不同角度包層光剝離的理論與實驗研究

王 爭，閆明鑒，尹 路，王海林，韓志剛*

(1.南京理工大學 理學院，南京 210094；2.南京理工大學 工業(yè)與信息化部先進固體激光技術(shù)重點實驗室，南京 210094)

1 引 言

光纖激光器具有光束質(zhì)量好，轉(zhuǎn)換效率高，結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點，被廣泛應用于工業(yè)加工、軍事國防等領(lǐng)域[1-2]。隨著光纖激光技術(shù)的不斷發(fā)展，其輸出功率也在不斷提高，受限于泵浦亮度、合束器的承載功率和增益光纖的熱效應，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的光纖激光器功率只能達到數(shù)千瓦[3-6]。同帶泵浦技術(shù)可以有效規(guī)避以上問題，進一步地提高光纖激光器的功率[7]。但同帶泵浦結(jié)構(gòu)的激光器中存在大量傳輸角度較小的包層光，這要求剝離器對該部分包層光有很好的衰減效果，即較高的剝離度，以保證激光器具有較好的光束質(zhì)量和穩(wěn)定性。

包層光剝離器主要的制作方法有：重涂高折膠、軟金屬吸收、裸光纖表面微加工和化學腐蝕[8]。Wetter等人[9]采用兩種折射率較高的膠水制作剝離器，包層光的輸入功率為78 W，最終剝離度為30 dB，器件的最高溫度為55 ℃。Wei等人[10]在此基礎(chǔ)上進行改進，使用3種不同折射率的膠水設(shè)計了一款級聯(lián)剝離器，使其溫度分布更加均勻，在輸入功率為150 W時，剝離度為18 dB，最高溫度為64 ℃。Amin等人[11]通過軟金屬銦吸收包層光，在輸入功率為150 W時，最大剝離度為12.4 dB，最高溫度為36 ℃，且光纖的熱分布均勻。但由于金屬對紅外吸收系數(shù)小，其有效剝離長達28 cm，體積過大，不具有實際應用價值。Boehme等人[12]先將石英沉積于裸光纖表面，再用環(huán)形CO2激光在沉積層進行微加工，使其表面形成特殊結(jié)構(gòu)，以達到剝離包層光的目的。在200 W的包層光功率下，剝離度為10 dB，最高溫度為135 ℃。Boyd等人[13]使用CO2激光在光纖內(nèi)包層表面生成周期性溝道制作剝離器，在輸入功率為200 W時，剝離度為20 dB，最高溫度為80 ℃。Yin[14]通過分段腐蝕光纖，使包層光沿光纖方向均勻剝離，最終在輸入功率為670 W時，剝離度為20 dB，光纖無明顯熱點。Yan[15]則通過3段腐蝕消除了光纖進光端局部過熱的問題。Ping[16]將不同折射率的高折膠和化學腐蝕相結(jié)合，制作了一款級聯(lián)包層光剝離器，總長為1.5 m，在輸入功率為1 187 W時，剝離度為26.59 dB，最高溫度不超過35 ℃。目前關(guān)于剝離器的研究主要集中在提高剝離功率和溫度控制兩方面。Kliner等人[17]采用刻蝕膠腐蝕光纖內(nèi)包層，雖然對兩種不同數(shù)值孔徑包層光進行剝離實驗，但實驗剝離功率較低，僅為500 W，不適用于更高功率的同帶泵浦激光器。

本文主要研究腐蝕型包層光剝離器對不同傳輸角度包層光的剝離作用，實驗測量了光纖腐蝕段粗糙度較大時的散射系數(shù)，仿真得到剝離器對傳輸角度不同包層光的剝離度與腐蝕長度的關(guān)系。采用雙包層光纖和無芯光纖制作包層光剝離器對不同傳輸角度包層光進行剝離測試，并對功率為1 136 W的同帶泵浦結(jié)構(gòu)激光器進行剝離實驗。

