高功率固体激光器的光纤耦合研究

薛艳艳，安振杰，符春保，刘丽娜

(核工业理化工程研究院，天津300180)

1 引言

激光光纤传输技术作为一种灵活可靠的激光传输方式，具有小型化、柔性好、受环境干扰小、灵活性高等优点。随着高功率激光器技术的不断发展，利用光纤传输能量的技术在激光加工、激光医疗美容、激光武器和激光点火等领域都获得了非常大的发展。国外对于光纤传输激光能量的研究非常重视，R.E.Setchell、A.Kuhn等学者对高功率激光的光纤耦合和光纤损伤等技术进行了大量的理论和实验研究［1－5］，德国 Rofin、日本三菱、加拿大 OZ Optics 等公司也相继推出了千瓦级以上的商业化光纤传输系统。国内的多名学者也分别对高功率激光束光纤耦合技术进行了深入的研究工作，成功实现了数百瓦以上的激光光纤传输［6－9］。

核工业理化工程研究院研制的500W级红外固体激光器，其工业应用需要采用光纤传输，光纤传输技术可以使激光系统采用更加多样的形式和机构，具有空间传输不可比拟的灵活性和稳定性。本文针对该固体激光器输出光的光束质量计算了光纤耦合的相关参数，研究了光纤端面处理及光纤连接头技术，并通过相关实验完成测量和验证工作。

2 光纤耦合理论设计

光纤耦合技术是利用透镜将入射激光会聚，使其满足光纤耦合的基本条件，进而实现光纤传输。对于高功率激光光纤传输系统，光纤芯径和耦合透镜有效焦距是两个非常重要的参数。在数值孔径一致的情况下，小芯径光纤可以提高入射激光经光纤传输后的光束质量;而耦合透镜有效焦距的选择又要兼顾光纤芯径和数值孔径的相互影响。

2.1 光纤芯径的选择

式中，d为经透镜聚焦后的焦斑直径，mm;D为光纤芯径，mm;υ为经透镜聚焦后的光束发散角(半角)，rad;NA为光纤数值孔径，0.22;λ为激光波长，0.001064 mm;M2为激光光束质量因子;K为耦合透镜的像差影响因子;a为焦斑直径与光纤芯径的比值;b为光束发散角与光纤数值孔径的比值;c为包含86.5%能量的激光光束半径与包含98%能量的激光光束半径的比值、

光纤耦合能否成功实现及耦合效率取决于式中各个系数的取值:

(1)为了适应激光抖动和光束质量波动引起的焦斑直径变化，满足“即插即用”光纤接头的使用要求［10］，将系数 a 取值为 0.85。

(2)由于光纤在长距离传输过程中会存在一定的弯曲，激光的入射角度在弯曲位置处会变小，当小于光纤的全反射角时，就会产生漏光现象，易使光纤损伤。因此，在工业应用中光纤的最小弯曲半径应大于光纤芯径的100倍，即入射角度应满足公式(3)所示的关系式，计算得到b值约为0.88。

为了把入射激光高效率地耦合进光纤，必须同时满足光纤耦合的基本条件:激光束通过光学系统聚焦后，其焦斑直径要小于光纤芯径，其光束发散角要小于光纤的数值孔径角。同时，为了实现激光耦合装置在高功率激光照射下能够长期稳定地运行，在设计中必须考虑一定的余量。最终确定的理论运算公式为:

(3)系数c的取值与入射激光的能量分布有关，不同的激光光强分布对应着不同的计算方式。激光束腰半径的理论定义为光强降低到中心光强的13.5%时的光斑半径，其只包含了86.5%的激光能量，因此在实际设计中采用的光斑半径应该是包含98%以上能量的光斑半径，即光强降低到中心光强的2%时的光斑半径［9］。根据高斯光束和平顶光束的光强分布公式，可以计算得到包含86.5%能量的光束半径和包含98%能量的光束半径的比值。

高斯光束光强分布为:

平顶激光束光强分布为:当 r＜w(z)时，I(r)=I0;

