高功率固體激光器的光纖耦合研究

薛艷艷，安振杰，符春保，劉麗娜

(核工業(yè)理化工程研究院，天津300180)

1 引言

激光光纖傳輸技術(shù)作為一種靈活可靠的激光傳輸方式，具有小型化、柔性好、受環(huán)境干擾小、靈活性高等優(yōu)點(diǎn)。隨著高功率激光器技術(shù)的不斷發(fā)展，利用光纖傳輸能量的技術(shù)在激光加工、激光醫(yī)療美容、激光武器和激光點(diǎn)火等領(lǐng)域都獲得了非常大的發(fā)展。國外對于光纖傳輸激光能量的研究非常重視，R.E.Setchell、A.Kuhn等學(xué)者對高功率激光的光纖耦合和光纖損傷等技術(shù)進(jìn)行了大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究［1－5］，德國 Rofin、日本三菱、加拿大 OZ Optics 等公司也相繼推出了千瓦級以上的商業(yè)化光纖傳輸系統(tǒng)。國內(nèi)的多名學(xué)者也分別對高功率激光束光纖耦合技術(shù)進(jìn)行了深入的研究工作，成功實(shí)現(xiàn)了數(shù)百瓦以上的激光光纖傳輸［6－9］。

核工業(yè)理化工程研究院研制的500W級紅外固體激光器，其工業(yè)應(yīng)用需要采用光纖傳輸，光纖傳輸技術(shù)可以使激光系統(tǒng)采用更加多樣的形式和機(jī)構(gòu)，具有空間傳輸不可比擬的靈活性和穩(wěn)定性。本文針對該固體激光器輸出光的光束質(zhì)量計(jì)算了光纖耦合的相關(guān)參數(shù)，研究了光纖端面處理及光纖連接頭技術(shù)，并通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)完成測量和驗(yàn)證工作。

2 光纖耦合理論設(shè)計(jì)

光纖耦合技術(shù)是利用透鏡將入射激光會聚，使其滿足光纖耦合的基本條件，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)光纖傳輸。對于高功率激光光纖傳輸系統(tǒng)，光纖芯徑和耦合透鏡有效焦距是兩個(gè)非常重要的參數(shù)。在數(shù)值孔徑一致的情況下，小芯徑光纖可以提高入射激光經(jīng)光纖傳輸后的光束質(zhì)量;而耦合透鏡有效焦距的選擇又要兼顧光纖芯徑和數(shù)值孔徑的相互影響。

2.1 光纖芯徑的選擇

式中，d為經(jīng)透鏡聚焦后的焦斑直徑，mm;D為光纖芯徑，mm;υ為經(jīng)透鏡聚焦后的光束發(fā)散角(半角)，rad;NA為光纖數(shù)值孔徑，0.22;λ為激光波長，0.001064 mm;M2為激光光束質(zhì)量因子;K為耦合透鏡的像差影響因子;a為焦斑直徑與光纖芯徑的比值;b為光束發(fā)散角與光纖數(shù)值孔徑的比值;c為包含86.5%能量的激光光束半徑與包含98%能量的激光光束半徑的比值、

光纖耦合能否成功實(shí)現(xiàn)及耦合效率取決于式中各個(gè)系數(shù)的取值:

(1)為了適應(yīng)激光抖動和光束質(zhì)量波動引起的焦斑直徑變化，滿足“即插即用”光纖接頭的使用要求［10］，將系數(shù) a 取值為 0.85。

(2)由于光纖在長距離傳輸過程中會存在一定的彎曲，激光的入射角度在彎曲位置處會變小，當(dāng)小于光纖的全反射角時(shí)，就會產(chǎn)生漏光現(xiàn)象，易使光纖損傷。因此，在工業(yè)應(yīng)用中光纖的最小彎曲半徑應(yīng)大于光纖芯徑的100倍，即入射角度應(yīng)滿足公式(3)所示的關(guān)系式，計(jì)算得到b值約為0.88。

為了把入射激光高效率地耦合進(jìn)光纖，必須同時(shí)滿足光纖耦合的基本條件:激光束通過光學(xué)系統(tǒng)聚焦后，其焦斑直徑要小于光纖芯徑，其光束發(fā)散角要小于光纖的數(shù)值孔徑角。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)激光耦合裝置在高功率激光照射下能夠長期穩(wěn)定地運(yùn)行，在設(shè)計(jì)中必須考慮一定的余量。最終確定的理論運(yùn)算公式為:

