第４９卷 第７期 激光与红外Ｖｏｌ．４９，Ｎｏ．７ ２０１９年７月 ＬＡＳＥＲ ＆ ＩＮＦＲＡＲＥＤ
Ｊｕｌｙ，２０１９
文章编号：
１００１ ５０７８（２０１９）０７ ０８４１ ０８·激光器技术·
於安琪１，闫明鉴１，尹 路１，２，韩志刚１，朱日宏１
，２
（１ 南京理工大学工业和信息化部先进固体激光技术重点实验室，江苏南京２１００９４；
２ 南京理工大学电子工程与光电技术学院，江苏南京２１００９４）
摘 要：高功率激光器无源器件制作过程中封装不当引入的应力，会导致信号光光束质量劣化和光纤温升，为了解决此问题，理论分析了光纤形变对信号光模式分布的影响，利用有限元方法建立包层光 导致光纤发热模型，实验研究了不同封装方式对光纤发热情况和信号光光束质
量的影响。实验表明，应力导致的光纤形变会造成信号光Ｍ２
值在受力方向上略微变小而其垂直方向上变大，在输出１００Ｗ信号光时，施加应力导致的Ｍ２
值的变化最高为０ ３９，与仿真
结果相符。在光纤温升方面，相比于使用硬质胶水带来的１２℃温升，使用硅橡胶封装的剥离
器将温升控制在５℃以内，
且其封装应力引入的Ｍ２
值的变化在０ ０５以内。关键词：光纤光学；高功率光纤激光器；应力；光束质量
中图分类号：ＴＮ２４８ 文献标识码：Ａ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１ ５０７８．２０１９．０７．０１０
Ｓｔｕｄｙｏｎｓｔｒｅｓｓｅｆｆｅｃｔｏｆｆｉｂｅｒｄｅｖｉｃｅｓｉｎｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒｆｉｂｅｒｌａｓｅｒ
ＹＵＡｎ ｑｉ１，ＹＡＮＭｉｎｇ ｊｉａｎ１，ＹＩＮＬｕ１，２，ＨＡＮＺｈｉ ｇａｎｇ１，ＺＨＵＲｉ ｈｏｎｇ
１，２
（１ ＭＩＩＴＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＡｄｖａｎｃｅｄＳｏｌｉｄＬａｓｅｒＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００９４，Ｃｈｉｎａ；２ ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＯｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
ｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００９４，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｈｉｇｈｐｏｗｅｒｆｉｂｅｒｌａｓｅｒｓ，ｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｔｒｅｓｓｏｎｏｐｔｉｃａｌｆｉｂｅｒｗｉｌｌｌｅａｄｔｏｄｅｔｅｒｉｏｒａｔｉｏｎｏｆｌａｓｅｒｂｅａｍｑｕａｌｉｔｙａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｒｉｓｉｎｇｏｆｏｐｔｉｃａｌｆｉｂｅｒ Ｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍ，ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｏｐｔｉｃａｌｆｉｂｅｒｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｎｔｈｅｍｏｄｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｓｉｇｎａｌｌｉｇｈｔｉｓａｎａｌｙｚｅｄｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｌｙ Ｔｈｅｈｅａｔｉｎｇｍｏ
