高功率激光光纤耦合系统设计与分析_图文

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第5 卷

第1 期 













术  

Vo . 1 5。No 1 .  F b u r ,2 0   e ray 0 7

20 0 7年 2月 

OP I S & 0 TC m

E E T 0N C TB HN0 OG L C R I  C L Y 

文章编 号 :6 23 9 ( O 7 0 ~O 70   1 7 —3 2 2 O ) 1O 4 —3

高 功率 激光 光 纤耦 合 系统设 计与 分析 
张 俊 冯  莹  陈  爽  

(国防科技大学光 电科学 与工程学院 , 长沙 4 0 7   1 0 3)

摘要

端面抽运耦合是 高功率光纤激光器的常用耦合方式之一。在不考虑像差的情况下, 用 采  

高斯光束传输的 A C B D定律 , 参照混合模 系数  的定义, 研究了类高斯光束通过双透镜后腰斑  和 发散 角的 变化 规律 , 计 了一种 将 L 尾 纤 输 出的 大功 率 多模 激 光耦 合 进 双 包层 光 纤 的透镜  设 D
耦 合 系统 , 对透镜 组 通光孔 径 、 针 透镜 h :要 求 、  ̄r - 系统 尺寸 等 影 响耦 合 系统 效 率 的各 种 因素作 了  
简要 分析 。该 系统 已成功运 用 于光 纤激 光 器 实验 , 验证 了设 计 方案 的可行 性 。   关键 词 光 纤激光 器 ; 合 系统 ; 高斯 光束 ; 面抽运  耦 类 端 T 4  N2 8 文献标 识码 A   是 单透镜 将 不可 避免 地产 生像 差 , 因此很 难将 发散 

中图分 类号

1 引  言   
近年 来 , 随着 以双包 层 光纤 为基 础 的包 层 抽运  技术 的发 展 , 光纤 激光 器 的输 出功率 有 了极大 的提  高 [ , 功率 双包 层光纤 激 光器 成为 激光 领域 的研  1高 ] 究 热点 。与 气体 或常 规 固体 激 光器 相 比 , 光纤 激 光  器 具有 结构 简单 、 积小 巧 、 热效 果好 、 体 散 转换 效 率  高 、 出激 光光 束质 量好 等优 点 。随着 其输 出功 率  输 的提 高 , 纤激 光器 广 泛地应 用 在光通 信 、 光 印刷 、 材  料加 工 、 械 加 工 、 光 治 疗 、 车 制 造 和 军 事 等  机 激 汽
领域。  

角较大 的 多模 激 光 聚焦 成 很 小 的光 斑 。所 以采 用 

两个平凸透镜组成 聚焦耦合系统 , 以减小像 差, 缩 
小 聚焦光 斑 。  

光纤 激 光器 透镜 耦合 系统 原理 如 图 1 所示 。  

图 1 耦合系统原理 图  
Fi .   P i cp e o   o p i g s s e g1 rn i l  fc u l   y t m  n

抽运耦合技术作为高功率光纤激光器 的核心 
技 术 之一 , 以把几 十甚 至上 千 瓦 的抽 运光 功率 耦  可 合 进 直径 只有 数百微 米 的双包 层 光纤 里 , 以获得 高  的抽 运人 纤功 率 。由于 侧 面 抽 运 和 熔 接耦 合 技 术  尚不成熟 , 面抽 运耦 合是 实验 室 中最常 见 的耦合  端

透 镜 L 、 的焦 距 分别 为  、 , 光孔 径 分        通 别为 d 、  L 与  之 间 的距 离 为 L,  d ,  类高 斯光 束  经过 耦 合 系 统 前 后 的 半 远 场 发 散 角 分 别 为  、  
M ,

方式。本文在不考虑像差的情况下 , 根据多模激光  的类高 斯 分 布, 研究 了类高 斯 光束 的透镜 传 输  AB D 律 , 结合 具体 实 验 对光 纤 激 光 器端 面 抽  C 定 并 运透镜耦合系统进行了设计和分析 。  

物方高 斯光 束腰 斑 与 L  的距离 为 z像方 高斯  ,

光束 腰 斑与 L  的距 离为 z。不 考 虑透镜 厚度 和像    差 , 斯光 束 的 AB D变换 矩 阵为嘲  高 C
M 一

2 耦合 系统原理 
本实验 中耦合 系统 主要 是将 L 尾 纤 输 出的  D 多模 激光 耦合 进双 包层 光纤 的 内包层 , 简单 的方  最

[ ][ ] }   会 一  —      .
[   ]㈩  

案是采用单透镜将抽运激光耦合进双包层光纤 , 但 
收 稿 日期  2 0— 62 ; 收 到 修 改 稿 日期  2 0—82  0 60 —1   0 60 —5 作者简介 张俊 (9 2 , , 1 8 一) 男 硕士研究生 , 主要从事高功率光纤激光器方面 的研究 。   E ma : u 6 7 yh o cm.n - i z n 0 @ ao .o c   lj

