光泵浦

泵浦是激光技術(shù)中的名詞。英文pump，有的書上譯為“抽運”。產(chǎn)生激光的必要條件是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，就是把處于基態(tài)的粒子，激勵到高能態(tài)(產(chǎn)生激光的能態(tài)），人們用pump這個詞形容這一過程。就是把這一過程比喻成把水從低處抽運到高處。 光泵浦就是用光完成抽運這一過程。一般用氙燈或氪燈完成。用他們發(fā)出的強光照射激光介質(zhì)，完成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。

激光增益介質(zhì)在泵浦作用下，會發(fā)生自發(fā)輻射，自發(fā)輻射的光在介質(zhì)中傳輸會發(fā)生受受激輻射，產(chǎn)生光放大。由于腔鏡的存在，只有垂直腔鏡的光纖可以不斷放大，最后輸出。泵浦的作用是給增益介質(zhì)提供能量。

1 .直接端面泵浦

直接端面泵浦的結(jié)構(gòu)包括三個部分: 激光二極管泵浦源(由激光二極管陣列、驅(qū)動源和致冷器組成) ,光學(xué)耦合系統(tǒng)和激光棒和諧振腔。泵浦所用的激光二極管陣列出射的泵浦光，經(jīng)由會聚光學(xué)系統(tǒng)將泵浦光耦合到晶體棒上，在晶體棒左端面鍍有多層介質(zhì)膜,對泵浦光的相應(yīng)波長為高透、而對產(chǎn)生的激光束的相應(yīng)波長為高反,腔的輸出鏡為鍍有多層介質(zhì)膜的凹面鏡。

2.光纖耦合端面泵浦

針對直接端面泵浦方式的弱點，人們又進(jìn)一步發(fā)展了光纖耦合的端面泵浦。端面泵浦激光器由激光二極管、兩個聚焦系統(tǒng)、耦合光纖、工作物質(zhì)和輸出反射鏡組成。與直接端面泵浦不同，這種結(jié)構(gòu)首先把激光二極管發(fā)射的光束質(zhì)量很差的激光耦合到光纖中，經(jīng)過一段光纖傳輸后，從光纖中出射的光束變成發(fā)散角較小的、圓對稱的、中間部分光強最大的泵浦光束。用這一輸出的泵浦光去泵浦工作物質(zhì)，由于它和振蕩激光在空間上匹配得很好，因此泵浦效率很高。由于激光二極管或二極管陣列與光纖間的耦合較與工作物質(zhì)的耦合容易，從而降低了對器件調(diào)整的要求。而且最重要的是這種耦合方式能使固體激光器輸出模式好、效率高的激光束。

（一）實驗裝置及方法

根據(jù)光纖側(cè)面泵浦耦合器的工作原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用了熔融拉錐工藝以及最基本的2×1耦合方式，實現(xiàn)把一根泵浦多模光纖中的泵浦光耦合進(jìn)雙包層光纖。在本論文的大多數(shù)應(yīng)用中，主要是將915nm泵浦光由泵浦輸入端注入到增益光纖中，1060nm種子光由信號輸入端注入，耦合后的光功率從輸出端輸出。閑置端沒用，但是有較弱的光功率，要作妥善處理。實驗裝置原理：該裝置為一套熔融拉錐系統(tǒng)，主要包括步進(jìn)電機控制的平行拉伸裝置和火焰進(jìn)給裝置組成，同時配有其他監(jiān)測、控制和顯示設(shè)備。具體的實驗過程為：首先截取約兩米長的泵浦輸入端光纖和信號傳輸光纖各一根，在中間的合適位置剝除一定長度的保護(hù)層作為耦合區(qū)域，雙包層光纖則要剝除外包層和保護(hù)層，然后對耦合區(qū)域進(jìn)行充分的清洗；清洗完畢后將兩光纖置于夾具上固定，轉(zhuǎn)移到拉錐平臺上，使加熱裝置的火頭處于耦合區(qū)域的中間位置，調(diào)整拉錐參數(shù)進(jìn)行熔融拉錐，實時監(jiān)測兩根光纖的輸出功率和分光比，當(dāng)達(dá)到所需的參數(shù)時停止拉錐；然后對耦合區(qū)域進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆庋b，最后是各個參數(shù)的測試。