ｄｅｌｏｆｆｉｂｅｒｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｓｔｒｅｓｓｏｎｏｐｔｉｃａｌｆｉｂｅｒｈｅａｔｉｎｇａｎｄｌａｓｅｒｂｅａｍｑｕａｌｉｔｙａｒｅｓｔｕｄｉｅｄｂｙｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｓｔｒｅｓｓｉｎｄｕｃｅｄｏｐｔｉｃａｌ
ｆｉｂｅｒｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｗｉｌｌｃａｕｓｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｃｈａｎｇｅｓｉｎｂｅａｍｑｕａｌｉｔｙ ＴｈｅＭ２
ｖａｌｕｅｄｅｃｒｅａｓｅｓｓｌｉｇｈｔｌｙｉｎｔｈｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆｆｏｒｃｅａｎｄｂｅｃｏｍｅｓｌａｒｇｅｒｉｎｔｈｅｖｅｒｔｉｃａｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎ Ｗｈｅｎｏｕｔｐｕｔｉｓ１００Ｗ，ｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｃｈａｎｇｅｏｆＭ２ｖａｌｕｅｃａｕｓｅｄｂｙ
ｓｔｒｅｓｓｉｓ０ ３９ａｎｄｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｒｉｓｅｃａｕｓｅｄｂｙｓｔｒｅｓｓｉｓ１２℃ ＴｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｒｉｓｅｏｆｔｈｅＣＰＳｕｓｉｎｇｓｉ
ｌａｓｔｉｃｉｓｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｗｉｔｈｉｎ５℃ａｎｄｔｈｅＭ２ｖａｌｕｅｃａｕｓｅｄｂｙｓｔｒｅｓｓｉｓｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｗｉｔｈｉｎ０ ０５
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｆｉｂｅｒｏｐｔｉｃｓ；ｈｉｇｈｐｏｗｅｒｆｉｂｅｒｌａｓｅｒ；ｓｔｒｅｓｓ；ｂｅａｍｑｕａｌｉｔｙ
基金项目：国家重点研发计划项目（Ｎｏ．２０１７ＹＦＦ０１０７１０３）；国家自然科学基金面上项目（Ｎｏ．６１８７５０８７）资助。
作者简介：於安琪（１９９５－），女，硕士，主要从事高功率光纤激光技术的研究。Ｅ ｍａｉｌ：ｙｕ＿ａｑ１９９５＠１６３ ｃｏｍ通讯作者：韩志刚（１９８６－），男，副教授，主要从事高功率光纤激光技术的研究。Ｅ ｍａｉｌ：ｈａｎｎｊｕｓｔ＠１６３．ｃｏｍ收稿日期：２０１８ １１ ８；修订日期：２０１８ １２ １０
１ 引 言
高功率光纤激光器因光束质量好、阈值低、散热
性能好、结构紧凑、功耗低等优点被广泛应用于科
研、工业加工、印刷、打标、医疗以及军事领域［１－３］
。
激光器的输出功率和光束质量都是决定它性能和用途的重要参数，激光器的光束质量研究具有非常重要的意义。