当 r＞w(z)时，I(r)=0

I0.865=0.865I0，r0.865=0.93w(z);I0.98=0.98I0，r0.98=0.99w(z);

当各项系数a、b、c取值确定后，则公式(2)转化为:

由该式可以得到:光纤芯径与光束质量因子M2和耦合透镜像差影响因子K值成正比，也就是说输入光的光束质量越好，耦合透镜的像差因子越小，选用的光纤芯径就可以越小。

固体激光器随着输出光功率的增大，其输出的高阶模式会增加，进而造成激光的光束质量降低，M2值增大。测得红外固体激光器输出最大功率时的M2值约为60，当不考虑耦合透镜的像差影响，即K取值为1时，计算得到最小光纤芯径为0.350 mm。已知在数值孔径一定的情况下，芯径较小的光纤将输出较好的光束质量，因此综合考虑拟采用芯径为0.365 mm的光纤。

由上所述，高斯光束的c2取值为0.51，平顶光束的c2取值为0.88。根据实验中入射激光能量分布的测量数据，可近似认为实际激光束为高斯光束和平顶光束的叠加效果，因此c2值取两者平均，近似确定为0.7。

(4)耦合镜片产生的像差大小受透镜形状、衍射和光束质量因子M2的影响。由于光纤耦合是利用透镜将入射激光聚焦，而耦合镜片为了易于加工通常使用球面的聚光结构，因此会产生以球差为主的像差。采用系数K来表示像差的影响，由式(4)表示:

2.2 耦合透镜的选择

激光束通过透镜聚焦后，要满足公式组(6)所示的光纤耦合基本关系式:

式中，f为耦合透镜有效焦距，mm;ω为激光照射到耦合透镜上的光斑直径，mm。

测得红外固体激光器输出最大功率时的光束发散角全角为12 mrad，照射到耦合透镜上的光斑直径ω 约为 7 mm，已确定 a=0.85，b=0.88，D=0.365 mm，NA=0.22，代入公式组(6)中计算得到耦合透镜的有效焦距范围为:

耦合透镜的形式可以采用单平凸透镜、双平凸透镜或非球面透镜结构，如图1所示。针对不同耦合透镜形式，利用OSLO光学设计软件模拟计算了有效焦距分别为20 mm和25 mm时的焦斑直径、像差影响因子及对应的最小光纤芯径，如表1所示。由表中数据可以得到，非球面透镜耦合效果最好，可以得到近似理想的焦斑直径，K取值为1;双平凸透镜由于光焦度分裂而使产生的球差比单平凸镜片明显减少，也较有利于实现小芯径光纤耦合;单平凸透镜由于球差较大导致焦斑直径较大，因此无法实现小芯径的光纤耦合。

图1 单平凸透镜和双平凸透镜耦合结构

表1 不同耦合透镜形式的参数对比

3 光纤端面处理及连接头

光纤端面处理工艺是影响激光损伤阈值和光纤耦合效率的重要因素。为了降低光纤端面缺陷引起的光散射，提高光纤的透过率和抗损伤能力，光纤端面需要进行研磨抛光处理，主要采用机械抛光加火抛的加工流程。采用200倍光纤端面显微镜进行观测，可以看到经处理后的光纤端面均匀平滑;利用ZYGO平面干涉仪对光纤端面进行检测，PV值可达到1.4 μm，最大限度的降低了激光散射。

光纤接头的加工方式决定了光纤接头在高功率激光照射下的热承受能力和稳定性。由于菲涅尔反射和端面散射产生的杂散光会使光纤接头的温度上升，因此，光纤接头需要采用热扩散性和可加工性好的连接结构。在本研究中，光纤连接头采用如图2所示的D80结构。该接头外部采用金属护套，光纤与接头之间采用无胶工艺，利用焊接方式固定，提高了接头的热承受能力;接头内部采用紫铜材料，具有更快的热扩散性;其顶端使用空气隙结构，即光纤端面从金属接头端面凹进约1 mm，这样可以保护光纤端面不被漏光烧融或被溅射污染，阻止因外部因素导致的光纤损伤。

