大芯徑集束光纖強(qiáng)激光耦合裝置設(shè)計(jì)

魏少強(qiáng)，李云飛，張鈞堯，魏永杰

（1.核工業(yè)理化工程研究院 激光技術(shù)研究所，天津 300180；2.粒子輸運(yùn)與富集技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300180；3.河北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300130）

引言

隨著光纖制備工藝的不斷提高，利用光纖傳輸激光在工業(yè)加工、醫(yī)療、國防軍事等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。與自由空間傳輸相比，光纖傳輸具備方便集成、無焦點(diǎn)漂移、可柔性長距離傳輸、系統(tǒng)穩(wěn)定、安全性能好等優(yōu)點(diǎn)[1]。光纖的諸多應(yīng)用需要實(shí)現(xiàn)空間光與光纖之間的高效耦合。但受到光源和光纖參數(shù)的限制，通常會(huì)帶來耦合困難。在光纖通信中，需要將自由空間光耦合進(jìn)光纖，得益于光源良好的光束質(zhì)量，田曉等[2]采用單透鏡結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了光纖的高效耦合。在半導(dǎo)體激光光纖耦合系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，郭照師等[3]利用引入修正角的楔形整形鏡補(bǔ)償發(fā)光點(diǎn)的指向偏差，改善激光束的整形效果，實(shí)現(xiàn)了光纖的高效耦合。丁兵等[4]使用無像差平行平板縮束裝置，消除光束暗區(qū)，改善組合光束的光束質(zhì)量，提升光纖耦合的角度填充系數(shù)，實(shí)現(xiàn)了非球面鏡高效仿真耦合。上述成果均基于單色連續(xù)激光，少見復(fù)色脈沖激光合成耦合的相關(guān)報(bào)道。

在多路激光合成傳輸?shù)膱鼍爸?，采用光纖集成耦合的方式，將多路激光通過多合一集束光纖耦合進(jìn)單芯光纖中，達(dá)到光路合成的效果，簡化復(fù)雜的合成光路設(shè)計(jì)，提高應(yīng)用便捷性。利用光纖傳輸?shù)膶挷ǘ翁匦?，?shí)現(xiàn)寬波段多色激光自由合成，這為激光光譜學(xué)研究提供了簡便的激光傳輸方案，適用于復(fù)色激光選擇性共振激發(fā)電離特定同位素的光譜實(shí)驗(yàn)研究中[5-8]。

在利用激光光譜學(xué)研究躍遷截面、振子強(qiáng)度等原子物理參數(shù)時(shí)，需通過高功率多色脈沖激光自由合成，匹配激光-原子相互作用過程，這為光纖集成耦合方式帶來了挑戰(zhàn)。在高重頻、高功率密度的脈沖激光傳輸過程中，為降低光纖損傷風(fēng)險(xiǎn)，需增大光纖截面積，降低激光峰值功率密度[9]。然而激光經(jīng)大芯徑光纖傳輸后，其光束質(zhì)量會(huì)大幅下降[10]，且芯徑越大，數(shù)值孔徑越大，這種趨勢越明顯[11]，光束質(zhì)量下降會(huì)引入大像差，進(jìn)而增加后端光纖的耦合難度。本文基于數(shù)值孔徑不變、芯徑變小的光纖復(fù)色激光耦合，通過非球面透鏡組減小像差，開發(fā)了一套大芯徑四合一集束光纖與單芯光纖之間的耦合裝置，并開展了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了裝置滿足復(fù)色激光共振激發(fā)電離特定同位素的光譜實(shí)驗(yàn)需求。

1 光纖耦合原理

圖1 為光纖耦合裝置示意圖。l為出纖端與L1的間距，d為L1與L2的間距，l′為L2與入纖端的間距。其中左側(cè)為四合一光纖，其出射端是四根光纖的公共端，位于透鏡L1焦點(diǎn)位置；右側(cè)是單芯光纖，其入射端位于透鏡L2焦點(diǎn)位置。L1、L2組成耦合鏡組，ωM1(0)、lM1分別為類高斯光束經(jīng)過L1之后的腰斑尺寸及腰斑位置。根據(jù)幾何光學(xué)成像理論的拉赫不變量原理，若不考慮像差，則激光束經(jīng)過由透鏡組成的光學(xué)系統(tǒng)之后，其光束質(zhì)量保持不變[12]。在相同條件下，基模高斯光束和高階模類高斯光束通過雙透鏡聚焦系統(tǒng)后的腰斑尺寸僅有幾微米的差別[13]。

圖1 光纖耦合裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of optical fiber coupling device

本文采用的光纖芯徑為365 μm、550 μm、910 μm三種規(guī)格，為大芯徑光纖。與之相比，上述差別可以忽略，因此可以參考基模高斯光束的傳輸變換規(guī)律，計(jì)算高階模類高斯光束的傳輸變換特性。在不考慮像差的前提下，采用高階模類高斯光束的傳輸變換規(guī)律，可得混合模類高斯光束通過耦合裝置后的腰斑位置和大小分別為

