能量传输光纤及其耦合器的发展.pdfVIP

2011(第六届)全国通信网络信息安全学术会议优秀论文 Telecommarket 能量传输光纤及其耦合器的发展 申子卿 任建国 杨华勇 (国防科学技术大学光电科学与工程学院，长沙市开福区，410073) 摘 要：本文从高功率传能光纤的发展引入了高功率传能光纤耦合器，系统总结了此种耦合 器的发展历程，对标志性事件进行回顾，进而弓l出其在激烈市场竞争情况下的发展趋势。 关键字：光纤，传能光纤，传能光纤耦合器 1．引言 现代工业技术的发展和国防军事技术的进步对高功率光传输和应用的需求越来越广泛。 在工业领域，高功率激光广泛应用于电子、汽车工业、仪器仪表等多个行业，大功率激光的 传输和利用是高效完成激光打标、激光精细切割、激光焊接等先进工艺的前提；在军事领域， 高能激光一直处于各国国防关键技术研发的前沿，高功率光传输和控制是研发激光惯性约束 核聚变装置、战术 (略)激光武器等系统的瓶颈技术。 2．高功率传能光纤 在诸多的高功率光传输和利用技术方案中，高功率光纤激光的产生、传输和利用系统 以 其散热特性 良好、结构紧凑、效率高、构建灵活、光束质量好等众多的优点而得到越来越广 泛的重视。目前，单根光纤传输的光功率密度已达 GW／cm量级 ，然而随着光纤中传输光 功率的不断提高，在有限尺寸的高功率光纤激光系统中会出现不可避免的问题：一是光纤中 的非线性效应；二是高能量密度引起的光纤和光纤元器件的热损伤。解决这两个问题的核心 均在于能否在不降低光功率的前提下降低光纤中的能量密度。 在诸多的解决方案中，采用增大光纤模场面积的方法是降低光传输能量密度的有效途 径 。近年来，与大模场面积光纤设计相关的研究不断发展。传统设计大模场光纤的方法主要 采用减小数值孔径和设计光纤折射率分布等方法实现，最近几年又发展了折射率导引等方法 来扩大光纤中基模的模场面积 ’。目前，高功率传输光纤已有市场化成品，如美国3M公司 的 FT一4o0一EMT光纤、美国 Nufern公司的 MM-S400／440-22A光纤、英 国 Oxford公司的 HPSIR4OOP光纤，国内也有一些同类产品如A3—400／480—6一I光纤、A3—400／440-6-I光纤和 A3-50／125一I光纤等。美国3M公司的FT一400一EMT光纤工作波长为 1064nm、纤芯直径为400pzn， 包层直径为425pm，数值孔径为0．39，损伤阈值为5GW／cm 。 3．高功率传能光纤耦合器 在普通光纤传输、通信和传感系统中，光纤耦合器是最基本、不可或缺的光纤元器件， 正是由于光纤耦合器能够稳定、自如地实现光的分束、耦合，复杂的光纤通信和传感网络才 能得以实现。 对于高功率光纤激光的产生、传输和利用系统而言，高功率光纤耦合器同样也是核心支 撑器件之一，它既可作为谐振腔的输出端 口用于将谐振腔 内部分能量输出，同时将大部分能 量保留在谐振腔 内形成稳定的激光振荡，又可作为高功率光纤传输网络中实现分束与合束的 必需器件。当光纤耦合器中的光功率不断增加时，除光纤自身会受到高功率的非线性效应和 热效应影响外，光纤祸合器的耦合区更容易受到高功率热效应的影响，因而研究一种能用于 通信市场 ·2011年7-8月 第 43页 万方数据 201l(第六届)全国通信网络信息安全学术会议优秀论文 Telecom market 高功率激光分束／合束的特种高功率光纤耦合器是构建高功率光纤激光的产生、传输和利用 系统的关键 。 4．高功率传能光纤耦合器的技术现状 目前，商业化的SMF一28通讯用光纤耦合器 已经成熟，由于熔融拉锥制作的耦合器性能稳 定，成本低廉，技术难度较低，目前的商用耦合器多采用这种方式制作，最大承受功率不超 过 5W，一般都小于 lOOmW。 1997年，Norihiko