侧面泵浦耦合器是一种新型器件,耦合器包括泵浦输入端、信号输入端和输出端及一个无用端口。耦合器的信号输入、输出端光纤一般为无源的双包层光纤,泵浦输入端一般根据所使用泵浦光源的情况,选择相应的匹配多模光纤,无用端有少量的光功率,要妥善处理以免造成危害。
光纤激光器具有光束质量好、结构紧凑、体积小、质量轻、易散热、工作稳定等众多优点。在大功率光纤激光器和放大器的研究中,实现泵浦光功率高效、安全的耦合是其关键技术之一,泵浦方法主要包括光纤端面泵浦和光纤侧面泵浦两种。现有的侧面泵浦耦合技术主要有:V槽侧面泵浦耦合、嵌入反射镜式泵浦耦合、角度磨抛侧面泵浦耦合和熔锥侧面泵浦耦合等。通过对比结构紧凑性、耦合效率、系统稳定。制作原理熔锥侧面泵浦耦合可以大幅度提高泵浦光功率,实现增益光纤的多点泵浦。侧面泵浦耦合器是一种新型器件,耦合器包括泵浦输入端、信号输入端和输出端及一个无用端口。耦合器的信号输入、输出端光纤一般为无源的双包层光纤,泵浦输入端一般根据所使用泵浦光源的情况,选择相应的匹配多模光纤,无用端有少量的光功率,要妥善处理以免造成危害。
与普通光纤耦合器不同,侧面泵浦耦合器的主要设计目的是为了实现泵浦光功率向信号传输光纤的单向耦合,因此拉锥完成后,两根光纤的纤芯之间相距较远,能量耦合主要发生在侧面泵浦光纤的纤芯与信号光纤的包层之间,泵浦功率从泵浦输入端光纤的纤芯耦合进入信号传输光纤的内包层,而在信号传输光纤的纤芯中传输的激光信号(包括正向和反向光),被限制在传输光纤的纤芯中与泵浦输入端不发生能量耦合,因此侧面泵浦耦合器就起到了泵浦耦合与信号隔离的双重作用。
光纤侧面泵浦耦合器通过全光纤化设计实现了在线泵浦,它可以实现增益光纤的多点泵浦,有利于提高光纤激光器和放大器的转换效率和输出功率,更重要的是它可以有效地屏蔽增益光纤中的后向传输光,保护泵浦光源的安全工作,这对于高功率全光纤化结构的激光器和放大器的研究意义重大。
在高功率光纤激光器和放大器的研究中，实现泵浦光功率高效、安全地耦合是其关键技术之一，目前的泵浦方法主要包括光纤端面泵浦和光纤侧面泵浦两种。现有的侧面泵浦耦合技术主要有：V槽侧面泵浦耦合、嵌入反射镜式泵浦耦合、角度磨抛侧面泵浦耦合等，每一种技术均有非常明显的优缺点。
V槽侧面泵浦耦合的原理非常简单，根据报道V形槽侧面耦合效率可以高达90%左右，可耦合数瓦的泵浦功率。但是由于利用了微透镜准直，LD泵浦源、微透镜以及双包层光纤之间的相对位置对于耦合效率的影响较大，同时，由于V槽嵌入内包层，因此对于内包层内传输的泵浦光有较大损耗，不利于多点注入式泵浦功率的扩展。
嵌入反射镜式泵浦耦合方式是在V槽刻蚀方式上的改进，该方法可以耦合数瓦泵浦功率，效率达91%的实验已有报道。由于多模二极管抽运激光无需经过光束整形即可进入内包层，因此采用内嵌反射镜侧面抽运的方法具有耦合效率高、成本低、简单易行等优点。但与V槽侧面泵浦法相似，在内包层中刻槽会影响泵浦光的传输，因此嵌入透镜式泵浦耦合难以用于双包层光纤的多点泵浦。角度磨抛侧面泵浦耦合是将端面按一定角度磨抛好的泵浦光纤用折射率相近的光学胶胶合在双包层光纤的内包层上，并固定好两纤的相对位置，泵浦光即可由泵浦光纤侧面耦合进入双包层光纤的内包层。通常该技术要求泵浦光纤端面的磨抛角较大（约80度），对于光纤端面磨抛工艺提出了很高的要求。更致命的弱点是，在高泵浦功率下，光学胶难以承受其功率密度会导致挥发或分解，使耦合效率下降。虽然该耦合方式获得了高达90%的耦合效率，但是获得的光纤激光输出功率也仅仅是1W左右。
光纤侧面泵浦耦合器是一种实现侧面泵浦耦合的新型器件，耦合器包括泵浦输入端、信号输入端和输出端三个可用端口。耦合器的信号输入、输出端光纤一般为无源的双包层光纤，泵浦输入端一般根据所使用泵浦光源的情况，选择相应的匹配多模光纤，闲置端可以取消。与普通光纤耦合器不同，侧面泵浦耦合器的主要设计目的是为了实现泵浦光功率向信号传输光纤的单向耦合，因此拉锥完成后，两根光纤的纤芯之间相距较远，能量耦合主要发生在侧面泵浦光纤的纤芯与信号光纤的包层之间，泵浦功率从泵浦输入端光纤的纤芯耦合进入信号传输光纤的内包层，而在信号传输光纤的纤芯中传输的激光信号（包括正向和反向光），被限制在传输光纤的纤芯中与泵浦输入端不发生能量耦合，因此侧面泵浦耦合器就起到了泵浦耦合与信号隔离的双重作用，泵浦输入端对反向传输信号光的隔离度一般能达到15dB以上。
