CN100371749C - 一种提高激光光纤端面输入功率损伤阈值的方法 - Google Patents

Abstract

一种提高激光光纤端面输入功率损伤阈值的方法。首先将光纤耦合端的一段光纤去掉涂敷层，插入加热体的内孔中与加热体紧密接触，缓慢地提高加热体温度，直到温度设定值后保持热源功率稳定，然后才开始进行将激光通过光纤耦合端面输入光纤的应用操作，在应用操作完毕、停止激光输入后，缓慢地减小热源功率直至零。光纤表面温度的提高可有效地减小光纤中由温度差产生的应力，提高激光损伤阈值。光纤输入激光功率水平的提高，在工业加工、医疗、激光武器等领域中将增加高能激光光纤传输的应用机会，可增加光纤激光器端面泵浦的功率水平，有利于高掺杂浓度光纤的使用，提高输出能量。本发明不需要精密的测控装置，成本低，简单而且容易实施。

Description

一种提高激光光纤端面输入功率损伤阈值的方法

技术领域

本发明涉及预防光纤损伤技术领域，尤其是预防强激光光纤端面耦合输入情况下光纤损伤技术领域。

背景技术

激光技术和光纤技术的发展常常相辅相成，相互促进。传输强激光需要新型光纤，增益介质掺杂型光纤的出现反过来为强激光家族增添了很有潜力的新成员。通过光纤端面耦合是激光输入光纤的一种常见输入方式，随着耦合激光功率的不断提高，尤其是在目前飞速发展的光纤激光器方面，如何避免光纤损伤、提高激光输入水平已是一个亟需解决的棘手问题。

光纤芯径通常为微米量级，激光只有聚焦到如此小的尺寸才能很好地耦合到光纤中传输。光纤对于打在其端面上的激光能量，除传输外还有一小部分予以吸收，对于非模式匹配光能量吸收得更多。激光的模式与光纤模式通常是非匹配的。激光能量的吸收促使光纤温度上升，当激光强度较大时温升很大，就可能引起光纤损伤。所以，激光的耦合输入强度存在一个上限，对应光纤的端面输入功率损伤阈值。

在光纤应用中，为了提高激光的耦合强度水平，目前人们主要是通过改善光纤散热条件的方式以降低激光输入端光纤的温度。例如：使用加散热片，或使用循环水冷见中国发明专利申请号CN200420109973.0公开号CN2749147“高功率双包层光纤激光器输出端的冷却装置”，但是，光纤的端面输入功率损伤阈值仍然不高。

改善光纤散热条件或者降低光纤表面温度只是降低激光耦合端光纤表面的温度，由于常用光纤的制成材料是石英，而石英的导热系数小，光纤表面的低温并不能保证在强激光耦合时光纤芯部温度的迅速降低，正是这巨大的内外温度差引入的应力致使光纤损坏。

发明内容

为了提高光纤在强激光通过端面耦合输入情形下的激光损伤阈值，本发明从提高光纤激光输入耦合端的温度着手，减小温度差，从而减小光纤中温度差产生的应力。

本发明解决目前光纤在强激光通过端面输入情形下端面输入功率损伤阈值偏低问题所采用的技术方案如下：

首先将光纤的耦合端去掉40～50mm长的涂敷层，插入加热体的内孔中与加热体紧密接触，热源与加热体联接，以每分钟3～16℃的升温速率缓慢地提高加热体温度；当加热体温度到达100～500℃范围内温度设定值后，保持热源功率稳定；这时，才可以开始进行将激光通过光纤耦合端面输入光纤的应用操作。在应用操作完毕、停止激光输入后，缓慢地减小热源功率，以每分钟3～16℃的降温速率降低加热体温度，直至热源功率为零。

本发明的有益效果如下：

提高激光输入端光纤表面的温度，直接减小了光纤中纤芯和光纤表面的温度差，可有效减小光纤中温度差产生的应力，提高光纤的端面输入功率损伤阈值。

另一方面，光纤端面激光输入损伤阈值的提高，将极大地提高输入光纤的激光功率水平。

在高能激光光纤传输方面，会直接提高传输激光的功率水平，在医学激光手术、工业加工，直至激光武器领域，增大光纤在高能激光传输方面的应用机会。原来只能使用空间传输激光能量的部分应用情形会为光纤传输所代替，这有利于降低相应激光设备的体积、重量、操作难度以及对环境的苛刻要求，进而增加光纤传输激光应用的吸引力。柔软的光纤可将高能激光传送到需要激光处理的地方，也可以替代以前使用非激光处理的领域。

