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1、Vol. 35. No?2 February. 2008 第35卷第2期 2008年2月 中國激光 CHINESEJOURNAL OF LASERS :025 8-7025 （2008）02-0195-05 大功率固體激光器高效率光纖耦合 壬寶華姜夢華惠勇履李強 （北京工業(yè)大學(xué)激光工程研究疏?北京100022） 光束質(zhì)量參數(shù)對大功率固體激光罌光纖耦合殺統(tǒng)的設(shè)計起看關(guān)掩作用。大功率固體徼光器輸出的為多棋 激光束?引入竽效基模光束來計算多模激光束的光束質(zhì)量是一種育效的方法?并定義包含光斑能量98 %的光斑半 徑為束寬.以此計算多模激光束的光束質(zhì)重?是準(zhǔn)確有效的。結(jié)合大功率固

2、體激光器的光纖耦合原理和光束變換 理論設(shè)計了高效耦合縈統(tǒng)?并對系統(tǒng)內(nèi)透箱的通光孔徑及焦距竽參重做了數(shù)值優(yōu)化。實臉證明?此光纖耦合柔統(tǒng) 能夠進行大功率回體激光高效率耦合?成功地實現(xiàn)了輸入功率為2000 W時.耦合效率大干94 %的激光輸出.并給 出了光纖耦合的效率曲線及分析。 激光技術(shù):固體激光：光纖耦合；光束質(zhì)重:束寬 TN 248. 1 A Improving Coupling Fficiency of Optical Fiber for Hgh-PoMer Laser Beam Wang Baohua Jiang Menghua Hui Yongling Li Qiang (

3、Institute of Laser Engineering 9 Beijing University of Technology 9 Beijing 100022, China} Abstract Beam quality parameter plays an important role in the optical fiber coupling for the high-power laser. For higlrpower laser , its laser beam is always multimode , so it is an effective method to use

4、equivalent basic mode to replace multimode for calculating? The beam width of this equivalent basic mode is measured by including 98 % of the beam energy. and this is an effective way to calculate the beam quality parameter? A higlrefficiency coupling system was designed by using theory of optical f

5、iber coupling for the high-power laser and the beam transform , and in the system numerical values of lens aperture and focus were optimized? Experiment proves that the coupling system has a high coupling efficiency. The efficiency is more than 94 % when the input power is 20(X) W , and the figure o

6、f the experiment on coupling efficiency was displayed and analyzed? Key、wrds laser technique ; solid- state laser ; optical fiber coupling ; beam quality; beam width 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights “served. Vol. 35. No?2 February. 2008 1994-20

7、08 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights “served. Vol. 35. No?2 February. 2008 :2007-06-21 ; :2007-10-12 :王寶華（1981 T ?男.河北人?碩士研究生.主要從事大功率固體激光器的研究。 Email:dabaorabbit mails, :李 藏（1965 T ?男?教授?博士 ?主安從事激光、光電子技術(shù)方面的研究。E-mail :ncltlq 1引言 大功率固體激光在金屬材料的切割、焊接、焙覆 等工業(yè)加工

8、中有重要的應(yīng)用價值，其主要優(yōu)勢在于 它可在光纖中傳輸?實現(xiàn)柔性化三維激光加工山O 大功率固體激光光纖耦合效率的提髙.不僅可將激 光器輸出的激光有效地傳輸?shù)焦ぜ?最大限度地利 用激光器輸出功率?而且耦合損耗的降低可提高光 纖耦合、傳輸系統(tǒng)的可靠性。大功率固體激光光纖 傳輸系統(tǒng)的高傳輸效率包括光纖的傳輸效率和激光 與光纖耦合的效率。由于傳輸大功率固體激光所用 的多模光纖只有十幾米?自身損耗很低白，因此大功 率固體激光光纖傳輸系統(tǒng)的效率?主要取決于激光 與光纖耦合的效率。對于工業(yè)用大功率固體激光 器?輸出激光功率校大，達數(shù)千瓦：為滿足加工過程 對不同功率的需要.輸出功率有較大的范圍.從額定 功率到

