大直径光纤端帽的制作与熔接

朱心宇，王国政，王 蓟*，马 威，张 野，张 辰，陈 明

(1.长春理工大学理学院电子科学与技术系，吉林长春 130022; 2.长春德信光电有限责任公司，吉林长春 130103

1 引 言

光纤激光器具有一系列突出的优点，如光-光转换效率高、光束质量好、结构紧凑、散热装置简单等。因此，近年来高功率光纤激光器受到了国内外研究人员的热切关注［1-5］。但同时激光功率的不断提高也带来了诸多问题。由于双包层光纤芯径很小，传输高功率激光时容易在光纤出射端面形成很高的功率密度，而在高功率密度情况下，任何细小的端面污染和加工缺陷都可能引起光纤端面的损伤。通常需要在双包层光纤端面上熔接光纤端帽来解决高功率密度带来的损伤问题。

目前国内外广泛采用电极放电、火焰法、灯丝法等方式来熔接光纤，利用的是热传递和热辐射原理，但当熔接大芯径双包层光纤时热源的热量却很难得到控制。与这些熔接方式不同的是，CO2激光熔接法利用的是石英光纤对CO2激光的良好吸收特性来对光纤进行熔接，其热源的热量更容易控制。同时CO2激光器还是一种高清洁度的热源，它不仅能够保证熔接点周围没有任何的附着污染物，还可以保证当大功率激光传输时不会引起熔点温度过高而烧毁光纤［6-9］。但是，目前大多数典型的CO2激光器输出功率的稳定性不高，这样就很难保证光纤熔接的质量，而具有先进功率反馈控制技术和稳定技术的LZM-100型CO2光纤熔接机却可以很好地保障熔接过程的可靠性和一致性。本文通过实验，验证了使用CO2激光器熔接机熔接的光纤端帽可以承受507 W连续激光输出，并可长时间稳定工作没有发生损伤，光纤端帽的加入也未对激光器系统的转换效率和光束质量等性能造成影响。

2 光纤端帽结构设计图

光纤端帽是由纯石英组成的，当激光由传能光纤进入到光纤端帽后，由于失去了纤芯的束缚因而会在端帽中发散。由于端帽的出射端面直径比传能光纤的直径大很多，因此可以显著地降低传能光纤端面的功率密度，同时也提高了光纤对端面缺陷的容忍度，有效地避免端面损伤的发生［10-16］。图1是端帽的加工尺寸图，考虑到端帽的散热和夹持问题，入射端被设计成圆锥形状并且做抛光处理，同时在出射端面镀上增透膜以减少由于菲涅尔反射造成的端面损耗。

图1 光纤端帽设计图Fig.1 Design drawing of the fiber end cap

如图1所示，激光在传能光纤中传输时，满足全反射条件的最大传输角设为β1。由于端帽与传能光纤的折射率相同，所以激光在端帽中的传输角度也是β1。因此由几何关系可知激光的光斑出射直径为

端帽入射端的锥角β2越小越有利于散热，但过小的角度会导致端帽长度变长，综合考虑熔接端帽时的夹持器具和机械加工等因素，选取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。

图2 光纤端帽实物图Fig.2 Real figure of the fiber end cap

3 测试实验装置

光纤端帽是大功率传能光纤的重要组成部分，被广泛应用于高功率光纤激光器系统中。以往大多数测试实验都是利用脉冲激光对光纤端帽的性能进行测试，而很少利用高功率连续激光对光纤端帽的实际应用效果进行测试，因此利用高功率连续激光测试端帽更有意义。连续激光器的系统结构如图3所示。泵浦源由5组共计35个中心波长为915 nm的半导体激光器构成，合束器由5个7×1多模泵浦合束器和1个(6+1)×1泵浦/信号合束器构成，增益光纤由50 m长的Nufern LMA-YDF-20/400-Ⅷ光纤构成，谐振腔是由对1 080 nm激光具有99.62%反射率的高反光栅和11.43%反射率的低反光栅构成。谐振腔后接ITF公司生产的包层功率剥离器(CPS)对包层光进行了剥除，最后利用CO2熔接机把端帽熔接在传能光纤上。

