隨著(zhù)工業(yè)級高功率連續光纖激光器的快速發(fā)展，傳統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(shù)脂材料的三包層光纖作為增益光纖。此結構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，再對內包層進(jìn)行處理。因此，在泵浦剝除器的制作過(guò)程和難度上較傳統的雙包層光纖難度都有不小的提升。

一、去除方法

在去除包層光的方法中有涂高折射率導光材料、氫氟酸腐蝕、軟金屬填充等諸多方法,現在工業(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度會(huì )受到很大影響，強度變差，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(xiāo)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度大于60N，最小彎曲半徑可以小于8cm。

二、處理設備

我們用于制造泵浦剝除器的機器是Fujikura LZM-120A+，如圖1（a）所示，其特點(diǎn)是除了傳統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(xiāo)蝕光束。

二氧化碳激光束首先擴展到約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。這套系統采用高精度電機，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(dòng)。光纖可以同時(shí)連續旋轉并沿縱向（平行于光纖的方向）移動(dòng)。它也可以上下移動(dòng)，在一定范圍內下降。光纖和CO2激光束的運動(dòng)，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)現全自動(dòng)CLS制造工藝。

三、優(yōu)化過(guò)程

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(xiāo)蝕工藝對包層進(jìn)行處理，分布實(shí)驗了不同的方法進(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(cháng)度1.5cm。槽間距200um，通很低的泵浦光時(shí)，光纖也會(huì )發(fā)熱嚴重，圖2（a）為刻槽后光纖側面圖，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。

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構，因此，很容易斷裂，為了避免整圈破壞光纖結構，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(xiàn)槽，深度約72um，長(cháng)度1cm，由于刻槽的條數較少，剝除率較低，但外觀(guān)看光纖的外觀(guān)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，光纖的強度較環(huán)刻法上升很多，光纖不易折斷。但由于外觀(guān)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)生連續的破壞，會(huì )有毛刺不平整的光纖外觀(guān)，影響光纖的強度并產(chǎn)生較高的溫升。為了避免連續的破壞光纖包層表面，我們設計了螺旋打孔的工藝方法，通過(guò)出光功率和時(shí)長(cháng)來(lái)控制光纖的打孔的深度，通過(guò)sweep馬達和旋轉馬達的速度來(lái)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(guān)平整光滑，較刻槽法平整很多，強度較刻槽法也增強很多，后面我們進(jìn)行了環(huán)刻法和打孔法的強度對比實(shí)驗。

四、光纖強度對比

在工業(yè)激光器產(chǎn)品中，除了剝除效率這個(gè)指標，光纖的強度也是衡量器件穩定性的一個(gè)重要因素，我們對比了環(huán)刻法及打孔法的機器強度，為了測試在真實(shí)使用場(chǎng)景下的情況，我們兩種方案都做了3.5cm的長(cháng)度進(jìn)行測試，剝除效率可達20dB以上。采用的拉力設備為日本藤倉公司的CT106+大芯徑切割刀，最大拉力可以設置到100N。設備左右側夾具可設置合適的夾持力夾住光纖使光纖不打滑，測試時(shí)將銷(xiāo)蝕的部分懸空，左右側夾具分別夾住光纖兩側，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度的一個(gè)重要指標，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(pán)成光纖環(huán)，通過(guò)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。

五、結論

激光銷(xiāo)蝕法避免了化學(xué)試劑方法對人體傷害的風(fēng)險，是更安全可靠的光纖處理方法；此次采用激光銷(xiāo)蝕方法在三包層上制作光纖泵浦剝除器，通過(guò)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)現光纖的高強度，對提高光纖激光器的可靠性更具優(yōu)勢。在繼續優(yōu)化銷(xiāo)蝕設計方案，還有望得到更好的實(shí)驗效果。