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4  8

光 学 与 光 电 技 术 

第 5卷 

A 1去 ? 一一    1 B Lz1去+ f一导1 .   —+?一 ) 、 一zz. ( z 


() 8

0 (- o )一  M ̄ 一 o

/ M 0  彻 ()

可见 , 混合模类高斯 光束不 同于 基模高斯光 

束,须用∞() M 个参数才能描述其传   必 M0和0 两 输
变换 规 律 。参 照式 ( ) ( )进 行 耦 合 系 统 的设  5~ 8 ,
计。  

C 一 一  D 一 1一  L


z?  

() 2 

3 实验耦合 系统设计 

其 ,去   。 中一 + 一L     
上述 AB D矩 阵确 定 了 基模 高 斯 光 束 复参 数  C q的双透 镜 变 换 规 律 。根 据 文 献 E] 道 , 相 同  3报 在

实验 中泵 源 为武 汉 凌 云光 电生 产 的半 导 体 激  光器 , 尾纤 芯径 20 0 m, 数值 孔 径 0 2 , . 2 中心波 长  95n 最 大输 出功率 2  。设 L 输 出 光束 腰  7  m, 5w D

情况下 , 基模高斯光束和高阶模高斯光束通过双透 
镜 聚焦 系统后 的腰 斑 尺寸仅 有几 个微 米 的差 别 , 与 
双包 层 光纤 的 内包 层 ( 百微 米 ) 比很 小 。所 以 , 数 相  

斑 ∞ () 0 . 半远场发散角 O ( ) rs   M 0 :10p m, M 0 一a i cn
(. 2 。 由式 () , 合 模 系数 M 为 7 . 。增  O 2) 8知 混 15 益光 纤 采 用 烽 火 通 信 生 产 的 D 形 掺 镱 双包 层 光  纤, 内包 层 尺寸 4 0t 0 mX3 0 , 5 m, 值孔 径 03 , 数 . 7  掺 镱纤 芯 直径 3 . m。 15u  
3 1 设计 思路  .

针对 L D尾 纤输 出为多模 激光 的特 点 , 根据 混 合模  系数 M 的定 义  , ]我们 采用 了一 种 简单 有 效 的 方  法来 设 计耦 合系 统 : L 以 D尾 纤 输 出端 面作 为高 斯 

光束腰斑位置 , 以基模高斯光束的传输变换规律来 
简化透 镜耦 合 系统 的设计 。  

双透 镜耦 合 系 统 中 , 1 L 主要 是 配 合 聚 焦 透 镜  L 作 为准 直透 镜 。要获 得最好 的聚焦 效 果 , z   须 一 
LJ 2


设混合模类高斯光束腰 斑位于 L D尾纤输 出  

6 , ,, ,  , 。。 。J 。, LO   4   2  , 1 

,,   

端面 , 腰斑半径为 0 ()混合模系数为 M  L 3 0, M , D激 
光波长为 , 则基模高斯光束的腰斑及其复参数 可 
以表示 为 
)一   ;   () 3 

首 先 分 析 ∞M( )   0 的变 化 规 律 。我 们 对 式 
胁  摩  

() 行 处 理 变 换 后 得 :   0 / ( ) [ 串? 6进 ∞M( )  0 一 (  

Z )+( /    。通过对式() M     )] 6分析计算和软  件作 图( 图 2所 示 ) 知 : 或 z 大 , 越 小 , 如 可   越    
则 聚焦 后腰 斑 ∞M( ) 小 ; 合 系 统 总体 表 现 为    0越 耦 聚焦作 用 , 以要求  > f ; 所 2L对 聚 焦 后 的腰 斑 及 
发散 角影 响很 小 。  

q0 ( )一  n 而( ) 3 0 0    h

由高 斯光束复 参数 q传输变换 的 A C 定律可  BD 知, 经过双透镜后高斯光束的复参数 q 为 
0  

q) 告   ,一 等 ( 0

( 4 )  

日 

8  
0  
E  


聚焦 后 的 腰 斑 位 置 处 有 Re{ /  ( ) 1 q 0 )一 0  ,

8  

0  

D/  0 ]一 一 (/)m{/ O ) 由此可 得 基 模  3 0 ( )   ̄ aT 1q() ,

高斯光束的腰斑位置和大小 。所以, 混合模类高斯  光束 的腰斑位置和大小可表示为 
, =,= M  
?

