出(參見V.Fortin，M.Bemier，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全光纖氟化物光纖激光器，光學(xué)快報(bào)，2015年，第40期第12卷))。然而光纖光柵帶來的熱量沉積以及熱致光纖退化(質(zhì)量下降)限制了這種直接從諧振腔輸出的激光功率的進(jìn)一步的提升。

采用主振蕩功率放大(MOPA)結(jié)構(gòu)是進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)大功率光纖激光放大輸出的常用結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)通常由振蕩器和一級放大器或者更多級放大器組成。其中核心元器件為大功率光纖抽運(yùn)-信號合束器，該器件可以高效率地將信號光與抽運(yùn)光耦合進(jìn)入到雙包層增益光纖中，實(shí)現(xiàn)整個(gè)激光器-放大器系統(tǒng)的全光纖結(jié)構(gòu)以及高效率的激光放大輸出。在多級主振蕩功率放大結(jié)構(gòu)中，特別要求抽運(yùn)-信號合束器具有低的信號光插入損耗、高的抽運(yùn)光耦合效率。目前基于MOPA結(jié)構(gòu)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了1μm波段單根光纖輸出功率大于10kW的激光。必然地，采用MOPA結(jié)構(gòu)對于中紅外波段的光纖激光進(jìn)行功率提升將帶來更高功率的中紅外激光輸出。

但是現(xiàn)有MOPA結(jié)構(gòu)中的光纖抽運(yùn)-信號合束器的信號光纖、抽運(yùn)光纖和輸出光纖均采用石英光纖制備。由于石英(即二氧化硅)光纖在波長大于2.4μm以上有強(qiáng)烈的聲子共振吸收損耗，因而不能用其來傳輸波長位于2.4μm以上的激光信號，這也說明現(xiàn)有的基于石英光纖的抽運(yùn)-信號合束器無法用于中紅外波段的光纖激光的放大。

與石英光纖相比，非石英材料光纖如二氧化鍺光纖和軟玻璃材料光纖(如基于氟化物玻璃、碲酸鹽玻璃、硫化物玻璃等軟玻璃材料的光纖)在中紅外波段吸收損耗較低，能夠支持中紅外波段光纖激光的產(chǎn)生和低損耗傳輸。在上述兩種中紅外低損耗光纖中，雖然軟玻璃光纖在2.4～3.5μm波段的損耗略低于二氧化鍺光纖，但由于軟玻璃材料的轉(zhuǎn)變溫度(低于300℃)與石英材料的轉(zhuǎn)變溫度(約為1100℃)相差巨大，將軟玻璃光纖與石英光纖一起制作合束器的技術(shù)難度較高，同時(shí)軟玻璃材料較低的轉(zhuǎn)變溫度使得合束器難以工作在較高的溫度下，因而熱管理問題突出；相比之下，二氧化鍺材料的轉(zhuǎn)變溫度與石英材料的轉(zhuǎn)變溫度相近，因而更適于與石英光纖配合，制作中紅外波段光纖合束器。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中的上述不足之處，本發(fā)明提出一種基于石英光纖和二氧化鍺光纖的光纖抽運(yùn)信號合束器，采用側(cè)面抽運(yùn)的方式，信號光損耗低、抽運(yùn)光耦合效率高，能實(shí)現(xiàn)中紅外波段高功率激光輸出，且結(jié)構(gòu)簡單，易于生產(chǎn)和推廣。

本發(fā)明“一種側(cè)面抽運(yùn)的中紅外波段光纖抽運(yùn)信號合束器”，由信號光纖、抽運(yùn)光纖構(gòu)成。包括信號光纖和多根設(shè)置于信號光纖上的抽運(yùn)光纖；所述信號光纖上除端部以外的任意一段被剝除涂覆層，所述抽運(yùn)光纖的一端被剝除涂覆層并熔融拉錐，抽運(yùn)光纖上熔融拉錐的一端與所述信號光纖的剝除涂覆層部分通過熔融固化方式進(jìn)行固定連接，形成耦合區(qū)；耦合區(qū)之前的一段抽運(yùn)光纖和信號光纖涂有紫外固化樹脂；中紅外信號激光和抽運(yùn)激光分別進(jìn)入信號光纖和抽運(yùn)光纖，耦合后，經(jīng)信號光纖的另一端輸出。因此本發(fā)明中，信號光纖也作為輸出光纖。由于抽運(yùn)光從信號光纖側(cè)面耦合進(jìn)入，因此本發(fā)明的抽運(yùn)方式為側(cè)面抽運(yùn)。