图3 全光纤激光器结构图Fig.3 Equipment of the all fiber laser

3.1 端帽对激光光谱和斜率效率的影响

系统搭建完成后，利用CO2光纤熔接机将传能光纤熔接上端帽。通过实验观察，当输出功率达到507 W时，系统可以长时间稳定运行且没有发生任何端面损伤。为了探究端帽的加入对输出的激光光谱是否会造成影响，利用光谱仪对输出的激光进行测量。图4是端帽输出的激光光谱图，测试结果显示激光的中心波长为1 080.31 nm，线宽为0.30 nm，并在1 075～1 085 nm 范围内无其他波长的激光输出，满足了光纤光栅对输出波长的要求，说明端帽的加入未对输出激光的光谱造成影响。

图4 端帽输出激光的光谱图Fig.4 Emission spectra of the fiber laser with a end cap

为了探究光纤端帽对激光器系统转换效率的影响，分别测量熔接有光纤端帽的光纤的输出激光功率和未熔接光纤端帽的光纤的输出激光功率。出于实验安全的考虑，对比实验并未将5组泵源全部打开，只是开启了其中的2组，使输出功率达到180 W左右。如图5所示，在相同的泵浦功率下，两种情况的输出功率有所不同。实验发现熔接有端帽的光纤其输出激光的斜效率约为64.05%，而8°角端面直接输出激光的斜率效率约为60.78%。通过分析可知，这是因为当8°角光纤端面与空气直接接触时，会有一部分输出激光由于菲涅尔反射从端面反射回来，从而降低了效率。而端帽的输出端镀有高透膜，其透过率为99.8%，所以输出的功率会更大些，因此效率也就更高。

图5 端帽输出功率与端面输出功率对比图Fig.5 Output power vs.pump power of the fiber with and without end cap，respectively.

3.2 端帽输出功率与QBH输出功率对比

为了对光纤端帽的输出保护性能进行一个直观的比较，分别测试了熔接有QBH的光纤激光器的输出功率和熔接有端帽的光纤激光器的输出功率。测试结果如图6所示，通过QBH输出激光时的光纤激光器斜率效率和熔接有端帽的光纤激光器斜率效率分别为61.73%和64.05%，最大输出功率分别为491.8 W和507.1 W。

图6 熔接有QBH和有端帽的光纤激光器的输出功率随泵浦功率变化图Fig.6 Output power vs.pump power of the fiber lasers with QBH and end cap

实验结果表明，利用端帽输出激光与利用QBH输出激光相比较，系统的效率并没有降低，而是有所上升。这是因为带有水冷装置的QBH会有大约1%～2%的插入损耗，同时QBH与大芯径传能光纤熔接时还会有一定的熔接损耗，而这些损耗都是不可避免的。而端帽本身没有水冷装置，不会带来过高的插入损耗，同时利用具有功率反馈控制技术的LZM-100型CO2光纤熔接机完成传能光纤与端帽的熔接，也进一步降低了熔接带来的损耗，所以端帽的效率会高于QBH。光纤端帽虽然没有额外的热处理装置，但在实验中通过热像观察仪观测熔接点处的温度并没有超过30℃，这又很好地说明了本文所使用的LZM-100 CO2激光器光纤熔接机熔接的端帽获得了比较理想的熔接效果。

3.3 端帽对光束质量的影响

激光的光束质量是光纤激光器性能的一个重要评定参数，为了测试端帽的加入是否会对输出激光的光束质量造成影响，本文用Spiricon M2-200光束质量分析仪分别测试了端帽输出激光的光束质量和QBH输出激光的光束质量。端帽输出激光时的光束质量结果如图7所示，测得x方向与y方向的M2分别为2.10和2.24。QBH输出激光的光束质量结果如图8所示，测得x方向与y方向的M2分别为1.85和2.20。实验结果表明，端帽的加入对激光的光束质量没有造成明显的影响。

图7 端帽输出激光的光束质量Fig.7 Beam quality of the fiber laser with end cap

图8 QBH输出激光的光束质量Fig.8 Beam quality of the fiber laser with QBH

4 结 论

综合考虑端帽的夹持器具和实际加工情况等因素，完成了端帽的设计与制作。利用具有功率反馈控制技术的LZM-100 CO2激光器熔接机完成了大尺寸双包层传能光纤与光纤端帽的熔接。掌握了大尺寸光纤与石英端帽熔接的关键工艺和方法，成功地实现了507 W高功率连续激光的稳定传输，为满足更高功率激光传输时所需要的端帽的制作奠定了基础。通过实验，验证了传能光纤熔接上光纤端帽不仅可以保证高功率激光传输过程中的可靠性与稳定性，而且不会对系统的转换效率与光束质量造成影响。

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