式中zM=πωM2(0)/λM2，M2為光束質(zhì)量因子，ωM(0)為光纖出光端混合模類高斯光束的腰斑半徑。對(duì)于大芯徑傳能光纖，由于芯徑尺寸遠(yuǎn)大于傳輸波長，光纖中存在較多模式，模場分布復(fù)雜，需要采用幾何光學(xué)理論進(jìn)行分析[14]。為了實(shí)現(xiàn)高效耦合，入射激光需要滿足全反射條件，最大入射角必須在光纖數(shù)值孔徑?jīng)Q定的范圍內(nèi)，且光斑尺寸要小于芯徑尺寸[15]?？紤]衍射損耗，在透鏡處光斑尺寸應(yīng)小于透鏡通光孔經(jīng)的2/3，且聚焦透鏡位置應(yīng)該在準(zhǔn)直光束腰斑附近，即：

式中：d1為準(zhǔn)直透鏡通光孔徑；d2為聚焦透鏡通光孔徑。透鏡焦距未知，根據(jù)幾何光學(xué)成像理論，設(shè)發(fā)散光束光斑半徑為y，發(fā)散角為θ1，聚焦光束光斑半徑為y′，會(huì)聚角為θ2，準(zhǔn)直透鏡焦距為f1′，聚焦透鏡焦距為′，如圖2 所示。

圖2 幾何光束聚焦模型Fig.2 Focusing model of geometric beam

根據(jù)高斯公式可得，式（7）為入射與出射光斑半徑關(guān)系式：

2 耦合裝置設(shè)計(jì)

四合一集束光纖由兩根芯徑550 μm、包層直徑600 μm 和兩根芯徑365 μm、包層直徑400 μm的大芯徑光纖對(duì)角排列組成，數(shù)值孔徑均為0.22，長度均為3 m，物點(diǎn)最大直徑達(dá)到1 150 μm；耦合光纖為單芯光纖，芯徑為910 μm、包層直徑為1 000 μm，數(shù)值孔徑為0.22，長度為10 m，像點(diǎn)最大直徑為910 μm；光纖傳輸波段均為550 nm～750 nm。

為達(dá)到優(yōu)化效果，應(yīng)有l(wèi)=f1′，并且lM1應(yīng)接近兩透鏡間距d，避免造成衍射損耗；為提高耦合效率，需控制聚焦光斑尺寸，因此需分析ωM′(0)變化規(guī)律。由式（2）可知f1′越大f2′越小，則腰斑ωM′(0)越小，為滿足耦合裝置的聚焦作用，需要求f1′>f2′[16]。

根據(jù)上述分析，考慮到加工尺寸不可能太大或太小，選取如下初始參數(shù)進(jìn)行軟件模擬：透鏡孔徑均設(shè)定為30 mm，則根據(jù)式（4）、式（7），準(zhǔn)直透鏡焦距為f1′=45.45 mm；依據(jù)式（5）、式（7）可知聚焦透鏡焦距為f2′=35.96 mm，聚焦光束聚焦角度θM′=0.278，其值略大于接收光纖數(shù)值孔徑；聚焦透鏡放置在準(zhǔn)直透鏡束腰附近，依據(jù)式（6）可知，d=lM1=45.45 mm；將以上結(jié)果帶入式（3）、式（4），可知lM′=35.89 mm，其值小于f1′，并且與f2′接近；依據(jù)式（2）得裝置聚焦光斑尺寸ωM′(0)=0.458 mm，其值小于ωM(0)=0.575 mm，整體表現(xiàn)為聚焦效果。

對(duì)于光纖而言，單色像差主要為軸上點(diǎn)球差，但光纖為大芯徑，物點(diǎn)、像點(diǎn)不能視為點(diǎn)光源；傳輸激光波長范圍較寬，存在垂直色差；其他軸外點(diǎn)像差可不作為主要控制參數(shù)，只將設(shè)計(jì)結(jié)果的子午面和弧矢面像差作為檢驗(yàn)依據(jù)。考慮到光纖數(shù)值孔徑為0.22，數(shù)值較大。為減小球差，不應(yīng)采用普通的球面組合，需考慮非球面透鏡，能有效降低球差。經(jīng)以上計(jì)算，設(shè)定兩片非球面透鏡焦距初始值分別為f1′=45.45 mm，f2′=35.96 mm，經(jīng)軟件模擬優(yōu)化后實(shí)際焦距為f1′=39.22 mm，f2′=25.50 mm，非球面方程為式（8）。方程中包含11 項(xiàng)系數(shù)，其數(shù)值如表1 所示。

表1 非球面方程各系數(shù)值Table 1 Coefficient values of aspheric equation

圖3 是像面光斑的像質(zhì)分析，其中圖3（a）為聚焦端像面的光斑痕跡圖，它表明四路光纖激光經(jīng)整形后會(huì)聚像點(diǎn)的幾何分布，大圓和小圓分別代表芯徑為550 μm 和365 μm 的四路光纖激光像斑，均完全分布在耦合光纖芯徑外邊界范圍內(nèi)；圖3（b）為點(diǎn)列圖，圖中給出了有代表性的3 個(gè)視場，其中左列數(shù)據(jù)為視場值，右列數(shù)據(jù)為像斑直徑，其可分析球差和垂直色差，兩種像差分布均勻度一致；圖3（c）中分別給出了3 個(gè)視場處的子午面、弧矢面垂直像差，像差接近直線，像差矯正較好，最大像差值不大于0.1 mm。結(jié)合考慮圖3（a），設(shè)計(jì)裝置的功能是將光斑聚焦，且不影響激光能量分布。采用光束質(zhì)量分析儀測試的對(duì)比結(jié)果表明，光斑經(jīng)整形后能量分布均勻度不變，且光束質(zhì)量未發(fā)生明顯劣化，因此該像差滿足需求[17]。

