一种侧面抽运的中红外波段光纤抽运信号合束器制造技术

本发明专利技术提供一种侧面抽运的中红外波段光纤抽运信号合束器，包括信号光纤和多根设置于信号光纤上的抽运光纤；所述抽运光纤的一端被剥除涂覆层并熔融拉锥后，与所述信号光纤的剥除涂覆层部分通过熔融固化方式进行固定连接；中红外信号激光和抽运激光分别进入信号光纤和抽运光纤，耦合后，经信号光纤的另一端输出。信号光纤的纤芯为二氧化锗，内包层材料为二氧化锗和石英混合材料或者纯石英材料，既可以支持2.7～3.1μm波段中红外信号光在纤芯的低损耗传输，又可以支持抽运光在内包层的低损耗传输。耦合效率可以控制在98％以上，信号光的通过率在99％以上，可以耦合大于百瓦的抽运激光进入输出光纤，实现高功率中红外光纤放大器。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光纤抽运-信号合束器，尤其涉及一种侧面抽运的中红外波段光纤抽运信号合束器。
技术介绍
近年来，中红外波段光纤激光器在环境监测、气象探测、生物医疗、材料加工、国防安全等领域发挥着越来越重要的作用。近年来Er3+、Ho3+和Dy3+等稀土离子掺杂的ZBLAN光纤(氟化物光纤的一种，具体组分为ZrF4-BaF2-LaF3-AlF3-NaF)的迅速发展，使得国内外多家研究单位报道了输出功率在瓦量级的中红外激光(参见S.D.Jackson，Towardshigh-powermid-infraredemissionfromafibrelaser，NaturePhotonics，6(7)，423-431(2012).(S.D.Jackson，面向高功率中红外光纤激光输出，自然光电子，2012年，第6期第7卷))。这些掺杂ZBLAN光纤可以提供增益在2.7-3.1μm之间的激光辐射。但受限于软玻璃光纤的转变温度低、熔点低、易折断、导热性差等物理特性，目前尚缺乏基于软玻璃光纤的一系列关键光纤器件(如光纤光栅、光纤隔离器、光纤抽运-信号合束器、模场适配器等)和核心技术(如软玻璃光纤处理、软玻璃光纤熔接等)。这导致中红外光纤激光器研究绝大多数采用空间抽运结构，丧失了光纤激光器本应具有的结构简单、稳定性高、易于集成等优点。近年来，加拿大Laval大学报道了世界上第一个全光纤结构的掺铒离子(Er3+)3μm波段光纤激光器，获得了工作波长在2.94μm、平均功率达30.5W的激光输出(参见V.Fortin，M.Bemier，S.T.Bah，andR.Vallée，30Wfluorideglassall-fiberlaserat2.94μm，OpticsLetter40(12)，2882-2885(2015).(V.Fortin等，30W、2.94μm全光纤氟化物光纤激光器，光学快报，2015年，第40期第12卷))。然而光纤光栅带来的热量沉积以及热致光纤退化(质量下降)限制了这种直接从谐振腔输出的激光功率的进一步的提升。采用主振荡功率放大(MOPA)结构是进一步实现大功率光纤激光放大输出的常用结构，这种结构通常由振荡器和一级放大器或者更多级放大器组成。其中核心元器件为大功率光纤抽运-信号合束器，该器件可以高效率地将信号光与抽运光耦合进入到双包层增益光纤中，实现整个激光器-放大器系统的全光纤结构以及高效率的激光放大输出。在多级主振荡功率放大结构中，特别要求抽运-信号合束器具有低的信号光插入损耗、高的抽运光耦合效率。目前基于MOPA结构已经实现了1μm波段单根光纤输出功率大于10kW的激光。必然地，采用MOPA结构对于中红外波段的光纤激光进行功率提升将带来更高功率的中红外激光输出。但是现有MOPA结构中的光纤抽运-信号合束器的信号光纤、抽运光纤和输出光纤均采用石英光纤制备。由于石英(即二氧化硅)光纤在波长大于2.4μm以上有强烈的声子共振吸收损耗，因而不能用其来传输波长位于2.4μm以上的激光信号，这也说明现有的基于石英光纤的抽运-信号合束器无法用于中红外波段的光纤激光的放大。与石英光纤相比，非石英材料光纤如二氧化锗光纤和软玻璃材料光纤(如基于氟化物玻璃、碲酸盐玻璃、硫化物玻璃等软玻璃材料的光纤)在中红外波段吸收损耗较低，能够支持中红外波段光纤激光的产生和低损耗传输。在上述两种中红外低损耗光纤中，虽然软玻璃光纤在2.4～3.5μm波段的损耗略低于二氧化锗光纤，但由于软玻璃材料的转变温度(低于300℃)与石英材料的转变温度(约为1100℃)相差巨大，将软玻璃光纤与石英光纤一起制作合束器的技术难度较高，同时软玻璃材料较低的转变温度使得合束器难以工作在较高的温度下，因而热管理问题突出；相比之下，二氧化锗材料的转变温度与石英材料的转变温度相近，因而更适于与石英光纤配合，制作中红外波段光纤合束器。
技术实现思路
针对现有技术中的上述不足之处，本专利技术提出一种基于石英光纤和二氧化锗光纤的光纤抽运信号合束器，采用侧面抽运的方式，信号光损耗低、抽运光耦合效率高，能实现中红外波段高功率激光输出，且结构简单，易于生产和推广。本专利技术“一种侧面抽运的中红外波段光纤抽运信号合束器”，由信号光纤、抽运光纤构成。包括信号光纤和多根设置于信号光纤上的抽运光纤；所述信号光纤上除端部以外的任意一段被剥除涂覆层，所述抽运光纤的一端被剥除涂覆层并熔融拉锥，抽运光纤上熔融拉锥的一端与所述信号光纤的剥除涂覆层部分通过熔融固化方式进行固定连接，形成耦合区；耦合区之前的一段抽运光纤和信号光纤涂有紫外固化树脂；中红外信号激光和抽运激光分别进入信号光纤和抽运光纤，耦合后，经信号光纤的另一端输出。因此本专利技术中，信号光纤也作为输出光纤。由于抽运光从信号光纤侧面耦合进入，因此本专利技术的抽运方式为侧面抽运。所述信号光纤为双包层结构光纤；所述信号光纤的纤芯材料为纯二氧化锗材料，内包层材料为二氧化锗和石英混合材料或者纯石英材料，其纤芯直径范围为2.5～30μm，纤芯的数值孔径范围为0.1～0.3；内包层直径范围为125～300μm，内包层的数值孔径范围为0.4～0.5。所述信号光纤的纤芯须满足2.7～3.1μm的单模或少模激光传输；所述信号光纤的纤芯数值孔须满足将2.7～3.1μm波段的中红外信号激光约束在纤芯内部，保证低损耗传输；所述信号光纤的内包层须支持793nm，976nm，1150nm和1550nm多模激光(抽运光)的传输；所述信号光纤的内包层数值孔径须将抽运光约束在内包层内部，保证低损耗传输。耦合区之前，信号光纤的纤芯传输中红外信号激光，内包层中无激光传输，在耦合区以及耦合区之后，信号光纤的纤芯传输中红外信号激光，内包层传输多模抽运光。所述抽运光纤为多模石英光纤；所述抽运光纤的数量可以为2根、6根或18根；所述抽运光纤须支持793nm，976nm，1150nm和1550nm多模激光的传输。本专利技术中，经剥除涂覆层的抽运光纤在拉锥区始端与末端的包层直径之比(即，拉锥比例)，一般在1到3之间，拉锥锥区长度的选取要求抽运光纤在拉锥过程中无拉锥损耗。所述抽运光纤与信号光纤的贴合可采用机械夹持和负压吸附相结合的方法。所述抽运光纤与信号光纤紧密贴合处要求经熔融永久固化，形成耦合区。可采用氢氧焰等加热方式进行熔融。耦合区长度为0.5到5cm之间，经过耦合区的耦合作用，要求抽运光98％以上的功率由抽运光纤耦合进入信号光纤的内包层，信号光以99％以上的通过率通过耦合区。所述紫外固化树脂的折射率，应低于所述抽运光纤包层和信号光纤包层的折射率。紫外固化树脂的作用在于固定光纤包层和信号光纤的相对位置，增强合束器的机械强度。与现有光纤抽运-信号合束器相比，本专利技术的有益效果在于：1、本专利技术的信号光纤(同时也作为输出光纤)的纤芯为二氧化锗，内包层材料为二氧化锗和石英混合材料或者纯石英材料，既可以支持2.7～3.1μm波段中红外信号光在纤芯的低损耗传输，又可以支持抽运光在内包层的低损耗传输。2、本专利技术的抽运光纤拉锥比例的选取以及耦合区长度的选取，主要依据是保证抽运激光在耦合区(拉锥区域)的高耦合效率，耦合效率通常可以控制在98％以上；由于信号光纤同时作为输出光纤，因而信号光在耦合区的传输几乎不受影响，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种侧面抽运的中红外波段光纤抽运信号合束器，包括信号光纤和多根设置于信号光纤上的抽运光纤；所述信号光纤上除端部以外的任意一段被剥除涂覆层，所述抽运光纤的一端被剥除涂覆层并熔融拉锥，抽运光纤上熔融拉锥的一端与所述信号光纤的剥除涂覆层部分通过熔融固化方式进行固定连接，形成耦合区；耦合区涂有紫外固化树脂；中红外信号激光和抽运激光分别进入信号光纤和抽运光纤，耦合后，经信号光纤的另一端输出；所述信号光纤为双包层结构光纤；所述信号光纤的纤芯材料为纯二氧化锗材料；内包层材料为二氧化锗和石英混合材料，或者纯石英材料。

