光纤激光器中包层光滤除器的研究进展

赵 水,段云锋,王 强,张秀娟,邓明发

(北京东方锐镭科技有限公司，北京 100015)

·综述与评论·

光纤激光器中包层光滤除器的研究进展

赵 水,段云锋,王 强,张秀娟,邓明发

(北京东方锐镭科技有限公司，北京 100015)

包层光滤除器对高功率光纤激光器系统的作用非常重要，影响着输出激光的光束质量和单色性，包层光滤除器是光纤激光器产品化的核心元器件。本文简述了光纤激光器包层光滤除器的工作原理，总结了几种包层光滤除器的结构和工作性能，分析了其优缺点，对包层光滤除器的研究方向具有一定的指导意义。

高功率光纤激光器；包层光滤除；折射率；研究进展

1 引 言

光纤激光器因其在光束质量、转换效率、可靠性和结构紧凑性等方面具有明显的优势，已经广泛应用在工业加工、军事应用等领域。在光纤激光器的研制过程中，为了满足应用需求，激光输出功率和光束质量是非常重要的衡量标准，较高的光束质量意味着较高的激光功率密度。

双包层光纤激光器有利于提高激光输出功率和泵浦耦合效率，其采用的包层泵浦方式使激光器实现多模泵浦和单模输出。而输出激光中包含了一定量的包层光，这严重影响了激光的光束质量和单色性，需及时滤除。

在实际的光学系统中，产生残余包层光的主要因素有：在增益光纤末端存在未被吸收的剩余泵浦光；在纤芯光的传播过程中，泄漏到包层的信号光和放大自发辐射光(ASE)[1]；熔接损耗导致的纤芯光泄漏至包层[2]；光纤熔接点处存在的模式不匹配[3]；光纤弯曲导致纤芯中的高阶模泄漏[4]。上述残余包层光中的大数值孔径光主要来自未被吸收的泵浦光，而较小的数值孔径光来自由光纤弯曲和模式不匹配形成的泄漏的信号光。本文对高功率光纤激光器中包层光滤除的原理及主要方法进行了介绍，并对该领域的研究进展及未来发展方向了进行了概述。

2 包层光滤除器的工作原理

包层光滤除器把在包层内传输的剩余光滤出光纤，从而消除这部分光对激光光束质量的影响。光纤内部是以子午光线传播的，只有满足全反射条件的光线才能被限制在光纤内传输，如图1所示。

图1 子午光纤的全反射示意图

包层光在内包层与外包层界面被多次反射而被限制在内包层传输，其全反射条件为：

ψ>ψ0=arcsin(n3/n2)

(1)

其中,n2为内包层的折射率;n3为外包层的折射率;ψ为光线在内/外包层界面的入射角。由上式可以看出，只有入射角ψ大于临界角ψ0的光线才能被继续传输。而包层光滤除的中心思想为：剥去光纤的外包层与保护层，改变内包层周围介质的折射率(即改变n3的大小)，破坏光纤全反射条件，使光不满足全反射条件而折射出内包层。

3 包层光滤除器的研究现状

目前有较多阐述如何滤除剩余包层光的文章。脱离光纤传输的光与其他物质相互作用会产生热，尤其在高功率光纤激光器中的残余包层光功率可高至数百瓦，产生的大量热会积聚在较小的面积内，因此包层光滤除器的性能优劣主要取决于热量积聚导致的温度分布和滤除光功率的比例。下面将对各种方法进行介绍。

3.1 高折射率胶的方法

较为常见的一种方法是在内包层外涂高折射率的导光材料[5]。

图2为结构示意图。具体方法为在光纤上将一定长度的外包层剥除，使内包层裸露并放置在金属槽内，在槽内涂覆一定数量的导光胶。金属槽热沉有利于散热。弯曲形状的槽有利于较小数值孔径(NA)的光滤出光纤，提高光滤除效果。经过理论模拟得出，导光材料的折射率越大，滤除的包层光越多。为了提高包层光的损耗，一般采用折射率大于内包层的导光胶。

为避免导光材料温度随着注入光功率增加而不断升高，导光胶采用一种负温度反馈材料，即材料折射率随温度升高而降低。随着滤除光功率的增加，导光胶的温度逐渐升高，此时折射率逐渐减小。当折射率降低至与内包层折射率相近时，光的滤除过程基本停止，即胶体温度维持在定值。这种滤除材料有效避免了因注入光功率不断升高而导致温度太高，降低了对光学器件的损害。上述滤除包层光的方法存在一定的弊端，即包层光在较短的长度内被大量滤除，导致热沉上功率密度较高，给散热带来很大压力。

图2 弯曲形光纤槽示意图

为了减轻局部热量积累导致温度太高，光束在胶体内产生的热量应被均匀分布导出，科研人员在这方面做了大量工作[6-7]。为了使热量分布均匀，在一段光纤上分布涂覆三种折射率依次升高的胶，使包层光在光纤轴向分布滤除，不会造成包层光滤除器局部温度过高，利于散热[7]。图3所示为使用3种导光胶时剩余包层光功率与沿包层光滤除器的轴向分布情况，其中导光材料的折射率由包层光注入端起依次为1.41、1.43、1.56，对应图4为使用一种导光胶的情况从图中可以看出，该方案避免了包层光在较短长度内被大量滤除，由于光功率被渐次滤出光纤，每段胶体的温度也不会太高，有利于避免局部温度过高的情况。上述结构提高了包层光滤除器的实用性和稳定性，可以用在较低功率的光纤激光器中。

