高功率光纤激光器端面泵浦耦合系统设计

第35卷，增刊V乩35S uppl e m ent红外与激光工程I nf r ar ed a nd L a ser E n gi n eer i ng2006年10月O ct．2006高功率光纤激光器端面泵浦耦合系统设计张俊，冯莹，魏立安，陈爽，李南雷，曹毓(国防科技大学光电科学与工程学院，湖南长沙4l0073)摘要：端面泵浦耦合技术是高功率光纤激光器的常用耦合方式。

在不考虑像差的情况下，采用高斯光束传输的彳B∞定律，参照混合模系数∥的定义，研究了LD尾纤输出的大功率多模激光耦合进双包层光纤的透镜耦合系统，并结合实验给出了设计实例，最后对影响耦合系统的各种因素作出了简要的分析。

关键词：耦合系统；类高斯光束；端面泵浦；光纤激光器中图分类号：T B0435文献标识码：A文章编号：1007—2276(2006)增C—0203-05D es i gn of e nd pum pi ng coupl i ng s ys t em f．orhi gh pow e r f i ber l as erZ H A N G Jun，FEN G Y i ng，W E I L i—an，C H E N Shu an＆L I N an-1ei，C A O Y u(C oll e g c ofO pt oe l c c t roni c s ci ence鲫d En gi ne er i n g，N at i o naJ uni V cr s时of D ef encel．cchnol o gy，C h柚gs ha410073，C hi眦)A bs t ra c t：The t echnol o gy of end pum pi ng cou pl i ng is i n com m on use f or hi g h pow e r f i b er l as e r．St ar i ng行om t he爿BCD l aw of G aus si an be a m and t he de f i ni t i on of m i x ed m o de coe衔ci ent^严a nd t aki ng no a c count of t he qua dr a nt al de V i at i on，a l en s c oupl i ng s ys t em f or m ul t i m ode l as er out put f r om hi gh pow e r L D cou pl i ng i nt o dou bI e cl a d f i b er i s st udi ed，t he n a des i gn i nst a nc e based on exp er i m en t s is gi V e n．F i nal l y，s om e br i e f anal ysi s of f．ac tors af-f ect i ng t he cou pl i ng s yst em ar e m a de．K ey w or ds：C oupl i ng sy st em；G auss i a n—L i kebe锄；End pum pi ng；Fi berl弱erO引言光纤激光器自其首次演示以来一直是最具活力的研究课题之一。

近年来，国际上发展的以双包层光纤为基础的包层泉浦技术，极大地提高了光纤激光器的输出功率…。

与气体或常规固体激光器相比，光纤激光器具有结构简单、体积小巧、散热效果好、转换效率高、输出激光光束质量好等优点。

随着其输出功率的提高，光纤激光器广泛地应用在光通信、印刷、材料加工、机械加工、激光治疗、汽车制造和军事等领域。

泵浦耦合技术作为高功率光纤激光器的核心技术之一，目的是要把几十瓦共至上千瓦的泵浦光功率耦合进直径只有数百微米的双包层光纤里，以获得高的泵浦入纤功率。

由于侧面泵浦和熔接耦合的技术尚不成熟，收稿日期：2006．06．20作者简介：张俊(1982一)，男，四川中江人，硕上研究牛，主要从事离功率光纤激光器方面的研究。

204红外与激光工程：激光技术与应用第35卷端面泵浦耦合是实验室中最常见的耦合方式，也是最简单的方法，在实验开展初期非常有用。

文中住不考虑像差的情况下，根据多模激光的类高斯分布，研究了类高斯光束的透镜传输爿B∞定律，结合具体实验对光纤激光器端面泵浦透镜耦合系统进行了设计和分析。

1光纤激光器耦合系统原理所要搭建的实验耦合系统丰要是将LD尾纤输出的多模激光耦合进双包层光纤的内包层，最简单的方案是采用嗨透镜将泵浦激光耦合进双包层光纤，但是单个透镜将不可避免地产生像差，冈此很难将发散角较大的多模激光聚焦成很小的光斑。

所以采用两个平凸透镜组成聚焦耦合系统，以减小像差，缩小聚焦光斑。

卜—L—蚌卜—上——◆卜—_图l耦合系统原理图Fi g．1P向ci pl e m ap of c0I l pl i ng syst啪光纤激光器透镜耦合系统原理如图l所示。

透镜L1、L2的焦距分别为Z、^，通光孔径分别为d。

、d：，L l与L2之间的距离为上，类高斯光束经过耦合系统前后的半远场发散角分别为氏、氏，物方高斯光束腰斑与L1的距离为，，像方高斯光束腰斑与L2的距离为，’。

不考虑透镜厚度和像差，高斯光束的彳B C D变换矩阵为【2】：M=(g当)=(6{)(一≥：](6j)(一≥：](j；)cl，一=一砉一，’‘≯B=￡+，(一鲁]+，‘(一寺]一，，+≯(2)C=一西。

=-一去一，‘矿式中：西：上+上一上。

上述彳B Cr D矩阵确定了基模高斯光束复参数g的双透镜变换规律。

参考文献131报道，在相同情况下，基模高斯光束和高阶模高斯光束通过双透镜聚焦系统后的腰斑尺寸仅有几个微米的差别，与双包层光纤的内包层(数百微米)相比很小。

所以，针对L D尾纤输出为多模激光的特点，根据混合模系数砰的定义14】，采用了一种简单有效的方法来设计耦合系统：以LD尾纤输出端面作为高斯光束腰斑位置，以基模高斯光束的传输变换规律米简化透镜耦合系统的设计。

