端面泵浦是双包层光纤有源器件最早采用的泵浦方式,也是比较容易实现的泵浦方式,在纳秒脉冲放大技术中应用也很广泛。 在端面泵浦方式里,泵浦光经过透镜耦合系统直接聚焦到光纤端面上,二向色镜紧贴光纤端面。如果光路中有很好的隔离措施,二向色镜可以与准直系统共轴放置,光纤端面正切为菲涅耳端面。但光路如果缺乏很好的隔离措施,在放大技术中应尽量避免反馈,故可以将二向色镜倾斜放置并与光纤端面磨制的倾角平行。该技术需要对耦合系统进行精心的设计,设计时需要考虑到泵浦光的输出孔径、光斑的尺寸,掺杂光纤的内包层形状、尺寸、数值孔径等参数,使泵浦光能够高效地耦合进入双包层光纤的内包层。二向色镜要求对泵浦光高透,对信号激光高反。输出端可以利用光纤端面直接输出,也可以通过一个特定反射率的二向色镜反馈输出。由于大功率泵浦光直接聚焦到与二向色镜紧贴的光纤端面上,二向色镜的镀膜需要具有高的损伤阈值。 端面泵浦方式具有一些本身的缺陷:由于利用二向色镜作为耦合镜,需要精密的调整机构,对放大器工作环境要求非常高,放大器的结构不够紧凑。另外这种技术由于聚焦光斑大小、数值孔径与光纤内包层端面尺寸的完全匹配难以实现,耦合效率一般不高。
为了克服端面泵浦方式对光纤端面的束缚,人们发明了 V 型槽泵浦技术。 V 型槽泵浦技术利用双包层光纤内包层尺寸较大的特点,将双包层光纤的一段剥除涂敷层及外包层后,在内包层的一个侧面开一"V"形槽,泵浦光经微透镜聚焦后从相对的另一侧垂直注入双包层光纤内包层,泵浦光从光纤的另一边经透镜聚焦入射到 V 型槽的斜边上,然后经斜边全反射进入纤芯并传播。V 型槽的斜角根据光纤和泵光的参数确定,经反射进入纤芯的泵浦需满足在内包层传播的全反射条件。利用这种技术,光纤的端面可以得到自由,从而方便构成激光器环形腔结构,在制作放大器时也方便信号光的注入。而且泵浦位置可自由选择,便于实现双向泵浦及多点阵列式泵浦,得到较高功率。较端面泵浦方式,也不存在泵浦光聚焦到腔镜上损伤镀膜的问题。但是在内包层上刻制V 型槽需要非常高的微刻技术,不容易加工,目前在国内还没有这种工艺手段,另外 V 形槽泵浦结构也比较复杂。
前面提到的两种技术,都需要附加透镜准直等设备,将泵浦光聚焦至光纤内包层上,系统复杂。锥形光纤耦合技术是一种改进的端泵浦耦合方式,这种方式不需要耦合透镜,而是依靠锥形光纤将尾纤输出的大模场直径光斑压缩进横截面相对较小的双包层光纤中。即多根光纤组成的光纤束逐渐收缩为单根与双包层光纤尺寸相匹配的多模光纤,再与双包层光纤连接。前端的每一根光纤都可以与一个泵浦源连接,利用这个技术可以获得非常高的输出功率。经设计,可以将光纤束中心一路光纤作为信号光输入,方便光纤放大器的研制,也可以构成环形腔激光器。这种方式消除了透镜组带来的附加损耗,耦合效率高于普通的端泵耦合方式,可达到 98%。而且整个系统成为一体,结构紧凑、稳定,对放大器的工作环境也不是很严格,有利于放大器的大规模应用。
但这种锥形光纤耦合技术对信号光与泵浦光的隔离度不高,在放大器的研究中微弱的光反馈都可能造成光器件严重的损失。国内的工艺技术水平逐渐接近国际先进水平。中国电子科技集团第 46 研究所已研制成功耦合效率达80%的多路泵浦合束器。
树杈形耦合技术是一种更为先进的泵浦手段,是一种边泵浦技术。跟锥形光纤耦合技术不同的是,它实行多点泵浦方案,在一根单模光纤的多个不同位置接合了多模光纤,每一路多模光纤跟一个半导体泵浦激光器相连接。从理论上讲,可以根据需要随意增加泵浦激光器的数量,因此可以获得 非常高的输出功率。并且每个泵浦激光器的功率相对较小,工作更稳定,接合点也不容易产生损伤问题,可以方便地应用于工业生产等领域。 采用这种泵浦技术还可以方便地构成环形腔激光器,在输入端输入信号还可以作为高功率光纤放大器。这种技术目前世界上只有 IPG 等或研究所掌握,受工艺水平限制,国内还处于初期研究阶段。