泵浦和信号合束器

一．定义

       LBTEK泵浦和信号合束器（简称泵浦合束器）专门设计用来应用于高功率光纤激光器，光纤放大器领域，带(2+1)×1结构，将2路泵浦能量和1路信号能量合成进入单根双包层光纤，泵浦光耦合至双包层光纤第一包层中，信号光在双包层光纤纤芯中传播，实现泵浦能量和信号能量在同一根光纤中传输。

二．特点

1. 泵浦能量和信号能量在同一根光纤中传输。

2. 高泵浦吸收效率。

3. 低插入损耗，高稳定性。

三．说明

1.结构    

       (N+1)×1 泵浦合束器的中心为一根信号光纤，用于信号光的输入（如图1、3所示），信号光纤周围紧密对称地排列着用于泵浦光输入的N根多模光纤。这种泵浦合束器主要应用于光纤放大器和光纤激光器等领域。

图1.(N+1)×1合束器结构示意图。

2.原理

       泵浦合束器的基本原理是对光纤塑形后直接利用熔接的方式实现光束耦合，为达到高的耦合效率，需要满足的条件是：耦合输入光纤(束)的数值孔径NAin不大于耦合输出光纤的数值孔径NAout，即:

NAin≤NAout                  (1-1)

       泵浦合束器的分类可以从结构上分为两大类，一类为N×1型泵浦合束器，另一类为(N+1)×1型泵浦合束器。N×1型结构将N根泵浦光纤合束拉锥后与1根输出光纤熔接，主要应用于光纤振荡器。 (N+1)×1型结构中有一根信号光纤贯穿其中，因此(N+1)×1型泵浦合束器主要应用于光纤放大器和光纤激光器。

       按照公式(1-1)的要求，拉锥后的单根泵浦光纤的数值孔径NAt，应不大于输出光纤的数值孔径NAout，而泵浦光纤拉锥前的数值孔径NAin与其拉锥后的数值孔径NAt的关系为：

NAin×Din=NAt×Dout      (1-2)

其中，Din为拉锥前输入光纤束的总直径，Dout为拉锥后输入光纤束的直径，即输出光纤的直径，可得:

NAin×Din≤NAt×Dout     (1-3)

式(1-3)为N×1型泵浦合束器应满足的条件。

       N×1型泵浦合束器是一种端泵型泵浦合束器。 (N+1)×1型泵浦合束器的结构有两种，一种为端泵型，另一种为侧泵型。端泵型(N+1)×1泵浦合束器的结构与N×1型泵浦合束器基本一致，唯一区别在于端泵型(N+1)×1泵浦合束器的输入光纤束由N根泵浦光纤围绕一根信号光纤共同拉锥构成。为实现高的泵浦耦合效率，端泵型的(N+1)×1泵浦合束器也需要满足式(1-3)的要求。侧泵型(N+1)×1泵浦合束器则是在一根信号光纤的外围分布N根被拉锥的泵浦光纤，而信号光纤并没有被拉锥。为达到更高的耦合效率，它亦需满足式(1-1)的条件，即从侧面耦合到输出光纤的光线角度不应大于输出光纤的临界角。侧泵浦型(N+1)×1泵浦合束器是由侧面熔接耦合技术发展而来的，两种结构的器件工作原理一致。    

3. 制作方法

       端泵型泵浦合束器是基于光纤的熔融拉锥技术而实现的，其制作的基本步骤主要分为三步：第一，对输入光纤进行合束并拉锥；第二，在合束锥区的目标直径处进行切割；第三，将切割后的合束锥区与目标光纤熔接。为实现以上三个步骤的内容，会用到不同的工艺和方法，目前研究报道的端泵型合束器制备方法主要有两种，一种是毛细玻璃套管法，具体操作是将输入光纤穿过尺寸匹配的石英玻璃管中，然后利用高温热源将输入光纤与石英玻璃管一起加热并拉锥，这种方法工艺复杂，操作繁琐，且大部分裸光纤无束缚，容易折断，所以非常不利于切割。第二种端泵型合束器制备方法是将各输入光纤用夹具固定后再通过扭转光纤的方式将其紧密贴合，然后用高温热源对输入光纤束进行熔融拉锥，这种方法需要结构较复杂的光纤夹具对输入光纤进行夹持，且由于光纤扭转，如果工艺控制不到位，可能会引入微弯和宏弯损耗，从而降低泵浦耦合效率。

图2.熔融拉锥前后截面光纤束截面对比图。

图3.拉锥后光纤束实拍横截面图(6+1)×1合束器。

参考文献：

[1]吴娟. 低损耗泵浦合束器技术研究[D]. 中国工程物理研究院, 2014.

[2] Headley C, Yablon A D, MD Mermelstein, et al. Tapered fiber bundles for combining laser pumps (Invited Paper) [C]// Fiber Lasers Ii: Technology, Systems, & Applications. International Society for Optics and Photonics, 2005.

1.MOPA光纤激光器

图1.MOPA光纤激光器结构简图。

       MOPA(Master Oscillator-Power Amplifier，主震荡功率放大电路)激光发生器就是指由激光器震荡器与放大仪联级的一种激光发生器构造。而在工业领域，MOPA激光发生器代指由脉冲电流推动的半导体激光种籽源和光纤传感器组成的一种与众不同的，更加“智能化系统”的纳秒单脉冲光纤激光发生器。其“智能化”主要体现在输出脉冲宽度独立可调（范围可到2 ns-500 ns），且重复频率可高达兆赫兹。调Q光纤激光器的种子源结构是在光纤振荡腔内插入损耗调制器，通过周期性地调制谐振腔内的光损耗而产生一定脉宽的纳秒脉冲光输出。

       （2+1）×1泵浦和信号合束器，在上图MOPA光纤激光器中，作为放大器的泵浦源，可为MOPA激光器中的放大器提供两个泵浦光源输入，极大的提升了激光器的输出功率。