植入式側(cè)面泵浦耦合方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種植入式側(cè)面泵浦耦合方法，其特征在于：它包括一根雙包層有源光纖，用于產(chǎn)生激光或者對(duì)激光進(jìn)行放大；以及至少一根多模光纖，用于連接泵浦源；所述多模光纖采用植入式側(cè)面泵浦方法將泵浦光耦合進(jìn)入雙包層有源光纖，包括如下步驟：1)分別對(duì)雙包層有源光纖和多模光纖進(jìn)行預(yù)處理；2)在雙包層有源光纖的待耦合區(qū)域進(jìn)行加熱，將多模光纖植入雙包層有源光纖；3)待耦合區(qū)域冷卻后，對(duì)植入點(diǎn)進(jìn)行封裝，基于本發(fā)明的泵浦耦合效率高，而且便于采用多點(diǎn)分布式泵浦，制造工藝簡單、成本低，尤其適合于高功率光纖激光器和光纖放大器。
【專利說明】植入式側(cè)面泵浦耦合方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及高功率光纖激光器和光纖放大器研制【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及一種用于上述領(lǐng)域的植入式側(cè)面泵浦耦合方法。
【背景技術(shù)】
[0002]作為第三代激光技術(shù)的光纖激光器、放大器由于采用了雙包層光纖和高功率的多模半導(dǎo)體二極管，輸出功率已經(jīng)實(shí)現(xiàn)巨大飛躍，高功率的光纖激光器、放大器在激光加工、激光醫(yī)療、國防、軍事等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。泵浦耦合技術(shù)是指如何將泵浦半導(dǎo)體激光器的能量有效地耦合進(jìn)入雙包層有源光纖，對(duì)實(shí)現(xiàn)高功率光纖激光輸出具有非常重要的意義，目前主要有端面泵浦和側(cè)面泵浦兩種方式。
[0003]端面泵浦方式是指泵浦半導(dǎo)體激光器輸出的泵浦光從光纖的端面耦合進(jìn)入雙包層有源光纖，目前主要有透鏡耦合和光纖合束器耦合兩種方式。端面泵浦方式耦合效率高，但存在如下不足:一是光纖端面在高功率泵浦光注入時(shí)容易燒毀，限制了光纖激光器輸出功率；二是雙包層有源光纖只有兩個(gè)端面可供作泵浦耦合端面，不僅限制了可使用的泵浦源數(shù)量，而且也影響到整個(gè)激光器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的自由度。
[0004]側(cè)面泵浦方式是指泵浦半導(dǎo)體激光器輸出的泵浦光從光纖的側(cè)面耦合進(jìn)入雙包層有源光纖，這種泵浦方法有效解決了端面泵浦方式的弊端，不僅耦合效率高，而且實(shí)現(xiàn)方式靈活，容易獲得更高的泵浦功率。其實(shí)現(xiàn)方法目前主要有:V型槽側(cè)面泵浦耦合、嵌入反射鏡式泵浦耦合、角度磨拋側(cè)面泵浦耦合、泵浦光纖和有源光纖之間互相接觸的邊耦合方法(美國專利US7660034、US7221822)、外包層為泵浦光波導(dǎo)的雙包層光纖的光源側(cè)邊耦合方法(中國專利CN1284013)、泵浦光源的側(cè)邊耦合方法(中國專利CN210590)、側(cè)向泵浦光纖結(jié)構(gòu)及其制造方法(中國專利CN 201110250593)等。
[0005]分析上述側(cè)面泵浦耦合方法，均存在明顯不足:V型槽側(cè)面泵浦耦合、嵌入反射鏡式泵浦耦合、角度磨拋側(cè)面泵浦耦合的缺點(diǎn)是工藝難度大，不容易實(shí)現(xiàn)，而且泵浦耦合效率不穩(wěn)定，受工藝的影響大。泵浦光纖和有源光纖之間互相接觸的邊耦合方法(美國專利US7660034、US7221822)的缺點(diǎn)是泵浦耦合效率低，如果增加泵浦光纖和雙包層有源光纖的長度來提高耦合效率，又會(huì)降低雙包層有源光纖的非線性閾值，產(chǎn)生明顯的非線性。外包層為泵浦光波導(dǎo)的雙包層光纖的光源側(cè)邊耦合方法(中國專利CN1284013)的缺點(diǎn)是需要采用棱鏡來耦合泵浦光，這樣就不能實(shí)現(xiàn)全光纖化集成，不僅增加產(chǎn)品體積而且還影響光路的穩(wěn)定性。