所述信號光纖為雙包層結(jié)構(gòu)光纖；所述信號光纖的纖芯材料為純二氧化鍺材料，內(nèi)包層材料為二氧化鍺和石英混合材料或者純石英材料，其纖芯直徑范圍為2.5～30μm，纖芯的數(shù)值孔徑范圍為0.1～0.3；內(nèi)包層直徑范圍為125～300μm，內(nèi)包層的數(shù)值孔徑范圍為0.4～0.5。所述信號光纖的纖芯須滿足2.7～3.1μm的單?；蛏倌＜す鈧鬏?；所述信號光纖的纖芯數(shù)值孔須滿足將2.7～3.1μm波段的中紅外信號激光約束在纖芯內(nèi)部，保證低損耗傳輸；所述信號光纖的內(nèi)包層須支持793nm，976nm，1150nm和1550nm多模激光(抽運(yùn)光)的傳輸；所述信號光纖的內(nèi)包層數(shù)值孔徑須將抽運(yùn)光約束在內(nèi)包層內(nèi)部，保證低損耗傳輸。耦合區(qū)之前，信號光纖的纖芯傳輸中紅外信號激光，內(nèi)包層中無激光傳輸，在耦合區(qū)以及耦合區(qū)之后，信號光纖的纖芯傳輸中紅外信號激光，內(nèi)包層傳輸多模抽運(yùn)光。

所述抽運(yùn)光纖為多模石英光纖；所述抽運(yùn)光纖的數(shù)量可以為2根、6根或18根；所述抽運(yùn)光纖須支持793nm，976nm，1150nm和1550nm多模激光的傳輸。

本發(fā)明中，經(jīng)剝除涂覆層的抽運(yùn)光纖在拉錐區(qū)始端與末端的包層直徑之比(即，拉錐比例)，一般在1到3之間，拉錐錐區(qū)長度的選取要求抽運(yùn)光纖在拉錐過程中無拉錐損耗。

所述抽運(yùn)光纖與信號光纖的貼合可采用機(jī)械夾持和負(fù)壓吸附相結(jié)合的方法。

所述抽運(yùn)光纖與信號光纖緊密貼合處要求經(jīng)熔融永久固化，形成耦合區(qū)。可采用氫氧焰等加熱方式進(jìn)行熔融。耦合區(qū)長度為0.5到5cm之間，經(jīng)過耦合區(qū)的耦合作用，要求抽運(yùn)光98％以上的功率由抽運(yùn)光纖耦合進(jìn)入信號光纖的內(nèi)包層，信號光以99％以上的通過率通過耦合區(qū)。

所述紫外固化樹脂的折射率，應(yīng)低于所述抽運(yùn)光纖包層和信號光纖包層的折射率。紫外固化樹脂的作用在于固定光纖包層和信號光纖的相對位置，增強(qiáng)合束器的機(jī)械強(qiáng)度。

與現(xiàn)有光纖抽運(yùn)-信號合束器相比，本發(fā)明的有益效果在于：

1、本發(fā)明的信號光纖(同時(shí)也作為輸出光纖)的纖芯為二氧化鍺，內(nèi)包層材料為二氧化鍺和石英混合材料或者純石英材料，既可以支持2.7～3.1μm波段中紅外信號光在纖芯的低損耗傳輸，又可以支持抽運(yùn)光在內(nèi)包層的低損耗傳輸。

2、本發(fā)明的抽運(yùn)光纖拉錐比例的選取以及耦合區(qū)長度的選取，主要依據(jù)是保證抽運(yùn)激光在耦合區(qū)(拉錐區(qū)域)的高耦合效率，耦合效率通?？梢钥刂圃?8％以上；由于信號光纖同時(shí)作為輸出光纖，因而信號光在耦合區(qū)的傳輸幾乎不受影響，因而可以保證99％以上的通過率。

3、本發(fā)明的抽運(yùn)光纖為石英多模光纖，可以支持793nm，976nm，1150nm和1550nm激光的傳輸，具體的激光波長的選取與輸出光纖接續(xù)的增益光纖的吸收譜決定。由于目前這些波長處的半導(dǎo)體激光器和光纖激光器的輸出功率都可以達(dá)到數(shù)十瓦量級，因此通過本光纖抽運(yùn)信號束器，可以耦合大于百瓦的抽運(yùn)激光進(jìn)入輸出光纖，保證高功率中紅外光纖放大器的實(shí)現(xiàn)。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明中實(shí)施例的中紅外光纖抽運(yùn)信號合束器的剖面主視示意圖；

