光纤合束器

光纤合束器是在熔融拉锥光纤束（Taper Fused Fiber Bundle，TFB）的基础上制备的光纤器件。它是将一束光纤剥去涂覆层，然后以一定方式排列在一起，在高温中加热使之熔化，同时向相反方向拉伸光纤束，光纤加热区域熔融成为熔锥光纤束。

1964 年，美国的 Snitzer 等人首次提出了光纤激光器和放大器的构想，但受当时光纤拉制工艺、光纤损耗、半导体激光器技术等方面的限制，在其后 20 多年里光纤激光器没有得到实质性的发展。1987年英国南安普顿大学及美国贝尔实验室用掺铒单模光纤实现光通讯中的光放大，以此证明了掺铒光纤放大器（EDFA）的可行性。由于当时使用的是单包层光纤，纤芯直径十分细小，只有几微米，因此，泵浦光的耦合效率限制了激光器的输出功率。1988 年，Snitzer 等人提出了基于双包层光纤的包层泵浦技术，相较于传统光纤，双包层光纤多了一个可以传光的内包层，内包层的横向尺寸和数值孔径都比纤芯大得多，从而降低了泵浦光的耦合难度，大大提升了泵浦光的耦合功率。但是初期设想的圆形内包层因为完美的对称性导致泵浦光的吸收效率较低。1993 年，矩形内包层的双包层光纤出现，此后，正方形、D 形、梅花形等形状的内包层也相继出现，实验表明，这些内包层形状的光纤相对于圆形内包层形状的光纤对泵浦光的吸收效率有了很大提高。1994 年，由 H. M. Pask 等人首先在掺镱石英光纤中实现了包层泵浦技术，实验中得到了波长为 1042nm，功率为0.5W 的最大激光输出，斜率效率达到 80%。正是由于掺镱双包层光纤激光器具有更高的斜率效率，以及 Yb3+具有简单的能级结构、较宽的吸收带和较宽的发射截面，人们的注意力逐渐转向掺镱双包层光纤激光器的研究。此后，光纤激光器得到了迅猛发展，输出功率不断飙升。1997 年，Polaroid 报道了输出功率35.5W，波长 1100nm 的双包层激光器。1999 年，SDL（Spectra Diode Laser）首次实现了连续功率达百瓦级的掺镱双包层光纤激光器，输出功率为 110W。 [1] 

2003 年 Limpert 等报道了输出功率 500W、M2为 1.1 的掺镱双包层光纤激光器，而 Liu 等人将输出功率提高到了 810W。2004 年，南安普顿大学的 Y. Jeong 等人采用双端泵浦方式实现了连续激光输出功率为 1.36kW 的掺镱大芯径单模光纤激光器。从 2005 到 2009 年，美国 IPG的单模光纤激光器依次突破了 2kW和 3kW，更实现了从 6kW 至 10kW 的跨越。 尽管光纤激光器发展迅猛，但是受热损伤、非线性效应、光纤端面损伤、热透镜效应等因素的制约，单根单模光纤激光器的输出功率不可能无限提升。 [1] 

美国利弗莫尔实验室（LLNL）J.W.Dawson 等人综合考虑热效应、非线性光学、输出端限制等物理因素的影响，对光纤激光输出功率极限进行了较为详细的分析。计算结果表明，单模宽谱光纤激光的输出功率极限约为 36.6 kW，单频（一般谱宽小于或等于与布里渊增益的线宽量级，即小于 100MHz）光纤激光的输出功 率极限约为 1.86 kW。级联泵浦方案被认为是进一步提升光纤激光器输出功率的有效途径。朱家健等人分析了级联泵浦条件下，掺镱光纤的输出功率极限，计算结果表明利用 1018nm 泵浦的掺镱光纤激光器单频单横模输出功率极限为70.7kW。 [1] 

从上述分析可知，尽管目前单根单模光纤激光器输出功率已经突破万瓦级，并且存在一定的提升空间，但距离数百千瓦级高功率输出还有着量级上的差距。 增大光纤纤芯直径可以大幅提升光纤输出功率，如果将多根中等功率的单模光纤激光通过全光纤的合束器合成到一根多模光纤中，就可以获得大功率激光输出。IPG 已经实现了 50kW 的多模激光输出，这种方法要实现百千瓦的输出功率也是可行的。 光纤激光器具有的独特优势以及功率的不断提升使其应用范围不断扩展，目前在工业加工、生物医疗、国防军事等领域得到了广泛的应用。

