一种带有包层光剥除功能的高功率泵浦源耦合尾纤

作者:Ming.Lan,深圳市福津光电技术有限公司资深工程师,在光纤镀膜和高功率半导体激光光纤耦合行业有15+年工作经验。

 

福津光电专注于光纤精密加工和光纤镀膜事业超过10年,我们专业为半导体激光厂商提供高可靠性的耦合尾纤。

 

产品发布背景:

当前市场万瓦光纤激光器蓬勃发展,作为光纤激光器核心部件的泵浦源对输出功率也要求越来越高,从当前普遍量产的单个模块输出300~500瓦将迈入500~1000瓦输出的量级,大幅度提高的激光功率的对泵浦源耦合尾纤也提出了新的挑战。为了保证优良光纤输出的亮度,泵浦源耦合尾纤的芯径必须保持在135um/200um不变,耦合功率大幅度的提升意味着光纤输入端的功率密度和光斑尺寸都在增加,因此这根细小光纤的耦合端面必须能承受更高的激光能量和密度(如图1),耦合到光纤包层的激光需要得到有效的剥除,避免把高功率的包层光传导到泵浦合束器端引起其过度升温。福津光电研发团队针对这一新的诉求开发出对应的产品,该新产品除了完全能满足泵浦源500瓦以上的激光功率耦合以外,其增强型的剥除包层光能力远远领先于业内同类产品水平。

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1.高功率泵浦源激光器

 

 

产品简介:

该泵浦源尾纤主要是由一根光纤和陶瓷插芯装配而成(如图2),光纤穿过插芯并凸出一定距离,光纤前端做抛光和镀减反膜处理,光纤与陶瓷插芯用胶水固定。

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2.泵浦源耦合尾纤

 

产品特点:

该新产品主要侧重是利用凸出型光纤设计解决超高功率激光耦合和通过光纤包层蚀刻技术解决包层光剥除难题同时该产品还解决了包层光导热和胶水容易失效的问题(如图3)。其特点主要包含以下几个方面

1) 光纤前端凸出和空胶长度设计有效避免胶水污染光纤侧面和端面

2) 光纤端面经过严格抛光,端面质量达到完美水平(无麻点,无刮痕和无崩边)

3) 光纤端面镀制高功率激光器特制的低吸收增透膜,200um芯径的光纤镀膜端面完全可以承受500~1000瓦范围内CW模式激光耦合输出

4) 光纤端面减反膜系设计为R<0.3% 900~1000nm,可同时满足915nm976nm 两种芯片波长产品的需求

5) 插芯区域内的光纤包层表面经过特殊蚀刻处理,有效破坏包层与空气界面的全反射条件,使包层光不满足全反射条件而被充分剥除

6)     包层蚀刻区域涂抹高透明的UV胶水,有效的把光纤保护在插芯套管内

7) 设计的陶瓷套管插芯方便其固定到泵浦激光的金属管壳,非常有利于散热

8) 陶瓷套管尾端点有软胶保护光纤,避免光纤因外力折断

3.png3.新型泵浦源耦合尾纤解析图

 

 

新产品实验数据

为证明此产品能有效剥除包层光,我们做了以下相关对比实验

 

实验一:

一根双包层光纤,左边一端耦合915nm的激光,耦合时可以制造包含一定比例的包层光,光纤一端接功率计实时监控功率变化。 然后在光纤中间把涂覆层剥开两个窗口, 窗口1不做特殊处理,窗口2做蚀刻处理,分别把两个窗口贴到红外感光片上,打开激光器后发现窗口1无明显包层光,窗口2能明显看到有包层光被剥出(如图4)。 

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                         左边.窗口1.光纤表面无特殊处理              右边.窗口2.光纤表面做蚀刻处理

4.光纤窗口剥包层光对比

 

在光纤窗口2涂抹胶水,套上陶瓷插芯套管,待胶水固化后再打开激光器,用华为手机拍照,能非常明显的看到有包层光从插芯透射出来(如图5),用手触摸插芯套管,能明显感觉到温度升高。

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5.光纤窗口2剥包层光加套管实验

 

实验二

我们将两根外形设计一样的插芯尾纤(一根是普通的尾纤,一根具有包层剥除能力的尾纤)放置于感光片上,另一端同时耦合入激光,插芯前端也放置感光片,可以观察到两个光纤头都输出的光斑(如图6)。在插芯放置的感光片上我们同时观察到:

左边这根无特殊处理的光纤插芯尾部看不到包层光现象

右边这根经过蚀刻处理的光纤插芯尾部有明显包层光逸出

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6.插芯尾纤包层剥除对比实验

 

 

实验三

为了更进一步对比包层光逸出的差异程度,福津研发团队还做了三个不同样品进行通光试验,三个样品主要分别为a.通过蚀刻剥除包层光,b特殊胶水剥除包层光,c无剥除包层光功能。从以下图片(图7)中可以看出,样品a通过蚀刻技术剥除的包层光最为明显。

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7.三种不同的耦合尾纤包层光剥除对比图

 

关于高功率激光尾纤镀膜设计:

除了针对剥包层光技术的研究,福津研发团队也针对超高功率激光尾纤镀膜工艺开发。从目前研发的数据发现,光纤端面的失效主要分为两类:第一类主要是膜层抗激光损伤阈值过低,这一类主要适合针对高功率脉冲激光诱导引起的损伤;第二类主要是膜层吸收激光引起的热损伤,此类损伤主要发生在连续型(CW)的高功率激光。泵浦源的损伤主要表现为第二类,尾纤失效主要模式表现为膜层过度吸收激光温度连续升高导致烧毁。为此福津研发团队针对泵浦源尾纤开发对应的镀膜设计,该膜层主要特点如下:

1) 膜层对激光吸收低,我们通过一个500瓦的激光模块(135um芯径光纤),熔接不用镀膜尾纤样品测试其镀膜端实际温度,通过测试数据发现,低吸收镀膜工艺镀出来的尾纤端面温度大约比普通镀膜的尾纤低15℃左右,如图8所示。

2) 高透射率带宽, R<0.3% @900~1000nm,可同时满足915nm 976nm 两种常用激光芯片的镀膜要求

3) 镀膜后光纤端面还可以保持良好的光洁度基本看不到麻点

4) 适合于大批量生产

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8.光纤镀膜端温度实验数据


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