用于高功率光纤激光器的全光纤7×1泵耦合器外文翻译资料

 2022-05-05 10:05

用于高功率光纤激光器的全光纤7times;1泵耦合器

摘要；我们从理论上和实验上研究Ntimes;1泵浦耦合器。首先对锥形纤维束过渡区和腰区长度对7times;1泵耦合器效率的影响进行了数值分析。结果表明，存在用于在为了实现高效率的过渡区域的最小长度；同时，腰部区域应尽可能的短。然后我们制造了一个7times;1泵耦合器。它的全部7个端口的传输效率均高于98％，最终总输出功率高达3.81kw，传输效率达98.4％。这是迄今为止报告的最高输出功率，通过更好地切割，拼接和使用更高功率的LD可以进一步改善它的输出效率与传播效率。实验结果验证了这个实验结果可以应用Ntimes;1泵耦合器的仿真。

1.简介

光纤激光器的出色性能及其具有吸引力的优势，包括出色的光束质量，紧凑性，高传输效率和低维护成本，促进了光纤激光器在工业，生物学，医学和其他领域的广泛应用。目前，光纤激光器已可以发出千瓦功率，而一般高功率光纤激光器和光纤伸缩器采用双包层掺杂光纤。因此，高功率光纤激光器输出的关键就是如何将泵浦光有效地耦合到双包层掺杂光纤的内包层中。

通常，泵耦合技术可以表征为侧泵和端泵。侧泵送的泵浦光耦合到从侧面的内包层，它可以通过GT-Wave技术，嵌入式镜像方法中，V型槽侧联接技术，嵌入式透镜方法，光纤角度抛光方法，侧光栅耦合器等来实现。端泵浦装置将泵浦光通过光纤的一个或两个端面耦合到内包层中，通常基于锥形光纤束（TFB）。考虑到高功率器件的耦合效率，散热，封装和制造技术，TFB是制造高功率光纤耦合器的主要方法。根据应用，由TFB制造的耦合器可以分为两种：束中心具有一个信号光纤的（N 1）times;1耦合器和无信号光纤的Ntimes;1耦合器。

N个泵浦源和信号源通过（N 1）times;1耦合器耦合成一个双包层光纤，该耦合器可以应用到光纤放大器中以提高光纤激光器的功率。利用Ntimes;1耦合器将泵浦功率通过耦合N个高功率多模光纤组合成一个多模光纤。由于横截面的近似圆形结构，与3times;1耦合器和4times;1耦合器相比，7times;1耦合器更容易拼接并具有更低的插入损耗，使其更适合高功率光纤激光器。低插入损耗导致拼接点的热量积累较少，器件的损伤阈值较高。

2006年，Ref报道了一个耦合器，其输出功率为1 kw，插入损耗为0.2 db。目前，ITF实验室提供商用组合器，（N 1）times;1和Ntimes;1配置的耦合器的总泵输入功率分别为1.2 kw和760 w。Yu等人，报道了一个掺镱光纤激光器，该激光器可实现1.2 kw的输出功率。在这个系统中，泵功率通过一个19times;1熔融纤维耦合器测出其测量损失小于0.1%，并且可以提供2.0 kw的额定泵功率。据报道，2013年一个高效率锥形纤维束7times;1抽吸耦合器的手柄泵功率为3.01 kw。

随着光纤激光器输出功率的提高，光纤耦合器的功率支持能力要求越来越高。 特别是在千瓦级别，支持功率直接依赖于损耗，只有很小的损耗才能支持超过千瓦的功率传输。TFB技术已经开发了很多年，我们已经知道所有输入光纤的纤芯都应该逐渐缩小到输出纤芯的范围内。但是，如何确定锥形区域各段的长度以及长度对传输效率的影响仍不清楚。尚未报道相关的理论分析。目前，在大功率光纤激光器中制造能够承受几千瓦功率的耦合器也是重要的。

在本文中，我们对7times;1泵耦合器进行了关于传输效率的理论和实验研究。 数值分析了过渡区长度和腰长对泵耦合器传动效率的影响，最终设计了一种高效泵耦合器的优化结构。在理论研究的基础上，制造了7times;1高效率泵耦合器，输出功率为3.81 kw，传动效率为98％。据我们所知，所提供的耦合器提供了从任何泵耦合器获得的最高泵浦功率。

2.理论分析

基于TFB技术的Ntimes;1耦合器通过锥化，切割和拼接三个步骤来制作。 在这三个步骤中，最重要的一步是锥化。在这个过程中，纤维束的中心对称阵列的结构和TFB的每个部分的长度是需要仔细考虑的两个因素。 因此，为了降低光纤耦合器的传输损耗，需要合理的光纤耦合器结构以及在这三个阶段（锥化，切割和拼接）的理想操作。

