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1、第3l卷第5期激 光技术V0131No52007年10月LASER TECHNOLOGY 0ctober2007文章编号：10013806(2007)05一0456一03基于C02激光的双包层光纤端帽熔接实验研究叶昌庚1，闰平1，欧攀2，巩马理1丰(1清华大学精密仪器系，北京100084；2北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京100083)摘要：光纤端帽可以有效避免高峰值功率下脉冲双包层光纤激光器的光纤端面损伤。为了实现大直径双包层光纤 端帽的低成本制作，设计并搭建了基于cO：激光的光纤端帽熔接实验系统，研究了光纤端帽的熔接方法和工艺，利用熔 接好端帽的双包层掺镱光纤进行了高功率脉冲光
2、纤激光放大器的实验，验证了光纤端帽的实际使用效果。实验结果表 明，本装置可以实现高质量、低成本的双包层光纤端帽熔接。采用此方法熔接的光纤端帽可以显著提高光纤的损伤阈 值，同时基本不影响激光输出效率以及光束质量。关键词：激光技术；光纤；c0：激光；熔接；端帽；双包层；脉冲；损伤 中图分类号：TN2481文献标识码：AExperimental research of end-cap splicing technique for double-clad肋ers based on C02 laserYE ChLnggengL，YAN PingL，oU Po膏，GONG Mal(1Department
3、of Precision Instmments and MechaIlolog)r，Tsinghua University，Beijing 100084，China；2School ofInstnlmentScience and 0ptoelectmnic Engineering，Beijing University of Aeronautics and Astmnautics，Beijing 100083，China)Abstract： Endcap is ef玷ctive for avoiding the fiber facet damage of pulsed doubleclad fi
4、ber lasers under high peak power In order to achieve endcap assembling of large diameter doubleclad fibers with low cost，a fiber endc印splicing system based on a C02 laser was designed and builtThe method and process of fiber endcap assembling was studiedThe quality of the endcap was evaluated by tes
5、ting a highpeakpower pulsed fiber laser，which was assembled with endcaps using our methodTheexperimental Isults show that highquality lowcost splicing of endcaps on doubleclad fibers can be achieved by our splicingsystemThe endcap spliced by our method can evidently increase the damage threshold of
6、the 6berMeanwhile，the innuence of the endcap on the efficiency and beam quality of the laser output is not obviousKey words： 1aser technique；fiber；C02 laser；splicing；endcap；doubleclad；pulse；damage光器的输出能力，一种简单有效的方法是在光纤端面 引言熔接上端帽一J。端帽的制作需要采用熔接的办法，使双包层光纤激光器由于其高效率、高光束质量、简 光纤和端帽的材料均匀而完整地结合在一起。电弧型 单的热控管理等
7、突出优点，成为近年来国内外研究的光纤熔接机可以实现这一功能，但是绝大多数市售的 热点J。相比连续波输出的光纤激光器口J，具有高峰 光纤熔接机均是针对125灿m直径的标准通讯光纤设 值功率的脉冲光纤激光器。1有着更为广阔的应用前 计，由于其光纤夹具、监视器视场、电弧参数等方面的 景，如微机械加工、打标、钻孔、激光雷达、测距等。限制，无法用于熔接双包层光纤激光器中常用的 由于双包层光纤的纤芯直径仅为10卜m30斗m，400斗m或600m直径的光纤。只有少数厂家生产可 在其中传输的高峰值功率激光脉冲的功率密度很高， 以用于大直径光纤的熔接机，如Vytmn公司的FFS 因此，很容易产生光纤的损伤。损伤