在光纤激光器方面，随着输入激光功率水平的提高，泵浦水平得到相应的提高，可极大地提高光纤增益介质的利用效率，进而提高光纤激光器的激光输出效率和能量水平。而且，由于输入激光功率水平的提高，可使用比目前更高增益介质掺杂浓度的光纤，进一步提高光纤激光器的输出水平。这样，在端泵和侧泵这两个光纤激光器主要泵浦方式的激烈竞争天平上，本发明将为端泵方式增加一个有利的砝码。

最后，本发明公开的方法简单而且容易实施，只需要对光纤的激光耦合输入端稳定地加温即可，不需要对加热装置附加精密的测控装置，成本低。甚至对于已使用冷却装置对光纤激光输入端降温的系统只须提高控制温度即可直接应用本发明，改装简单。

附图说明

图1为本发明方法实施步骤的流程图。

图2为本发明实施例1的设备结构示意图。

图3为本发明实施例1的加热体结构主视图。

图4为本发明实施例1的加热体结构俯视图。

图5为本发明实施例1的加热体结构侧视图。

图6为本发明实施例1是否使用本方法的实验结果比较图。

图7为本发明实施例2的设备结构示意图。

图8为本发明实施例2的加热体结构主视图。

图9为本发明实施例2的加热体结构俯视图。

图10为本发明实施例2的加热体结构侧视图。

图11为本发明实施例2是否使用本方法的实验结果比较图。

图中：光纤耦合端端面1，光纤2，加热体3，电热源4，水泵5，水箱6，循环水7，水管8，电源功率调节器9，激光耦合端的一段裸纤10，导热套管11，灌水口12，隔热基座13，电热丝电源功率调节器14，电热丝热源15，磁管16，一体式加热体17，温度计插孔18，玻璃温度计19，加热体紧配合导热元件长度L，加热体导热套管内直径d1，加热体导热套管外直径d2，加热体套管内直径d3，加热体外直径d4，加热体循环热水出入管内直径d5，加热体循环热水出入管外直径d6，一体式加热体紧配合导热元件长度LL，一体式加热体导热套管内直径dd1，一体式加热体导热套管外直径dd2，一体式加热体套管内直径dd3，一体式加热体外直径dd4，温度计插孔直径dd5，温度计插孔长度LL1，温度计插孔距中心距离LL2。

具体实施方式

实施例1：沸水流动加热光纤耦合端提高端面功率损伤阈值的方法。

设备结构如图2所示。光纤2为大模场面积光纤，激光耦合端裸纤10的外径为400μm，加热体3的制作材料为紫铜，电热源4为电压220V最高功率为800W的热得快，水泵5为高温水泵，水箱6为壁厚3mm高10cm宽20cm长20cm的长方形钢制水箱，循环水7为去离子水，水管8为聚四氟乙烯水管，电源功率调节器9为0～220V调压器，设备下的隔热基座13为瓷砖。

加热体3的结构如图3、4、5所示。加热体紧配合导热元件长度L为30mm，加热体导热套管内直径d1为0.4mm，加热体导热套管外直径d2为9mm，加热体套管内直径d3为15mm，加热体外直径d4为20mm，加热体循环热水出入管内直径d5为5mm。

首先，在光纤2的激光耦合端剥去40mm长的涂覆层，然后将这段裸纤紧配合地插入加热体3的导热套管11中，并将加热体3固定在光纤2应用设备上加以适当调节。

然后，缓慢地调高电源功率调节器9的电压，增加电热源4的加热功率，同时开动水泵5，抽运循环水7经过水管8到加热体3，以每分钟3～16℃的升温速率缓慢地提高加热体3温度。从加热体3流出的循环水7经过水管8回到水箱6，完成循环。

