与传统的固体激光器类似，

光纤激光器的主要抽运方式，

也可以分为端面抽运耦合

与侧面抽运耦合。

这两种耦合方式细分为哪些技术方案？

各种方式又有何特点？

下文为你介绍。

光纤激光器中的端面抽运

端面抽运耦合是指抽运光从光纤的端面进入增益光纤，其优点是只要满足光纤内包层直径和数值孔径(NA)与抽运源输出尾纤尺寸和数值孔径相匹配，就能够实现高效率耦合，同时端面抽运结构简单，易于实现。但是，一根完整的光纤只有两个端面，最多只能容纳两个端面抽运耦合点，这将会限制抽运耦合功率的扩展。此外，抽运耦合处容易形成过热点，可能对光纤造成损伤或者直接烧毁光纤。端面抽运耦合方法众多，比如分立光学元件端面耦合、直接熔接端面耦合、普通光纤熔融拉锥端面耦合、光子晶体光纤(PCF)熔融拉锥端面耦合等。

分立光学元件端面耦合

分立光学元件耦合是采用透镜(组)等分立光学系统将激光二极管输出激光耦合进入增益光纤内包层，如图1所示，图中DCF为色散补偿光纤。通常激光二极管的输出要经过光学整形。此方法要获得高耦合效率，需要保证激光二极管整形后的输出激光亮度高于光纤内包层能够容纳的激光亮度，并且需要确保抽运源输出端、耦合系统和增益光纤入口之间位置的精密对准。

图1 分立光学元件端面耦合示意图

2014年Ramachandran等利用二向色镜以及数值孔径低至0.046的掺镱光纤，采用2个975 nm的二极管阵列作为抽运源，得到了3 kW的激光输出，如图3所示(HR表示高反射率)。如果光纤的数值孔径变得更低，可以获得更高的激光输出。这种方法利用分立的光学元件来实现抽运光耦合，需要非常精密的调节，系统稳定性不高，并且扩展能力较差，一般局限于实验室研究。

图2 分立光学元件固体激光器端面抽运示意图

图3 分立光学元件二向色镜端面抽运的(a)示意图和(b)实物图

直接熔接端面耦合

对于自由空间输出的LD，需要采用分立光学系统进行耦合。随着LD的发展，尾纤输出的LD在输出功率、输出激光亮度和稳定性方面都有极大的提升。而采用尾纤输出的LD作为抽运源，其尾纤可以与双包层光纤直接进行熔接，从而实现高效抽运耦合。

基于普通双包层光纤

以直接熔接端面耦合的方式对普通双包层光纤进行抽运，示意图如图4所示。由于熔接后双包层光纤与LD尾纤成为一体，无法在它们之间插入分立光学元件而构成谐振腔，需要用光纤光栅(FBG)来为激光提供反馈谐振。另外，LD尾纤的熔接占用了双包层光纤的整个端面，无法再注入信号光，所以此结构只能应用于光纤激光振荡器。

图4 直接熔接端面耦合示意图

基于定制光纤

基于定制光纤的端面耦合方法是由Peterka等在2005年提出的一种新的端面抽运方法。此方法的最大特点是掺杂的双包层光纤为截面形状定制的光纤，截面形状如图5所示。

图5 基于定制光纤的端面抽运耦合原理示意图

掺杂双包层截面形状设计需要满足两个要求：

1. 双包层光纤与两根输入光纤的形状尽量接近以实现与信号光纤和抽运光纤的良好熔接；

2. 需要保证抽运光在双包层光纤中能够被纤芯有效吸收。

实验中，只需要将抽运光纤与信号光纤平行排列，并与定制的双包层光纤熔接即可实现抽运光到双包层光纤的耦合。2006年，Peterka等采用此方法搭建了一台环形腔光纤激光器，实现了斜率效率为26%的激光输出。此方法既可以应用于光纤激光振荡器，也可以应用于光纤激光放大器，但其结构复杂，耦合效率低。

普通光纤熔融拉锥端面抽运耦合

熔融拉锥端面抽运耦合器是将多个光纤合成到一根待耦合光纤。待耦合光纤可以是多模(MM)光纤也可以是双包层光纤。其制作过程是将多根光纤组成一束，然后在高温下加热拉伸，使其互相熔合并形成锥形过渡区，最后将其切断，与输出光纤熔接。根据应用方式可以将熔融拉锥端面耦合器分成两类：N×1光纤熔锥端面耦合器和(N+1)×1光纤熔锥端面耦合器。

N×1光纤熔锥端面耦合器的制作过程是：将N根多模输入光纤熔融拉锥并截断，然后和一根多模光纤熔接。这种器件主要应用于光纤激光振荡器中。7×1抽运耦合器示意图如图6(a)所示。(6+1)×1抽运耦合器示意图如图6(b)所示。