2 理論研究

腐蝕型包層光剝離器一般用氫氟酸溶液腐蝕光纖內(nèi)包層，使其表面形成具有一定粗糙度的結(jié)構(gòu)，包層光在腐蝕段傳輸時發(fā)生散射，從而被剝離。該類型剝離器的剝離度與包層表面粗糙度、包層剩余直徑及腐蝕長度有關(guān)。為簡單分析腐蝕型包層光剝離器對傳輸角度不同包層光的剝離作用，建立了理論模型，模型中僅以子午光纖為例進行分析，且不考慮纖芯對包層光傳輸?shù)挠绊憽?/p>

假設(shè)光纖包層折射率為n1，涂覆層折射率為n2，光纖中包層光在真空中的波長為λ。根據(jù)模式理論，當傳輸常數(shù)β滿足n2·k<β

圖1 剝離器模型示意圖 Fig.1 Stripper model diagram

光纖包層的數(shù)值孔徑為NA，包層光的最大傳播角度為αmax，則存在：n1·sinαmax=NA。包層光與光纖軸線夾角的范圍為：0≤α≤αmax。Pin為包層光的輸入功率，Pout為輸出功率，Q(α)為包層光在光纖整個腐蝕段的反射次數(shù)，L為光纖腐蝕長度，D為包層剩余直徑，Rs為包層-空氣界面的反射率，A剝離器的剝離度，則存在：

Q(α)=2·L·tanα/D,

(1)

(2)

A=-10×log10(Pout/Pin) .

(3)

當光纖包層表面粗糙度與包層光的波長相比較小時，根據(jù)標量散射理論可得到此時的反射率Rs[18]:

(4)

其中，R0為理想光滑表面反射率,σ為光纖表面粗糙度，θi為入射角。

當光纖表面粗糙度較大，遠大于激光波長時，屬于非選擇性散射，此時的散射系數(shù)為常數(shù)，與傳輸光的波長無關(guān)。實驗腐蝕了直角三棱鏡的一直角面，使其粗糙度與光纖表面粗糙度達到同一量級，測得He-Ne激光入射角在[0,αmax]范圍時，該粗糙面的反射率約為0.15。

以普通雙包層光纖為例，光纖內(nèi)包層的直徑為400 μm，數(shù)值孔徑為0.46，折射率為1.46，則能容納包層光的最大傳輸角為18°22′。假設(shè)被腐蝕光纖包層的剩余直徑為300 μm，包層-空氣界面的反射率為0.15，角度分別為12°、6°、4°、3°、2°、1°的包層光初始功率相等。仿真得到剝離器對不同傳播角度包層光的衰減效果，如圖2所示。結(jié)果顯示剝離器對傳輸角度越大的包層光剝離效果越好。

圖2 不同傳輸角度包層光的剩余功率隨腐蝕長度變化 Fig.2 Residual power of cladding light at different transmission angles varies with corrosion length

3 實驗與分析

3.1 實驗裝置

包層光在光纖包層的傳輸角度可通過包層光在光纖端面出射時的發(fā)散角得到。光纖出射光發(fā)散角的傳統(tǒng)測量方法是遠場光強法，通過針孔光闌和功率計確定光斑尺寸，但用該方法測量多模激光時，由于光斑功率不穩(wěn)定，測量結(jié)果存在較大誤差。本文基于遠場光強法，對測量系統(tǒng)進行改進，改進后系統(tǒng)由可調(diào)光闌、凸透鏡和功率計組成，如圖3所示。

圖3 發(fā)散角測量系統(tǒng) Fig.3 Divergence angle measuring system

可調(diào)光闌用于改變光纖出射光的光斑尺寸，凸透鏡使光束匯聚于功率計靶面，功率計則用于記錄該尺寸光斑對應的功率值。調(diào)節(jié)光闌，當功率為最大功率的95%時，可調(diào)光闌的孔徑即為光纖出射光光斑直徑，再結(jié)合光纖的出射端面與屏的距離，即可得到出射光的最大發(fā)散角。逐步縮小可調(diào)光闌直徑，記錄對應功率值的變化，得到所有角度出射光的功率占比。使用該系統(tǒng)測量已標定半導體激光器的最大發(fā)散角，得知其與標準值之間的誤差為4%，小于給定誤差范圍8%。