在高功率光纤激光器中，光纤中的包层光的存在会导致无源光纤发热、激光器效率降低、信号光光束质量劣化等问题。因此在制作高功率光纤激光器时，应减少包层光的引入，降低输出功率和输出激光光束质量的劣化［４－６］。王岩山等人分析了谐振腔内外纤芯错位对激光输出功率和光束质量的影响［７］。Ｔｕｒａｎ Ｅｒｄｏｇａｎ从理论和实践两方面分析了包层模式和纤芯中基模的耦合过程［８］。ＹＡＮ等人通过建立光束传播模型讨论了不同方向上的光纤熔接偏移导致的Ｍ２因子的方向性变化［９］。Ｆｕ等人利用模式耦合和模式竞争理论解释了多次熔接导致的效率大幅下降和光束质量大幅劣化的问题［１０］。但制造过程中光纤器件封装不当同样可能导致输出激光变化，以包层光剥离器为例，为使光纤不在水流冲刷下滑脱出腔体，需要使用固定剂将其固定在定制外壳的孔隙内，固定剂固化收缩，引入应力，造成光纤本身折射率和形状的改变，激光传输场发生变化，可能在纤芯中激发高阶模、产生包层光，导致输出激光光束质量、效率发生变化，无源光纤出现发热问题。本文针对该问题，理论分析了光纤形变对信号光模式分布的影响，利用有限元方法建立包层光导致光纤发热模型，实验研究了不同封装方式对光纤发热情况和信号光光束质量的影响。
２ 理论分析
２ １ 光纤受力形状改变模型
已知光纤中的模式分布和模式占比，光束质量的Ｍ２值可以通过下式求得［９］：
Ｍ２
ｘ＝２
ｘ－ｘ０ｚ()
()
０
２∑
ｉ
ｃ
ｉ
Ｅ
ｉｘ，
()
ｙ２
槡ｄｘｄｙ×
∑ｉｃｉ２· Ｅｉｘ，()ｙ
ｘ２
槡ｄｘｄｙ（１）
Ｍ２
ｙ＝２
ｙ－ｙ０ｚ()
()
０
２∑
ｉ
ｃ
ｉ
Ｅ
ｉｘ，
()
ｙ２
槡ｄｘｄｙ×
∑ｉｃｉ２· Ｅｉｘ，()ｙ
ｙ２
槡ｄｘｄｙ（２）其中，ｘ
螺母０ｚ
变速箱取力器
()
０
和ｙ
０ｚ
()
０
是光束中心同一平面内初始
强度位置；Ｅ
ｉｘ，
()
ｙ是模式ｉ的归一化电场分布；ｃｉ是模式ｉ的功率占比。
当光纤受力时，光纤形状发生变化，我们假设其由正圆逐渐变为椭圆，光纤中各模式损耗不同，如图１所示，当光纤横向变窄时，纵向相应的会变宽，Ｙ方向ＬＰ１１模损耗变小，其在光纤中占比变大，Ｙ方向上光束质量变差，而Ｘ方向上ＬＰ１１模损耗变多，其在光纤中占比变小，Ｘ方向上光束质量变好。由于临界处折射率改变，ＬＰ０１模会激发出高阶模，在２０／
润滑油回收４００光纤内表现为变成
Ｌ
Ｐ１１模，即光束质量变坏的情况相较于变好的情况更加明显。
图１ 光纤形状改变示意图
Ｆｉｇ １Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｆｉｂｅｒｓｈａｐｅｃｈａｎｇｅ
当光纤中原始的ＬＰ０１模占７８％，Ｌ１１模占２２％时，计算随光纤横向变窄的光强变化，横向宽度变窄４μｍ，由于模式占比变化，输出光光强分布发生变化。仿真结果如图２所示，光斑由圆形逐渐变为近似的椭圆。
利用式（１）、（２）计算随光纤横向变窄的Ｍ２
ｘ
与
Ｍ２
ｙ
，由图３可知，当光纤横向变窄３μｍ时，Ｙ
方向Ｍ２值增长约０ １，光束质量变差，而Ｘ方向上Ｍ２值下降约０ ０４，光束质量变好。且随着光纤横向变窄，Ｙ方向上光束质量变差且趋势趋于陡峭，Ｘ方向上光束质量变好但趋势趋于平缓。即随着形状的改变，光束质量变差的情况会更加明显。
２
４
８激光与红外 第４９卷
图２ 光强分布图Ｆｉｇ ２Ｌｉｇｈｔｉｎｔｅｎｓｉｔｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏ
ｎ
图３ Ｍ２
与光纤形变量关系
Ｆｉｇ ３ＴｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎＭ２
ａｎｄｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｏｐｔｉｃａｌｆｉｂｅｒ
２ ２ 光纤受力折射率改变模型
当光学介质受到应力时，其折射率就会发生变化，这种现象称为光弹性效应。如果用ｎ表示折射率，用σ表示应力，ｑ表示压电常数，那么折射率倒