泵浦光源的側(cè)邊耦合方法(中國專利CN210590)是將多模光纖和雙包層有源光纖在耦合區(qū)進(jìn)行纏繞以保持光纖接觸，這種方法的缺點(diǎn)是多模光纖容易翹曲，進(jìn)行拉錐處理又會(huì)導(dǎo)致光纖變細(xì)，增加信號(hào)光和泵浦光損耗。側(cè)向泵浦光纖結(jié)構(gòu)及其制造方法(中國專利CN201110250593)對(duì)美國專利US7660034、US7221822的耦合方法進(jìn)行了優(yōu)化，但是方法所要求的無源光纖和雙包層有源光纖的折射率分布基本難以實(shí)現(xiàn)，并且同樣存在耦合效率低的問題，從無源光纖出來沒被耦合的剩余泵浦光對(duì)光纖激光器的穩(wěn)定運(yùn)行是個(gè)極大的隱患。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種植入式側(cè)面泵浦耦合方法，和端面泵浦耦合方式相比，它采用了側(cè)面泵浦的耦合方式，可有效回避信號(hào)激光逆向傳輸對(duì)泵浦半導(dǎo)體激光器造成的損壞，而且使高功率光纖激光器和放大器的設(shè)計(jì)更加靈活，更具實(shí)際操作性；和其他側(cè)面泵浦耦合方式相比，植入式側(cè)面泵浦耦合方法進(jìn)一步回避了已有技術(shù)的弊端。
[0007]本發(fā)明是通過這樣的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:一種植入式側(cè)面泵浦耦合方法，其特征在于:包括一根雙包層有源光纖，用于產(chǎn)生激光或者對(duì)激光進(jìn)行放大；以及至少一根多模光纖，用于連接泵浦源；所述多模光纖采用植入式側(cè)面泵浦方法將泵浦光耦合進(jìn)入雙包層有源光纖。
[0008]上述技術(shù)方案中，所述雙包層有源光纖包括低折射率涂層、純石英內(nèi)包層和摻有稀土離子的石英纖芯。
[0009]所述雙包層有源光纖的涂層折射率為1.31或1.37中的一個(gè)，固化方式為紫外光固化或者熱固化。
[0010]所述雙包層有源光纖的純石英內(nèi)包層形狀為圓形、方形、矩形、月牙形或八角形中的一種，其包層直徑為 125 μ m、200 μ m、250 μ m、300 μ m、400 μ m、600 μ m、800 μ m 中的一個(gè)。
[0011]所述雙包層有源光纖的纖芯摻有鐿、銩、鉺、欽、釹或鐠中的一種或多種稀土離子，纖芯數(shù)值孔徑為 0.05 或者 0.08，纖芯直徑為 9μπι、10μπι、15μπι、20μπι、25μπι、30μπι、50 μ m或100 μ m中的一個(gè)。
[0012]上述技術(shù)方案中，所述多模光纖直徑為62.5μπι、100μπι、125μπι、200μπι、220μπι、400μπι、500μπι、600μπι或800μπι中的一種，數(shù)值孔徑為0.15或者0.22，或?yàn)樯鲜霾煌?br> 徑、不同數(shù)值孔徑多模光纖的組合。
[0013]上述技術(shù)方案中，它采用植入式側(cè)面泵浦方法將泵浦光耦合進(jìn)入雙包層有源光纖，具體步驟如下:1)分別對(duì)雙包層有源光纖和多模光纖進(jìn)行預(yù)處理；2)在雙包層有源光纖的待耦合區(qū)域進(jìn)行加熱，將多模光纖植入雙包層有源光纖；3)待耦合區(qū)域冷卻后，對(duì)植入點(diǎn)進(jìn)行封裝。
[0014]進(jìn)一步地，所述步驟I)中，視泵浦點(diǎn)位置需要，選擇雙包層光纖開始段、中間段或者尾端，(能否詳細(xì)解釋/描述具體怎樣定？)，多模光纖一個(gè)尾端，分別用光纖剝線鉗或者刀片將涂層剝除一小段露出包層，長度5-lOcm，用純度為99.9%的無水乙醇擦干凈裸露的包層表面，放密封的潔凈盒內(nèi)保存?zhèn)溆?br> 所述步驟2)中，采用氫氧焰、乙炔焰或電弧放電中的一種方式對(duì)雙包層有源光纖剝?nèi)ネ繉拥穆惆鼘舆M(jìn)行加熱，直至該區(qū)域石英剛好熔融為止，再將處理好的多模光纖尾端植入熔融雙包層有源光纖包層，植入深度以剛好進(jìn)入包層不深入到纖芯為準(zhǔn)，關(guān)閉加熱源。