光纖激光器中的包層光由兩部分組成：未被完全吸收的傳輸角度較大的泵浦光，由于熔接錯位、模式不匹配、光纖彎曲等原因泄露到光纖包層傳輸角度較小的激光。為模擬這兩部分包層光搭建了兩套測試系統(tǒng)，如圖4所示，圖4(a)(為A系統(tǒng))中半導體激光器(LD)的中心波長為976 nm(輸出端光纖：105/125 μm, NA 0.13)。圖4(b)(為B系統(tǒng))中光纖激光器(FL)的中心波長為1 080 nm，M2<1.2(輸出端光纖：20/400 μm，NA 0.06/0.46)。兩激光器輸出端都與(6+1)×1合束器的泵浦光纖(220/242 μm,NA 0.22)熔接，腐蝕光纖的一端與合束器輸出端的光纖(20/400 μm,NA 0.06/0.46)熔接，另一端斜切8°出光，經(jīng)測量系統(tǒng)得到光纖出射光的發(fā)散角。

圖4 不同傳輸角度包層光的剝離實驗整體結(jié)構(gòu)圖，(a)為半導體激光器系統(tǒng)，(b)為光纖激光器系統(tǒng) Fig.4 Overall structural diagram of the stripping test of cladding light at different transmission angles. (a)Semiconductor laser system and (b)fiber laser system

3.2 實驗結(jié)果分析

3.2.1 雙包層光纖

使用長為3 m的Nufern LMA-GDF-20/400光纖制作包層光剝離器，纖芯和包層數(shù)值孔徑分別為0.065和0.46。腐蝕前測量系統(tǒng)A、B包層光的最大傳輸角度分別為：9°42′和8°8′。腐蝕該光纖直至兩測試系統(tǒng)的剝離度不再增加，最終腐蝕長度為8 cm，剝離器在系統(tǒng)A的剝離度達21 dB，包層光的最大傳輸角度變?yōu)?°16′。剝離器在系統(tǒng)B的剝離度為14.9 dB，包層光的最大傳播角度變?yōu)?°1′。經(jīng)過剝離，兩系統(tǒng)包層光的最大傳輸角度都接近纖芯的最大容納角為2°27′，說明腐蝕型包層光離器在兩系統(tǒng)中均起到了較好的剝除效果。

由于測試系統(tǒng)中部分包層光經(jīng)合束器耦合進入纖芯，不能被剝除，部分傳輸角度較小的包層光受限于實際腐蝕長度，包層有剩余直徑，不能被完全剝離，導致剝離器在B測試系統(tǒng)的剝離度偏小。

3.2.2 無芯光纖

在雙包層光纖剝離實驗中，由于實際腐蝕長度有限，光纖中存在纖芯，剝離后包層光的最大傳輸角仍大于3°。為排除纖芯的影響，改用無芯光纖制作腐蝕型剝離器。該光纖有別于雙包層光纖，其為單層結(jié)構(gòu)，涂覆層的內(nèi)部是直徑為400 μm的玻璃棒，其數(shù)值孔徑為0.37。將長3 m的無芯光纖分別與兩測試系統(tǒng)熔接，腐蝕前測量半導體激光器和光纖激光器兩系統(tǒng)包層光的最大傳輸角度分別為：11°13′和8°2′。為驗證仿真結(jié)果，初始腐蝕長度為0.5 cm，通過腐蝕減小光纖的剩余直徑，達到該長度下的最大剝離度。之后腐蝕長度依次增加，每次腐蝕結(jié)束后，將腐蝕光纖依次熔接在兩系統(tǒng)后，對比測試兩系統(tǒng)的剝離度和不同剝離度下各角度包層光的功率密度占比。

