用于实现功率可扩展的中红外全光纤激光器的、经过应力释放处理的同尺寸异质光纤非对称拼接技术

《Optics & Laser Technology》：Stress-relieved asymmetric splicing of identical-dimension heterogeneous fibers for power-scalable mid-infrared all-fiber lasers

　　摘要：为克服将包层直径相同的硅光纤与氟化物光纤进行熔接的巨大挑战，本研究提出了一种结合热扩散技术的非对称热熔接方法，用以缓解界面应力。研究建立了涵盖热传递、熔池动力学、马兰戈尼效应、固液相变以及结构力学的多物理场模型，以此确定最佳加工参数并可视化熔接界面的动态变化过程。该模型直观展示了熔接点的动态演变过程，揭示了在热扩散过程中，加热功率和加工时间对熔接点温度及应力的影响。基于仿真结果，实验上实现了15/250 μm硅光纤与16.5/240*260 μm含1 mol.% Er3+:ZBLAN光纤之间的低损耗（0.23 dB）且高强度（550 g）熔接。此外，还构建了基于不同泵浦硅光纤的3.8 μm激光系统，其激光输出功率从2.6 W提升至5.9 W，从而证明了在全光纤激光系统中熔接尺寸相同的异质光纤的优越性。

引言：中红外光纤激光器通常工作在3–5 μm波段，由于其在精准医疗、国防、遥感以及先进材料加工等领域的巨大应用潜力，已成为激光技术领域的重要发展方向[1]–[5]。目前，高性能中红外光源主要采用掺铒（Er3+）的氟化物光纤（如ZBLAN光纤），这类光纤能够在2.8 μm、3.5 μm和3.8 μm等关键波长处实现高效的辐射跃迁[6]–[8]。氟化物玻璃较低的声子能量是其高效工作的关键，因为这能有效抑制非辐射弛豫现象[9]。虽然早期的中红外系统多采用自由空间耦合方式，但如今行业正迅速向全光纤架构转型，以提高系统的环境适应性并实现更高功率的输出[10]。然而，这类系统的全集成仍受到光纤熔接技术难题的制约，尤其是需要实现异质光纤之间低损耗、高强度的熔接点。

异质光纤熔接的主要难点在于硅光纤与氟化物玻璃在热机械性质（如软化温度和热膨胀系数）以及光学特性上的显著差异。为解决这些问题，江等人率先提出了非对称热熔接策略，通过电弧偏移来使界面处的热梯度达到匹配状态[11]。随后，Rawaa等人用电阻丝加热器替代电弧，进一步优化了这一方法，从而获得了更为稳定的热环境[12]。借助这些技术进步，目前的研究已成功实现了低损耗熔接，但大多是在大直径氟化物光纤包裹小直径硅光纤的配置下实现的。例如，已有报道指出200/220 μm硅光纤与15/250/290 μm ZBLAN光纤之间可以实现熔接[13]，7/125 μm硅光纤与7.5/148 μm ZBLAN光纤之间也能实现熔接[14]。即便在最近针对8.2/125 μm硅光纤与16.5/260/290 μm ZBLAN光纤界面的研究中，也发现只有极窄的温度范围（2.5 °C）才能有效抑制界面微裂纹的产生[15]。虽然这种尺寸不匹配的方案适用于2.8 μm单波长包层泵浦激光器，但对于3.5 μm和3.8 μm全光纤激光器来说却存在很大瓶颈。这类激光器依赖双波长泵浦机制（包层泵浦和核心泵浦）[16]–[17]，而要最大化核心泵浦功率并克服小核心合束器的亮度限制，就必须实现尺寸相同的光纤熔接。

然而，直接熔接尺寸相同的异质光纤面临着严峻的技术挑战。与尺寸不匹配的情况不同，在那种情况下较大的包层可以作为几何缓冲层来重新分配热量，而尺寸相同的光纤界面由于热膨胀系数和玻璃转变温度的巨大差异，会面临严重的热应力集中问题。在冷却过程中，氟化物光纤的收缩速度远远快于硅光纤，这会在刚性的熔接点处产生强烈的纵向和径向剪切应力，进而导致界面自发性开裂，使得熔接的成功率极低。此外，目前还缺乏能够全面分析这种相同尺寸几何结构下的瞬态热机械演变过程及应力缓解机制的理论模型，这使得实验人员难以找到明确的优化方向。

为解决这些问题，本研究提出了一种专门用于应力缓解的热扩散后处理技术。我们利用COMSOL Multiphysics软件建立了整合了热传递、相变、流体动力学（包括马兰戈尼效应）以及结构力学的物理模型。该模型首次详细阐述了熔接点的动态演变过程，为确定最佳加热参数提供了重要的理论依据。通过实验，我们实现了15/250 μm硅光纤与16.5/240*260 μm含1 mol.% Er3+:ZBLAN光纤之间的高强度（550 g）、低损耗（0.23 dB）熔接。随后构建的3.8 μm双波长泵浦激光系统进一步证明，这种相同尺寸光纤的熔接方法能够有效提升泵浦功率，进而大幅增加激光器的整体输出功率。

多场建模分析非对称熔接的物理机制：图1展示了异质光纤的非对称热熔接及热扩散应力缓解过程。整个加热过程都在氩气环境中进行。如图所示，硅光纤主要通过对流热传递持续受热，而ZBLAN光纤的端面则通过来自硅光纤一侧的热传导逐渐升温。当温度超过ZBLAN光纤的玻璃转变温度时，其粘度会急剧下降，从而开始熔化过程。

仿真结果：熔接功率（P）和偏移量（Δx）是控制ZBLAN光纤端面温度及其后续软化/熔化行为的关键工艺参数。我们使用COMSOL Multiphysics软件，在固定加热时间（t=2 s）的条件下进行了稳态热仿真，分析了ZBLAN光纤端面温度（T）随P和Δx的变化关系。表2列出了所有模拟得到的熔接工艺参数。在玻璃相变体系中，软化温度（Ts）通常位于……

结论：本研究通过非对称熔接结合热扩散应力缓解技术，有效降低了界面开裂的风险，提升了尺寸相同的异质光纤熔接点的机械强度。通过建立涵盖热传递、马兰戈尼效应驱动的熔池动力学以及固液相变的COMSOL多物理场模型，我们找到了250 μm包层硅光纤与ZBLAN光纤的最佳熔接参数。仿真结果证实了该方法的有效性。

作者贡献说明：陈世民：撰写原文初稿、验证、监督、方法设计、实验研究、正式分析、概念构思；何文涛：正式分析；肖旭生：文章审阅与编辑、监督、资源协调、资金筹集；肖阳：资金筹集、正式分析；梁文涛：正式分析；董宇赫：正式分析；郭海涛：文章审阅与编辑、监督、资源协调、资金筹集。

利益冲突声明：作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢：本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：62575303、62090065、62405359）、中国科学院青年创新促进会（项目编号：2022409）、中国科学院特别研究助理计划、中国科学院西安光学精密机械研究所“光子计划”（项目编号：xiopmgzjh080），以及高端科学仪器与核心部件研发开放研究基金的资助。