[0015]所述步驟3)中，待植入點(diǎn)溫度降至常溫后，移至刻有V型槽的鋁塊或者銅塊內(nèi)，在植入點(diǎn)周圍灌滿折射率為1.31或者1.37的低折射率紫外膠以覆蓋雙包層有源光纖裸露的全部區(qū)域，用紫外光照射使之全部固化，加蓋并用螺絲固定，完成封裝。
[0016]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:和端面泵浦耦合方式相比，它采用了側(cè)面泵浦的耦合方式，可有效回避信號(hào)激光逆向傳輸對(duì)泵浦半導(dǎo)體激光器造成的損壞，而且使高功率光纖激光器和放大器的設(shè)計(jì)更加靈活，更具實(shí)際操作性；和其他側(cè)面泵浦耦合方式相比，植入式側(cè)面泵浦耦合方法進(jìn)一步回避了已有技術(shù)的弊端，其優(yōu)勢體現(xiàn)在:1)沒有獨(dú)立的空間光學(xué)元件，保證了耦合光路的全光纖化，泵浦激光全程在光纖內(nèi)低損耗傳輸；2)和美國專利US7660034、US7221822和中國專利CN 201110250593相比，本方法的單點(diǎn)耦合效率高，而且泵浦耦合效率的高低只取決于耦合點(diǎn)的工藝質(zhì)量，與雙包層有源光纖長度、內(nèi)包層形狀設(shè)計(jì)等沒有任何聯(lián)系，不必通過增加光纖長度來提高耦合效率；3)和中國專利CN210590相比，本方法泵浦多模光纖的尾端直接植入雙包層有源光纖的包層，不需要纏繞和拉錐，不僅很好的解決了光纖翹曲的問題，還解決了拉錐工藝引起光纖變細(xì)的問題。通過上述問題的優(yōu)化，植入式側(cè)面泵浦耦合方法實(shí)現(xiàn)了真正安全可靠、高效、可多點(diǎn)分布式泵浦的設(shè)計(jì)目標(biāo)，尤其適合于高功率光纖激光器、放大器的研制。
[0017]
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為植入式側(cè)面泵浦耦合方法原理圖；
圖2為本發(fā)明實(shí)施例中圓形內(nèi)包層有源光纖端面結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3為本發(fā)明實(shí)施例中八角形內(nèi)包層有源光纖端面結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4為本發(fā)明實(shí)施例中方形內(nèi)包層有源光纖端面結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5為本發(fā)明實(shí)施例中植入式側(cè)面泵浦耦合方法工藝示意圖；
圖6為本發(fā)明實(shí)施中封裝示意圖；
圖7為本發(fā)明多根多模光纖植入式側(cè)面泵浦耦合法示意圖；
圖8為本發(fā)明多根多模光纖、多點(diǎn)植入式側(cè)面泵浦耦合法示意圖。
[0019]圖中:1.石英纖芯，2.低折射率涂層，3.待耦合區(qū)域，4.純石英內(nèi)包，5.多模光纖,6.多模光纖尾端,7.氫氧焰、乙炔焰或電弧放電,8.雙包層有源光纖；9.有V型槽的金屬塊(鋁塊或者銅塊)，10.盒蓋，11.螺絲，12.低折射率紫外膠。
【具體實(shí)施方式】
[0020]以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例作進(jìn)一步的詳細(xì)描述:
如圖1所示，一種植入式側(cè)面泵浦耦合方法包括一根雙包層有源光纖，用于產(chǎn)生激光或者對(duì)激光進(jìn)行放大；以及一根多模光纖5，用于連接泵浦源；多模光纖5采用植入式側(cè)面泵浦方法將泵浦光耦合進(jìn)入雙包層有源光纖。
[0021 ] 如圖2、圖3、圖4所示，雙包層有源光纖包括摻有稀土離子的石英纖芯1、純石英內(nèi)包層4和低折射率涂層2。雙包層有源光纖的涂層折射率為1.31、1.37中的一個(gè)，固化方式為紫外光固化或者熱固化。
