丁星;葛廷武;张雪霞;曹银花;王智勇
【摘 要】随着光纤激光器迅速发展,单根光纤导光功率的提高对光纤之间的熔接也提出了更高的要求.在光纤的熔接处理中,涂覆层切口处边界条件的变化导致光波泄漏,这种损耗会成为高功率光纤激光器热效应问题的一个因素.本文根据光波传导方向的先后将涂覆层切口分为前切口和后切口.首先理论研究了两种切口处的光模场分布,并分析了引起切口热效应的主要原因:前切口发热原因主要有波导结构突变导致模场不匹配引起损耗和涂覆层光波泄漏引起的损耗,因此切口形状有较大影响;后切口处损耗则是因为耦合损耗引起.其次,实验研究了几种涂层形状在前切口和后切口的发热特征和温度差异,绘制了前切口不同形状引起的漏光和后切口温度与涂覆层剥离长度的关系曲线.%With the development of fiber laser,the improvement of single fiber power also put forward higher require-ments for fiber fusion splicing.In the fusion process of optical fiber,the change of boundary condition at the cut of the coated layer leads to the leakage of the light energy,which will be a factor that causes the thermal effect of high power fiber laser.According to the direction of the light propagation,the coating cut is divided into the front cut and back cut. Firstly,the optical mode field distribution of two cuts was studied in theory,and the main reasons of cut thermal effect were analyzed.As waveguide structure change leads to model field mismatch and light leakage of the coated layer,this is the reason of the front cut thermal effect,so cut shape has a large effect;the coupling loss causes the back cut loss.Sec-ondly,the heating characteristics and the temperature difference of the shapes of several coating cuts were studied through the experiments.The light leakage effects caused by different shape front cuts were obtained,and the relation-ship between the temperature of the back cut and the stripping length of the coated layer was gotten.
【期刊名称】《激光与红外》
【年(卷),期】载体构建2017(047)004
【总页数】5页(P443-447)
【关键词】激光器;全光纤激光器;涂覆层切口;高功率
【作 者】丁星;葛廷武;张雪霞;曹银花;王智勇
【作者单位】北京工业大学激光工程研究院,北京 100124;北京工业大学激光工程研究院,北京 100124;北京工业大学激光工程研究院,北京 100124;北京工业大学激光工程研究院,北京 100124;北京工业大学激光工程研究院,北京 100124
【正文语种】中 文
【中图分类】TN245;TN248