8、最容易发生在光2000、爱立信公司的FSu 15 LD等，但是其价格高达数纤的端面处，因为光纤端面在切割或抛光后难以避免 十万人民币。残留有缺陷，使得局部电场加强，造成材料破坏呻。C0：激光的输出波长为106斗m，石英光纤对此波 为了避免光纤端面损伤的发生，提高脉冲光纤激长的光具有高吸收系数，因此可以用作光纤熔接的热源 。作者利用CO：激光器自主研制了大直径光纤作者简介：叶昌庚(1980一)，男，博士研究生，现主要从事高功率光纤激光器的研究。 熔接实验系统，成功实现了大直径双包层光纤的端帽$通讯联系人。Email：gongmlmailtsinghuaeducn熔接，成本仅1万元人民币。通过高功
9、率脉冲光纤激收稿日期：20061124；收到修改稿日期：20061218光器的实验证明：采用此方法熔接的光纤端帽可以显万方数据第31卷第5期 叶昌庚基于c0：激光的双包层光纤端帽熔接实验研究457著提高光纤的损伤阈值，同时对激光输出效率以及光双包层光纤和作为端帽的无芯纯石英光纤分别装 束质量的影响不明显。夹在两个五维光纤调节架中，这样可以保证两根光纤 精密对准。光纤的轴向为竖直方向，这样的位置可以1 端帽结构避免石英熔化后由重力作用造成的变形。两根光纤的端帽是一小段无纤芯、无涂敷层、不掺杂的纯熔融接触部位由一个ccD摄像机实时监测，通过监视器可石英光纤，其直径等于双包层光纤的内包层直径，如图
10、以清晰地看到放大后的图像，方便光纤位置的定位、调1所示。在双包层光纤端面熔接上端帽后，纤芯中的节以及熔接状态的观察。3光纤端帽熔接实验通过上述实验装置，作者实现了光纤端帽的熔接。 实验中采用20斗m纤芯(M=O08)、400m内包层的 掺镱双包层光纤进行端帽熔接实验。端帽的材料为市售的普通国产400m纯石英传能光纤。Fig1 lhe structure of the ilber endcap激光进入端帽，失去了纤芯的波导约束作用，使得其在 在熔接之前，必须将两根待用光纤的端面进行仔端帽中发散。在端帽的端面处，激光光斑的直径扩大细处理。先将距光纤端面1 cm2cm的涂敷层用化学到接近内包层直径，
11、功率密度降低约两个数量级，可以 方法去除；再用研磨、抛光的方法得到垂直、平整的光避免端面损伤的发生。 纤端面；再用无水乙醇仔细清洁，在loo倍至200倍的显微镜下观察光纤端面，直至无可见的灰尘为止。2 Co：激光熔接系统实验装置将双包层光纤及纯石英光纤分别装夹在两个五维C0，激光熔接系统实验装置示意图如图2所示， 光纤调节架中，在CCD摄像机和监视器的辅助下对准 其中图2a为俯视图，图2b为熔接部位的侧视图。 两光纤的位置，并将两光纤端面形成面接触，见图3a。193 上Jrocesses oi the fiber end。cap spliclng aprecise alignment bdur
12、ing splici“g cspliced 6bers 打开C0，激光器，将小孔光阑的孑L径调节至b08mm左右，使较弱的激光通过，用以确定聚焦光斑的位置。调节光纤的位置，使c0，激光通过会聚透镜聚C焦在两光纤熔接面附近，并使光纤位置在焦点前方少许，见图2b，避免焦点处过小的光斑尺寸造成的熔接 不均匀。慢慢调节小孑L光阑的孔径，根据实践经验确ng2 I he e。periment“set“p oi the hber spllcer based on UJ2 laser，lU定合适的co：激光功率。控制电控平移台，使聚焦光iris diaphragm；TRtotal reflecting mir
13、ro。；MLS-motorized linear斑在熔接面沿y轴方向多次扫过，如图3b所示。在一stag。；Ts5一dimension a由ustable tmnslation stageatop view bside view个位置扫过23个来回后，转动承载光纤调节架的底其中cO，激光器输出功率约为3w，一个可变小 板，使光纤绕z轴方向旋转一定角度，再次重复熔接操 孔光阑放置在其前面用来调节通过的激光功率。为了 作。这样实现了从多个方向熔接，避免了不均匀性。 结构紧凑，先用1片45。放置的全反镜将激光反射至 重复数次后，可以得到较均匀的熔接效果，如图3c所 图中y轴方向。另外1片45。放置的
14、全反镜和1片 示。对于非圆形内包层结构的双包层光纤，如D形、50mm焦距的锗凸透镜安装在步进电机驱动的一维平八边形等，在熔接过程中可以稍微加大激光功率，这样 移台上，该平移台可以在控制器的控制下沿y轴方向 可以增大熔化的石英的流动性，使熔接面附近产生非 来回移动，移动的方向、速度都可以由控制器调节。这 圆形到圆形的光滑渐变区。 样通过电控平移台的移动，就可以使co，激光聚焦光熔接完成后，先在监视器的辅助下在熔接面处做 斑的位置沿y轴方向来回扫描。上标记，因为一旦取下光纤，熔接面的位置就不易再找万方数据458激光技术2007年10月到。而后，用光纤切割刀在纯石英光纤一侧距熔接面5mm以上距离处将