9、額定功率的10 %;輸出激光的模式為多模, 光束質(zhì)量隨著輸出功率的增加而變化。本文針對工 業(yè)用大功率固體激光的特點.對光纖耦合系統(tǒng)的光 束變換、大功率激光聚焦耦合的束寬等影響光纖稱 合效率的問題進行了分析。 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights “served. 中 國 沒 光 35卷 2大功率激光光纖耦合系統(tǒng)理論分析 2. 1 將激光功率全部耦合進光纖?必須滿足光纖耦 合條件（如圖丨所示） I dm V dcorc \ （1 丿 I in v max = 2

10、arcsin（NA） 式中dm. in分別為入射光束的光斑直徑和全角發(fā)散 角為光纖芯徑?NA為光纖的數(shù)值孔徑。由于 光纖的孔徑角很?。ㄒ话阍?.2?0. 3 rad） ?可近似 認(rèn)為 in < 2NA O 工業(yè)用激光器的光束質(zhì)量常用光束參數(shù)積 BPP表征，其定義為:BPP =束腰光斑半徑X遠場發(fā) 散角，光束參數(shù)積BPP與光束質(zhì)量因子M1的關(guān)系 為 M2 BPP/ , （3） 選擇光纖時應(yīng)使激光光束參數(shù)積BPP小于光纖參 數(shù)積?由于M1因子在無畸變光學(xué)系統(tǒng)中保持不變, 故BPP亦為一常數(shù)，有 BPPg v 仏 NA ⑷ 即光纖耦合條件為 S 1光纖耦合條件 Fig. 1

11、 Requirements for optical fiber coupling  BPPhscr < din V dcotc I .n < 2NA 對干工業(yè)用數(shù)千瓦大功率固體激光器?一般采 用多棒串接方式.其諧振腔一般為平■平腔結(jié)構(gòu)，出 射的模式為多模?出射光束的束腰位置是固定的。 隨輸出功率的增加，光束質(zhì)量變化，表現(xiàn)為發(fā)散角 和束腰大小的變化?故大功率激光光纖耦合系統(tǒng)應(yīng) 具備很好的適應(yīng)性?即耦合系統(tǒng)要不受光束質(zhì)量變 化的影響.對不同功率的激光?尤其是在高功率范 圍?都要有較高的耦合效率。常用的耦合方式有兩 種:單透鏡直接聚焦:進行光束變換后再聚焦?分別 如［32（a）

12、?（b）所示。其中進行光束變換后再聚焦 的方式中有一種望遠鏡準(zhǔn)直聚焦方式⑼，此方式能 夠明顯提高基模激光束的耦合效率?但不適用于光 束質(zhì)量變化的多模激光束。 圖2心）單透植聚焦.（b）變換后再聚焦 Fig. 2 Focusing with single lens （a） and afler beam transformed （b） 比較兩種聚焦方式?根據(jù)ABCD傳輸定律?可 得到基模高斯光束經(jīng)過兩種方式聚焦后的光斑半徑 表示為 vi # 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All righ

13、ts “served. 中 國 沒 光 35卷 vi # 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights “served. 中 國 沒 光 35卷 wi = (1 ? di/ f)1 ivo + ( di + dz - di ch//)2 o . IV0 + 1門/.刈 多模光束束腰半徑與基模光束束腰半徑之間有 iv = r (1 ?(11/f 3)dl ? /1 + /1 dl/ + 嚴(yán)"2 ? hdl/f, + dl) LJI - ⑹ （

14、刀 vi # 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights “served. 中 國 沒 光 35卷 式中./3分別為透鏡F.F—F" 的焦距.o為基模光束發(fā)散角。大功率固體激光器工作物質(zhì)的輸出 激光孔徑一定?隨著光束質(zhì)量的變化?輸出的原始光束束腰的半徑也會在某一定值附近微小變化。為方便分 析、比較假定其束腰光斑半徑大小不變只有發(fā)散角變化?所以對于多模光束?（6） ?門）式可改寫為 vi 197 1994-2008 China Aca

15、demic Journal Electronic Publishing House. All rights “served. 中 國 沒 光 35卷 >ri =(1 ? di/f)1 wl + (di +血? ch 0)2 9 i 門小 + di/ fi) di ? h + h di/ fy + i fi (h ⑻ ■ h di/ fi 十 丿(AT o廠 o (9丿 vi # 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights “ser