光纤激光器具有很大的表面积体积比,相比于固体激光器具有更强的散热能力。但是光纤的结构决定了其有较小的直径,光纤上某一点边界条件的变化导致光泄露在很小的区域。随着激光功率的不断提高,损耗引起的热功率也随之增加。热效应对激光器的影响也越来越突出 [1-4]。对于高功率光纤激光器,光纤涂覆层切口处微小的损耗可能使较多的热量聚集在很小的区域。光纤涂覆层通常由丙烯酸酯或掺氟丙烯酸酯等有机聚合物组成[5]。相比于石英,涂覆层是整个光纤熔点最低部分。当涂覆层温度超过130 ℃就有可能烧毁[6-7]。要使光纤激光器长期稳定的工作,通常涂覆层温度小于80 ℃,特别是熔点附近的涂覆层,由于波导结构突变使光波泄漏出包层，特别容易造成局部高温,在光纤后切口处热效应尤为明显。 光纤涂覆层切口一般位于熔点前后或关键器件中。由于光纤熔接带来的光束模式变化或器件对光束的影响可能会造成前后切口不同的传导模式[8]。当这些模式光波在经过不同的边界条件的切口处时就会因损耗引起局部发热。本文以20/400光纤为例,分析了光纤前后涂覆层切口处光纤传输以及热效应的影响。 图1为光纤切口位置结构图。光纤切口产生损耗的原因是多种多样的。有的是因为涂层剥除过程中导致包层物理性质改变引起,但本文不做讨论。本文只讨论涂层突变的影响。对于光纤前切口漏光主要有两个原因,一方面由于光纤制作时不可避免的缺陷导致光散射在涂覆层传播,这部分光在切口处散射出去；另一方面是由于模场不匹配产生耦合损耗引起的热效应。光在光纤包层中传输时包层中占绝大部分能量,涂覆层中靠近包层的界面也会有微小的能量,这两部分光能量独立传播于光纤包层和涂覆层中。包层光模式阶数越高涂覆层中光能量所占比例越大。当包层边界条件由涂覆层变为空气时就会有一部分光泄露出来。如果光纤包层中有大量模式存在,涂覆层功率所占比例可近似为:
其中,V为涂覆层包层的归一化频率；n0为包层折射率；n1为涂覆层折射率；a为包层半径,M为光纤包层模式数；Pcoat为涂覆层功率；P为包层和涂覆层功率之和。本文实验用N
uffern光纤型号为LMA-GDF-20/400-M,包层直径约为400,折射率1.452。涂覆层直径约530,折射率1.373。涂覆层中边界传播光波所占总功率比约为0.002,即当泵浦功率为500 W时涂覆层中模场功率约为1 W。
光纤制作时不可避免地产生缺陷,如折射率分布不均和折射率边界微弯损耗等。这些缺陷会引起光波散射,光纤中功率较高会产生径向热梯度。这些都会导致光纤中较低阶模式能量向高阶模式耦合。对于空气中光纤包层可以容纳的高阶模式在涂覆层中就会泄露出来。因为光纤包层裸漏在空气中时具有较大的归一化频率。
其中,n2为空气折射率；v1为包层裸漏在空气中的归一化频率；v2为有涂覆层光纤归一化频率。当光纤模式较多时,模式数为:
当光在包层中传输,由空气变为涂覆层作为边界条件时,损耗模式数为:
因空气涂层包层波导归一化参数大于聚酯涂层波导归一化参数,空气包层波导比聚酯涂层包层波导可容纳更多的模式。当光经过后切口时将有部分高阶模式因不满足新的边界条件而透射到涂覆层中。以LMA-GDF-20/400-M为例,空气涂层包层400光纤中模数约为1400,带涂
覆层包层模数约为600。光波从空气包层传导到带涂覆层光纤时,最多损耗高阶模数约为800。光纤自身的散射在传导过程中低阶模式的能量不断向高阶模式转化,涂覆层剥离部分是高阶模式能量积累的区域。剥离长度越长后切口处高阶模式损耗能量就越多。
本文通过有限元分析方法(Finite Element Analysis,FEA)和光线追迹(Ray Trace,RT)两种方法分析了前后切口光线的泄漏和模场失配引起的损耗。图2(a)和图3,三个图使用RT构建了光纤涂覆层前后切口的模型,但是不能准确描述模场失配引起的损耗。图2(b)使用FEA对光纤前切口光由涂覆层包层结构传导至空气包层结构时,因为模场失配导致涂覆层光波电场的发散。这几个仿真图描述了光波通过切口时的光线传播或电场分布情况。光束均是从左向右传播。仿真模型中使用LMA-GDF-20/400-M光纤的参数。涂覆层折射率n1=1.373,空气折射率n2近似为1,包层折射率n0=1.452。
图2(a)中,使用不同颜将光线损耗区分为较大损耗光线和较小损耗光线。仅在包层中传输线条为能量较大的光束,颜较深。从左侧涂覆层出射了线条为能量较小的光线,颜较浅。由此可知,光纤涂覆层中也有部分光传输,前切口处因为涂覆层中断会有光泄漏出来。因此不仅前切口位置清洁很重要,而且保持前切口简单的结构也很重要。复杂的结构会引起光线多
