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3. 高能激光技术湖南省重点实验室
——光纤功率合束器
高功率光纤激光是激光技术领域的热点,近年来我国取得飞速发展,并在工业制造、生物医疗、科学研究、军事国防等领域得到了广泛应用。尤其是在工业制造领域,千瓦、数万瓦甚至十万瓦的高功率光纤激光器在金属打孔、多轴切割、远程焊接和激光熔覆等方向的应用都已成为现实。
但随着高功率、高亮度LD和双包层光纤制造工艺的发展,光纤激光器输出功率不断提高,目前单根单模光纤激光器输出功率已经达到万瓦级,并且存在一定的提升空间。然而,由于热损伤、非线性效应、模式不稳定等因素的制约,单根单模光纤激光器的输出功率不可能无限提升。
美国利弗莫尔国家实验室Dawson等通过试验证明,单模宽谱光纤激光的输出功率极限约为36.6 kW。由于继续提升单个光纤激光器的输出功率变得越来越困难,更多的人意识到只有通过光纤激光合成技术才能突破单根光纤激光器的功率提升瓶颈。其中,基于光纤功率合束器的光纤激光合成技术可以实现全光纤化,具有结构紧凑、可靠性高、成本低、稳定性良好等优势,目前被广泛应用于大功率全光纤激光器系统中。光纤功率合束器是高功率光纤激光的核心元器件,攻克其关键技术,实现高效率、高功率及高光束质量的光纤功率合束器研制,已成为当今光纤激光领域亟需解决的关键问题。
光纤功率合束器的基本结构和制备流程
光纤功率合束器的作用是将多路大功率光纤激光合成到一根光纤里面输出,得到的输出功率为各路激光功率之和。
光纤功率合束器的基本结构如图1(a)所示,主要包括三个部分:多跟输入光纤、熔锥光纤束和输出光纤。制作过程中,首先将自由输入光纤按照一定的方式进行组束,然后对组束的输入光纤束进行熔融拉锥形成熔锥光纤束,最后将熔锥光纤束在锥腰处切断,并与输出光纤熔接,完成合束器的制作。一般而言,为了实现好的合成效果,输入光纤都是单模或者少模光纤。输入光纤的数目和排布方式可以根据实际需求进行选择和设计,图1(b)给出的是常见的几种输入光纤排列。
(a)侧面图
图 1 光纤功率合束器的基本结构示意图
在实现光纤功率合束器的制作过程中,熔融光纤束的组束拉锥是比较关键的一步,目前熔锥光纤束的制作方法主要包括扭转法和套管法两种。
扭转法是指在完成对输入光纤组束之后,通过扭转的方法使光纤与光纤之间紧贴在一起(类似拧毛巾),再对光纤进行加热拉锥,从而得到熔锥光纤束。对熔锥光纤束进行切割并与输出光纤熔接,就得到了扭转法制作的光纤功率合束器,如图2所示。
图2 扭转法
套管法是指在输入光纤组束的过程中,将输入光纤的全部裸纤区域和部分带涂覆层的区域一起插入内径略大于光纤束等效直径的玻璃管里,然后将玻璃管和其内的光纤束一起拉锥得到熔锥光纤束。再对熔锥光纤束进行切割并与输出光纤熔接,就得到了套管法制作的光纤功率合束器,如图3所示。
光纤功率合束器发展现状
由于光纤功率合束器在实现高功率光纤激光的重要作用,目前国内外许多单位对其进行了相 关研究。
关于光纤功率合束器的最早报道出现在IPG公司20 kW大功率光纤激光器系统的专利中。该系统中光纤功率合束器主要用于将多个单模光纤激光器进行合束,进而增加激光振荡器的泵浦光功率,如图4所示。功率合束器实现的泵浦激光在功率和亮度方面相比LD泵浦激光都有了大幅的提升,这也单纤光纤激光实现更高功率提供了泵浦条件。基于此,IPG公司在2009年和2013年分别实现10.5 kW和20 kW少模单纤光纤激光输出。
图4 美国IPG公司专利20 kW光纤激光器系统示意图
此后,以色列特拉维夫大学、丹麦科技大学、美国JDSU公司、德国耶拿大学等科研高校和企业对光纤功率合束器进行了研究,分别采用扭转法、套管法制作了光纤功率合束器,并进行激光合束试验。基于扭转法制备的光纤功率合束器,输出功率都不太高。近些年来,光纤功率合束器普遍采用套管法结合低折射率玻璃管的制作方法。
近年来,国内相关单位在光纤功率合束器方面也开展了很多研究,如武汉锐科激光、清华大学、国防科技大学等都有专利或者成果的报道。2012年,锐科激光的闫大鹏等人利用4路输出功率为1100 W的20/400 μm光纤激光器模块和一个4x1光纤功率合束器进行激光合束,实现了输出光纤为50/400 μm的4 kW光纤激光输出,但报道中没有给出光束质量等信息。
国防科技大学在光纤功率合束器方面进行了大量的研究工作,建立了大功率光纤器件的研制平台,实现了可承载高功率的光纤功率合束器和光纤端帽的制作。在2015年实现了输入光纤为20/400输出光纤纤芯直径为100 μm的7x1光纤功率合束器的研制,结构见图5,效率达到98%以上,承载功率达到6.08 kW,光束质量M2等于10。在进一步提高7个输入光纤激光器的输出功率后,于2016年实现了输出光纤为 100 μm、合成功率达到12 kW的光纤激光合成,并实现了长时间的稳定出光,为国产工业化大功率光纤激光的产业化迈出了重要的一步。为了获得更高功率光纤合束激光,2019年国防科技大学研制了19x1的输出光纤为100 μm的光纤功率合束器,并分别实现了25 kW和30 kW 的光纤激光合成。
