背景：

隨著工業(yè)級高功率連續(xù)光纖激光器的快速發(fā)展，傳統(tǒng)20/400um，25/400um光纖很難做到5KW以上的單根光纖輸出，如需再提升單根光纖的功率值，目前主流的方案是采用石英材料代替樹脂材料的三包層光纖作為增益光纖。此結(jié)構(gòu)中輸出光纖也需要采用匹配的三包層光纖。由于泵浦光在光纖的內(nèi)包層中傳輸，三包層光纖采用石英材料作為外包層，在制作泵浦剝除器時(shí)，需要將石英外包層完全破壞后，再對內(nèi)包層進(jìn)行處理。因此，在泵浦剝除器的制作過程和難度上較傳統(tǒng)的雙包層光纖難度都有不小的提升。

在去除包層光的方法中有涂高折射率導(dǎo)光材料、氫氟酸腐蝕、軟金屬填充等諸多方法,現(xiàn)在工業(yè)上常用的方法有氫氟酸腐蝕法和二氧化碳激光刻槽法。但化學(xué)腐蝕及刻槽方法處理后的光纖的強(qiáng)度會受到很大影響，強(qiáng)度變差，極易斷裂。而且在使用化學(xué)腐蝕法時(shí)化學(xué)溶劑具有一定的毒性，對人體有一定的傷害。

我們采用二氧化碳銷蝕工藝，對三包層光纖表面進(jìn)行打孔處理，可以得到6.3dB/cm的剝除效率，處理后剝除器的抗拉強(qiáng)度大于60N，最小彎曲半徑可以小于8cm。

我們用于制造泵浦剝除器的機(jī)器是Fujikura LZM-120A+，如圖1（a）所示，其特點(diǎn)是除了傳統(tǒng)的聚變光束主要是用于光纖熔接，拉錐和燒球，LZM-120A+還具有如圖1（b）所示的銷蝕光束。

二氧化碳激光束首先擴(kuò)展到約10mm，然后聚焦到直徑約為60μm的小光斑。聚焦的激光束將提供足夠的功率密度直接燒蝕光纖的石英層。這套系統(tǒng)采用高精度電機(jī)，可對CO₂激光束進(jìn)行精確控制。二氧化碳激光器如圖1（b）所示，光束可以朝向、平行或垂直于光纖移動。光纖可以同時(shí)連續(xù)旋轉(zhuǎn)并沿縱向（平行于光纖的方向）移動。它也可以上下移動，在一定范圍內(nèi)下降。光纖和CO₂激光束的運(yùn)動，激光功率和時(shí)間所有這些都可以精確操作，從而在LZM-120A+中實(shí)現(xiàn)全自動CLS制造工藝。

此次測試選用的光纖為nLIGHT三包層光纖Passive-34/460/530DC，采用激光銷蝕工藝對包層進(jìn)行處理，分布實(shí)驗(yàn)了不同的方法進(jìn)行比較，具體如下：

a) 光纖環(huán)刻法

我們在制作三包層光纖泵浦剝除器時(shí)，先采用了橫向刻槽的方法，刻蝕長度1.5cm。槽間距200um，通很低的泵浦光時(shí)，光纖也會發(fā)熱嚴(yán)重，圖2（a）為刻槽后光纖側(cè)面圖，圖2（b）為通5W泵浦激光器時(shí)的發(fā)熱情況，實(shí)測泵浦光剝除率為10.3dB。

此種方法剝除效率為6.8dB/cm，如果加長距離可以達(dá)到20dB以上的剝除效率，但存在光纖容易斷裂，發(fā)熱溫度過高的問題，不適合實(shí)際應(yīng)用。因此，沒有再做加長處理。

b) 光纖橫槽法

由于在光纖上刻環(huán)的方法，整圈破壞了光纖的在軸向上的結(jié)構(gòu)，因此，很容易斷裂，為了避免整圈破壞光纖結(jié)構(gòu)，我們嘗試用沿光纖軸向刻槽的方法制作泵浦剝除器，這樣能避免光纖的軸向破壞，增加光纖的強(qiáng)度。圖3為橫槽法理想效果示意圖。

實(shí)測效果，在三包層光纖刻3條直線槽，深度約72um，長度1cm，由于刻槽的條數(shù)較少，剝除率較低，但外觀看光纖的外觀不平整，有毛刺，因此在較低的功率下溫度已經(jīng)上升到30℃以上。這種工藝條件下，光纖的強(qiáng)度較環(huán)刻法上升很多，光纖不易折斷。但由于外觀及效率不佳，因此舍棄此方案。

c) 光纖螺旋打孔法

基于環(huán)刻法及橫槽法對光纖包層產(chǎn)生連續(xù)的破壞，會有毛刺不平整的光纖外觀，影響光纖的強(qiáng)度并產(chǎn)生較高的溫升。為了避免連續(xù)的破壞光纖包層表面，我們設(shè)計(jì)了螺旋打孔的工藝方法，通過出光功率和時(shí)長來控制光纖的打孔的深度，通過sweep馬達(dá)和旋轉(zhuǎn)馬達(dá)的速度來控制孔的密度和間距。

采用打孔的方法可以做到6.3dB/cm的剝除效率，溫度較刻槽的方法有很大下降；在泵浦功率輸出76W時(shí)溫度在31℃左右，外觀平整光滑，較刻槽法平整很多，強(qiáng)度較刻槽法也增強(qiáng)很多，后面我們進(jìn)行了環(huán)刻法和打孔法的強(qiáng)度對比實(shí)驗(yàn)。

在工業(yè)激光器產(chǎn)品中，除了剝除效率這個指標(biāo)，光纖的強(qiáng)度也是衡量器件穩(wěn)定性的一個重要因素，我們對比了環(huán)刻法及打孔法的機(jī)器強(qiáng)度，為了測試在真實(shí)使用場景下的情況，我們兩種方案都做了3.5cm的長度進(jìn)行測試，剝除效率可達(dá)20dB以上。采用的拉力設(shè)備為日本藤倉公司的CT106+大芯徑切割刀，最大拉力可以設(shè)置到100N。設(shè)備左右側(cè)夾具可設(shè)置合適的夾持力夾住光纖使光纖不打滑，測試時(shí)將銷蝕的部分懸空，左右側(cè)夾具分別夾住光纖兩側(cè)，然后施加拉力直至光纖拉斷時(shí)記錄測試的拉力值。

在光纖激光器系統(tǒng)中，光纖除了受到拉力，經(jīng)常需要進(jìn)行彎曲，因此光纖的最小彎曲半徑也是衡量光纖強(qiáng)度的一個重要指標(biāo)，因此我們對刻蝕后的光纖進(jìn)行了最小彎曲半徑測。光纖一端固定，將光纖打盤成光纖環(huán)，通過施加拉力將光纖環(huán)不斷縮小，直至光纖斷裂，記錄光纖斷裂時(shí)的光纖環(huán)直徑，即為最小彎曲直徑。

激光銷蝕法避免了化學(xué)試劑方法對人體傷害的風(fēng)險(xiǎn)，是更安全可靠的光纖處理方法；此次采用激光銷蝕方法在三包層上制作光纖泵浦剝除器，通過比較不同的方法，確定了打孔法可以在保證剝除效率的前提條件下，實(shí)現(xiàn)光纖的高強(qiáng)度，對提高光纖激光器的可靠性更具優(yōu)勢。在繼續(xù)優(yōu)化銷蝕設(shè)計(jì)方案，還有望得到更好的實(shí)驗(yàn)效果。