在工业领域，激光焊接由于热影响小、密封性好、适合在真空等特殊环境下加工，在航天航空器件中得到广泛应用。时至今日，随着激光功率的提高，现在焊接十几毫米厚的钢板也比较容易。用激光焊接技术取代传统的铆钉进行铝合金飞机机身的制造，从而减轻飞机机身重量近 20%，提高强度近 20%，如今德国宇航 MBB，空中客车都应用了此项技术。2010 年，IPG 独一无二的波长为 1070nm 的 20kW 连续商用光纤激光器，在光纤芯径为 200µm，聚焦光斑为 420µm 的条件下，焊接厚度为 1 英寸的 304 不锈钢，速度能够达到 0.85m/min，焊接 0.75 英寸的钢板能达到 2m/min。2010 年，日本获得日本海事协会及英国劳氏船级社的许可，将 10kW 光纤激光-电弧复合焊接第一次运用于船舶制造。2011 年，一套搭载有 IPG 20KW 光纤激光器成功应用于通用电气的高功率激光电弧复合焊接（HLAW）系统。此系统将激光焊接和电弧焊接组合在一起，能够以速度大于 6feet/min 的单一过程，焊接超过 0.5 英寸厚的钢板，并且能够获得比传统多道工序焊接更好的焊接质量，这将有望彻底改变未来工业产品的生产方式。此外，在激光打标、激光切割、激光美容等方面，光纤激光器以其特有的优势正在逐渐取代传统激光器。自 2009 年以来，光纤激光器就已经被销往六大主要行业，其中包括电子、食品设备和办公用品。2011 年，该六大行业的总销售额达 4.86 亿美元，较 2010 年增长 50%。 [1] 

在国防领域，光纤激光器在体积、效率和光束质量等方面的优势，在空间激光武器中有广泛的应用前景。2004 年美国 SPATA 的“宙斯”激光扫雷系统采用了 IPG 的 2kW 多模光纤激光器，该系统在阿富汗地区成功执行了扫雷任务。2006 年雷神构建的激光区域防护系统（Laser Area Defense Syetem）在战术时间内成功引爆了超过 500m 处的 60mm 迫击炮弹。2010 年，美国海军的激光密集阵（Laser Phalanx）光纤激光器演示系统成功击落 4 架从海上飞来的无人机，此系统是美国空军实验室用 6 根 5.5kW 的 IPG光纤激光器集成，合成输出功率达 32kW，这是美国在现有舰载防空平台上首次试验激光武器。此外，美国陆军还把密集阵系统移植为地面密集阵系统，并赋予其百夫长（Centurion）名称，还在百夫长平台上研发光纤激光武器系统——激光百夫长。 [1] 

高能光纤激光广阔的市场前景吸引了世界上众多的科研机构和企业。国外光纤激光器的主要生产厂家有 IPG、SPI、JDSU、Coherent、ROFIN 和 TRUMPF等，英国 Southampton 大学、Bath 大学、美国 Michigan 大学、德国 Jena 大学等也不断推陈出新，使得高功率光纤激光器从实验室快速商品化走向市场。

美国的 IPG已经推出了产品化的单模万瓦光纤激光器和 50kW 的多模连续光纤激光器。而 ROFIN 旗下的 Nufern也推出了 kW 量级单模光纤放大器系统。国内的武汉锐科、中科梅曼、创鑫激光和国科世纪等都进入光纤激光器领域。2012 年，西安中科梅曼成功推出了国内首台拥有自主知识产权的 kW 工业级光纤激光器。清华大学、国防科技大学、中科院上海光机所、西安光机所、中国兵器装备研究院等多家科研单位也实现了千瓦级光纤激光输出。 [1] 

2概述

光纤激光器具有光束质量好、结构紧凑、体积小、质量轻、易散热、工作稳定性好等众多优点, 已经成为世界各国的研究热点。现在大功率光纤激光器、光纤放大器采用的双包层掺杂光纤, 相对于从半导体泵浦激光器发出的多模泵浦光束的大发散角,其内包层的直径很小, 因此把泵浦光有效耦合到掺杂双包层光纤的内包层是一个难题。人们发明了很多泵浦耦合技术, 大体上可分为端面泵浦和侧面泵浦。端面泵浦技术是从双包层光纤的一个或者两个端面将泵浦光耦合到内包层, 主要采用直接熔接耦合、透镜组耦合和锥导管耦合等方式。侧面泵浦耦合技术是从双包层光纤的侧面将泵浦光耦合到内包层, 主要有分布包层泵浦耦合 、微棱镜侧面耦合、V 型槽侧面耦合 、嵌入透镜式侧面泵浦耦合 、角度磨抛侧面泵浦耦合 、光栅侧面泵浦耦合等。 [2] 

通过对耦合效率、系统稳定性、结构紧凑性、复杂度、可扩展性、制作难易程度等相关指标的对比发现, 利用光纤合束器的分布包层泵浦耦合技术具有很大的优势, 可以满足高功率光纤激光器泵浦耦合的需要。随着空气包层光子晶体光纤(PCF)制造工艺的日臻成熟, 空气包层PCF 的大数值孔径、大模场直径有利于提高光纤激光器、光纤放大器的泵浦功率和泵浦效率, 减小光纤激光器、光纤放大器的非线性效应, 有利于提高输出功率。下面就采用传统双包层光纤和空气包层PCF 制作光纤合束器的主要制作工艺进行分析。 [2] 