数的变化为［１１］：
Δ１／ｎ()２ｋ
＝－２
ｎ３０
Δｎｋ＝ｑｋｊσｊ （ｋ，ｊ＝１，…，６）（３）
那么应力引起的折射率变化为：
Δｎ()ｎＳｘ，０
＝ｎ２
０２ｑ１２－ｑ()１１σ１－σ()
２ｘ，０
＝ｎ２０２ｑ１２－ｑ()１１４ＨＤＤ２－４ｘ()２Ｄ２＋４ｘ
(){
}
２２（４）
Δｎ()ｎＳ０，ｙ
＝ｎ２０２ｑ１２－ｑ()１１σ１－σ()
２０，ｙ
＝ｎ２０
２ｑ１２－ｑ()１１
４ＨＤ２Ｄ２－４ｙ
{
}
２（５）
Δｎ()
ｎＳ０，０
＝ｎ２
０２ｑ１２－ｑ()１１σ１－σ()uvlo电路
２０，０
＝ｎ２
０２ｑ１２－ｑ()１１４{}Ｈ＝ｎ２
０ｑ１２－ｑ()１１
４Ｆπ
{}
ＤＬ（６）
其中，Ｄ为光纤直径，０≤ｘ≤Ｄ／２，Ｈ＝２Ｆ／π
ＤＬ。假设包层和纤芯仅折射率不同而其余性质相同，应力导致的光纤折射率变化仿真结果如图４所示，可以看出，纤芯和靠近纤芯的部分折射率改变较小，
而包层外围折射率改变较大。
图４ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｏｆｏｐｔｉｃａｌｆｉｂｅｒｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ
ｉｎｄｅｘｖａｉａｔｉｏｎｃａｕｓｅｄｂｙｓｔｒｅｓｓ
Ｆｉｇ ４应力导致的光纤折射率变化仿真结果
但由于在包层外还有弹性模量相对远小于包层的涂覆层，光纤折射率的实际改变量非常小且主要位于包层外围，而激光传播主要集中于纤芯和靠近纤芯的内包层，包层外围折射率的改变会较大的影响高阶的包层模式，使其更容易散逸，对信号光的传输效率和光束质量的改变没有太多的影响，却很有可能导致光纤发热。
２ ３ 包层光导致光纤发热模型
包层光导致光纤发热是导致无源光纤损毁的一个重要原因。一般情况下，无源光纤不需要使用特殊手段进行散热处理。然而，在制作无源光纤器件时，通常首先需要将无源光纤中段剥除一个天窗，再对天窗处的光纤进行处理，在此过程中容易引发光
３
４８激光与红外 Ｎｏ．７ ２０１９ 於安琪等 高功率光纤激光器光纤器件封装应力影响研究
纤发热问题。在设计制作千瓦以上的剥离器时，如果不考虑并解决此问题，过高的光纤温度可能会影
响到激光器输出性能甚至烧毁器件［
１２－１３］
。涂覆层将光吸收后产生热量使光纤温度明显上升。可将吸收波导而发热的光纤涂覆层视为体热源，将光纤视为各项同性，则热传导方程为：
开关柜无线测温
２
Ｔ
（ｒ，ｚ，ｔ）＋ｑｋ＝ρＣｋ Ｔ
ｔ
（７）
式中，ｋ为材料热传导系数；ρ为密度；Ｃ为热容；ｑ为热源。温度沿光纤径向分布是连续的，则需满足下述边界条件：
Ｔ１
（ｒ＝０） ｒ＝０
（８）Ｔ１
（ｒ＝０）＝０（９） Ｔ１（ｒ＝ｒ１） ｒ＝
Ｔ２（ｒ＝ｒ１
） ｒ（１０） Ｔ２（ｒ＝ｒ２） ｒ＝
ｈ·［Ｔｃ－Ｔ（ｒ＝ｒ２
）］ｋ２
（１１）
其中，ｒ１，ｒ２分别为内包层和涂覆层半径；Ｔ１为内包层温度（视纤芯和包层为同种材料）；Ｔ２为涂覆层温度；Ｔｃ
为室温；ｈ为环境对流热换系数。用ＣＯＭＳＯＬ软件建立二维的包层光导致光纤发热模型，模拟光纤轴向的发热情况。光纤长度为０ １ｍ，其内包层为直径４００μｍ，折射率为１ ４５２，传热系数为１
煤仓疏松机
３８的熔石英，涂覆层为直径５３０μｍ，折射率１ ３７３，传热系数为０ ２的聚合物。外界温度２０℃，自然风冷情况下，涂覆层吸收１Ｗ包层光时，其最高温度就达到了５９ ２５℃，光纤明显发热，吸收３Ｗ包层光时，最高温度达到１３１ ７６℃，光纤有烧毁可能。图５为包层光为１Ｗ时，光纤涂覆层轴向
温度分布情况。
图５ 包层光导致光纤发热模型