16、ved. 2期 王寶華竽：大功率固低激光話高效率光纖煨合 Fig. 4 Comparision of two different beam widths 圖4中虛線部分為基模高斯光束.對應(yīng)的束腹 處的半徑為兒遠場發(fā)散角為實線部分為多模光 束的等效基模光束，對應(yīng)的束腰處的半徑為乩遠場 發(fā)散角為e分析基模高斯光束功率密度分布為⑷ 1( r) = /oexpf ? 2r/w2) , (10) 式中/o為入射光束功率密度。當(dāng)/? = u-時對應(yīng)的為 高斯定義下的束寬.當(dāng)r = 1.4k-時對應(yīng)的為包含光 ML M1 (ID 丄=丄丄 1 乩IH f din 1 +

17、 / 2|/ / dm ( dm ? f) ]} (13) /J 乙八Z龍十仏."， (⑷ (12) 示為 Zo + (/1 - d\) ~ M (16) (17) 通過計算機數(shù)值模擬?得到在不同光束質(zhì)量下 兩種方式對聚焦光束束腰半徑大小及束腰位置的影 響?如圖3所示。 圖3模擬計算 Fig. 3 Simulation computation 圖3中虛線對應(yīng)單透鏡聚焦光斑W!村對于di 的變化.實線對應(yīng)變換后再聚焦IV1相對干Ch的變 化.其中為聚焦光斑半徑也和f分別為聚焦光 斑到聚焦鏡主面的距離和聚焦鏡的焦距.實線和虛 線各對應(yīng)三條曲線的光束質(zhì)量因子自

18、上而下依 次為120 ,60和lo模擬計算表明單透鏡聚焦后的 光斑在光束質(zhì)量變化時?半徑和束腰位置的變化都 比變換后再聚焦的情況大，因此，光纖耦合系統(tǒng)需要 在光束變換后再進行聚焦耦合，以適應(yīng)光束質(zhì)量的 變化。 大功率固體激光器輸出激光為多模光束.高斯 光束束寬定義的是基模光束?不能直接應(yīng)用于多模 光束的光束質(zhì)量計算?可壯多模光束內(nèi)嵌入一尊效 基模高斯光束?其束寬等效為：將包含光斑98 %能 量的環(huán)團圓徑作為束寬的直徑。 斑98 %能量的束寬.即R/r=\.4.兩種定義下所得 到的光束參數(shù)積BPP比值為 BPP, BPP bpp「m：分別為等效光束的光束參教積和光束質(zhì) 量因子。 3實

19、驗研究 根據(jù)圖2(b)設(shè)計耦合系統(tǒng)。首先根據(jù)等效束 寬的定義采集光斑后利用雙曲線擬合來確定原始光 束束腰的大小和位置"I ?進而計算得到BPP或者 光束質(zhì)量因子?束腰半徑呵，共焦參數(shù)乙O 由單透鏡的變換公式力 w( Z) = v；0 J\ +(z/ z)2 t (15) 式中叫-氛.Z,u.分別為經(jīng)過透鏡變換后的激光束 的束腰半徑、束腰到透鏡主面的距離以及共焦參數(shù) (或者叫作瑞利長度八dm, Zn分別為入射激光 束的束腰半徑、束腰到透鏡主面的距離以及共焦參 數(shù)。 (15丿式為自由空間光束變換公式,w(z)為光 束沿光軸傳播距離:處的束寬半徑.M-0為光束束 腰半徑.Z為傳輸距離.Z為

20、光束的共焦參數(shù)。 圖2(b)中,/1 = /1 + /:?，為離焦量?可表 式中6/1為激光束束腰到透鏡F1主面的距離。確定 已有參數(shù)?可對經(jīng)過每個透鏡變換后的光束進行計 算?即可得到最終進入光纖的束腰半徑及發(fā)散角。 為了保證光纖穩(wěn)定工作?做以下優(yōu)化： 1) 使透鏡鬥的主面在透鏡尺的束腰處.保證 入射到透鏡月的激光束的準(zhǔn)直度盡量好?從而使聚 焦激光束的束腰到透鏡什主面的距離保持為穩(wěn)定 值.這樣即使光束質(zhì)量變化.透鏡月也有一定的調(diào) 節(jié)范圍。 2) 血的大小由透鏡鬥的焦距門確定?八的大 小由光束質(zhì)量(便于計算.選取光束參數(shù)積BPP描 述八光纖芯徑心和數(shù)值孔徑NA決定.在滿足光 纖耦合條件