(3)系數(shù)c的取值與入射激光的能量分布有關(guān)，不同的激光光強(qiáng)分布對應(yīng)著不同的計(jì)算方式。激光束腰半徑的理論定義為光強(qiáng)降低到中心光強(qiáng)的13.5%時(shí)的光斑半徑，其只包含了86.5%的激光能量，因此在實(shí)際設(shè)計(jì)中采用的光斑半徑應(yīng)該是包含98%以上能量的光斑半徑，即光強(qiáng)降低到中心光強(qiáng)的2%時(shí)的光斑半徑［9］。根據(jù)高斯光束和平頂光束的光強(qiáng)分布公式，可以計(jì)算得到包含86.5%能量的光束半徑和包含98%能量的光束半徑的比值。

高斯光束光強(qiáng)分布為:

平頂激光束光強(qiáng)分布為:當(dāng) r＜w(z)時(shí)，I(r)=I0;

當(dāng) r＞w(z)時(shí)，I(r)=0

I0.865=0.865I0，r0.865=0.93w(z);I0.98=0.98I0，r0.98=0.99w(z);

當(dāng)各項(xiàng)系數(shù)a、b、c取值確定后，則公式(2)轉(zhuǎn)化為:

由該式可以得到:光纖芯徑與光束質(zhì)量因子M2和耦合透鏡像差影響因子K值成正比，也就是說輸入光的光束質(zhì)量越好，耦合透鏡的像差因子越小，選用的光纖芯徑就可以越小。

固體激光器隨著輸出光功率的增大，其輸出的高階模式會增加，進(jìn)而造成激光的光束質(zhì)量降低，M2值增大。測得紅外固體激光器輸出最大功率時(shí)的M2值約為60，當(dāng)不考慮耦合透鏡的像差影響，即K取值為1時(shí)，計(jì)算得到最小光纖芯徑為0.350 mm。已知在數(shù)值孔徑一定的情況下，芯徑較小的光纖將輸出較好的光束質(zhì)量，因此綜合考慮擬采用芯徑為0.365 mm的光纖。

由上所述，高斯光束的c2取值為0.51，平頂光束的c2取值為0.88。根據(jù)實(shí)驗(yàn)中入射激光能量分布的測量數(shù)據(jù)，可近似認(rèn)為實(shí)際激光束為高斯光束和平頂光束的疊加效果，因此c2值取兩者平均，近似確定為0.7。

(4)耦合鏡片產(chǎn)生的像差大小受透鏡形狀、衍射和光束質(zhì)量因子M2的影響。由于光纖耦合是利用透鏡將入射激光聚焦，而耦合鏡片為了易于加工通常使用球面的聚光結(jié)構(gòu)，因此會產(chǎn)生以球差為主的像差。采用系數(shù)K來表示像差的影響，由式(4)表示:

2.2 耦合透鏡的選擇

激光束通過透鏡聚焦后，要滿足公式組(6)所示的光纖耦合基本關(guān)系式:

式中，f為耦合透鏡有效焦距，mm;ω為激光照射到耦合透鏡上的光斑直徑，mm。

測得紅外固體激光器輸出最大功率時(shí)的光束發(fā)散角全角為12 mrad，照射到耦合透鏡上的光斑直徑ω 約為 7 mm，已確定 a=0.85，b=0.88，D=0.365 mm，NA=0.22，代入公式組(6)中計(jì)算得到耦合透鏡的有效焦距范圍為:

耦合透鏡的形式可以采用單平凸透鏡、雙平凸透鏡或非球面透鏡結(jié)構(gòu)，如圖1所示。針對不同耦合透鏡形式，利用OSLO光學(xué)設(shè)計(jì)軟件模擬計(jì)算了有效焦距分別為20 mm和25 mm時(shí)的焦斑直徑、像差影響因子及對應(yīng)的最小光纖芯徑，如表1所示。由表中數(shù)據(jù)可以得到，非球面透鏡耦合效果最好，可以得到近似理想的焦斑直徑，K取值為1;雙平凸透鏡由于光焦度分裂而使產(chǎn)生的球差比單平凸鏡片明顯減少，也較有利于實(shí)現(xiàn)小芯徑光纖耦合;單平凸透鏡由于球差較大導(dǎo)致焦斑直徑較大，因此無法實(shí)現(xiàn)小芯徑的光纖耦合。