图 2 归 一 化 腰 斑 随 _ 、 的 变 化 曲线  ,  ’  
Fi.   Ch n ig c r e  fn r l e   u sa   g2 a gn   u v so  o mai d Ga s in z

(一E ,) ( +z +z ( 1 l1 ?/  ) ?2 z  一1一 (一L,) ) L?1 /2  

was rl e    , 2 i  e tdt t a O f 

[ 一 / 一6f + ?  ( Lh) j ]   z 1 ? 
() 5  3 0 M( )一 M ?   0 . 0   0 ∞ ( )一 0 M( ) ? 3 . 0 0    

为了满 足 实验 要 求 , 高 系 统 的耦 合效 率 , 提 双  透 镜耦 合 系统应 该满 足 下面 两个 条件 :  

1 经耦合系统聚焦后 , ) 高斯光束腰斑  M 0  ()
≤ 1 8肛 数值 孔径  M aci0 3 ; 1 m, ≤ rs . 7  n
2 )透 镜 通 光 孔 径 应 该 与 L 尾 纤 输 出 相 匹  D 配, 并且 考虑 衍射 损耗 。  

[ ? )+ ( 一L   一 ?)丁  () ( zM  1 / z   6 

式中,M 0 ()a 。根据文献[] Z = ̄ h o/M* 3 4定义 , 混合 
模类高斯光束光斑大小和发散角表示为 

∞ () M0,   (/M  M  一叫 () 1 -zz ) /4

() 7  

采用类高斯光束 的传输 变换规律 设计 , L 使  
与L D尾 纤 数 值 孔 径 匹 配 , 而且 在 激 光 光 学 系统 

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第 1 期 

张俊 等 : 高功率激光光纤耦合 系统设计 与分 析 

4  9

中, 当通光 孔径 为 激光 光 斑 的 1 5倍 时 , . 系统 可 以 

播 距 离越 长 , 斑 就 越 大 , 大 的 L 就 要 求 L 光 更  有  更大 的通 光孔 径 来 接 收 , 应 尽量 减 小 L, 故 以便 选  取相 对孔 径较 小 的透镜 , 利 于 加工 ; 且在 耦 合  有 而

忽 略衍射 损 耗 , 以 在 L 、 2处 光 斑 大 小 应 该 满  所  L
足:  


()  M o √1 (/M ≤ d /  () z 一 () + z z ) 13 9  
( 0  1)
,I  


系统中, 传输 的高斯光束光斑要求尽可能小 。因为 
光 斑越 大 , 就越 偏 离 光束 及 系统 的轴 线 , 低 了耦  降

O 1o 一 ( ) [ + (一厂   ≤ d/  J ()  M o厂?   M z )] 23
f、rz  

合效率, 以应 尽量减小  、 , 所   这样 还可以减小  系统 结构 尺寸 ; 果 考 虑 到像 差 , 际 聚焦 光 斑 尺  如 实
寸要 大 于  M O , 益光 纤端 面 的位置 应在 l ()增   M附 
近 调整 。  

厂+ 

( 1  1)

式 中 ,  O 、M分 别 为 高 斯 光 束 经 过 L  M( ) l   后 的腰 
斑 及腰 斑位 置 。  
3 2 设计 实例  .

在 实验 中 , 面耦 合 系统 还存 在许 多实 际 的限  端 制 , 透镜 的相 对 孔径 不 能 太 大 , 综 合 考 虑 后选  如 应

根据 上述 耦合 系统 设计 原则 , 并结 合 实验 室具  体情 况 , 选取 参数 如 下 的透 镜 搭 建耦 合 系统 :   f 一 
3 .  8 1mm, 2 5mm, 1 5 4mm, 2 0mm, f —2  d —2 .   d —2    

取合适尺寸的 d与焦距 - 透镜必须满足其加工要  厂 , 求; 体式 光学 器件 较多 , 以实 现紧 凑 的激 光 光路 ; 难  
需 要一 系列 精密 的光 学 调 节架 , 构 复杂 , 光光  结 激 路 调试 精度 要求 高 等 。高斯 光 束 传 输 规 律 决 定 了  小 的腰 斑 必然伴 随 大 的发 散 角 , 因此设计 时不能 单  独 以最小 光斑半 径 或最 小发 散角 为 目标 , 综合 考  要 虑二 者对 耦合 效率 的影 响 。  