21、(5)式的前提下?對光纖的接收端面優(yōu) 化?使光纖芯徑的90 %為通光范圍 0.9 晉 NA = BPPlascr . (18) NA = 丁七. (19) 式中0為激光束在透鏡鬥主面上的光斑直徑.由 (18) ,(19)式得 = - 225 琵藝。 (20) 3) 優(yōu)化透鏡的通光孔徑減小衍射損耗，使透鏡 月主面的90 %范圍為最大通光面。透鏡直徑一般 為20 mm .所以 = 20 X90%= 18 mm .工業(yè)用大功 率固體激光器的光束質(zhì)量變化范圍一般為10? 24 mm mrad .光纖芯徑為600p m .選取最差時的 光束質(zhì)量進行計算確定/3,將BPPz =

22、24 mm mrad ,0=18 mm , dmn = 600M m 代入 (20)式計算有：/3 =101.25 mmo 4) 根據(jù)透鏡Fi的通光孔徑和損傷閾值優(yōu)化圖 2(b)中dx的取值。 表1是在進行光纖耦合時的實驗數(shù)據(jù)?激光器 由北京工業(yè)大學(xué)激光工程研究院研制型號:NCLT CW 2000,選擇光纖的芯徑為= 600M m .數(shù)值 孔徑NA=0.22 .材料為石英,長度為15 m,光纖端 面鎮(zhèn)1064 nm増透膜.連續(xù)YAG激光對石英光纖拋 光平面的損傷閾值⑷為3 X10" W/cnr o 表I參數(shù)送擇 Table 1 Parameters determined R)wer

23、/ W 2000 Ji / mm 318 Wavelength /p m 1.064 f i / mm 120 BPP / mm mrad 24 fi / nun 350 Beam waist / mm 1.9 fy / mm 100 根據(jù)公式和表1數(shù)據(jù)計算得:聚焦到光纖端面 的光斑半徑in =270p m ,透鏡月上的光斑直徑e =9. 18 mm?即在光束質(zhì)量變化為BPPg = 24 mm mrad時，耦合系統(tǒng)仍然滿足光纖耦合的條 件。 3.2 圖5為耦合系統(tǒng)的光纖耦合效率與輸入功率曲 線。 圖5中耦合效率隨著抽運燈輸入功率的増加所 體現(xiàn)出來的下滿

24、與上升主要是光束質(zhì)量的變化造成 SX 86 84 82 8() 1 ? - I - - - ? - ? 1 > 1 - 0 400 K00 1200 1600 2000 Laser power /W 圖5糧合效率曲線 Fig. 5 Relation between coupling efficiency and laser power 的。隨著激光器抽運燈輸入功率的增加?工作物質(zhì) 的熱透鏡效應(yīng)就越明顯?激光器的工作狀態(tài)由穩(wěn)區(qū) 進入非穩(wěn)區(qū)再過渡到穩(wěn)區(qū)⑼。在穩(wěn)區(qū)工作時?激光 器的輸出功率隨激光器抽運燈輸入功率的增加而坦 加?且光束質(zhì)量優(yōu)于非穩(wěn)區(qū)狀態(tài)下的光束質(zhì)量。此 外?

25、透鏡的球差和鍍膜、光纖端面傾斜、激光與光纖 機械對準(zhǔn)誤差、軸向誤差、縱向間隙、角度誤差等因 素⑼也會影響光纖耦合效率?因此?圖5中耦合效 率曲線的變化是多種因素共同作用的結(jié)果。 4結(jié)論 光纖耦合技術(shù)的關(guān)犍在干準(zhǔn)確獲得激光器的光 束質(zhì)量因子.針對大功率固體激光器輸出的多模 激光束的特征準(zhǔn)確計算了 M1因子?并優(yōu)化透鏡、光 纖等相關(guān)參數(shù)的取值?設(shè)計出高效率的耦合系統(tǒng)?成 功地實現(xiàn)了輸入激光功率為2000 W時.耦合效率大 于94 %的激光輸出。影響光纖耦合效率的因素很 多?如何減少或避免這些因素的影響對進一步提高 大功率固體激光器的耦合效率有重要的研究價值。 1 Th. Beck ? K.

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