背景：
隨著工業級高功率連續光纖激光器的快速發展，傳統20/400um，25/400um光纖很難做到5KW以上的單根光纖輸出，如需再提升單根光纖的功率值，目前主流的方案是采用石英材料代替樹脂材料的三包層光纖作為增益光纖。此結構中輸出光纖也需要采用匹配的三包層光纖。由于泵浦光在光纖的內包層中傳輸，三包層光纖采用石英材料作為外包層，在制作泵浦剝除器時，需要將石英外包層完全破壞后，再對內包層進行處理。因此，在泵浦剝除器的制作過程和難度上較傳統的雙包層光纖難度都有不小的提升。 一、去除方法 在去除包層光的方法中有涂高折射率導光材料、氫氟酸腐蝕、軟金屬填充等諸多方法,現在工業上常用的方法有氫氟酸腐蝕法和二氧化碳激光刻槽法。但化學腐蝕及刻槽方法處理后的光纖的強度會受到很大影響，強度變差，極易斷裂。而且在使用化學腐蝕法時化學溶劑具有一定的毒性，對人體有一定的傷害。 我們采用二氧化碳銷蝕工藝，對三包層光纖表面進行打孔處理，可以得到6.3dB/cm的剝除效率，處理后剝除器的抗拉強度大于60N，最小彎曲半徑可以小于8cm。 二、處理設備 我們用于制造泵浦剝除器的機器是Fujikura LZM-120A+，如圖1（a）所示，其特點是除了傳統的聚變光束主要是用于光纖熔接，拉錐和燒球，LZM-120A+還具有如圖1（b）所示的銷蝕光束。 圖1（a）藤倉第三代二氧化碳激光熔接工作站LZM-120A+ （b）銷蝕光路示意 二氧化碳激光束首先擴展到約10mm，然后聚焦到直徑約為60μm的小光斑。聚焦的激光束將提供足夠的功率密度直接燒蝕光纖的石英層。這套系統采用高精度電機，可對CO2激光束進行精確控制。二氧化碳激光器如圖1（b）所示，光束可以朝向、平行或垂直于光纖移動。光纖可以同時連續旋轉并沿縱向（平行于光纖的方向）移動。它也可以上下移動，在一定范圍內下降。光纖和CO2激光束的運動，激光功率和時間所有這些都可以精確操作，從而在LZM-120A+中實現全自動CLS制造工藝。 三、優化過程 此次測試選用的光纖為nLIGHT三包層光纖Passive-34/460/530DC，采用激光銷蝕工藝對包層進行處理，分布實驗了不同的方法進行比較，具體如下： a) 光纖環刻法 我們在制作三包層光纖泵浦剝除器時，先采用了橫向刻槽的方法，刻蝕長度1.5cm。槽間距200um，通很低的泵浦光時，光纖也會發熱嚴重，圖2（a）為刻槽后光纖側面圖，圖2（b）為通5W泵浦激光器時的發熱情況，實測泵浦光剝除率為10.3dB。 圖2（a）環刻方式光纖側面圖 （b）通5W泵浦光時溫度測試情況 表1、1.5cm環刻法剝除器測試結果 此種方法剝除效率為6.8dB/cm，如果加長距離可以達到20dB以上的剝除效率，但存在光纖容易斷裂，發熱溫度過高的問題，不適合實際應用。因此，沒有再做加長處理。 b) 光纖橫槽法 由于在光纖上刻環的方法，整圈破壞了光纖的在軸向上的結構，因此，很容易斷裂，為了避免整圈破壞光纖結構，我們嘗試用沿光纖軸向刻槽的方法制作泵浦剝除器，這樣能避免光纖的軸向破壞，增加光纖的強度。圖3為橫槽法理想效果示意圖。 圖3 橫槽法光纖泵浦剝除器理想效果示意圖 實測效果，在三包層光纖刻3條直線槽，深度約72um，長度1cm，由于刻槽的條數較少，剝除率較低，但外觀看光纖的外觀不平整，有毛刺，因此在較低的功率下溫度已經上升到30℃以上。這種工藝條件下，光纖的強度較環刻法上升很多，光纖不易折斷。但由于外觀及效率不佳，因此舍棄此方案。 圖4（a）橫槽剝除器截面 （b）橫槽剝除器溫度測試 表2、1.5cm橫槽法剝除器測試結果 c) 光纖螺旋打孔法 基于環刻法及橫槽法對光纖包層產生連續的破壞，會有毛刺不平整的光纖外觀，影響光纖的強度并產生較高的溫升。為了避免連續的破壞光纖包層表面，我們設計了螺旋打孔的工藝方法，通過出光功率和時長來控制光纖的打孔的深度，通過sweep馬達和旋轉馬達的速度來控制孔的密度和間距。 圖5（a）打孔法光纖側面 （b）打孔法光纖截面 （c）打孔法泵浦剝除器溫度測試 表3、3cm橫操法剝除器測試結果 采用打孔的方法可以做到6.3dB/cm的剝除效率，溫度較刻槽的方法有很大下降；在泵浦功率輸出76W時溫度在31℃左右，外觀平整光滑，較刻槽法平整很多，強度較刻槽法也增強很多，后面我們進行了環刻法和打孔法的強度對比實驗。 四、光纖強度對比 在工業激光器產品中，除了剝除效率這個指標，光纖的強度也是衡量器件穩定性的一個重要因素，我們對比了環刻法及打孔法的機器強度，為了測試在真實使用場景下的情況，我們兩種方案都做了3.5cm的長度進行測試，剝除效率可達20dB以上。采用的拉力設備為日本藤倉公司的CT106+大芯徑切割刀，最大拉力可以設置到100N。設備左右側夾具可設置合適的夾持力夾住光纖使光纖不打滑，測試時將銷蝕的部分懸空，左右側夾具分別夾住光纖兩側，然后施加拉力直至光纖拉斷時記錄測試的拉力值。 圖6 光纖張力測試設備，日本藤倉公司CT106+大芯徑切割刀 圖7 光纖張力測試示意圖 圖8 最小彎曲直徑測試方法 在光纖激光器系統中，光纖除了受到拉力，經常需要進行彎曲，因此光纖的最小彎曲半徑也是衡量光纖強度的一個重要指標，因此我們對刻蝕后的光纖進行了最小彎曲半徑測。光纖一端固定，將光纖打盤成光纖環，通過施加拉力將光纖環不斷縮小，直至光纖斷裂，記錄光纖斷裂時的光纖環直徑，即為最小彎曲直徑。 激光銷蝕法避免了化學試劑方法對人體傷害的風險，是更安全可靠的光纖處理方法；此次采用激光銷蝕方法在三包層上制作光纖泵浦剝除器，通過比較不同的方法，確定了打孔法可以在保證剝除效率的前提條件下，實現光纖的高強度，對提高光纖激光器的可靠性更具優勢。在繼續優化銷蝕設計方案，還有望得到更好的實驗效果。
轉載請注明出處。
相關文章
熱門資訊
精彩導讀
關注我們
