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光纤合束器的制作工艺概述

发布日期:2018-01-08

光纤合束器的制作工艺概述

       光纤激光器具有转换效率高、光束质量好、结构紧凑以及维护方便等优点,近几年得到了飞速发展,已在科学研究、工业制造和国防安全等领域得到了广泛的应用,同时也是未来高功率激光发展的重要方向之一。攻克光纤合束器的关键技术,研制出高效率高功率的光纤功率合束器,为获得大功率光纤激光提供强有力的支撑,已成为当今光纤激光领域亟需解决的关键问题。

 

       随着高亮度半导体激光器、双包层掺杂光纤等技术的创新,制作全光纤结构的高功率光纤激光器、放大器或者直接利用半导体激光合成高功率多模激光输出设备已逐步替代传统机械设备在工业生产活动中发挥重要作用。根据不同的高功率激光应用需求,我们把光纤合束器简要分为几种类型:

a.   Nx1型半导体泵浦激光合束器

b. (N+1)x1型泵浦-信号合束器

c.   Nx1型信号光合束器

 

针对不同结构类型、不同应用场景,制作合束器的工艺也有多种区分

一、侧面泵浦合束

       侧面泵浦合束技术,主要用于将泵浦光从信号光纤的侧面耦合进入双包层增益光纤的内包层中,可以制作的方法主要有:贴个棱镜侧面耦合、V型槽侧面泵浦耦合、嵌入反射镜侧面耦合、双包层光纤侧面抛磨耦合、光纤盘几种侧面泵浦耦合、衍射光栅侧面耦合、热缩管侧面耦合、GT-wave技术、直接侧面融合技术等。以上多种耦合方式,以学术研究居多,目前比较成熟并应用于产品化的技术主要包括GT-wave技术和直接侧面融合技术。

 

       GT-wave技术,即针对有源光纤进行连续侧面泵浦,主要是SPI和IPG公司产品的核心技术实现方案。

 

       直接侧面融合技术,是常见的(N+1)x1型泵浦-信号合束器的一种主要制作工艺。一般会根据指定的双包层信号光纤的规格和多模无源光纤的规格,设计对应的夹持系统。夹持平台一般有两种设计思路,一种是完全靠高精度的机加工,制作出平滑且误差在微米量级的平台和夹具,另一种是光纤的夹持平台可以拥有自校准能力。该类型泵浦-信号合束器制作的核心过程主要分为光纤的预制备、成束固定、侧面融合等步骤,继而工艺优化和封装优化是迈向产品化的坚实一步。

 

二、端面泵浦合束

       端面泵浦合束技术,是指将泵浦光通过光纤的一端或者两端注入到双包层光纤的内包层中,主要是通过组束拉锥的方法进行制作。根据不同的应用场景,端面泵浦合束技术可以制作无信号光纤输入的Nx1类型的合束器和把信号光纤至于中心的(N+1)x1类型的合束器。端泵合束器制作的核心过程主要是光纤成束、拉锥、切割、熔接等步骤。

 

      端泵耦合工艺需要对光纤束进行较长拉锥,对热源的稳定性要求很高,目前3sae公司提供的“超温等离子加温”专利技术是目前最适宜拉锥的稳定热源。超温等离子加温专利技术,是采用三个电极棒高频放电,同时将放电区域进行抽真空操作,从而形成一个温度稳定,轴向宽度达到几个毫米的加热源。是目前用于高质量拉锥最为先进的技术。

 

      此外,如果对光纤锥体进行准确定位和切割也是端泵合束工艺最为核心的技术点,精确高质量的切割可以保证研发、生产过程中有更高效的成功率。在线切割技术,是指光纤/光纤束拉制后,能够在指定的锥区位置、指定的锥区直径处,进行光纤的精准切割,要实现这一操作,需要把图像识别与扫描、超声波切割刀集成在拉锥系统中,并且根据具体的直径匹配出相应的切割参数。在线切割功能,在端泵合束器制作的过程中深受欢迎。3sae公司的一些列产品设备均带有在线切割功能,是目前各个研究所、企业、高等院校的首选工艺设备。

                                                                         

三、能量合束

       选择合适匹配的信号光纤和传输光纤,采用与端面泵浦合束功率类似流程,能够实现超高功率合束的应用,是截止目前,最为前沿的高功率激光实现方案之一。工艺保密度比较高,还需要与切实的项目合作方深入沟通。光纤合束工艺逐渐成熟,伴随着国产高功率激光器的发展,合束器作为光纤激光器中的核心器件,一直牵扯着激光器国产化的最高指标。