图2 D80光纤连接头实物图

4 光纤耦合实验

在光纤耦合实验中，采用核工业理化工程研究院研制的500W级红外固体激光器作为激光光源;耦合镜片采用Edmund Optics公司生产的直径25 mm、焦距25 mm的石英非球面透镜;采用上海联谊光纤器械厂生产的精密型两维平移光学光纤架OM－211和一维手动平移台ALB－6进行透镜的三维精密调节;光纤采用的是3M公司生产的TECS能量光纤FG－365－UER，其性质如表2所示，该光纤采用纯熔融石英芯和掺氟石英包层，激光损伤阈值高，激光传输损耗低，传输1064 nm激光每米透过率约为99.84%;采用OPHIR公司的NOVAⅡ型功率计测量激光功率。

为保证高功率激光光纤耦合系统能够长时间稳定运行，在光纤接头支架内部加工了循环水路，这样可以及时将光纤接头的热量带走，进一步降低光纤损伤几率。

通过实验，成功实现了最高输出功率为548 W的红外固体激光器的光纤耦合，光纤输出功率为508 W，耦合效率为92.7%，实验参数及照片分别如表3和图3所示。

表2 光纤参数

表3 光纤耦合实验参数

图3 光纤耦合实验

5 结论

本文对500W级红外固体激光器的光纤耦合系统进行了理论和实验研究，根据入射激光的光束质量，理论计算得到了传输光纤的最小芯径和耦合透镜的有效焦距。该研究成功实现了高功率红外固体激光器光纤输出功率大于500 W，耦合效率大于90%，满足科研工作和工业应用需求。

［1］ R E Setchell．End-face preparation methods for high-intensity fiberapplications［C］．SPIE，1997，3244:390－399．

［2］ R E Setchell．An optimized fiber delivery system for Q-switched，Nd:YAG lasers［C］．SPIE，1997，2966:608－618．

［3］ A Kuhn，I J Blewett，D P Hand，et al．Optical fiber beam delivery of high-energy laser pulses:beam quality preservation and fiber end-preparation［J］．Optics and Laser in Engineering．2000，34:273 －288．

［4］ K Andreas，B J Lan，H P Duncan，et al．Beam quality after propagation of Nd:YAG laser light through large-core opticalfiber［J］．Applied Optics．2000，39(36):6754－6760．

［5］ T Satake，T Hayashi，Y Imada，et al．200m silica fiber 2kw cw YAG laser beam delivery system［C］．SPIE，1993，2062:93－104．

［6］ Zhao Xiang，Su Wei，Li Dongjie，et al．Properties research on fiber optic coupling for the High-power laser［J］．Laser＆ Infrared，2007，37(5):391 －393．(in Chinese)赵翔，苏伟，李东杰，等．高功率激光光纤耦合特性研究［J］．激光与红外，2007，37(5):391 －393．

［7］ Zhao Xinghai，Gao Yang，Xu Meijian，et al．Power delivery characteristics of fibers for high-peak power pulse laser［J］．Infrared and Laser Engineering，2008，37(3):444 －448．(in Chinese)赵兴海，高杨，徐美健，等．高峰值功率脉冲激光的光纤传能特性［J］．红外与激光工程，2008，37(3):444 － 448．

［8］ Li Yu，Zhang Kuohai，Li Qiang，et al．Research on fiber optic coupling for the high-power laser beam［J］．Applied Laser，2004，24(5):276 －278．(in Chinese)李钰，张阔海，李强，等．大功率激光光纤纤耦合技术研究［J］．应用激光，2004，24(5):276 －278．

［9］ Wang Baohua，Jiang Menghua，Hui Yongling，et al．Improving coupling efficiency of optical fiber for High-power laser beam［J］．Chinese Journal of Lasers，2008，35(2):195 －199．(in Chinese)王宝华，姜梦华，惠勇凌，等．大功率固体激光器高效率光纤纤耦合［J］．中国激光，2008，35(2):195 －199．

［10］ S Campbell，O Blomster，et al．Comparision of small fibre connectors for high-power transmission［C］．SPIE，2010，7578:75781R．