L一 4  0 mm。通 过 计 算 :  M()一 8 4 17mm, 1 . 5     
M1

( ) 8 4 4 5 m m , M — 3 .1 m m , M( )一  O 一 . 5    l1 8     O

6 .  m, M 2  56 l 一 5mm,i0M一0 3 。可 知 , 计    s   n .3 设

结 果 满 足 实 验 要 求 , 且 2× 1 5× M()一  并 . 1
2 . 5    5 3 5 lmm≤ 】 2 1 5× 1 0 一 2 . 6    , × .  M ( ) 5 3 35

mm( 略大于 d ) 即通 光 孔 径基 本 满 足 条 件 2 ,  , ) 可  以较好 地 消除衍 射 损耗 。   实验 中 ,将 透 镜 L 、    分 别 定 位 在 两 台五 
维 调节 架 上 ,尽 量 缩 小 L 、L    的 间距 ,通 过 反 

5 结

论 
的定 义 , 对混 合模 

本 文 采 用 高 斯 光 束 近 轴 光 线 传 输 变 换 的  AB D 律 , C  ̄ 根据 混合模 系数 

复 调试保 持两 透 镜 平 行 和 同轴 。采 用 上 转换 片将  95a 的抽 运激 光 转换 为可 见光 ,以便 观测 高 斯  7 m 光束通 过 透镜 L 后 的光 斑 大小 M O ,并 以此     ( ) 寻找 抽运 激光 通过 耦合 系统 后 的腰斑 位 置 l   M。经 
过 实 验 测 量 ,Z 约 为 2     M 8 mm,O 1 ( ) 约 为  J M 0

类高斯光束的传输变换进行 了简化 , 研究设计了高  功率光纤激光器端面抽运透镜耦合系统 , 并通过耦 
合 系统 设计 实例 及 实 验证 明 了本 设 计 方 案 的 可行  性 。本 设计 方 案 中 , 对混合 模 类高斯 光 束 的传输 采  取 了近似 处理 , 理论 设计 的基 础 上 , 在 聚焦 光 斑 大  小 和腰 斑位 置 需 要通 过 实验 进 一 步 确 定 。设 计 方 

7 1mm。 计加 工 的透 镜 耦 合 系统 已成 功 运 用 于  .  设 光 纤激 光器 实验 ,并 获得 了 5 / 99的耦 合效率 。可  6 见 ,上 述 理论设 计 结 果 与 实 验结 果 能 够 较 好 地 吻  合 ,并 具 有 良好 的 实 验 效果 ,证 明 了采 用 混 合 模 

案满足耦合系统要求 , 对耦合系统的搭建具有一定 
指 导意 义 。   参 考 文 献 
[ ] Y Jo g J K S h ,     a n , t 1 t rim- 1    en ,    a u D N P y e e a .Y t bu     e
d p d l r e c r   i e   a e   t   .3   W   o tn — o e  a g - o e f r l s r wi 1 6 k b h cn iu  

类高斯光束近似的合理性与耦合系统设计方案 的  
可行 性 。  

o sw v  up tp w r-] Op. x . 0 4 2 u- a eo tu  o e J . t E p ,20 ,1  l
(5 :0 86 9. 2 ) 6 8 — 0 2 

4 耦合 系统分析 
经过 L 准直 后 的光 束 近似 为 平 行 光 束 , 利  1 有

[ ] 吕百达. 2  激光光学l . - 成都 : M] 四川大学 出版社 ,9 2  19 :
9—0   5 1 9.

于 L 的聚焦 ;   但高斯光束聚焦后的腰 斑远小于增  益光 纤 内包 层 尺 寸 , 导致 光 纤 端 面 功 率 密 度 过  会
高 , 在严重 的 热效 应 , 此 应 选 取 较 小 的 厂 , 存 因  适 
当增 大聚焦 后 的腰斑 尺 寸 ; 外 , 镜 L 另 透  的通光孔  径 仍 较 小 , 选 取 相 对 孔 径 d f较 大 的透 镜 。L 可 /  

[ ] 黄永明 , 3 吕英华 , 杨性愉. 高阶模激光束通过会聚光学  系统的聚 焦 特性 l ] 光 学 技 术 , 0 0 2 ( ) 3 1  - . J 2 0 , 6 4 :3 —
33 . 6 

I ] JQ  oY  u,   S n ea .Mi dmo ecef  - 4   Ya , C i X W u ,t 1   x   d   f— e o i c n n   a si -k  itb t n J .光 学学 报 , i t dG u s nl edsr ui l ] e a a i i o,  
1 9 , 5 1 ): 6 3 1 4 . 9 5 1 ( 2 1 3 — 6 0 

( 下转 第 5 2页)  

对设计结果影响较小, 但高斯光束是发散 的, 其传 

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5  2


光 学 与 光 电 技 术 
社 , 9 3  18 .

