光泵浦

泵浦是激光技术中的名词。英文pump，有的书上译为“抽运”。产生激光的必要条件是粒子数反转，就是把处于基态的粒子，激励到高能态(产生激光的能态），人们用pump这个词形容这一过程。就是把这一过程比喻成把水从低处抽运到高处。 光泵浦就是用光完成抽运这一过程。一般用氙灯或氪灯完成。用他们发出的强光照射激光介质，完成粒子数反转。

激光增益介质在泵浦作用下，会发生自发辐射，自发辐射的光在介质中传输会发生受受激辐射，产生光放大。由于腔镜的存在，只有垂直腔镜的光纤可以不断放大，最后输出。泵浦的作用是给增益介质提供能量。

1 .直接端面泵浦

直接端面泵浦的结构包括三个部分: 激光二极管泵浦源(由激光二极管阵列、驱动源和致冷器组成) ,光学耦合系统和激光棒和谐振腔。泵浦所用的激光二极管阵列出射的泵浦光，经由会聚光学系统将泵浦光耦合到晶体棒上，在晶体棒左端面镀有多层介质膜,对泵浦光的相应波长为高透、而对产生的激光束的相应波长为高反,腔的输出镜为镀有多层介质膜的凹面镜。

2.光纤耦合端面泵浦

针对直接端面泵浦方式的弱点，人们又进一步发展了光纤耦合的端面泵浦。端面泵浦激光器由激光二极管、两个聚焦系统、耦合光纤、工作物质和输出反射镜组成。与直接端面泵浦不同，这种结构首先把激光二极管发射的光束质量很差的激光耦合到光纤中，经过一段光纤传输后，从光纤中出射的光束变成发散角较小的、圆对称的、中间部分光强最大的泵浦光束。用这一输出的泵浦光去泵浦工作物质，由于它和振荡激光在空间上匹配得很好，因此泵浦效率很高。由于激光二极管或二极管阵列与光纤间的耦合较与工作物质的耦合容易，从而降低了对器件调整的要求。而且最重要的是这种耦合方式能使固体激光器输出模式好、效率高的激光束。

（一）实验装置及方法

根据光纤侧面泵浦耦合器的工作原理和结构设计，采用了熔融拉锥工艺以及最基本的2×1耦合方式，实现把一根泵浦多模光纤中的泵浦光耦合进双包层光纤。在本论文的大多数应用中，主要是将915nm泵浦光由泵浦输入端注入到增益光纤中，1060nm种子光由信号输入端注入，耦合后的光功率从输出端输出。闲置端没用，但是有较弱的光功率，要作妥善处理。实验装置原理：该装置为一套熔融拉锥系统，主要包括步进电机控制的平行拉伸装置和火焰进给装置组成，同时配有其他监测、控制和显示设备。具体的实验过程为：首先截取约两米长的泵浦输入端光纤和信号传输光纤各一根，在中间的合适位置剥除一定长度的保护层作为耦合区域，双包层光纤则要剥除外包层和保护层，然后对耦合区域进行充分的清洗；清洗完毕后将两光纤置于夹具上固定，转移到拉锥平台上，使加热装置的火头处于耦合区域的中间位置，调整拉锥参数进行熔融拉锥，实时监测两根光纤的输出功率和分光比，当达到所需的参数时停止拉锥；然后对耦合区域进行适当的封装，最后是各个参数的测试。

（二）拉锥工艺的研究

从光纤的相对位置来说，拉锥工艺可分为平行烧拉技术和打结烧拉技术。实验的开始阶段，我们借鉴单模光纤耦合器的成功经验，也采用了平行烧拉技术，即先把两根光纤平行固定，再转移到拉锥平台上进行拉锥操作。在尝试了几种光纤组合以后，发现效果并不好，从实时监测的情况来看，两根光纤耦合到一定程度难以继续耦合，继续拉锥反而会使损耗增大，而不是呈现周期性的耦合机理，这和单模耦合的曲线有很大差别。后面的实验我们采用了打结烧拉技术，即把两根光纤相互缠绕，然后固定在拉锥平台上进行拉锥。从实验的结果来看，打结烧拉技术要比平行烧拉技术耦合效率高，这从实时监测的数据可以直观的反映出来。

打结烧拉技术虽然一定程度上提高了侧面耦合的效率，但是实验效果仍然难以另人满意，根据已有的文献报到，尝试了泵浦传输光纤的预拉锥处理技术。即先把泵浦传输光纤拉锥一段距离，再缠绕到双包层光纤上进行耦合拉锥。经过对预先拉锥的参数进行了一段时间的摸索后，侧面耦合效率有了一定的提高，从同一种光纤组合的结果来看，采用预拉锥处理后的耦合效率要比直接拉锥高出10%。由于光纤参数对耦合效率存在较大的影响，耦合器的优化实验对多种不同的光纤进行了优化组合，对每种组合逐一调整拉锥工艺的各个参数，包括氢气氧气流量、火焰高度、拉锥速度、拉锥距离等等任何可以影响拉锥结果的因素，进行了大量实验， 为了减小吸收造成的附加损耗，实验在多模光纤不变的情况下，信号光纤改用无源双包层光纤代替掺镱双包层光纤，经过一定的实验研究和参数优化后，样品的测试结果表明，侧面耦合的效率可以达到46.4%，但是仍然很难实际应用到光纤激光器中。一方面，无源双包层光纤本身对915nm光的损耗太大，为0.62dB/m；另一方面，多模光纤纤芯和双包层光纤内包层在折射率上的差异仍然存在，这在两种光纤的拉锥熔点上体现出来。

为了解决折射率匹配的问题，实验在无源双包层光纤不变的基础上，选用了石英丝来代替多模光纤进行侧面耦合实验。但是实验中耦合效率只有39.7%。拉锥过程中明显观察到两种光纤熔点的差异，这是因为石英丝包层为低折射率的掺氟介质，其熔点比石英低，当两光纤在同一火焰下加热时，石英丝很快处于熔融状态然后变形，而这时双包层光纤还没有到达熔点，所以拉锥过程很难控制。

最后，实验采用无源双包层光纤代替石英丝，利用两根无源双包层光纤制作的侧面泵浦耦合器，实现了较高的耦合效率，最高可达到70%，由于两根双包层光纤在性能上完全一致，所以解决了光纤的匹配问题，通过实验优化，主要性能指标达到：泵浦光耦合效率：74%；信号光耦合效率：95%；信号输入端与泵浦输入端的隔离度：>50dB；泵浦输入端对输出端反向传输光的隔离度:20dB；承受峰值功率：>15kW。

95%的信号光耦合效率对于光纤激光器，尤其是光纤放大器是十分有利的，信号光功率可以几乎没有损耗的传输到增益光纤中，得到最大限度的利用；泵浦输入端对输出端反向传输光的隔离度达到20dB，能够有效的阻止增益光纤中的后向传输光进入泵浦源，从而保证泵浦源的安全工作，防止被损坏或烧毁。