（二）拉錐工藝的研究

從光纖的相對位置來說，拉錐工藝可分為平行燒拉技術(shù)和打結(jié)燒拉技術(shù)。實驗的開始階段，我們借鑒單模光纖耦合器的成功經(jīng)驗，也采用了平行燒拉技術(shù)，即先把兩根光纖平行固定，再轉(zhuǎn)移到拉錐平臺上進(jìn)行拉錐操作。在嘗試了幾種光纖組合以后，發(fā)現(xiàn)效果并不好，從實時監(jiān)測的情況來看，兩根光纖耦合到一定程度難以繼續(xù)耦合，繼續(xù)拉錐反而會使損耗增大，而不是呈現(xiàn)周期性的耦合機理，這和單模耦合的曲線有很大差別。后面的實驗我們采用了打結(jié)燒拉技術(shù)，即把兩根光纖相互纏繞，然后固定在拉錐平臺上進(jìn)行拉錐。從實驗的結(jié)果來看，打結(jié)燒拉技術(shù)要比平行燒拉技術(shù)耦合效率高，這從實時監(jiān)測的數(shù)據(jù)可以直觀的反映出來。

打結(jié)燒拉技術(shù)雖然一定程度上提高了側(cè)面耦合的效率，但是實驗效果仍然難以另人滿意，根據(jù)已有的文獻(xiàn)報到，嘗試了泵浦傳輸光纖的預(yù)拉錐處理技術(shù)。即先把泵浦傳輸光纖拉錐一段距離，再纏繞到雙包層光纖上進(jìn)行耦合拉錐。經(jīng)過對預(yù)先拉錐的參數(shù)進(jìn)行了一段時間的摸索后，側(cè)面耦合效率有了一定的提高，從同一種光纖組合的結(jié)果來看，采用預(yù)拉錐處理后的耦合效率要比直接拉錐高出10%。由于光纖參數(shù)對耦合效率存在較大的影響，耦合器的優(yōu)化實驗對多種不同的光纖進(jìn)行了優(yōu)化組合，對每種組合逐一調(diào)整拉錐工藝的各個參數(shù)，包括氫氣氧氣流量、火焰高度、拉錐速度、拉錐距離等等任何可以影響拉錐結(jié)果的因素，進(jìn)行了大量實驗， 為了減小吸收造成的附加損耗，實驗在多模光纖不變的情況下，信號光纖改用無源雙包層光纖代替摻鐿雙包層光纖，經(jīng)過一定的實驗研究和參數(shù)優(yōu)化后，樣品的測試結(jié)果表明，側(cè)面耦合的效率可以達(dá)到46.4%，但是仍然很難實際應(yīng)用到光纖激光器中。一方面，無源雙包層光纖本身對915nm光的損耗太大，為0.62dB/m；另一方面，多模光纖纖芯和雙包層光纖內(nèi)包層在折射率上的差異仍然存在，這在兩種光纖的拉錐熔點上體現(xiàn)出來。

為了解決折射率匹配的問題，實驗在無源雙包層光纖不變的基礎(chǔ)上，選用了石英絲來代替多模光纖進(jìn)行側(cè)面耦合實驗。但是實驗中耦合效率只有39.7%。拉錐過程中明顯觀察到兩種光纖熔點的差異，這是因為石英絲包層為低折射率的摻氟介質(zhì)，其熔點比石英低，當(dāng)兩光纖在同一火焰下加熱時，石英絲很快處于熔融狀態(tài)然后變形，而這時雙包層光纖還沒有到達(dá)熔點，所以拉錐過程很難控制。

最后，實驗采用無源雙包層光纖代替石英絲，利用兩根無源雙包層光纖制作的側(cè)面泵浦耦合器，實現(xiàn)了較高的耦合效率，最高可達(dá)到70%，由于兩根雙包層光纖在性能上完全一致，所以解決了光纖的匹配問題，通過實驗優(yōu)化，主要性能指標(biāo)達(dá)到：泵浦光耦合效率：74%；信號光耦合效率：95%；信號輸入端與泵浦輸入端的隔離度：>50dB；泵浦輸入端對輸出端反向傳輸光的隔離度:20dB；承受峰值功率：>15kW。

95%的信號光耦合效率對于光纖激光器，尤其是光纖放大器是十分有利的，信號光功率可以幾乎沒有損耗的傳輸?shù)皆鲆婀饫w中，得到最大限度的利用；泵浦輸入端對輸出端反向傳輸光的隔離度達(dá)到20dB，能夠有效的阻止增益光纖中的后向傳輸光進(jìn)入泵浦源，從而保證泵浦源的安全工作，防止被損壞或燒毀。