Ｆｉｇ ５Ｔｈｅｍｏｄｅｌｏｆｏｐｔｉｃａｌｆｉｂｅｒｈｅａｔｉｎｇｃａｕｓｅｄｂｙｃｌａｄｄｉｎｇｍｏｄｅ
３ 实验与讨论
本文采用２０／４００双包层光纤（Ｎｕｆｅｒｎ，ＬＭＡ ＧＤＦ－２０／４００ Ｍ）搭建如图６所示的实验系统，测试包层光剥离器封装应力对激光器输出的影响。其中红外热像仪型号为Ｆ
ｌｕｋｅ公司Ｔｉ４００，光束质量分析仪为Ｓｐｉｒｉｃｏｎ公司的Ｍ２
－２００Ｓ。由于包层光剥离
器本身作用就是剥除包层光，其之前的应力影响均不明显，本文主要研究剥离器后端的封装应力对激光器的影响。
实验测得输出激光效率降低的情况并不明显，但输出激光光束质量有明显变化，因此下文主要探
讨光纤封装应力与输出光束质量之间的关系。
图６ 应力对输出光束影响综合测试系统Ｆｉｇ ６Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｔｅｓｔｓｙｓｔｅｍｆｏｒｓｔｒｅｓｓｅｆｆｅｃｔ
用上文所述２０／４００双包层光纤制作三种不同封装工艺的包层光剥离器（ＣＰＳ），接入测试系统６００Ｗ单向泵浦激光谐振腔中。三种不同封装工艺的区别主要在于光线出入口封装固定剂的选择上，设固定剂Ａ、Ｂ、Ｃ分别为硅橡胶，紫外固化胶和硬质胶水。
如图７
所示，三种封装方式的包层光剥离器工作在同一功率（１００Ｗ）、同一环境（室温２０℃）下，封装点最高温度分别为２５ ０℃、２８ １℃和３２ １℃，三者中固定剂Ａ封装的光纤温度特性更好。
为了尽量减小熔接偏移对本次实验的测量结果的影响，光纤熔接时光纤的切割角度均控制在０ ２°以内，摆放角度控制在０ １°以内。实验中手动调节熔接机横向马达进行光纤精确对准，使用功率对准
技术。
４
４８激光与红外 第４９卷
图７ 使用不同固定剂的包层光剥离器工作热像图Ｆｉｇ ７ＴｈｅｒｍｏｇｒａｐｈｙｏｆＣＰＳｕｓｉｎｇｄｉｆｆｅｒｅｎｔｆｉｘａｔｉｖｅｓ
如图８所示，封装方式不同带来的光束质量变化很小但依然存在。使用固定剂Ａ封装Ｃ
ＰＳ时激光器的光束质量最好，
Ｍ２
保持在１ ２２以下。固定剂较硬时，其固化收缩引入的拉力较大，光束质量明
显变差。由于固定剂均匀涂抹在光纤表面，Ｍ２
在各
个方向上均有改变。由于激光器光束质量在千瓦内较为稳定，之后的实验以输出１００Ｗ激光时的光束
质量作为参考。
图８ 接入不同包层光剥离器时Ｍ２
与功率之间关系
Ｆｉｇ ８ＴｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎＭ２
ａｎｄｏｕｔｐｕｔ
ｐｏｗｅｒｉｎｌａｓｅｒｕｓｉｎｇｄｉｆｆｅｒｅｎｔＣＰＳ
光纤封装结构设计不当会引入压力，本文使用夹片夹住光纤，将较难量化的压力转换为螺丝旋进圈数，实现对不同方向施加同样的压力。在剥离器
后端，图６中ａ段光纤上施加水平和垂直两方向的压力，测试系统激光器输出１００Ｗ激光时光束质量如表１和图９所示。
表１ 光纤受力状况与Ｍ２关系
Ｔａｂ．１Ｌａｓｅｒｂｅａｍｑｕａｌｉｔｙｖｓｆｏｒｃｅａｐｐｌｉｅｄ
光纤状态Ｍ２
ｘ
Ｍ
２
ｙ
自由１ ２５１ ２６水平方向受力１ ２５１ ４０垂直方向受力
１ ２７
１ ３２
图９ 光纤水平方向受力，输出１００Ｗ激光时光束质量Ｆｉｇ ９Ｌａｓｅｒｂｅａｍｑｕａｌｉｔｙｗｈｅｎｔｒａｎｓｖｅｒｓｆｏｒｃｅａｐｐｌｉｅｄ
实验结果和仿真结果（图３）吻合，输出激光光束质量与光纤受力方向相关，当水平方向（Ｘ方向）
上受压力时，输出光束由圆变为椭圆，Ｍ２
在Ｘ方向
上的变化在测量仪器误差范围内较难体现，在Ｙ方
５
４８激光与红外 Ｎｏ．７ ２０１９ 於安琪等 高功率光纤激光器光纤器件封装应力影响研究
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