[0022]雙包層有源光纖的純石英內(nèi)包層形狀為圓形(如圖2)、方形(如圖4)、矩形、月牙形或八角形(如圖3)中的一種，其幾何尺寸為125μπι、200μπι、250μπι、300μπι、400μπι、600μπι，800μπι中的一個(gè)。所述雙包層有源光纖的纖芯摻有鐿、銩、鉺、欽、釹、鐠中的一種或多種稀土離子，纖芯數(shù)值孔徑為0.05或者0.08，纖芯幾何尺寸為9 μ m，10 μ m、15 μ m、20 μ m、25 μ m、30 μ m、50 μ m、100 μ m 中的一個(gè)。
[0023]所述多模光纖5 直徑為 62.5 μ m、100 μ m、125 μ m、200 μ m、220 μ m、400 μ m、500 μ m、600 μ m、800 μ m中的一種，數(shù)值孔徑為0.15或者0.22。[0024]如圖5所示，一根多模光纖5采用植入式側(cè)面泵浦方法將泵浦光耦合進(jìn)入雙包層有源光纖，具體步驟如下:
I)分別對(duì)雙包層有源光纖和多模光纖5進(jìn)行預(yù)處理；2)在雙包層有源光纖的待耦合區(qū)域3進(jìn)行加熱，將多模光纖5植入雙包層有源光纖；3)待耦合區(qū)域冷卻后，對(duì)植入點(diǎn)進(jìn)行封裝。
[0025]如圖5所示，視泵浦點(diǎn)位置需要，選擇雙包層光纖開始段、中間段或者尾端，在多模光纖5的一個(gè)尾端，分別用光纖剝線鉗或者刀片將涂層剝除一小段露出包層，長度5-lOcm，用純度為99.9%的無水乙醇擦干凈裸露的包層表面，放密封的潔凈盒內(nèi)保存?zhèn)溆谩?br> [0026]如圖5所示，采用氫氧焰、乙炔焰或電弧放電7中的對(duì)雙包層有源光纖剝?nèi)ネ繉拥拇詈蠀^(qū)域3進(jìn)行加熱，直至該區(qū)域石英剛好熔融為止，再將處理好的多模光纖尾端6植入熔融雙包層有源光纖包層，植入深度以剛好進(jìn)入包層不深入到纖芯為準(zhǔn)，關(guān)閉加熱源。
[0027]如圖6所示，待植入點(diǎn)溫度降至常溫后，移至刻有V型槽的金屬塊9 (鋁塊或者銅塊)內(nèi)，在植入點(diǎn)周圍灌滿折射率為1.31或者1.37的低折射率紫外膠12以覆蓋雙包層有源光纖8裸露的全部區(qū)域，用紫外光照射使之全部固化，加蓋盒蓋10并用螺絲11進(jìn)行固定，完成封裝。
[0028]舉例說明，雙包層有源光纖采用八角形摻鐿雙包層光纖，其具體參數(shù)為:纖芯數(shù)值孔徑為0.08，直徑20 μ m ;內(nèi)包層形狀為八角形，直徑400 μ m ;涂層為折射率為1.37紫外光固化膠。多模光纖米用數(shù)值孔徑為0.15,纖芯直徑為100 μ m,包層直徑125 μ m的多模光纖。多模光纖采用上述植入式側(cè)面泵浦耦合方法將泵浦光耦合進(jìn)入雙包層有源光纖，耦合效率可達(dá)到93%。
[0029]如圖7所示，一種植入式側(cè)面泵浦耦合方法可包括一根雙包層有源光纖，用于產(chǎn)生激光或者對(duì)激光進(jìn)行放大；以及多根多模光纖5，用于連接泵浦源；所述多根多模光纖5采用植入式側(cè)面泵浦方法將泵浦光耦合進(jìn)入雙包層有源光纖，其實(shí)施方式與上述方法精神基本一致，于此不再贅述。
[0030]如圖8所示，一種植入式側(cè)面泵浦耦合方法可包括一根雙包層有源光纖，用于產(chǎn)生激光或者對(duì)激光進(jìn)行放大；以及多根多模光纖5，用于連接泵浦源；所述多根多模光纖5在雙包層有源光纖的開始段、中間段或者尾端，分別采用植入式側(cè)面泵浦方法將泵浦光耦合進(jìn)入雙包層有源光纖，其實(shí)施方式與上述方法精神基本一致，于此不再贅述。
[0031]凡在本發(fā)明精神和原則之內(nèi)所做的任何修改、等同替換或者改進(jìn)，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種植入式側(cè)面泵浦耦合方法，其特征在于:它包括一根雙包層有源光纖，用于產(chǎn)生激光或者對(duì)激光進(jìn)行放大；以及至少一根多模光纖，用于連接泵浦源；所述多模光纖采用植入式側(cè)面泵浦方法將泵浦光耦合進(jìn)入雙包層有源光纖。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的植入式側(cè)面泵浦耦合方法，其特征在于:所述雙包層有源光纖包括低折射率涂層、純石英內(nèi)包層和摻有稀土離子的石英纖芯。