N泵浦光纤的中心对称排列结构通过将N个泵浦光纤插入具有适当内径的毛细管中来保持，如图1所示。应该选择输入光纤和输出光纤以确保数值孔径（NA）的匹配。 输入光纤的NA将沿着锥形区域增加; 如果末端输入光纤的NA大于输出光纤的NA，则传输效率会降低。TFB的过渡区域和腰部区域的长度可以直接影响光纤耦合器的传输效率。 超长或超短长度会导致低效率，导致在TFB和输出光纤的拼接点处积聚大量的热量。因此，在锥化的过程中，应选择适当长度的每个锥形区域，以满足两个基本原则，即亮度守恒和绝热锥化。

其中一个决定性因素是传输效率是否在从N个输入激光束到输出激光束的演变过程中保持不变。亮度守恒可以通过耦合器总输入的积分亮度与输出积分亮度的比率来描述，其可以表示为：

和是输入和输出光纤的NA; 和分别是输入和输出光纤的芯径; N是输入光纤的数量。

在本文中，输入泵浦光纤是七根多模光纤，分别为220 mm和242 mm（NA = 0.22）芯径和包层直径，输出光纤为双包层光纤，芯径为20 um和400 um（NA = 0.46）和包层直径。根据使用的光纤参数，，所以传输效率可以接近100％。另外，传输效率也受其他因素影响（如锥度长度）。有限差分光束传播法（FD-BPM）用于数值计算沿耦合器轴向的传播能量。1989年Hermansson提出FD-BPM。它将波导截面分成许多个正方形，每个正方形的振幅由具有边界条件的差分方程计算，从而得到整个截面和整个波导的振幅分布。FD-BPM是分析复杂光波导结构最有效的计算工具之一。在仿真中，横向计算步长为1 um，轴向计算步长为5 um。

计算包括基本LP 0,1模式以及更高阶模式LP 2,2，LP 2,15，LP 3,10，LP 6,6和LP 10,10在内的6个模式的传输效率作为例子来研究传输效率和锥度长度之间的关系。结果如图2所示。从图2可以看出，低阶模式的耦合效率高于高阶模式。另一方面，随着锥形长度增加，每种模式的效率开始饱和，并且当锥形长度超过8 mm时，大多数模式的效率开始稳定。特别是低阶模式在这种情况下没有损失。低阶模式很容易受到光纤纤芯的限制，因此，锥形长度为8 mm时，LP 0,1和LP 2,2模式几乎没有损耗。光纤纤芯难以限制高阶模式，并且由于光纤呈锥形，高阶模将泄漏到包层中。虽然锥度延长，但LP 2,15和LP 10,10的传输效率仅为70％左右，而且这个值是饱和的。考虑到输出光中高阶模的比例较低，高阶模的高损耗对总传输效率影响不大。

除了过渡区域的长度之外，锥形腰部区域的长度是影响光纤耦合器效率的另一个关键参数。以相同的方式，对于锥形区域的固定长度（10mm），针对不同长度的锥形腰部区域计算LP 0,1，LP 3,3和LP 10,10模式的传输效率，即0、2、4、6和8毫米。结果如图3所示。可以发现，可以通过较短的腰部区域来提高传输效率。

特别是对于高阶模式，随着腰区长度的增加，传输效率急剧下降。因此，为了降低传输损耗，裂开的位置应该在过渡区域和腰部区域的交集，以缩短腰围区域，这需要非常小心的处理并且难以制造高效率的高功率光纤耦合器。

3.实验

通过仿真得到高效耦合器的结构参数。基于仿真结果，制作7times;1泵合成器，测量功率容量和效率。制造过程可分为四个步骤，即捆扎，锥化，切割和拼接。首先，将7根芯/内包层直径为220/242 mm的光纤并排排列，然后插入具有合适内径的一根毛细管中以保持阵列。然后由毛细管限制的光纤进行熔融拉锥。锥形束的直径应与输出光纤匹配，并根据模拟结果选择锥形区域的每个部分的长度。在下一步中，将TFB在合适的位置切割以使腰部区域尽可能短。最后，TFB与芯/内包层直径为20 / 400 mm的输出光纤融接。图4显示了TFB端面的横截面和接头的侧视图。

使用输出功率为400 w的976nm激光二极管（LD）来测量所制造的耦合器的传输效率.7个端口的传输效率几乎相同。对于不同的功率水平，平均效率为97.8％ 98.2％，98.5％，98.3％，98.4％，98.6％，98.5％，98.5％，98.4％和98.7％，如图5所示。大部分功率包含在基模中，因此效率接近于统一如图2所示。

此外，还对其进行了功率的测量，测量系统如图6所示。泵浦源由六个600 w LD和一个400 w LD组成。这7个LD与耦合器的7根泵浦光纤拼接，然后耦合器安装在散热器上。操作电流增加到8.5 A，相当于总输出功率3.87 kw。 测得的光纤耦合器输出功率为3.81 kw，计算效率为98.4％。实验图像如图7所示。长时间工作在这种功率级别下，即使对于具有如此高效率的光纤耦合器，也必须损失几十瓦的功率。因此散热非常重要。