圖2為本發(fā)明圖1中A-A處的剖面示意圖。

圖3為本發(fā)明圖1中B-B處的剖面示意圖。

圖例說明：

1、信號光纖；2、21～26、抽運(yùn)光纖；3、錐區(qū)；4、腰區(qū)；5、紫外固化樹脂涂層。

具體實(shí)施方案

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

本實(shí)施例中將抽運(yùn)光纖2的一端剝除涂覆層并熔融拉錐(包括錐區(qū)和腰區(qū))，在信號光纖1上選取除端部以外的任意一段剝除涂覆層，然后將抽運(yùn)光纖2上熔融拉錐的一端與所述信號光纖1的剝除涂覆層部分緊密貼合，并通過熔融固化方式進(jìn)行固定連接，形成耦合區(qū)。耦合區(qū)之前的一段抽運(yùn)光纖和信號光纖涂以低折射率紫外固化樹脂，并利用紫外燈照射使之固化。

本實(shí)施例的縱剖面圖如圖1所示，該抽運(yùn)信號合束器由信號光纖1、抽運(yùn)光纖2構(gòu)成。所述信號光纖1纖芯直徑、數(shù)值孔徑與中紅外激光器(即種子激光器)的輸出光纖的相應(yīng)參數(shù)相匹配。所述抽運(yùn)光纖2的纖芯直徑與數(shù)值孔徑與中紅外光纖放大器的抽運(yùn)源的輸出光纖的相應(yīng)參數(shù)匹配。

本實(shí)施例中信號光纖1為雙包層結(jié)構(gòu)光纖，其信號光纖的纖芯材料為純二氧化鍺材料，內(nèi)包層材料為純石英材料，纖芯和內(nèi)包層直徑分別為10μm和125μm。

所述信號光纖1的纖芯滿足2.7～3.1μm的單?；蛏倌＜す鈧鬏敚凰鲂盘柟饫w的纖芯數(shù)值孔滿足將2.7～3.1μm波段的中紅外信號激光約束在纖芯內(nèi)部，保證低損耗傳輸；所述信號光纖的內(nèi)包層支持793nm，976nm，1150nm和1550nm多模激光(抽運(yùn)光)的傳輸；所述信號光纖的內(nèi)包層數(shù)值孔徑將抽運(yùn)光約束在內(nèi)包層內(nèi)部，保證低損耗傳輸。耦合區(qū)之前，信號光纖的纖芯傳輸中紅外信號激光，內(nèi)包層中無激光傳輸，在耦合區(qū)以及耦合區(qū)之后，信號光纖的纖芯傳輸中紅外信號激光，內(nèi)包層傳輸多模抽運(yùn)光。

本實(shí)施例中抽運(yùn)光纖2為纖芯和包層直徑分別為105μm和125μm的多模石英光纖，光纖的纖芯數(shù)值孔徑為0.15，光纖數(shù)量為6根。所述抽運(yùn)光纖支持793nm，976nm，1150nm和1550nm多模激光的傳輸。

本實(shí)施例中將信號光纖1和6根抽運(yùn)光纖21～26的涂覆層材料去除后，先將6根抽運(yùn)光纖21～26進(jìn)行熔融拉錐，拉錐比例為2，錐區(qū)5長度為1cm；然后將6根拉錐后的抽運(yùn)光纖21～26與信號光纖1分別緊密貼合，如圖2所示；然后將光纖組束加熱，使信號光纖1和6根抽運(yùn)光纖21～26熔融以實(shí)現(xiàn)永久連接和抽運(yùn)光的高效率合束；最終在耦合區(qū)之前的一段抽運(yùn)光纖和信號光纖上涂以低折射率紫外固化樹脂，并采用紫外燈照射，使之固化。本實(shí)施例中腰區(qū)4的截面示意圖為圖3?？梢?，在腰區(qū)，抽運(yùn)光纖與信號光纖能夠較好地融合到一起。

本發(fā)明中所述信號光纖的輸出端(亦即本發(fā)明的輸出端)與后續(xù)摻雜氟化物光纖進(jìn)行熔接時(shí)，可采用非對稱電極放電加熱熔接或低溫熔接，可實(shí)現(xiàn)低損耗連接。