[发明专利]侧向泵浦光纤结构及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及光纤激光器和光纤放大器，具体地指一种用于光纤激光器和光纤放大器的侧向泵浦光纤结构及其制造方法。

背景技术

随着高功率光纤耦合技术和泵浦技术的迅猛发展，高功率光纤激光器和高功率光纤放大器在激光材料加工、国防军事、激光医疗以及科学研究等领域取得了长足的进步，并展现了广泛的应用前景，成为二十一世纪以来的研究热点。目前单根光纤的输出功率已经在千瓦量级，此项技术包含了泵浦光源技术、电源技术、热管理技术、光纤技术，以及非常关键的泵浦技术。其中除了泵浦光源技术外，泵浦技术是实现高性能光纤激光器和光纤放大器的关键和瓶颈。泵浦技术一般来说，指的是如何将泵浦光源的能量有效地耦合进入有源光纤、并被有源光纤纤芯有源掺杂介质离子吸收的方法或技术。因此泵浦技术一般也可称为耦合方法或耦合技术。

大功率光纤激光器或光纤放大器泵浦的耦合方式一般有两种：端面泵浦和侧向(侧面)泵浦。端面泵浦方式转换效率高，但激光的输出功率受端面损伤阈值的限制，降低了泵浦光的耦合效率，也不利于散热控制，从而限制了泵浦光的最大入纤功率和输出激光的光束质量，不适合做大功率激光器；更为严重的问题是，端面泵浦方式将会用到较多的光学耦合器件，这对光学耦合系统的精密程度要求较高，不利于系统的集成，而且光学耦合器件的使用将使得整个系统的稳定性、抗震动性能变差，这使得其系统的使用环境和条件变得苛刻、系统维护成本很高。

针对端面泵浦方式的弱点，人们又进一步发展了光纤耦合的侧向泵浦方式。该方式使泵浦光从双包层光纤的侧面耦合进内包层中，不再受制于端面面积，而且侧向泵浦技术的灵活性也为光纤激光应用带来了新思路和方法，侧向泵浦技术主要有：V型槽侧面泵浦耦合、嵌入反射镜式泵浦耦合、角度磨抛侧面泵浦耦合、熔锥侧面泵浦耦合(应用光学，Vol.32No.3)。

Grudinin.A.B.等人(国际专利WO 00/67350，美国专利US7660034、US7221822)发明了两类光纤——泵浦光纤和有源光纤之间互相接触的边耦合方法，其原理如说明书附图部分的图1所示，其优点是：无端面耦合或者熔接而产生的热量集聚点，这一点十分有利于高功率激光系统；而且是将泵浦光均匀连续地导向有源光纤芯区，这样相比于一般的侧向泵浦方法而言，较大地拓展了耦合长度。但是，其缺点也很明显：首先是对设备要求很高、成本高；而且工艺灵活性差，再者由于两种圆形光纤波导的玻璃包层之间，在横截面上理论上实现光学接触的只是一个点，沿光纤纵向看就是一条线，因此这种技术对于更大功率的光纤激光器应用来说是不可行的；再者，这些文献对两类光纤波导本身并未详细的设计，这对泵浦效率的提高是很大的制约；最后，由于泵浦吸收效率较低，因此所需光纤长度较长，这对于光纤激光器或光纤放大器在高功率工作条件下的非线性抑制，是十分不利的。

授权公告号为CN 1284013的中国专利《外包层为泵浦光波导的双包层光纤的光源侧边耦合方法》描述的侧边耦合方式为：其双包层光纤往复缠绕，使其在某一区域紧密排列成一列，并把这一区域用与外包层相同的材料涂成一完整表面，再将泵浦光耦合棱镜与该表面完全光学接触。这种做法的缺点是用到了耦合棱镜之类的光学器件，这不利于光纤激光器或光纤放大器的高稳定性集成，而且效率很低。

授权公告号为CN 101038353的中国专利《一种高功率包层泵浦单模输出多芯光纤及其制作方法》中介绍了一种高功率包层泵浦单模输出多芯光纤的制作方法，其特征是多芯光纤的包层内存在多个相互平行的结构一致的增益介质纤芯。这种技术对解决稀土预制棒纤芯区域很难做大有些益处，因为多个小的纤芯可同时起到增益的作用。但这样做，实际上对多芯光纤的设计提出了更大的挑战，因为极小的不恰当设计也会导致激光输出光束质量的劣化。

授权公告号为CN210590的中国专利《泵浦光源的侧边耦合方法》也描述了一种侧边耦合方法，其使用多模光纤作为泵浦输入光纤，和双包层光纤进行侧边耦合，其方法是将二者其中一段光纤长度上剥除涂层，然后将二者绕制成圈并保持光学接触，光学接触指的是相互熔融或者互相紧靠在一起。但是此方法并不具备好的实际操作性，而且更重要的问题是，因为只能使用拉锥机等设备对多根光纤进行熔融拉锥或者拉细，使得这种方法仅能使很短长度段的光纤实现光学接触，这事实上会限制泵浦吸收。因此该方法本质上和常见的融锥侧面耦合方法一样，也无法实现很高的耦合效率，从而难以支持高功率激光工作。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种侧向泵浦光纤结构及其制造方法，其光纤结构的泵浦效率高，而制造工艺和耦合设备简单、成本低，尤其适合于高功率光纤激光器和光纤放大器。