無芯光纖最終的腐蝕長度為8 cm，系統(tǒng)A的剝離度為27.8 dB，系統(tǒng)B的剝離度為23.99 dB。將兩系統(tǒng)的理論剝離度與實驗測量值相對比，如圖5所示。結(jié)果表明剝離器對A系統(tǒng)的剝離度較高，即腐蝕型包層光剝離器對角度較大包層光的剝離度高。由于光纖包層存在斜光線，腐蝕錐區(qū)會改變包層光的傳輸角度，使得實驗與仿真之間仍存在較小誤差。

圖5 剝離度與腐蝕長度關(guān)系的實驗與仿真對比圖 Fig.5 Experimental and simulation comparison graph of the relationship between the cladding light attenuation and the corrosion length

經(jīng)過剝離，系統(tǒng)A、B中包層光的最大傳輸角度分別變?yōu)?°9′和2°12′。實驗測量了系統(tǒng)B中各角度包層光在不同剝離度下的歸一化功率密度占比，如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)B在不同剝離度下，不同角度包層光的功率密度占比 Fig.6 The ratio of the power density of the cladding light with different angles of the system B at different cladding light attenuation

結(jié)果表明隨著剝離度的增加，包層光的最大傳播角度在減小，最終趨近于0°，即腐蝕型包層光剝離器理論上可以不斷提高剝離度。實驗結(jié)果說明在雙包層光纖激光器系統(tǒng)中，可以通過優(yōu)化腐蝕參數(shù)，如減小腐蝕包層的剩余直徑和增加腐蝕長度，來提高對各角度包層光的剝離效果。

3.3 同帶泵浦激光器剝離實驗

采用Nufern LMA-GDF-20/400雙包層光纖制作包層光剝離器，腐蝕長度為8 cm，封裝后將該剝離器熔接在中心波長為1 018 nm的同帶泵浦激光器種子源后進行剝離實驗，如圖7所示。其中激光器輸出光纖為100/120/360 μm多模光纖，纖芯直徑為100 μm，數(shù)值孔徑為0.2。

圖7 同帶泵浦激光器剝離測試結(jié)構(gòu)圖 Fig.7 Stripping test structural diagram for tandem pumping laser

圖8 同帶泵浦實驗輸出功率和剝離度隨輸入功率變化曲線 Fig.8 Curves of output power and cladding light attenuation as a function of input power in the tandem pumping experiment

實驗開始測量時，剝離器的剝離度較小，在包層光剝離器與端帽之間一定長度的光纖上剝?nèi)ネ扛矊?，涂覆高折射率膠水，進一步剝離包層光，通過測量可知，此時輸出光為芯中光，將同帶泵浦實驗開始剝離的剩余功率減去芯中光的功率即為實際剩余包層光功率值。最終在輸入功率為1 136 W時，剝離度達到18.3 dB，剝離實驗的輸出功率和剝離度隨輸入功率的變化曲線如圖8所示。剝離器采用水冷結(jié)構(gòu)散熱，水溫為15 ℃，在輸入最高功率時，剝離器溫度如圖9所示。

圖9 輸入功率為1 136 W時剝離器熱像圖 Fig.9 Thermal image of the CLS when the input power is 1 136 W

4 結(jié) 論

本文理論研究了包層光剝離器對不同傳輸角度包層光的剝離度與腐蝕長度的關(guān)系。采用雙包層光纖和無芯光纖制作了腐蝕型包層光剝離器，并在傳輸角度不同的測試系統(tǒng)中進行了包層光剝除實驗，實驗結(jié)果與仿真結(jié)果相符合，即腐蝕型包層光剝離器對傳輸角度較大包層光的剝除效果更好。此外，通過增加腐蝕長度，對傳輸角度較小的包層光也可達到較大的剝除效果。將雙包層光纖制作的包層光剝離器對波長為1 018 nm的同帶泵浦激光器進行剝除實驗，結(jié)果顯示，在輸入功率為1 136 W情況下，剝離度為18.3 dB，最高溫度為37.8 °，即腐蝕型包層光剝離器能夠剝離同帶泵浦結(jié)構(gòu)激光器中傳輸角度較小的包層光。