光纤端面处理对光纤激光器的影响
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热心网友QQ群1、前言
光纤是圆柱形介质波导由纤芯、包层和涂敷层3部分组成，一般单模和多模光纤的纤芯直径分别为5～15μm和40～100μm，包层直径大约为125~600μm。经过处理的光纤端面，理想状态是一个光滑平面。但实际中，光纤端面的加工往往不能达到理想状态，例如抛光不理想、有划痕、表面或边缘破碎损伤等等，都将使端面情况复杂化。对于光纤与激光器中其它元件的耦合以及光纤之间的熔接来说，要求光纤端部必须有光滑平整的表面，否则会增大损耗。本文分类介绍了光纤损耗产生的原因，通过实验验证了光纤端面质量对光纤激光器输出功率的影响，研究了光纤端面处理工艺流程，分析了光纤端面的切割和研磨方法，对光纤熔接过程提出了具体要求，为同类激光器的研制提供了参考依据。
2、光纤损耗种类
2.1光纤本征损耗
光纤本征损耗即光纤固有损耗，主要由于光纤机基质材料石英玻璃本身缺陷和含有金属过渡杂质和OH-，使光在传输过程中产生散射、吸收和色散，一般可分为散射损耗，吸收损耗和色散损耗。其中散射损耗是由于材料中原子密度的涨落，在冷凝过程中造成密度不均匀以及密度涨落造成浓度不均匀而产生的。吸收损耗是由于纤芯含有金属过渡杂质和OH-吸收光，特别是在红外和紫外光谱区玻璃存在固有吸收。光纤色散按照产生的原因可分为三类，即材料色散、波导色散和模间色散。其中单模光纤是以基模传输，故没有模间色散。在单模光纤本征因素中，对连接损耗影响最大的是模场直径。单模光纤本征因素引起的连接损耗大约为 0.014dB，当模场直径失配20%时，将产生0.2dB的连接损耗[1]。多模光纤的归一化频率V>2.404，有多个波导模式传输，V值越大，模式越多，除了材料色散和波导色散，还有模间色散，一般模间色散占主要地位。所谓模间色散，是指光纤不同模式在同一频率下的相位常数β不同，因此群速度不同而引起的色散。
此外，光纤几何参数如光纤芯径、包层外径、芯/包层同心度、不圆度，光学参数如相对折射率、最大理论数值孔径等，只要一项或多项失配，都将产生不同程度的本征损耗。
2.2光纤附加损耗
光纤的附加损耗一般由辐射损耗和应用损耗构成。其中辐射损耗是由于光纤拉制工艺、光纤直径、椭圆度的波动、套塑层温度变化的胀缩和涂层低温收缩导致光纤微弯所致；应用损耗是由于光纤的张力、弯曲、挤压造成的宏弯和微弯所引起的损耗。
3、实验装置与结果
掺Er3+光纤环形腔激光器实验装置如图1所示，泵浦光由波长980nmLD尾纤输出，经波分复用器（WDM）耦合进入环形光纤谐振腔，经过耦合器分光后输出激光。其中光纤光栅中心波长为1546.3nm，掺Er3+光纤长度为3m，掺杂浓度为400ppm，隔离器工作波长范围为 1535~1565nm，各元件插入损耗均为0.4dB，经上述装置输出功率与输入功率的关系曲线如图2所示，最大输出功率可达16.9mW。但由于光纤激光器各个部件之间均熔接在一起，插入损耗和熔接损耗对整个系统具有非常大的影响。在熔接质量比较好的情况下，总体光光效率可达5.3%，在光纤焊接较差的情况下，焊点漏光严重，用转换片可以看到明显的泵浦光泄露，严重影响总体光光效率，二者功率相差23%左右。因此如何降低腔内熔接损耗是影响激光器输出功率的关键因素。
4、光纤端面处理
光纤端面处理也称为端面制备，是光纤技术中的关键工序，主要包括剥覆、清洁和切割三个环节。端面质量直接影响光纤激光器的泵浦光耦合效率和激光输出功率。
4.1光纤涂覆层的剥除
