技术分享｜CO激光销蚀技术在三包层光纤泵浦剥除器制作上的应用 - 和我们大家一起塑造中国光通信产业的未来 - 光纤在线

  技术分享｜CO激光销蚀技术在三包层光纤泵浦剥除器制作上的应用

  9/24/2021，光纤在线讯，随着工业级高功率连续光纤激光器的加快速度进行发展，传统20/400um，25/400um光纤很难做到5KW以上的单根光纤输出，如需再提升单根光纤的功率值，目前主流的方案是采用石英材料代替树脂材料的三包层光纤作为增益光纤。此结构中输出光纤也需要采用匹配的三包层光纤。由于泵浦光在光纤的内包层中传输，三包层光纤采用石英材料作为外包层，在制作泵浦剥除器时，需要将石英外包层完全破坏后，再对内包层做处理。因此，在泵浦剥除器的制作的步骤和难度上较传统的双包层光纤难度都有不小的提升。

  在去除包层光的方法中有涂高折射率导光材料、氢氟酸腐蚀、软金属填充等诸多方法,现在工业上常用的方法有氢氟酸腐蚀法和二氧化碳激光刻槽法。但非物理性腐蚀及刻槽方法处理后的光纤的强度会受到特别大的影响，强度变差，极易断裂。而且在使用非物理性腐蚀法时化学溶剂具有一定的毒性，对人体有一定的伤害。

  我们采用二氧化碳销蚀工艺，对三包层光纤表明上进行打孔处理，能够获得6.3dB/cm的剥除效率，处理后剥除器的抗拉强度大于60N，最小弯曲半径可以小于8cm。

  我们用来制造泵浦剥除器的机器是FujikuraLZM-120A+，如图1（a）所示，其特点是除了传统的聚变光束主要是用于光纤熔接，拉锥和烧球，LZM-120A+还具有如图1（b）所示的销蚀光束。

  图1（a）藤仓第三代二氧化碳激光熔接工作站LZM-120A+（b）销蚀光路示意

  二氧化碳激光束首先扩展到约10mm，然后聚焦到直径约为60μm的小光斑。聚焦的激光束将提供足够的功率密度直接烧蚀光纤的石英层。这套系统采用高精度电机，可对CO2激光束进行精确控制。二氧化碳激光器如图1（b）所示，光束可以朝向、平行或垂直于光纤移动。光纤可以同时连续旋转并沿纵向（平行于光纤的方向）移动。它也可以上下移动，在一些范围内下降。光纤和CO2激光束的运动，激光功率和时间所有这些都可以精确操作，从而在LZM-120A+中实现全自动CLS制造工艺。

  此次测试选用的光纤为nLIGHT三包层光纤Passive-34/460/530DC，采取了激光销蚀工艺对包层做处理，分布实验了不同的办法来进行比较，具体如下：

  我们在制作三包层光纤泵浦剥除器时，先采用了横向刻槽的方法，刻蚀长度1.5cm。槽间距200um，通很低的泵浦光时，光纤也会发热严重，图（a）为刻槽后光纤侧面图，图2（b）为通5W泵浦激光器时的发热情况，实测泵浦光剥除率为10.3dB。

  此种方法剥除效率为6.8dB/cm，如果加长距离能够达到20dB以上的剥除效率，但存在光纤容易断裂，发热温度过高的问题，不适合实际应用。因此，没有再做加长处理。

  由于在光纤上刻环的方法，整圈破坏了光纤的在轴向上的结构，因此，很容易断裂，为了尽最大可能避免整圈破坏光纤结构，我们尝试用沿光纤轴向刻槽的方法制作泵浦剥除器，这样能避免光纤的轴向破坏，增加光纤的强度。图3为横槽法理想效果示意图。

  实测效果，在三包层光纤刻3条直线cm，由于刻槽的条数较少，剥除率较低，但外观看光纤的外观不平整，有毛刺，因此在较低的功率下温度已经上升到30℃以上。这种工艺条件下，光纤的强度较环刻法上升很多，光纤不易折断。但由于外观及效率不佳，因此舍弃此方案。

  基于环刻法及横槽法对光纤包层产生连续的破坏，会有毛刺不平整的光纤外观，影响光纤的强度并产生较高的温升。为了尽最大可能避免连续的破坏光纤包层表面，我们设计了螺旋打孔的工艺方法，通过出光功率和时长来控制光纤的打孔的深度，通过sweep马达和旋转马达的速度来控制孔的密度和间距。

  采用打孔的办法能够做到6.3dB/cm的剥除效率，温度较刻槽的方法有很大下降；在泵浦功率输出76W时温度在31℃左右，外观平整光滑，较刻槽法平整很多，强度较刻槽法也增强很多，后面咱们进行了环刻法和打孔法的强度对比实验。

  在工业激光器产品中，除了剥除效率这个指标，光纤的强度也是衡量器件稳定性的一个主要的因素，我们对比了环刻法及打孔法的机器强度，为了测试在真实使用场景下的情况，我们两种方案都做了3.5cm的长度来测试，剥除效率可达20dB以上。采用的拉力设备为日本藤仓公司的CT106+大芯径切割刀，最大拉力可设为到100N。设备左右侧夹具可设置合适的夹持力夹住光纤使光纤不打滑，测试时将销蚀的部分悬空，左右侧夹具分别夹住光纤两侧，然后施加拉力直至光纤拉断时记录测试的拉力值。

  在光纤激光器系统中，光纤除了受到拉力，经常有必要进行弯曲，因此光纤的最小弯曲半径也是衡量光纤强度的一个重要指标，因此我们对刻蚀后的光纤进行了最小弯曲半径测。光纤一端固定，将光纤打盘成光纤环，通过施加拉力将光纤环不断缩小，直至光纤断裂，记录光纤断裂时的光纤环直径，即为最小弯曲直径。

  激光销蚀法避免了化学试剂方法对人体伤害的风险，是更安全可靠的光纤处理方法；此次采取了激光销蚀方法在三包层上制作光纤泵浦剥除器，通过比较不同的方法，确定了打孔法可以在保证剥除效率的前提下，实现光纤的高强度，对提高光纤激光器的可靠性更具优势。在继续优化销蚀设计的具体方案，还有望得到更好的实验效果。

  凌云光股份以光技术创新为基础，围绕机器视觉与光纤光学开展业务，致力成为视觉A与光电信息领域的全球领导者。公司战略聚焦机器视觉业务，坚持“为机器植入眼睛和大脑”，为客户提供可配置视觉系统、智能视觉装备与核心视觉器件等高端产品与解决方案。凌云光股份曾获得一项国家技术发明一等奖，两项国家科学技术进步二等奖。公司作为总体单位，承担多项国家重大科学技术项目。

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