15、光纤切断，取下熔接有无芯纯石英除高阶模1|，输出激光的光束质量用spiricon M2200 光纤的双包层光纤。光束质量分析仪测试，戈和y方向的M2因子分别为 下一步是使端帽的长度符合要求。将光纤装入卡113和114，接近衍射极限，如图5所示。可见端帽具中，通过研磨的方法不断减小端帽的长度，间隔一段 熔接均匀，对输出光束质量无明显影响。 时问用测量显微镜从侧面测量剩余长度，直至其约为5结论17mm，开始精密研磨、抛光。最终，得到长约15mm，端面符合输出激光要求的端帽。 采用CO，激光器设计并搭建了大直径双包层光纤的端帽熔接实验系统，给出了端帽熔接的方法和工4光纤端帽熔接效果评价 艺。利用熔接
16、好端帽的双包层掺镱光纤进行了高功率光纤端帽熔接的效果通过脉冲光纤激光放大器的 脉冲光纤激光放大器的实验，验证了光纤端帽的实际 实验进行评价。该光纤放大器采用反向抽运结构，即抽 使用效果。实验中发现，采用本方法熔接的光纤端帽 运光和信号光在光纤中反向传输，抽运光输入和放大后 可以显著提高光纤的损伤阈值，同时对激光输出效率 的信号光输出都通过熔接有端帽的一端，故端帽的熔接 以及光束质量的影响并不明显。实验结果表明，基于 质量十分关键。该放大器输出脉冲宽度30ns40ns，重 c0：激光的光纤端帽熔接实验系统可以实现高质量、 复频率为40kHz，详细的参数见参考文献7。 低成本的双包层光纤端帽熔接。
17、41对光纤损伤阈值与激光效率的影响参考文献使用带有端帽的双包层光纤，在输出平均功率大1zENG H，xIA0 FThe development of Yb-doped doubleclad 6ber la于50w、峰值功率大于40kw、单脉冲能量12mJ的情ser and its applicationJIJaser Technology，2006，30(4)：438441(in Chinese)况下没有发生任何端面损伤；而未加端帽的光纤在2 JEONG Y，sAHu J K，PAYNE D N以甜Ytterbium-d叩ed lagecore15w20w平均功率附近就很容易发生端面损伤。可胁
18、er laser with 136kw continuouswave output powerJ0ptics见端帽的加入大大提高了光纤损伤的阈值。带有端帽 Express，2004，12(25)：608860923BABusHKIN A，PLATONOV N s，GAPON码EV V PMultikilowatt情况下光纤放大器在不同抽运功率下输出功率的曲线peak power pulsed 6ber laser with precise computer connoUed pulse如图4所示，通过线性拟合，其斜效率为78，端帽的duration for material8 pmcessin
19、gJPmc sPIE，2005，5709：98加入并未明显降低激光器的效率。1024MARYASHIN s，UNT A，GAPONTSEV V P10n1J pulse energy and200w avemge power Ybdoped硒er laserJPmc sPIE，2006，6102：610200-1610200-5t5FARR0w R L，KLINER D A V，scHRADER P E甜。zHigh-peakoopower 12Mw pulsed fiber amplifierJPmc SPIE，2006，6102：61020L161020L1 1 芎鲁6di TEODOR0
20、 F，BR00Ks c DMultistage Ybdoped矗ber ampli矗er3ogenemting megawatt peakpower，subnanosecond pulses J0ptktt，2005，30(24)：32993301O7YE ch G，GONG M L，YAN P d ofLinearlyp01arized sin尊e-tmns1aunched pump powe“Wversemode highenergy multiten nanosecond fiber amplifier with 50WFig4 0utput power as a function of
21、 pump power with endcapaveK唔e powerJ0ptics Express，2006，14(17)：7604760942对输出光束质量的影响8KOEcHNER wsolidstate laser engineedngM5th ed，Berlin： Springer，1999667686熔接有端帽的双包层光纤利用弯曲损耗的方法滤9uMPERT J，HOFFER s，LIEM A毗oz100w avemge-power highenergy naIlosec仰d曲er amplifierJAppl Phys，2002，B75(45)：47747910 EGAsHIRA K，KOBAYAsHI M0ptical fiber splicing with a 10wpower c02 laserJAppl 0pt，1977，16(6)：1636163811 KOPL0w J P，KLINER D A V，GOLDBERG Lsinglemode opera tion of a coiled multimode 6ber a“plifierJ0pt Lett，2000，25 (7)：442444Fig5 0utput beaIll qualit)with endcap万方数据