去除光纤涂覆层是光纤端面处理的第一步。可以用剥线钳和刀片两种方法进行剥除。当采用剥线钳剥除时，左手拇指和食指捏紧光纤，所露长度为5cm左右，余纤在无名指和小拇指之间自然打弯，以增加力度，防止打滑，剥线钳应与光纤垂直，上方向内倾斜一定角度，然后用钳口轻轻卡住光纤，右手随之用力，顺光纤轴向平推出去，整个过程要自然流畅，争取一次成功；当采用刀片剥除时，首先用浓硫酸浸泡3~5cm长的光纤端头1~2分钟，用酒精棉擦拭干净[2]。左手捏紧光纤，持纤要平，防止打滑，右手用刀片沿光纤向端头方向，与光纤成一定倾斜角度，顺次剥除表面涂敷层聚合物材料，采用这种方法克服了采用化学溶剂法长时间浸泡光纤腐蚀严重的缺点，而且比用剥线钳或刀片直接刮除更容易、去除更干净，不易损伤光纤包层侧面部分。
4.2包层表面的清洁
观察光纤剥除部分的包层是否全部去除，若有残留必须去掉，如有极少量不易剥除的涂覆层，可用棉球沾适量酒精，边浸渍，边擦除。将脱脂棉撕成层面平整的扇形小块，沾少许酒精（以两指相捏无溢出为宜），折成Ｖ形，夹住已剥覆的光纤，顺光纤轴向擦拭，力争一次成功，一块棉花使用2～3次后要及时更换，每次要使用棉花的不同部位和层面，这样既可提高棉花利用率，又防止对光纤包层表面的二次污染。
4.3光纤端面切割
切割是光纤端面制备中最关键的步骤，精密优质的切刀是基础，严格科学的操作规范是保证。常用切刀有笔式切割刀和台式光纤切割刀。使用笔式切割刀切割光纤时，光纤放置在手指上，另一手持刀在距离端头5mm左右的位置处沿垂直光纤轴线方向切割光纤，然后轻轻将切除的端头取下；使用台式光纤切割刀进行操作时，首先要清洁切刀刀片、放置光纤的V型槽和定位压板，并调整切刀位置使其摆放平稳。切割时动作要平稳自然，勿重、勿急，避免断纤、斜角、毛刺和裂痕等不良端面的产生 [3]。
表面的清洁和切割的时间应紧密衔接，不可间隔过长，特别是已制备的端面切勿放在污浊的空气中。移动时要轻拿轻放，防止与其它物件擦碰。
5、光纤端面研磨
5.1研磨工艺
影响端面研磨质量的主要因素主要有光纤的安装与定位、端面研磨和检查及测试。其中研磨及测试部分对研制优质光纤端面最为关键。直接影响光纤端面研磨效果的主要因素有：研磨机运转稳定，研磨砂纸颗粒均匀、正确使用研磨片、以及研磨参数设置（压力和时间）[4]。
目前使用的研磨机按其运转原理一般可分成齿轮传动，皮带传动及连竿传动三类。采用齿轮传动方式，一般马力较强，稳定性较高；采用皮带传动方式，一般马力较小，其转速在高压情况下易发生变化，此外皮带随时间老化后容易出现问题；采用连竿式传动方式，噪音较大，稳定性较低，机身容易抖动并且压力偏低。
在加压方面，有单点中心加压，气压及液压等方式。单点中心加压易受外界影响变化，如每盘件数有限；气压较难控制稳定性；而液压操控较精确，力度相对较大，但价格昂贵。
在整个研磨过程中，不论是研磨机的速度，压力，水或是研磨液，都会使研磨片的效果不一样，故在选用研磨处理时，必须配合各项因素作全盘考虑，采用一个最合理的研磨方案。
5.2研磨工序
端面研磨过程经过4道工序：粗磨、中磨、细磨、抛光。其中粗磨、中磨、细磨所用金刚砂纸的颗粒大小不同，分别为6，3，1和0.5[5]。4道工序的时间和压力总共8个参数，配用不同的方案，就可以得到端面质量不同的结果。改变研磨过程中这8个参数得出最佳方案研磨光纤端面图如图3所示。
6、光纤熔接
在把光纤放入熔接机Ｖ型槽时，要确保Ｖ型槽底部无异物且光纤紧贴Ｖ型槽底部。机器自动熔接机器开始熔接时，首先将左右两侧Ｖ型槽中光纤相向推进，在推进过程中会产生一次短暂放电，其作用是清洁光纤端面灰尘，接着会把光纤继续推进，直至光纤间隙处在原先所设置的位置上，这时熔接机测量切割角度，并把光纤端面附近的放大图像显示在屏幕上，如果出现图4所示的图像就要重做。纤芯/包层对准与端面制作一样直接影响熔接损耗，熔接机会在Ｘ轴Ｙ轴方向上同时进行对准，并且把轴向、轴心偏差参数显示在屏幕上,如果误差在允许范围之内就开始熔接。