图5 输出光纤为100 μm 7x1光纤功率熔接点显微镜照片;(a) 光纤束截面图;(b) 熔接点输出光光纤的截面图
工业用的多模光纤激光器都是基于光纤功率合束器来实现高功率激光输出,其对合成光纤激光的光束质量要求不高,所以输出光纤的纤芯直径一般较大,一般为100~300 μm,有的甚至为600-1000 μm,输出光纤纤芯直径越大,熔融组束的拉锥比例越小,相对降低了光纤功率合束器的制作难度,目前工业上用的这种光纤功率合束器也已经相对成熟。
如果要实现高功率的激光合束输出并保持高的光束质量,必须要把输出光纤的纤芯直径变小,由于拉锥比例较大,光纤合束器的制作难度变大。
针对输出光纤芯径变小的光纤功率合束器,基于制作工艺水平的提高,国防科技大学的课题组研制了输出光纤为50/70/360数值口径为0.22的7x1光纤功率合束器,并于2016年、2018年和2020年分别实现了6 kW、14 kW和20 kW的光纤激光合成,光束质量分别M2为4.3、5.37和5.5。为了进一步提高合成激光的光束质量,针对输出光纤为50/400的数值口径为0.12的光纤合束器进行了研制,基于研制的3x1、4x1和7x1合束器分别于2020、2021和2022年分别实现了6 kW、12 kW和20 kW的光纤合成激光,光束质量也都有了大幅提升,光束质量分别M2为3.6、4.0和4.5。
基于实验室研制的光纤功率合束器,还实现了同带泵浦用1018 nm的光纤激光器的高功率合成,分别用50 μm和100 μm为输出光纤分别实现了大于2 kW和5 kW的1018 nm激光合成,为实现单纤高功率光纤激光提供了亮度极高的泵源。除了实现光纤激光的合成外,还实现了超连续谱光源的合成,基于3x1和7x1的功率合束器实现了200 W和700 W的超连续谱合成,突破了单根光纤实现高功率超连续谱光源的极限。
另外,光纤端帽是针对高功率光纤激光器和放大器输出端面处理设计的高功率器件。目前该实验室已经建立了制作光纤端帽的实验平台,可以实现任意玻璃锥棒和光纤的高强度低损耗熔接,不同类型的端帽结构见图6,光纤功率合束器测试实验中,所使用的端帽均是实验室自主研制的,在承载万瓦及以上功率时都表现出了良好的性能。
图6 各种不同规格的端帽熔接
光纤功率合束器的关键工艺技术
光纤功率合束器的制作流程主要有四个步骤:多根光纤的组束熔融拉锥、组束拉锥光纤的切割、与输出光纤的熔接以及合束器的封装。要完成一个可承载高功率的高光束质量光纤功率合束器每一个步骤都非常关键,其中主要的工艺难点有:
(1) 高纤芯占空比的多根光纤的紧密排布
多根光纤的紧密排布是组束熔融拉锥的前提条件,目前多根光纤紧密排布的方式主要有两种:扭转法和套管法。扭转法也是目前制作端面泵浦耦合器的主流方法,主要是通过一个7孔管或者19孔管对光纤进行空间定位,然后再扭转实现光纤的紧密排布。套管法是利用玻璃管作为多根光纤的约束夹具,实现多根光纤的规则排布。
另外,由于目前市场上最常用的数千瓦量级光纤激光,输出光纤内包层多以250和400的光纤为主,如果直接将7根包层直径为250和400的光纤进行组束,纤芯的占空比将非常的小,若使输入光纤耦合进输出光纤,组束光纤的拉锥比例将非常大,增大了拉锥难度,如何增大大直径包层光纤的纤芯占空比,即如何减少包层直径,是目前实现光纤功率合束器的关键工艺。目前常用的方式是强酸腐蚀法,如何确保强酸腐蚀光纤表面的平滑度以及锥度的控制是需要首先突破的工艺。
(2) 组束光纤的超低损耗、任意直径拉锥技术
多根光纤紧密排布后,将对组束光纤熔融拉锥,目前熔融拉锥的设备已经比较成熟,热源也分为多种,其中主要包括氢氧焰、三电极、石墨丝以及最新推出的二氧化碳激光器。由于输出光纤的芯径一般都比较小,拉锥时需要对组束光纤进行大比例拉锥,这样就需要对拉锥参数进行优化,实现超低损耗、组束光纤的任意直径熔融拉锥。拉锥完成后,组束拉锥光纤的切割也是一项关键技术,需要大量的研究工作选择合适的切割刀和严格的参数优化实现组束拉锥光纤的高标准切割。
(3) 组束拉锥切割后光纤与输出光纤的低损耗熔接技术
组束拉锥光纤切割好后,与输出光纤熔接将是制作合束器的最关键一步,熔接损耗的高低直接决定了光纤功率合束器的效率和承载功率的大小。必须通过优化熔接参数或者通过前面的 腐蚀技术将输出光纤的包层直变小,实现两者的超高质量的熔接。
(4) 输出光纤的包层光高效滤除技术
在合束器制作完成后,输出光纤中的光或多或少都有部分光耦合进包层中,包层光在进入输出端帽时将发散到端帽的边缘,转化成热量使端帽温度急剧升高,因此需要对合束器的输出光纤进行有效的包测光滤除。
光纤功率合束器制作完成以后,需要对光纤合束器进行封装散热保护,功率合束器的效率虽然一般都在98%以上,但是在承载高功率时部分损失的光转化为热量使合束器产生温升,所以如何实现高效制冷封装合束器使其变为成熟的器件也是比较关键的工艺技术。
光纤功率合束器是实现高功率光纤激光的核心元器件,但是基于光纤功率合束器要实现高功率、高光束质量的合成激光输出还有众多的关键技术需要进一步突破。