第 5卷 

定 的推广 应用 价值 。  
参 考 文 献 

E3 郑梓祯 、 3 蔡迎 波. 舰艇 导航 系统 试验 与 鉴定 E . M3 北 
京 : 防 工 业 出 版 社 ,0 5 国 20.  

[ 3 干 国强. 4 导航 与 定位 [ . M3 北京 :国 防工 业 出版 社 ,  
20 0. 0  

E 3 陆 国胜. 1 测量学E . 京 : M3北 测绘 出版社 ,9 1 19.   E - 季 斌德 、 自修. 制测 量 学 E . 京 :测 绘 出版  2] 邵 控 M3 北

Gy 0 he d lt   lb a i n M e t d Ba e   n r t 0 0 ie Ca i r to   d ho   s d o   opt e e t 0 i   e s r n   0 lc r n c M a u i g
W EIXu -o g K0NG  a g q  LIYi g   et n   Xin — i   n 
(Th   2 41Uni o  e9 9   t fPLA , uu a   25 01 Chia )   H ld o 1 0 , n  

ta t  zm t   a i a i   t o  sp o o e  n t i  a e . tc n c l a e t e a mu h u d r t e e v r me tt a  b o b z o Absr c   An a i u h c l r t n me h d i  r p s d i  hs p p r I a   a i r t   h   i t   n e   h   n i n n   h t


t e b a     o   b iu . Th s me h d c m p e e   i t i s al t n,c l r t n a d a i n e to   a n n,misl  e i s h   e m i n to v o s s i  t o   o l t s a mu  n t l i z a o ai ai   n   l m n   fcn o b o g s i d vc   e e e c y u i zn   y o h o o ie t ,b   t ii g g r t e d l .Th   x e i n a e u t   h w h t h   e h d i e s  O o e a e n  n r a e t eme s r — l t ee p rme t l s l s o t a   em t o     a y t   p r t ,a d ic e s  h   a u e  r s t s me tp e ii n e f c i e y o t a  ti  i h v l e i   a ir t n a z u h  n   r cso   f e tv l .S   h ti s h g   a u   c l a i     i t .   n b o m Ke   r s g r t e d l e e c m a k;c l r to   y wo d   y o h o o i ;b n h r t ai ain b

( 上接 第 4 9页)  

De i n a d Ana y i  fCo p i g S s e   t e   b r   sg   n   l s s o   u ln   y t m Be we n Fi e s
f r H i h Po r La e   a   o   g   we   s r Be m
Z HANG  n FENG  n   CHEN  h a g J   u Yig S un 
(Co lg   fOp ia ndElc r a  ce c   n   le eo   tc la   et i l in ea dEngn e ig,Na ina  c S ie rn t o lUnie st   fDee c   c n lgy v r i o  fn eTe h o o ,Ch n s a4 0 7 Chn ) y a g h   1 0 3, ia  

Ab ta t En   u sr c   d p mp n   o p ig i c mmo l   s d i   o p i g o   i h p we   ie   a e .W ih t e AB i g c u l  s o n   n y u e   n c u l   f h g   o r fb r l s r n t   h   CD a o   s i n lw  fGu sa  

b a a d t ed fnt n o  x   d  o fiin   2,te c a g so  s in l eb a ’   ita d a ge o  ieg n e e m n  h   eiio   fmie mo e c ef e tM i d c h   h n e  fGu sa -i   em Swas  n   n l  fdv r e c  k
t r u h t   n   r   t d e .A  n   o p i   y t m o   u t d   s ro t u t d fo h g   we   h o g  wo l sa es u id e l sc u l s s e f rm li e g n mo e l e   u p t e  r m  i h p a o rLD o p i   t   o b   cu l g n n i od u — l  l d fb r i p e e t d,a d ad sg e   x m p eb s d o  x e i n  sg v n Fia l e c a   ie     r s n e s n    e in d e a l   a e   n e p rme ti ie . n l   y,s meb if n l sso   c o sa f c — o   re   a y i  f a t r  fe t  a f i   h   o p i   y t m    d Th   o p i   y t m  e i n d i  s  o  i e  a e   y t m u c s f l .I  r v s t a  h   g n t ec u l g n s s e i ma e s . ec u l g n s s e d sg e   u e f rf rl s r s s e s c e s u l s d b y tp o e   h t e t d sg   t o  sp a tc be  e i n me h d i  r c ia l. Ke   r s fb r ls r o p i g s s e ;Gu sa -i e b a ;e d p mp n   y wo d   i e   e ;c u l   y tm a n s in l   e m k n  u ig


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