4.结论

在本文中，我们通过数值分析了耦合器中基模传播条件下TFB过渡区长度和腰围长度对7times;1泵耦合器效率的影响。结果表明，基于亮度守恒的满意度，为了实现高效率，过渡区域具有最小长度; 同时，腰围应尽可能短。在这种情况下，耦合器对于基模传播理论上具有可忽略的损失。基于仿真结果，高效率的7times;1泵合成器已经成功制造。全部7个端口的传输效率均高于98％，最终总输出功率高达3.81 kw，传输效率达98.4％。实验结果验证了可用于Ntimes;1泵合成器制造的模拟。

研究915 nm大功率高亮度半导体激光器单片耦合模块

摘要：基于近年来光纤激光器的高速发展，915 nm半导体激光器作为光纤激光器主要泵浦源的发展速度很快。由于激光二极管的光束质量很差，915 nm激光二极管一般是基于光纤耦合模块输出激光。我们利用光束成形和光纤耦合技术提高输出光束质量，提出了一种高功率，高亮度的半导体激光模块，可以通过光纤输出13.22 w的光。基于915 nm GaAs半导体激光二极管其输出功率为13.91w，我们详细描述了对半导体激光二极管输出光束进行整形并将光束耦合到芯径为105 um，数值孔径为0.18的光纤中的详细步骤。我们在14.5 A的输出光纤上获得了13.22 w，整个模块的耦合效率为95.03％，亮度为1.5 mw / cm2 -str。单芯片半导体激光器模块的输出功率达到国内先进水平。

  1. 介绍

半导体激光器具有体积小，重量轻，光电转换效率高，光谱半宽度窄等突出优点。近年来，随着半导体材料成长技术，高效冷却技术以及相关技术的重大突破等国际科技进步的发展，半导体激光器的发展已进入一个较为成熟的阶段，半导体激光二极管广泛应用于光纤通信领域，光纤传感，光存储，激光显示，激光制造，军事，医疗以及其它重要应用。半导体激光二极管已成为光电技术器件的核心部件之一，其中980 nm和915 nm高功率半导体激光器已被广泛使用在泵浦固体激光器和光纤激光器时。但由于半导体激光二极管的特殊结构，其光束质量差，水平和垂直方向的光束发散角明显不同，如何获得高功率，高光束质量的二极管激光源已成为国际上的主要瓶颈。在实际应用中，我们通常采用光纤耦合的方法来改善光束质量，使得从光纤输出的光斑变得均匀。

半导体激光器的束腰很小，快轴中的光束角度与慢轴中的光束角度大不相同，空间分布中的光束非常不对称。激光束发散度很高，半导体激光器在固有结构上的特性对耦合效率有不利影响。为了获得高耦合效率，光束整形和聚焦技术被证明是一个关键的解决方案和一种有效的方法。在近期的报道文献中，对915 nm半导体激光器单芯片光纤耦合模块的研究非常少见，模块输出功率小于12 w，且对器件芯片参数要求较高;没有报道单芯片光纤耦合模块的输出功率超过13 w 。

本文基于915nm GaAs高亮度高功率单芯片半导体激光二极管的发展，设计了一种可实现高亮度，高功率的单芯片光纤耦合输出模块。由于部件是国内的，所以模块可以轻松实现工业化。

  1. 实验过程

本文基于我们集团独立设计和研究的高功率GaAs 915 nm半导体激光二极管。 10 nm有源层为AlGaInAs，Al0.24Ga0.76AS为550 nm波导层结构，光学覆层为1.2 um Al0.37Ga0.63AS，230 nm GaAs为缓冲层，并且接触层是250 nm GaAs。 衬底材料是GaAs。 整个结构如图1所示。

经过分裂，涂覆和封装等工艺处理，得到腔长4500 um，条宽120 um的915 nm半导体激光器芯片。当电流为14.5A时，二极管的输出功率13.91w，快轴和慢轴的发散角分别为34.5和10.4。其输出功率和电压图如图2所示，输出光斑和发散角如图2所示。使用ZEMAX软件对915 nm单芯片光纤耦合模块的整体结构进行仿真后，可以使用实验室的设备来实现仿真实验的结果。

    1. ZEMAX的模拟

由于半导体光束质量差，在处理光纤耦合技术之前，我们需要对光束进行整形，以减小两个方向的发散角。在选择需要准直透镜的透镜的过程中，可以达到最佳的光斑效果，并且整个透镜应该同轴放置。快轴准直透镜的焦距为200 um，折射率为1.84，厚度 镜片的材质为0.27 mm，镜片材质为S-TIH53。慢轴的透镜焦距为4.8 mm，折射率为1.51，透镜厚度为2 mm，材料类型为BK7。自磨镜片的长度为2.1 mm，直径为1.8 mm，中心活动指数为1.6。计算过程使用以下公式

f是镜头的焦距，是准直透镜后的光斑的一半尺寸，作为快轴和慢轴的发散角的一半，r是用于整形的镜片的曲率半径。t是准直透镜和半导体激光器之间的距离，d是透镜的厚度，n是透镜的折射率。然后根据方程式计算，我们可以得到

,,,,,

为了准确描述和评估半导体激光二极管光束的特性，我们需要知道光束参量积（BPP）的概念。BPP由光束的半导体激光束产品半发散角的一半尺寸限定。 全名表示为Beam Parameter Product，称为BPP关系。 全文共6032字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

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