图6 熔融拉锥端面抽运耦合器示意图.(a)7×1抽运耦合器;(b)(6+1)×1抽运耦合器

对于这种耦合方式，各大公司和研究单位都进行了大量研究。一种方法是直接将光纤进行合束拉锥，如图6所示。为了保证在高温加热时光纤能够互相贴合，在拉锥之前需要将光纤束进行缠绕。另一种方法是Kosterin等提出的采用低折射率石英管将光纤束包裹，如图7所示。在熔融拉锥过程中，利用石英管塌陷的压力来实现光纤束的贴合。2007年，加拿大ITF公司实现了7×1熔锥端面耦合器的千瓦级激光合成。

图7 石英玻璃管包裹熔融拉锥端面耦合示意图

在国内，2015年国防科技大学以及2011-2015年间清华大学都进行了相关实验。

图8 国防科技大学熔融拉锥端面横截面示意图

光子晶体光纤熔融拉锥端面抽运耦合

光子晶体光纤熔融拉锥端面耦合与普通光纤熔融拉锥端面耦合类似，也可分为(N+1)×1光子晶体熔锥端面耦合器和N×1光子晶体熔锥端面耦合器，不同点在于输出光纤为光子晶体光纤。

丹麦NKT公司于2007年提出了光子晶体光纤耦合器。光子晶体光纤熔锥端面耦合器由普通光纤束、光子晶体光纤锥形过渡区和作为输出的光子晶体光纤组成。它与普通光纤耦合器有两个不同点：一是输出光纤不同；二是锥形过渡区不同，光子晶体光纤熔锥端面耦合器的锥形过渡区是一个熔融拉锥的光子晶体光纤。

NKT公司也开展了(N+1)×1光子晶体光纤熔锥端面耦合器的研制工作。Ward等于2010年提出了与图10类似的(N+1)×1光子晶体光纤熔锥端面耦合器，不同点是锥形过渡区采用了化学腐蚀阶跃折射率光纤制作而成。这个方法的优点是在锥形过渡区，光纤的纤芯没有发生形变，可以降低信号光的插入损耗；缺点是制作工艺特别复杂。

此外，NKT公司开发出了另一种端面抽运(N+1)×1光子晶体光纤熔锥端面耦合器。多根抽运光纤围绕中心的光子晶体光纤对称排列，形成反向光纤束。光纤束的端面处，每根光纤切割成镜面，并排列成一个平面，然后将这个平面与一个平凸透镜的平面紧密接触。平凸透镜的曲面处镀有双色膜层，能够对抽运光形成高反射，对信号光形成高透射，利用该透镜可以使抽运光通过透镜凸面的反射而耦合进入中心光子晶体光纤内包层，同时保证信号光透过透镜输出。采用此方法，NKT公司于2010年实现了55 W抽运耦合，耦合效率达到86.5%。

2014年，NKT公司设计了(6+1)×1型耦合器。2016年，Glebov等利用法国ALphANOV公司生产的(6+1)×1耦合器以及NKT公司生产的DCG200/40GPZGYb光子晶体光纤设计了一种激光器，其抽运功率超过了300 W。

光纤激光器中的侧面抽运

侧面抽运耦合是指抽运光从光纤的侧面耦合进入增益光纤内包层。光纤的侧表面积远远大于端面面积，为侧面抽运提供了非常广阔的耦合区域。侧面抽运将不再像端面抽运一样仅仅局限于两个点，因而有非常强大的可扩展性。

侧面抽运耦合的种类繁多，根据抽运源的不同将其分为两类：

1. 采用自由空间输出LD作为抽运源，以分立光学元件作为耦合元件；

2. 采用尾纤输出LD作为抽运源。

表1 光纤激光器中的由空间输出LD侧面抽运

尾纤输出LD侧面抽运是以自由空间输出LD作为抽运源，可以降低成本，但是系统需要复杂的分立光学耦合系统，并且需要精密调节，这导致系统稳定性较差，集成度不高。采用尾纤输出的LD作为抽运源，配合全光纤侧面抽运耦合器，可以实现全光纤化的抽运结构。全光纤侧面抽运耦合器由抽运光纤和待耦合光纤组成，抽运光纤将抽运光从侧面耦合进入待耦合光纤。通常待耦合光纤为双包层光纤，双包层光纤的大内包层面积和大数值孔径可以容许多模高功率低成本的LD作为抽运源。

表2 光纤激光器中的尾纤输出LD侧面抽运

总 结

高功率光纤激光器的应用前景巨大，输出功率的进一步提升将是未来主要的发展方向，而光纤激光器的抽运水平将直接影响激光器输出功率的高低。目前高功率光纤激光器正在向集成化、全光纤化方向发展，GTGwave技术和双向侧面抽运耦合是卓有成效的抽运方式，代表了目前高功率光纤激光器的最高发展水平。今后光纤激光器的抽运功率、输出功率将会不断提升，耦合效率也将不断提升，另外，也势必会有更加完美的抽运耦合方式出现。

作者：

肖起榕1,2,张大勇2,王泽晖1,黄昱升1,张利明2,李丹1,闫平1,巩马理1

1清华大学精密仪器系2固体激光技术重点实验室

肖起榕,张大勇,王泽晖,黄昱升,张利明,李 丹,闫 平,巩马理 高功率光纤激光抽运耦合技术综述[J]. 中国激光, 2017, 44(2): 201008

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