光纤侧面泵浦耦合器通过全光纤化设计实现了在线泵浦，它可以实现增益光纤的多点泵浦，有利于提高光纤激光器和放大器的转换效率和输出功率，更重要的是它可以有效的屏蔽增益光纤中的后向传输光，保护泵浦光源的安全工作，这对于高功率全光纤化结构的激光器和放大器的研究意义重大。
（一）实验装置及方法
根据光纤侧面泵浦耦合器的工作原理和结构设计，采用了熔融拉锥工艺以及最基本的2×1耦合方式，实现把一根泵浦多模光纤中的泵浦光耦合进双包层光纤。在本论文的大多数应用中，主要是将915nm泵浦光由泵浦输入端注入到增益光纤中，1060nm种子光由信号输入端注入，耦合后的光功率从输出端输出。闲置端没用，但是有较弱的光功率，要作妥善处理。实验装置原理：该装置为一套熔融拉锥系统，主要包括步进电机控制的平行拉伸装置和火焰进给装置组成，同时配有其他监测、控制和显示设备。具体的实验过程为：首先截取约两米长的泵浦输入端光纤和信号传输光纤各一根，在中间的合适位置剥除一定长度的保护层作为耦合区域，双包层光纤则要剥除外包层和保护层，然后对耦合区域进行充分的清洗；清洗完毕后将两光纤置于夹具上固定，转移到拉锥平台上，使加热装置的火头处于耦合区域的中间位置，调整拉锥参数进行熔融拉锥，实时监测两根光纤的输出功率和分光比，当达到所需的参数时停止拉锥；然后对耦合区域进行适当的封装，是各个参数的测试。
（二）拉锥工艺的研究
从光纤的相对位置来说，拉锥工艺可分为平行烧拉技术和打结烧拉技术。实验的开始阶段，我们借鉴单模光纤耦合器的成功经验，也采用了平行烧拉技术，即先把两根光纤平行固定，再转移到拉锥平台上进行拉锥操作。在尝试了几种光纤组合以后，发现效果并不好，从实时监测的情况来看，两根光纤耦合到一定程度难以继续耦合，继续拉锥反而会使损耗增大，而不是呈现周期性的耦合机理，这和单模耦合的曲线有很大差别。后面的实验我们采用了打结烧拉技术，即把两根光纤相互缠绕，然后固定在拉锥平台上进行拉锥。从实验的结果来看，打结烧拉技术要比平行烧拉技术耦合效率高，这从实时监测的数据可以直观的反映出来。[2]
打结烧拉技术虽然一定程度上提高了侧面耦合的效率，但是实验效果仍然难以另人满意，根据已有的文献报到，尝试了泵浦传输光纤的预拉锥处理技术。即先把泵浦传输光纤拉锥一段距离，再缠绕到双包层光纤上进行耦合拉锥。经过对预先拉锥的参数进行了一段时间的摸索后，侧面耦合效率有了一定的提高，从同一种光纤组合的结果来看，采用预拉锥处理后的耦合效率要比直接拉锥高出10%。由于光纤参数对耦合效率存在较大的影响，耦合器的优化实验对多种不同的光纤进行了优化组合，对每种组合逐一调整拉锥工艺的各个参数，包括氢气氧气流量、火焰高度、拉锥速度、拉锥距离等等任何可以影响拉锥结果的因素，进行了大量实验， 为了减小吸收造成的附加损耗，实验在多模光纤不变的情况下，信号光纤改用无源双包层光纤代替掺镱双包层光纤，经过一定的实验研究和参数优化后，样品的测试结果表明，侧面耦合的效率可以达到46.4%，但是仍然很难实际应用到光纤激光器中。一方面，无源双包层光纤本身对915nm光的损耗太大，为0.62dB/m；另一方面，多模光纤纤芯和双包层光纤内包层在折射率上的差异仍然存在，这在两种光纤的拉锥熔点上体现出来。
为了解决折射率匹配的问题，实验在无源双包层光纤不变的基础上，选用了石英丝来代替多模光纤进行侧面耦合实验。但是实验中耦合效率只有39.7%。拉锥过程中明显观察到两种光纤熔点的差异，这是因为石英丝包层为低折射率的掺氟介质，其熔点比石英低，当两光纤在同一火焰下加热时，石英丝很快处于熔融状态然后变形，而这时双包层光纤还没有到达熔点，所以拉锥过程很难控制。
，实验采用无源双包层光纤代替石英丝，利用两根无源双包层光纤制作的侧面泵浦耦合器，实现了较高的耦合效率，可达到70%，由于两根双包层光纤在性能上完全一致，所以解决了光纤的匹配问题，通过实验优化，主要性能指标达到：泵浦光耦合效率：74%；信号光耦合效率：95%；信号输入端与泵浦输入端的隔离度：>50dB；泵浦输入端对输出端反向传输光的隔离度:20dB；承受峰值功率：>15kW。
95%的信号光耦合效率对于光纤激光器，尤其是光纤放大器是十分有利的，信号光功率可以几乎没有损耗的传输到增益光纤中，得到限度的利用；泵浦输入端对输出端反向传输光的隔离度达到20dB，能够有效的阻止增益光纤中的后向传输光进入泵浦源，从而保证泵浦源的安全工作，防止被损坏或烧毁。