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的植入式側(cè)面泵浦耦合方法，其特征在于:所述雙包層有源光纖的涂層折射率為1.31或1.37中的一個(gè)，固化方式為紫外光固化或者熱固化。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的植入式側(cè)面泵浦耦合方法，其特征在于:所述雙包層有源光纖的純石英內(nèi)包層形狀為圓形、方形、矩形、月牙形或八角形中的一種，其包層直徑為125 μ m、200 μ m、250 μ m、300 μ m、400 μ m、600 μ m 或 800 μ m 中的一個(gè)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的植入式側(cè)面泵浦耦合方法，其特征在于所述雙包層有源光纖的纖芯摻有鐿、銩、鉺、欽、釹、鐠中的一種或多種稀土離子，纖芯數(shù)值孔徑為0.05或者0.08,纖芯直徑為 9 μ m、10 μ m、15 μ m、20 μ m、25 μ m、30 μ m、50 μ m 或 100 μ m 中的一個(gè)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的植入式側(cè)面泵浦耦合方法，其特征在于:所述多模光纖直徑為 62.5 μ m、100 μ m、125 μ m、200 μ m、220 μ m、400 μ m、500 μ m、600 μ m 或 800 μ m 中的一種，數(shù)值孔徑為0.15或者0.22，或?yàn)樯鲜霾煌睆?、不同?shù)值孔徑多模光纖的組合。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的植入式側(cè)面泵浦耦合方法，其特征在于:它采用植入式側(cè)面泵浦方法將泵浦光耦合進(jìn)入雙包層有源光纖，具體步驟如下: 1)分別對(duì)雙包層有源光纖和多模光纖進(jìn)行預(yù)處理； 2)在雙包層有源光纖的待耦合區(qū)域進(jìn)行加熱，將多模光纖植入雙包層有源光纖； 3)待耦合區(qū)域冷卻后，對(duì)植入點(diǎn)進(jìn)行封裝。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的植入式側(cè)面泵浦耦合方法，其特征在于:所述步驟I)中，視泵浦點(diǎn)位置需要，選擇雙包層光纖開始段、中間段或者尾端，在多模光纖一個(gè)尾端，分別用光纖剝線鉗或者刀片將涂層剝除一小段露出包層，長度5-lOcm，用純度為99.9%的無水乙醇擦干凈裸露的包層表面，放密封的潔凈盒內(nèi)保存?zhèn)溆谩?br> 9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的植入式側(cè)面泵浦耦合方法，其特征在于:所述步驟2)中，采用氫氧焰、乙炔焰或電弧放電中的一種方式對(duì)雙包層有源光纖剝?nèi)ネ繉拥穆惆鼘舆M(jìn)行加熱，直至該區(qū)域石英剛好熔融為止，再將處理好的多模光纖尾端植入熔融雙包層有源光纖包層，植入深度以剛好進(jìn)入包層不深入到纖芯為準(zhǔn)，關(guān)閉加熱源。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的植入式側(cè)面泵浦耦合方法，其特征在于:所述步驟3)中，待植入點(diǎn)溫度降至常溫后，移至刻有V型槽的鋁塊或者銅塊內(nèi)，在植入點(diǎn)周圍灌滿折射率為1.31或者1.37的低折射率紫外膠以覆蓋雙包層有源光纖裸露的全部區(qū)域，用紫外光照射使之全部固化，加蓋并用螺絲固定，完成封裝。
【文檔編號(hào)】H01S3/0941GK103545704SQ201310531130
【公開日】2014年1月29日 申請(qǐng)日期:2013年10月31日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月31日
【發(fā)明者】黃榜才, 寧鼎, 張鵬, 衣永青 申請(qǐng)人:中國電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所