光纤激光器以熔接来实现光纤器件的连接。为了激光器能够实现更高功率的指标，优质的光纤熔接是非常重要的。熔接位置的损耗会导致效率下降，光束质量出现劣化，泵浦、光纤和光纤器件发生损毁。光纤熔接点的损耗主要来自：一、待熔接光纤纤芯不匹配，模场直径不同、模场同心度误差、端面变形或是纤芯包层同轴度不高。二、轴心径向偏移，光纤错位导致纤芯模式耦合入包层，引入较大的损耗。三、角度偏移，光纤端面存在1°的倾斜时，会引起约0.6db的损耗。四、切割端面质量不好，由于平面度不好或是沾染灰尘，导致熔接后存在气泡或毛刺，导致一系列问题。其中，光纤截面几何形状不匹配、模场直径不匹配、模场同轴度不同等，属于本征因素，即光纤自身对光纤熔接产生的影响，这些因素较难控制。而待熔接光纤出现径向偏移或角度偏移、光纤截面质量差、仪器参数设定错误等，属于仪器设备和人带来的误差，这些因素的影响可以通过熔接工艺的改良而减少，例如，合理的熔接机参数可以保证光纤对准角度在0.1°以下，优秀的切割仪器和熟练的操作可以保证光纤端面角度在0.3°以下，洁净的环境和超声清洗工具可以使光纤端面清洁、光纤端面附近无灰尘，光纤端面的间距能够人为设定。轴心偏移即光纤偏移造成的熔接点的损耗较大且熔接机中的包层对准系统较难实现完全对准，熔接点处的光纤偏移会导致很大的光泄露，引起发热现象，也导致输出光光束质量劣化。

1、光纤熔接发热模型

使用COMSOLMultiphysics有限元仿真分析软件对光纤熔接发热模型进行仿真。只考虑光纤熔接点处的情况，设前后两段光纤均为0.02m，光纤纤芯直径为20um，内包层直径为um，传热系数均为1.38，涂覆层直径为um，传热系数为0.2。外界温度20℃，自然风冷情况下，当发生不同程度的光泄露时，光纤不同程度发热，熔接点端面出现热点。熔接质量很好，光纤端面处没有发生光泄露时，熔接点处温升较小，随着泄露出的光功率的增大，光纤端面发热情况愈发严重，前后两光纤交接处温度升高，光纤端面附近温度变化剧烈，光纤出现热点。

图1：光纤熔接发热情况示意图

如图1所示，在环境温度为20℃左右的情况下，熔接点发生严重光泄露时，光纤熔接点处温度高达43.51℃，熔接质量较好时，光纤熔接端面处温度为25.23℃。

2、光纤熔接对光束质量影响

为了满足输出高功率的需求，高功率光纤激光器使用的光纤需要有较大的纤芯直径，而较大的纤芯直径可以使光纤传输多个模式。由于基模是标准符合高斯分布的高斯光束，而所有高阶模都可以表示为不同高斯光束按比例叠加的形式，我们可以将不同模式的场强表示为高斯光束与不同比例因子和不同方向上的径向偏移量的乘积形式，将纤芯熔接失配的过程表示为高斯分布的变形，如下式:

其中，Ai为第i个模式的归一化因子；ai为X轴方向的径向偏移量；bi为Y轴方向的径向偏移量。不同偏移量时的M值可由下式给出。

以高功率光纤激光器中常用的大模场双包层光纤nufernLMA-YDF-20/-M为例，其纤芯中仅存在LP01模和LP11模，其中LP01模为基模。若入射光纤的纤芯中仅存在基模光，光场分布符合高斯分布，以光纤径向为xy平面，光纤轴向为Ｚ轴建立三维直角坐标系，则入射光纤端面的光场为：

若光纤熔接时只存在一个方向上的偏移，我们假设其为Y方向上的径向偏移，而X方向上没有偏移，那么在熔接点后向的接收光纤中就渐渐激发出LP11模，随着偏移量逐渐增加，其光场分布为：

式中ω为光束的束腰半径；为光束在z处的宽度；a为光纤纤芯半径；n2为光纤内包层折射率；k=2π/λ为空气中光传播的波数；λ为传输光波长；d为Y方向上前后两根光纤纤芯中心位置之间的距离；z为两光纤端面之间的距离；Ai表示归一化因子。熔接点后端光纤端面处的场强分布可以由下式表示

对该数学模型进行仿真分析，计算Y方向上的纤芯偏移与输出光M因子之间的关系。设信号光波长为nm，且全部为基模激光，包层中不存在包层光，光纤对准时的端面间隔为25um，计算后端光纤中信号光的激光光束质量。输出激光M值与光纤径向偏移量d的关系如图2所示。

经过径向偏移量为0即完全对准的熔接点时，纯基模光没有损耗，仍然以基模形式传输，M值仍然为1，随着径向偏移量的增大，输出光光束质量逐渐变差，M因子值不断增大。当Y方向径向偏移为14um时，Y方向M值在2.05左右，即光纤中已经存在大量的高阶模，光纤熔接时的径向偏移导致了信号光光束质量的劣化。信号光的场强分布如图3所示。

当待熔接光纤不存在对准误差时，信号光场强分布为高斯分布，随着光纤的逐渐偏移，峰值逐渐降低，并逐渐分成两个，图中出现双峰，不再呈现为标准的高斯光束，而是变成了两个高斯光束的叠加。熔接时的纤芯错位破坏了原本传输光束的分布，使其激发出高阶模式，由纯基模光变成混合模式的激光，光束质量发生劣化。