【技术特征摘要】
1.一种侧面抽运的中红外波段光纤抽运信号合束器，包括信号光纤和多根设置于信号光纤上的抽运光纤；所述信号光纤上除端部以外的任意一段被剥除涂覆层，所述抽运光纤的一端被剥除涂覆层并熔融拉锥，抽运光纤上熔融拉锥的一端与所述信号光纤的剥除涂覆层部分通过熔融固化方式进行固定连接，形成耦合区；耦合区涂有紫外固化树脂；中红外信号激光和抽运激光分别进入信号光纤和抽运光纤，耦合后，经信号光纤的另一端输出；所述信号光纤为双包层结构光纤；所述信号光纤的纤芯材料为纯二氧化锗材料；内包层材料为二氧化锗和石英混合材料，或者纯石英材料。2.如权利要求1所述的侧面抽运的中红外波段光纤抽运信号合束器，其特征在于，所述信号光纤的纤芯直径范围为2.5～30μm，纤芯的数值孔径范围为0.1～0.3；内包层直径范围为125～300μm，内包层的数值孔径范围为0.4～0.5。3.如权利要求1所述的侧面抽运的中红外波段光纤抽运信号合束器，其特征在于，在所述耦合区之前，信号光纤的纤芯传输中红外信号激光，内包层中无激光传输；在耦合区以及耦合区之后，信号光纤的...

【专利技术属性】
技术研发人员：张斌，杨林永，殷科，侯静，陈胜平，陈子伦，李志鸿，姚金妹，雷成敏，刘广琛，蔡振，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43