待水箱6中的循环水7沸腾后，停止调高电源功率调节器9的电压。

这时，即可以开始进行激光通过光纤耦合端端面1输入光纤2的操作，进而开始应用操作。

应用操作完毕，停止激光通过光纤耦合端端面1输入光纤2的操作。

然后，缓慢地调节电源功率调节器9，减小电热源4的输出功率，以每分钟3～16℃的降温速率降低加热体3的温度，直至电热源调节器9的功率指示为零，关闭电源功率调节器9。待循环水7温度降低到室温后，关闭水泵5。

使用本方法，给大模场面积光纤2的端面功率损伤阈值带来了较大的提高。如图6所示，为是否使用本方法的效果对比图，试验各做了65次。图中未使用本方法的实验数据以涂黑的方块表示，使用本方法的实验数据以叉表示。未使用本方法时，光纤2的端面功率损伤阈值的实验值位于18～35W范围，损伤阈值实验值出现次数最多的是26W；使用本方法后，光纤2的端面功率损伤阈值的实验值位于26～47W范围，出现次数最多的是41W。相比之下，是否使用本方法光纤2的端面功率损伤阈值的众数之差达15W。

实施例2：直接电加热光纤耦合端提高端面功率损伤阈值的方法。

设备结构如图7所示。光纤2为大模场面积光纤，激光耦合端裸纤10的外径为400μm，一体式加热体17的制作材料为紫铜，玻璃温度计19插在一体式加热体17上温度计插孔18中，电热丝热源15为电压220V最高功率为90W、穿在磁管16中的电热丝绕在一体式加热体17内部来构成。一体式加热体17的结构如图8、9、10所示。一体式加热体17紧配合导热元件长度LL为40mm，一体式加热体17导热套管内直径dd1为0.4mm，一体式加热体17导热套管外直径dd2为9mm，一体式加热体17加热体套管内直径dd3为15mm，一体式加热体外直径dd4为45mm，温度计插孔直径dd5为6mm，温度计插孔长度LL1为15mm，温度计插孔距中心距离LL2为13mm。

首先，在光纤2的激光耦合端剥去50mm长的涂覆层，然后将这段裸纤紧配合地插入一体式加热体17的导热套管11中，并将一体式加热体17固定在光纤2应用设备上加以适当调节。

然后，缓慢地调高电热丝电源功率调节器14的电压，增加电热丝热源15的加热功率，以每分钟3～16℃的升温速率缓慢地提高一体式加热体17的温度；待玻璃温度计19的指示温度到达设定值500摄氏度后，停止调高电热丝电源功率调节器14的电压。

这时，即可以开始进行将激光通过光纤耦合端端面1输入光纤2的操作，进而开始应用操作。

应用操作完毕，停止激光通过光纤耦合端端面1输入光纤2的操作。

然后，缓慢地调节电热丝电源功率调节器14的电压，减小电热丝热源15的加热功率，以每分钟3～16℃的降温速率降低一体式加热体17的温度，直至电热丝电源功率调节器14的电压调节至零。

使用本方法，给大模场面积光纤2的端面功率损伤阈值带来了较大的提高。如图11所示，为是否使用本方法的效果对比图，试验各做了65次。图中未使用本方法的实验数据以涂黑方块表示，使用本方法的实验数据以叉表示。未使用本方法时，光纤2的端面功率损伤阈值的实验值位于18～35W范围，损伤阈值实验值出现次数最多的是26W；使用本方法后，光纤2的端面功率损伤阈值的实验值位于36～72W范围，损伤阈值实验值出现次数最多的是57W。相比之下，是否使用本方法光纤2的端面功率损伤阈值的众数之差达31W。

Claims (1)

1.一种提高激光光纤端面输入功率损伤阈值的方法，其特征是：

步骤一：将光纤的耦合端去掉40～50mm长的涂敷层，插入加热体的内孔中与加热体紧密接触，热源与加热体联接，以每分钟3～16℃的升温速率缓慢地提高加热体温度；

步骤二：加热体温度到达温度设定值，保持热源功率稳定，温度设定值在100～500℃范围；

步骤三：开始进行将激光通过光纤耦合端面输入光纤的应用操作；

步骤四：应用操作完毕，停止激光输入；

步骤五：缓慢地减小热源功率，以每分钟3～16℃的降温速率降低加热体温度，直至热源功率为零。

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