3合束器的制作工艺

基于传统双包层光纤的光纤合束器以(6 +1)×1 光纤合束器制作为例, 分析利用传统双包层光纤制作光纤合束器的工艺。(6 +1)×1 光纤合束器由6 根多模光纤和1 根单模光纤熔融拉锥后和一根双包层光纤熔接在一起构成, 可称之为多模-单模-双包层光纤合束器。双包层光纤, 它由纤芯、内包层和外包层组成, 纤芯的模场直径为2ω1 , 内包层的直径为d1 , 数值孔径(NA)为DNA1 ;所示为单模光纤, 其模场直径近似于2ω1 , 包层直径为d2 , 其中d2 <d1 ;多模光纤, 它由一个较大的芯径和直径为d3 、数值孔径为DNA3 的包层组成, 其中DNA3 <DN A1 。多模-单模-双包层光纤合束器制作工艺如下:

(1)分别将用于制作合束器的6 根多模光纤一端加热到熔融状态, 然后被拉伸　(2)在不影响模场直径的前提下, 把单模光纤的包层侵蚀掉一部分, 使其包层直径从d2 变为d′2 。

(3)把预拉伸后的多模光纤均匀排列在单模光纤的周围成为光纤束, 用特制的夹具将其两端固定,将光纤束放在约1 000 ℃的火焰下加热, 同时夹具围绕单模光纤纤芯方向旋转, 使夹具间的光纤束受热均匀, 并熔融。

(4)在光纤束横截面直径为d5 处切割, 形成光滑的切面, d5 约等于双包层光纤的内包层直径　(5)将切割后的光纤束与双包层光纤熔接在一起。值得注意的是, 在熔接时, 光纤束中单模光纤的纤芯与双包层光纤的纤芯必须对准。根据需要, 也可以在单模光纤的周围排列多层多模光纤,排列的多模光纤越多, 预拉伸时, 多模光纤末端的直径d4 就要越小。 [2] 

另外, 以上所提到的多模-单模-双包层光纤合束器可以做成多模-多模-多模光纤合束器, 即将光纤束中间的单模光纤换成多模光纤, 工艺步骤同上。然而, 当多模光纤束输出端直径和双包层光纤内包层直径完全相匹配时, 输出光纤数值孔径却未被光完全填满, 且在合束器熔接处的光功率分布也不均匀。这是由于光纤束围绕一根中心光纤排列, 锥体中的一些光与输出光纤的纤芯方向成一角度, 所以光功率分布曲线呈四周高, 中间低, 且输出光纤中的数值孔径没有被光完全填满。 [2] 

通过将光纤束特定部位拉伸, 形成一个直径为d0 的束腰, 使从多模光纤传来的光在束腰处均匀分布, 充分地注入熔接处的数值孔径, 可以显著提高耦合效率。束腰后面是一个均匀增大的反向锥体, 一直到输出光纤。在输出光纤处的光功率分布, 是完全充满输出光纤的。

5光纤合束器的发展和应用

光纤合束器是在熔融拉锥光纤束（Taper Fused Fiber Bundle，TFB）的基础上制备的光纤器件。它是将一束光纤剥去涂覆层，然后以一定方式排列在一起，在高温中加热使之熔化，同时向相反方向拉伸光纤束，光纤加热区域熔融成为熔锥光纤束。从锥腰切断后，将锥区输出端与一根输出光纤熔接。TFB 最初的提出是将泵浦光纤和信号光纤熔锥合束到一根双包层增益光纤中，应用在高功率掺饵光纤放大器（EDFA）上。在后来的发展中，这种全光纤的合束器有了多种形变。 [1] 

光纤合束器的分类

1 光纤合束器和包含信号光纤的（N+1）光纤合束器。根据使用功能分类，光纤合束器可以分为两大类：功率合束器和泵浦合束器。功率合束器就是将多路单模激光合束到一根光纤中输出，用来提高激光的输出功率（也称单模-多模光纤合束器）。泵浦合束器主要是将多路泵浦光合束到一根光纤中输出，主要用来提高泵浦功率（也称多模-多模光纤合束器）。光纤合束器按照其构成方式又可以分成两类，不包含信号光纤的 N [1] 

1 光纤合束器不同，（N+1）1 光纤合束器中心的一根光纤是信号光纤。在制作过程中，N 根多模光纤必须紧密对称地排列信号光纤周围，中间的信号光纤用于信号光的输入，这种光纤合束器主要用于光纤放大器。1 光纤合束器的 N 路输入光纤与多个泵浦源相连，用来提高多模泵浦光输入功率，则是泵浦合束器；如果 N 路输入光纤与激光器连接，用来提高激光合成功率，则是功率合束器。和 N光纤合束器的 N 根输入光纤是相同的，这种器件主要用在光纤激光器系统中。光纤合束器既可以用作泵浦合束，也可以用作功率合束。如果 N [1] 

光纤合束器在光纤激光系统中的应用

通过改变光纤合束器的输入光纤类型，就可以实现不同功能的合束器。光纤合束器在拉锥前输入光纤端面排布示意图，图中的普通光纤可以是多模光纤，也可以是单模光纤，还可以是大模场光纤等。