图3 使用3种导光胶时剩余光功率在滤除器的轴向分布

图4 使用1种导光胶时剩余光功率在滤除器的轴向分布

3.2 氢氟酸(HF)腐蚀光纤的方法

对于千瓦量级的高功率光纤激光器，系统内残余的泵浦光功率可达数百瓦，这给上述包层光滤除器的工作性能带来了很大压力，需要设计滤除效果更强而温度特性稳定的结构，国内外也有相关的论文和专利报道[8-9]。

RezaPoozesh等人在2012年提出了利用HF蒸汽雾化腐蚀光纤来滤除光功率的方法[8]，图5为经过HF腐蚀后的光纤示意图。其工作原理为：光纤经过雾化的HF处理，在包层表面形成众多凹凸不平的小孔，破坏了光的全反射条件，将包层光导出；在光纤轴向均匀分布的小孔可以将热量均匀导出，以减少光纤的局部热量积累；包层腐蚀后直径由400μm降为160μm，包层直径的减小也有利于光泄露。将腐蚀拉锥后的光纤段放置在金属槽内，槽内涂覆低折射率材料(n～1.37)。金属槽有利于散热，低折射率材料起到了保护腐蚀光纤段的作用。经过实验测试，输入光功率为90 W时，该结构使光功率衰减16.7 dB，温度低于53℃。

图5 HF腐蚀后的光纤示意图

Jason E.Langseth等人在2013年报道的专利里同样采用了HF腐蚀光纤的方法[9]。在一定长度的裸纤上涂抹含有HF成分的膏状物质，在其表面形成凹凸不平的小孔。上述处理过的光纤被光纤毛细管保护，并放置在通水冷的热沉内。通过控制刻蚀长度和刻蚀时间，实现不同比例的光能量滤除。这种方法较前一种方法的效果更好，主要原因为包层光被直接散射在空气中，热量未与光纤接触，使温度状况得到很大改善。经过实验测试，110 W的光功率被滤除，温度升高4.5 ℃。

3.3 采用高折射率基质的方法

滤除包层光还可以通过在光纤周围放置高折射率的固体材料来实现，Dahv Klrner、 Derek A.Tucker等人在2011年发表的专利里进行了详细报道[10]。具体结构如图6所示，选用折射率略大于光纤的蓝宝石作为滤除包层光的材料，因其具有高导热性(导热系数大于20 W/m·K)、高透明度和较好的机械性能。蓝宝石下表面刻有用来放置光纤的矩形槽，蓝宝石与具有高反射率的基底紧密贴合，基底放置在热沉上以增强导热效果。另外选用不透明的上壳进行密封。在光纤内包层传输的光束在裸纤/蓝宝石界面发生折射而进入蓝宝石基质，光被不透明上壳吸收，产生的热量传导至热沉。该结构设计防止热量传至光纤，减轻了热量积聚带来的光纤局部过热，具有较好的散热能力。经过实验验证，这种结构可以实现最大150 W的光功率滤除，温度特性为0.1 ℃/W。

图6 包层光滤除器结构示意图

3.4 几种结构的性能对比

表1总结了上述几种结构的光功率滤除效果和温度特性。通过分析对比发现，用膏状HF物质腐蚀光纤对光束进行滤除的方法，其温度特性和滤除能力最有效。

表1 几种包层光滤除器结构的性能对比

4 结 论

本文简述了光纤激光器中包层光滤除器的工作原理，并总结了几种包层光滤除器的结构和工作性能，相应地分析了其优缺点，对于包层光滤除器的研究方向具有一定的指导意义。在高功率光纤激光器系统中，包层光滤除器对激光输出的光束质量和单色性起到了非常重要的作用，它的温度分布性能是该领域研究的关键点。相信随着技术、工艺等的发展，该方面的研究和应用必将带来十分可观的价值。

[1] Y Xiao,F Brunet,M Kanskar,et al.1-kilowatt CW all-fiber laser oscillator pumped with wavelength-beam-combined diode stacks [J].Opt.Exp.,2012,20:3296-3301.

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[5] Jesse Anderegg,Stephen John Brosnan.System and method to remove light from cladding,US 7,349,596 B2[P].2008-03-25.

[6] A Wetter,M Faucher,B Sevigny.High power cladding light strippers [J].Proc.SPIE,2008,6873:271-278.

[7] WANG Wenliang,LENG Jinyong,GUO Shaofeng.Research on cladding light stripper in double-cladding all-fiber laser [J].Chinese Journal of lasers,2012,39(B06):27-30.(in Chinese) 王文亮，冷进勇，郭少锋.双包层光纤激光器中包层光的滤除[J].中国激光,2012,39(B06):27-30.

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[9] Jason E.Langseth,Alexander E.Mandl.All glass fiber laser cladding mode stripper.US,8,433,161 B2[P].

[10]Dahv Klrner,Derek A Tucker.Scalable cladding mode stripper device.US 8,027,555 B1[P].

Research progress of the cladding light strippers in fiber lasers

ZHAO Shui,DUAN Yun-feng,WANG Qiang,ZHANG Xiu-juan,DENG Ming-fa

(Beijing Oriental Sharp Iaser Technology Co.,Ltd,Beijing 100015,China)

Cladding light strippers play an important role in high power fiber lasers,which affect the beam quality and the monochromaticity of lasers,so the related research has great practical value.The principle of cladding light strippers was explained,and the structures and the performances of several cladding light strippers were summarized and analyzed,which has guiding significance for the research of cladding light stripper.

high power fiber laser; cladding light stripper; refractive index; research progress

赵 水(1988-)，女，硕士，主要从事高功率光纤激光器方面的研究。E-mail：zhaoshui29308302@163.com

2014-11-24

1001-5078(2015)07-0749-04

TN248.1

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.07.003