次反射增加损耗。图2(b)中,上边为光纤包层,下边为涂覆层。可以明显看出涂覆层与包层边界有在涂覆层传输的光能量。由此可知,边界条件的变化使光纤模场发生了变化。光纤模场在涂覆层中的能量会因为模场不匹配发散出来。
电机转速传感器图3中将光线按光源能量的0～0.7,0.7～0.93,0.93～1分为三种不同能量的光线。模拟后发现图中包层传输的光线为光源能量0.7～0.93(少数)和0.93～1(多数)的光线(图中浅灰的线)。光源能量的0.93～1继续在包层传导。而光源能量0.7～0.93的光线为包层中的高阶模式。高阶模式因为反射角较大在包层涂覆层边界发生部分反射而能量逐渐降低。这些高阶的模式便会泄漏到涂覆层中(图中切口后涂覆层中颜较浅的线,位于中部涂覆层中)，在后切口后传播一段距离后，逐渐损耗变为光源能量0～0.7倍的光线(图中切口后涂覆层中颜较深的线,位于最右侧涂覆层中)或者发散出来。因此,光纤温度会因为高阶模式泄露从涂覆层后切口处开始逐渐递减。
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实验用光纤为Nuffern公司生产,LMA-GDF-20/400-M,包层直径约为400,包层折射率为1.452。涂覆层直径530,折射率为1.373。
光纤涂覆层前切口和后切口具有不同的温度特征。图4为使用自制耦合器泵浦光功率为50
W时光纤熔接点处切口在红外测温仪下的温度图。前后切口处均使用光纤剥线钳剥除涂覆层并且不做任何处理。光纤前切口发热区域是一亮点,温度为25.1 ℃。后切口处温度最高为27.9 ℃,且温度逐渐降低。
生物态硒图5分别为藤仓涂覆层剥除器,光纤剥线钳,刀片三种工具剥除的前切口形状。切口均用超声波清洗器清洗,保持较清洁的环境。图中发亮的位置表示有光散射出来。使用自制耦合器包层通光20 W时,多次试验测得图5(a)切口的平均温度为25.1 ℃,图5(b)切口平均温度26.4 ℃,图5(c)切口平均温度24.5 ℃。由实验可知,三种前切口形状对波导有不同的影响。刀片切口整齐没有褶皱,酒精清洁后模场失配和涂覆层传导的能量损耗在很小的长度内。从图上可以明显看出刀片漏光面积最小,因此温度最低。锥形结构的涂覆层并不是平滑的斜坡,为涂覆层传导的光多次反射提供了可能。图上可以看出其有较大的漏光面积,而且涂覆层较薄时模场不稳定容易导致包层光泄漏。因此比刀片切口温度较高。光纤剥线钳剥除则会造成切口处褶皱,涂覆层断裂等复杂的结构。这种结构不仅会引起涂覆层光波在切口处小空间内多次反射而且剥除残留的碎屑和灰尘很难清洁。这些颗粒变成热源从而引起前切口高温。总之,切口形状和导光结构对切口温度有很大影响。
光纤中光束因为散射等原因使能量不断从低阶模式向高阶模式转化。剥离长度越长高阶模式积攒的能量就越多,然而空气包层中很多高阶模式并不能在带涂覆层的包层中传导。因此,后切口处漏光就越多。这部分能量泄漏不可避免。最佳的处理方法是保持后切口后一段光纤的表面清洁,泄漏的高阶模式能量会在较长一段光纤散射出去。后切口处温度不仅与切口形状和洁净度有关,而且与涂覆层剥离长度有很大关系。图6所示试验中为使用光纤剥线钳剥除涂覆层形成的后切口,未作任何清洁处理。多次试验均采用同一后切口。由图6可知,随涂覆层剥离长度增加后切口处温度不断升高。因此,要保持泄漏的光能量均匀的损耗掉,必须保持后切口处一段涂覆层清洁。同时,增大后切处泄漏光线的损耗面积也可以极大地降低其温度。
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通过本文研究可知,前后涂覆层切口有着不同的发热机理。引起涂覆层前切口热效应的主要原因是涂覆层光功率的损耗。实验研究了前切口不同形状的漏光特征和平均温度的差异。引起涂覆层后切口热效应的主要原因是包层高阶模式经过切口处产生的损耗导致发热。实验研究涂覆层剥离长度对切口处温度的影响间接验证了这个结论。后切口包层边界条件的变化使空气包层中的一些高阶模式无法在带涂覆层包层中传播,这些泄露在涂覆层中的光波会逐渐散射损耗。因此要降低切口处温度关键在于增大漏光面使光波均匀地发散出去。降
低切口处温度常用的方法有两个:一是改变切口处形状和导光结构,二是保持切口及其附近涂覆层的洁净程度,可以使切口温度大大降低。工业氯化钙
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