观察熔接结果熔接过后机器会自动评估，并显示当前熔接损耗，由于是估计值，鼓显示在0.3dB以上就必须重新制端面。在熔接过后，还要进一步观察光纤熔接形状，如果出现如图5所示情况，必须调整机器设置，重新制作光纤端面后进行熔接，其具体实施方式如表1所示。
熔接过程中还应及时清洁熔接机Ｖ形槽、电极、物镜和熔接室，随时观察熔接中有无气泡、过细、过粗、虚熔、分离等不良现象，可采用OTDR跟踪监测结果，及时分析产生上述不良现象的原因，采取相应的改进措施。如果多次出现虚熔现象，应检查熔接的两根光纤的材料、型号是否匹配，切刀和熔接机是否被灰尘污染，并检查电极氧化状况，若均无问题，则应适当提高熔接电流。
由于光纤在连接时去掉了接头部位的涂覆层其机械强度降低，因此要对接头部位进行补强保护，可采用光纤热缩保护管（热缩管）保护光纤接头部位。热缩管应在剥覆前穿入，严禁在端面制备后穿入。将预先穿置光纤某一端的热缩管移至光纤接头处，使熔接点位于热缩管中间，轻轻拉直光纤接头，放入加热器内加热，醋酸乙烯内管熔化，聚乙烯管收缩后紧套在接续好的光纤上，由于此管内有一根不锈钢棒，不仅增加了抗拉强度（承受拉力为1000～2300g），同时也避免了因聚乙烯管的收缩而可能引起接续部位的微弯。
7、盘纤
盘纤是一门技术，科学的盘纤方法可使光纤布局合理、附加损耗小、经得住时间和恶劣环境的考验，可避免挤压造成断纤。盘纤方法有很多，可以从一侧的光纤盘起，固定热缩管，然后再处理另一侧余纤，该方法可根据一侧余纤长度灵活选择热缩管安放位置，方便、快捷，可避免出现急弯、小圈现象；也可以先将热缩套管逐个放置于固定槽中，然后再处理两侧余纤，该方法有利于保护光纤接点，避免盘纤可能造成的损害，在光纤预留盘空间较小，光纤不易盘绕和固定时，常用此种方法；当个别光纤过长或过短时，可将其放在最后单独盘绕；带有特殊光器件时，可将其单独盘绕处理，若与普通光纤共盘时，应将其轻置于普通光纤之上，两者之间加缓冲衬垫，以防挤压造成断纤，且特殊光器件尾纤不可太长。根据实际情况，可采用采用圆、椭圆、“∝”等多种图形盘纤，按余纤长度和预留盘空间大小，顺势自然盘绕，切勿生拉硬拽，尽可能最大限度利用预留盘空间，有效降低因盘纤带来的附加损耗。
8、光纤熔接点损耗的测量
光纤熔接点损耗的测量是度量光纤接头质量的重要指标，使用光时域反射仪（OTDR）或熔接接头的损耗评估方案等测量方法可以确定光纤接头的光损耗。
OTDR的原理是：由于光纤的模场直径影响其后向散射，因此在接头两边的光纤可能会产生不同的后向散射，从而遮蔽接头的真实损耗。如果从两个方向测量接头的损耗，并求出这两个结果的平均值，便可消除单向OTDR测量的人为因素误差。加强OTDR的监测，对确保光纤熔接质量，减少因盘纤带来的附加损耗和封装可能对光纤造成的损耗，具有十分重要的意义。在整个接续工作中，必须严格执行OTDR的4道监测程序：熔接过程中对每一根光纤进行实时跟踪监测，检查每个熔接点的质量；每次盘纤后，对所盘光纤进行检验以确定盘纤带来的附加损耗；封装前对所有光纤进行检测，以查明有无漏测和对光纤及接头有无挤压；封装后对所有光纤进行最后检测，检查封装是否对光纤有损耗[6]。
此外某些熔接机使用一种光纤成像和测量几何参数的断面排列系统，通过从两个垂直方向观察光纤，计算机处理并分析该图像来确定包层偏移、纤芯畸变、光纤外径变化和其他关键参数，使用这些参数来评价接头的损耗。依赖于接头和损耗评估算法求得的接续损耗可能与真实值差异很大。
9、总结
综上建立一套光纤端面处理与熔接的流程如图6所示。本文分类介绍了各种光纤损耗产生的原因，通过实验验证了光纤端面质量对光纤激光器输出功率的影响，研究了光纤端面处理工艺流程，分析了光纤端面的切割和研磨方法，对光纤熔接过程提出了具体要求，为同类激光器的研制提供了参考依据。
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