圖3 Code V 軟件優(yōu)化圖Fig.3 Code V software optimized diagram

3 實(shí)驗(yàn)與分析

將兩個(gè)非球面透鏡按照設(shè)計(jì)方向定位組裝成模塊，將此模塊機(jī)械固定在整形裝置卡槽中，將四合一光纖出射端和單芯光纖通過SMA905 接口按設(shè)計(jì)方向分別固定在兩臺(tái)三維調(diào)整架上。調(diào)整架分別具備x、y、z三維調(diào)節(jié)，其中激光傳輸方向?yàn)閦軸，調(diào)節(jié)范圍±3 mm；x軸為水平方向，y軸為垂直方向，調(diào)節(jié)范圍均為±1.5 mm。通過調(diào)整保證入射與出射光纖同軸，同時(shí)此裝置可以任意角度擺放固定在光學(xué)平臺(tái)上，圖4 所示為耦合裝置圖。將四路重頻10 kHz，脈寬30 ns 的高重頻脈沖激光分別耦合入四合一光纖，在單芯光纖出口處架設(shè)功率監(jiān)測裝置。光纖通光后，通過精調(diào)兩臺(tái)調(diào)整架，將出射功率優(yōu)化到最大值，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2 所示，該耦合裝置在實(shí)驗(yàn)條件下得到了最大60.6%的耦合效率。

表2 耦合裝置實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Experimental results of coupling device

圖4 耦合裝置機(jī)械調(diào)整結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure diagram of mechanical adjustment for coupling device

依據(jù)幾何關(guān)系，理論光纖耦合效率由公式（9）確定[18]：

式中M2為激光光束質(zhì)量因子，與之對(duì)應(yīng)，MF2為光纖參數(shù)確定的“光束質(zhì)量因子”。經(jīng)計(jì)算，理論耦合效率為62.4%。測試結(jié)果與理論數(shù)值接近，說明通過兩片非球面透鏡組，實(shí)現(xiàn)了良好的像差優(yōu)化。同時(shí)耦合透鏡組引入的少量球差、波長差異帶來的色差、系統(tǒng)裝調(diào)存在的機(jī)械誤差等均引起了耦合效率下降，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果略低于理論數(shù)值。

將該裝置應(yīng)用于釹的復(fù)色激光共振激發(fā)電離實(shí)驗(yàn)中，以檢驗(yàn)效果。將三色激光 “596.766 nm-579.576 nm-640.679 nm”[19]經(jīng)裝置耦合合成后傳輸，在自研飛行時(shí)間質(zhì)譜中與釹原子束作用，實(shí)現(xiàn)共振激發(fā)電離144Nd，通過精確標(biāo)定裝置效率，分別改變?nèi)郊す夤β剩M(jìn)而研究各步躍遷激光飽和功率密度。得到如圖5 所示功率掃描曲線，其中圖5（a）、5（b）、5（c）分別對(duì)應(yīng)第一、二、三步躍遷過程。耦合裝置經(jīng)實(shí)驗(yàn)前調(diào)節(jié)標(biāo)定后，實(shí)驗(yàn)過程中未重復(fù)調(diào)節(jié)。

由此獲得的三步躍遷過程激光飽和功率密度分別為1.14 W/cm2、0.45 W/cm2和12.99 W/cm2，推算得到光電離躍遷截面在10-15cm2量級(jí)。通過光纖耦合裝置，實(shí)現(xiàn)了三色寬波段、平均功率20 W脈沖激光的光纖合成耦合，完成了釹三步躍遷路徑激光飽和功率密度的測量。

4 結(jié)論

為匹配高重頻、高峰值功率的脈沖激光傳輸過程，實(shí)現(xiàn)大芯徑四合一集束光纖與單芯光纖之間的高效耦合，在混合模類高斯光束傳輸變換特性和耦合裝置初始參數(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合軟件模擬和像差分析，細(xì)化了光纖激光耦合裝置的加工參數(shù)，并通過機(jī)械結(jié)構(gòu)裝調(diào)測試，得到了最高60.6%的耦合效率。通過釹的光電離實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該裝置滿足復(fù)色激光共振激發(fā)電離特定同位素的光譜應(yīng)用需求。本裝置經(jīng)首次調(diào)節(jié)后，實(shí)驗(yàn)過程中無需重復(fù)調(diào)節(jié)，大幅節(jié)省了多束激光合成傳輸所需的整備時(shí)間，對(duì)相似大芯徑光纖耦合裝置的搭建具有一定的參考意義。