圖1 單平凸透鏡和雙平凸透鏡耦合結(jié)構(gòu)

表1 不同耦合透鏡形式的參數(shù)對比

3 光纖端面處理及連接頭

光纖端面處理工藝是影響激光損傷閾值和光纖耦合效率的重要因素。為了降低光纖端面缺陷引起的光散射，提高光纖的透過率和抗損傷能力，光纖端面需要進(jìn)行研磨拋光處理，主要采用機(jī)械拋光加火拋的加工流程。采用200倍光纖端面顯微鏡進(jìn)行觀測，可以看到經(jīng)處理后的光纖端面均勻平滑;利用ZYGO平面干涉儀對光纖端面進(jìn)行檢測，PV值可達(dá)到1.4 μm，最大限度的降低了激光散射。

光纖接頭的加工方式?jīng)Q定了光纖接頭在高功率激光照射下的熱承受能力和穩(wěn)定性。由于菲涅爾反射和端面散射產(chǎn)生的雜散光會使光纖接頭的溫度上升，因此，光纖接頭需要采用熱擴(kuò)散性和可加工性好的連接結(jié)構(gòu)。在本研究中，光纖連接頭采用如圖2所示的D80結(jié)構(gòu)。該接頭外部采用金屬護(hù)套，光纖與接頭之間采用無膠工藝，利用焊接方式固定，提高了接頭的熱承受能力;接頭內(nèi)部采用紫銅材料，具有更快的熱擴(kuò)散性;其頂端使用空氣隙結(jié)構(gòu)，即光纖端面從金屬接頭端面凹進(jìn)約1 mm，這樣可以保護(hù)光纖端面不被漏光燒融或被濺射污染，阻止因外部因素導(dǎo)致的光纖損傷。

圖2 D80光纖連接頭實(shí)物圖

4 光纖耦合實(shí)驗(yàn)

在光纖耦合實(shí)驗(yàn)中，采用核工業(yè)理化工程研究院研制的500W級紅外固體激光器作為激光光源;耦合鏡片采用Edmund Optics公司生產(chǎn)的直徑25 mm、焦距25 mm的石英非球面透鏡;采用上海聯(lián)誼光纖器械廠生產(chǎn)的精密型兩維平移光學(xué)光纖架OM－211和一維手動平移臺ALB－6進(jìn)行透鏡的三維精密調(diào)節(jié);光纖采用的是3M公司生產(chǎn)的TECS能量光纖FG－365－UER，其性質(zhì)如表2所示，該光纖采用純?nèi)廴谑⑿竞蛽椒鼘?，激光損傷閾值高，激光傳輸損耗低，傳輸1064 nm激光每米透過率約為99.84%;采用OPHIR公司的NOVAⅡ型功率計(jì)測量激光功率。

為保證高功率激光光纖耦合系統(tǒng)能夠長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，在光纖接頭支架內(nèi)部加工了循環(huán)水路，這樣可以及時(shí)將光纖接頭的熱量帶走，進(jìn)一步降低光纖損傷幾率。

通過實(shí)驗(yàn)，成功實(shí)現(xiàn)了最高輸出功率為548 W的紅外固體激光器的光纖耦合，光纖輸出功率為508 W，耦合效率為92.7%，實(shí)驗(yàn)參數(shù)及照片分別如表3和圖3所示。

表2 光纖參數(shù)

表3 光纖耦合實(shí)驗(yàn)參數(shù)

圖3 光纖耦合實(shí)驗(yàn)

5 結(jié)論

本文對500W級紅外固體激光器的光纖耦合系統(tǒng)進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究，根據(jù)入射激光的光束質(zhì)量，理論計(jì)算得到了傳輸光纖的最小芯徑和耦合透鏡的有效焦距。該研究成功實(shí)現(xiàn)了高功率紅外固體激光器光纖輸出功率大于500 W，耦合效率大于90%，滿足科研工作和工業(yè)應(yīng)用需求。

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