设混合模类高斯光束腰斑位于LD尾纤输出端面，腰斑半径为m M(o)，混合模系数为M2，LD激光波长为A，则基模高斯光束的腰斑及其复参数可以表示为14】：邮)=掣．g(o)_，焉笋(3)由高斯光束复参数g传输变换的舶仞定律可知，经过双透镜后高斯光束的复参数g为：g|(o)=揣(4)增刊张俊等：高功率光纤激光器端面泵浦耦合系统设计205聚焦后的腰斑位置处有Re{1／g’(。

)}=。

，(彤．(。

))2=一％lm{％．(。

))，由此可得基模高斯光束的腰斑位置和大小。

所以，混合模类高斯光束的腰斑位置和大小可表示为：㈣‘=此将一州0)_州0)=州小‰)2+(-一纥十，)2]-12式中：zM=7【缈己(哆乞：。

根据参考文献例定义，混合模类高斯光束光斑大小和发散角表示为：础)一啪)丽(7)气(z一∞)2嘭功M(。

)(8)可见，混合模类高斯光束不同于基模高斯光束，必须用缈M(o)和氏两个参数才能描述其传输变换规律。

参照公式(5卜(8)进行耦合系统的设计。

2实验耦合系统设计实验系统结构如图l所示。

泵源为武汉凌云光电牛产的半导体激光器，尾纤芯径200um，数值孔径O．22，中心波长975nm，最人输出功率25W。

所以，设L D输出光束腰斑魄。

f01_100岬，半远场发散角氏(o)=ar csi no．22。

由公式(8)可知，混合模系数∥为71．5。

增益光纤采用烽火通信生产的D形掺镱双包层光纤，内包层尺寸400pm×350“m，数值孔径O．37，掺镱纤芯直径31．5岫。

2．1耦合系统设计思路双透镜耦合系统中，L I主要是配合聚焦透镜L2作为准直透镜。

要获得最好的聚焦效果，须得，=／；‘21。

首先分析∞’M(o)的变化规律。

对公式(6)进行处理变换后得：瓦‘％(。

)=((≯．钿)2+(形)2]-12。

通过对公式(6)分析计算和软件作图(图2)可知：彳或，越大，六越小，则聚焦后腰斑国’M(o)越小；耦合系统总体表现为聚焦作用，所以要求．f>疋；三对聚焦后的腰斑及发散角影响很小。

然后研究耦合系统心满足的条件。

为了满足实验要求，提高系统的耦合效率，舣透镜耦合系统应该满足下面两个条件：图2归一化腰斑的变化曲线Fi g．2C hangi ng cur v esof no彻al i zed G a uss i a n w a i st206红外与激光工程：激光技术与应用第35卷(1)经耦合系统聚焦后，高斯光束腰斑缈。

M(o)≤118¨m，数值孔径瓯≤arcsi n o．37。

(2)透镜通光孔径应该与LD尾纤输出相匹配，并日．考虑衍射损耗。

采用类高斯光束的传输变换规律设计，使L。

与L D尾纤数值孔径匹配，而且在激光光学系统中，当通光孔径为激光光斑的1．5倍时，系统可忽略衍射损耗。

所以，在L l、L2处光斑人小应该满足：删砜(0)丽s％(9)‰(o)=缈M(o)／．(：M z+(，一∥)一％≤％(10)”，+踹式中：‰。

(o)、，M。

分别为高斯光束经过Ll后的腰斑及腰斑位置。

2．2设计实例根据上述耦合系统设计原则，并结合实验室具体情况，选取的透镜参数如下：f=38．1m m，厶=25m m，名=25．4m m，吃=20m m，上=40m m。

通过乇f．算得：‰(，)=8．4517m m，功M1(o)=8。

4545m m，kl=38．1m m，国0(o)=65．6岬，乇=25m m，si n《氏)=o．33。

可知，设计结果满足实验要求，并且2×1．5׉(，)=25．355m m冬dl，2×1．5×∞M l(o)=25．3635m m(略大于d2)，即通光孔径基本满足条件(2)，可以较好地消除衍射损耗。

经过实验测量，缈M。

(o)=7．1m m，乇约为28m m。

可见，上述理论设计与实验结果能够较好地吻合，证明了采用混合模类高斯光束近似的合理性与耦合系统设计方案的可行性。

3耦合系统分析从设计实例可知，耦合系统设计方案基本满足实验要求，经过L，准直后的光束近似为平行光束，有利于L2的聚焦；但高斯光束聚焦后的腰斑远小于增益光纤内包层尺寸，会导致光纤端面功率密度过高，存在严重的热效应，所以应该选取较小的一，适当增大聚焦后的腰斑尺寸；另外，透镜L：的通光孔径仍较小，可选取相对孔径州厂较大的透镜。

￡对设计结果影响较小，但高斯光束是发散的，其传播距离越长，光斑就越大，所以更大的三就要求￡2有更大的通光孔径，所以应尽量减小上，以便选取相对孔径较小的透镜，有利于透镜的加工；而且在耦合系统中，传输的高斯光束光斑要求尽可能小，因为光斑越大，越偏离光束及系统的轴线，降低耦合效率，所以应尽量减小正、厶，这样还可以使得系统结构尺寸减小；如果考虑到像差，实际聚焦光斑尺寸要大于缈’。