CN102436036A - 光纤合束器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光纤合束器及其制造方法，光纤合束器包括有源光纤和无源光纤，有源光纤和无源光纤沿轴向面结合或者沿轴向线接触。光纤合束器的制造方法包括步骤：将有源光纤玻璃棒和无源光纤玻璃棒沿轴向组合在一起，形成复合光纤预制棒；将复合光纤预制棒拉丝成光纤，即制成光纤合束器。本发明实现了有源光纤与无源光纤的一体化，便于全光纤激光器的分布式泵浦，泵浦耦合效率提高，损耗小，耐受激光功率水平和可靠性提高，生产效率提高，制造成本降低，适合大规模生产。
Description
技术领域
本发明涉及大功率光纤激光器领域使用的泵浦激光用合束器，特别是涉及一种光纤合束器及其制造方法。
背景技术
光纤激光器属于第三代激光器，由于它具备光束质量良好、效率高、使用寿命长、可靠性高、体积小、使用方便等优点，已经逐渐应用在激光打标机、激光切割、激光焊接和大功率激光器件等各种领域。
为了制造大功率光纤激光器，需要将多个泵浦激光耦合进入有源光纤(如双包层掺镱光纤)，以实现大功率的激光输出，各国科学工作者尝试了较多的技术，其中最为常见的是采用泵浦合束器技术。在各种泵浦合束器技术中，最为常见的是侧面泵浦合束器和端面泵浦合束器。申请号分别为201110062467.5和200910110240.6的中国专利以及申请号分别为US6,900,933和US7,492,993的美国专利均提出了端面泵浦光纤合束器及其制造方法，将多根无源光纤并束熔融拉锥后，熔接一根输出无源光纤，该光纤合束器的最大缺陷在于：拉锥破坏了光纤的波导结构，熔接点功率损耗大，光纤合束器不能承受大的泵浦功率，容易损坏。申请号为US6,490,388的美国专利提出了一种侧面泵浦光纤合束器，该侧面泵浦合束器将无源光纤焊接在有源光纤的侧面，将泵浦功率分散，在一定程度上提高了光纤的激光承受功率水平，但是该制造方法不仅熔接工艺困难，稍微熔接不好就容易烧坏，而且该熔接方法在一定程度上损伤了光纤，损伤点容易被烧坏。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种光纤合束器及其制造方法，实现了有源光纤与无源光纤的一体化，便于全光纤激光器的分布式泵浦，泵浦耦合效率提高，损耗小，耐受激光功率水平和可靠性提高，生产效率提高，制造成本降低，适合大规模生产。
本发明提供的光纤合束器，包括有源光纤和无源光纤，所述有源光纤和无源光纤沿轴向面结合或者沿轴向线接触。
在上述技术方案中，所述有源光纤和无源光纤的形状均为D形、六边形或者八边形时，有源光纤和无源光纤沿轴向面结合；所述有源光纤和无源光纤的形状均为圆形时，有源光纤和无源光纤沿轴向线接触。
在上述技术方案中，所述有源光纤中的稀土离子为镱离子、铒离子、铥离子或铒镱共掺离子。
在上述技术方案中，所述无源光纤为无芯光纤，其玻璃部分的折射率无差异。
在上述技术方案中，所述无源光纤的玻璃部分的折射率小于或等于有源光纤的内包层玻璃部分的折射率。
在上述技术方案中，所述有源光纤与无源光纤的外围整体涂覆低折射率涂层，所述低折射率涂层的折射率低于无源光纤玻璃部分和有源光纤的内包层玻璃部分的折射率。
在上述技术方案中，所述低折射率涂层的外围涂覆一层有机涂层。
上述光纤合束器的制造方法，包括以下步骤：A、将有源光纤玻璃棒和无源光纤玻璃棒沿轴向组合在一起，形成复合光纤预制棒；B、将所述复合光纤预制棒拉丝成光纤，即制成所述光纤合束器。
在上述技术方案中，步骤A中将有源光纤玻璃棒和无芯的无源光纤玻璃棒分别加工成D形或六边形/八边形，无源光纤玻璃棒的D形或六边形/八边形的直边部分与有源光纤玻璃棒的D形或六边形/八边形的直边部分拼合，然后加工处理成所述复合光纤预制棒。
在上述技术方案中，步骤B中将所述复合光纤预制棒安置在拉丝塔设备上，加热高温炉至1900℃～2200℃，使复合光纤预制棒熔融成丝，在复合光纤预制棒的外围整体涂覆低折射率涂层，再在低折射率涂层的外围涂覆有机涂层，并束拉丝为光纤，即制成所述光纤合束器。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
(1)本发明提供的光纤合束器包括沿着轴向紧密结合的有源光纤和无源光纤，其结合方式为轴向面结合或线接触，能实现有源光纤与无源光纤的一体化，便于全光纤激光器的分布式泵浦，提高泵浦耦合效率。
(2)本发明既避免了端面泵浦光纤合束器的拉锥破坏光纤的波导结构，熔接点功率损耗大，不能承受大泵浦功率的缺陷，又消除了常规侧面泵浦光纤合束器的侧面熔接不可靠的问题，即克服了传统泵浦光纤合束器集中式泵浦耐受激光功率低、容易损坏的缺点，实现激光二极管的分布式泵浦，提升了光纤合束器的耐受激光功率水平，提高了大功率光纤激光器的可靠性。
(3)本发明提供的光纤合束器在有源光纤与无源光纤低折射率涂层的外围还围绕一层较高杨氏模量的有机涂层，提高了光纤的强度。
(4)本发明实现了在线拉丝一次性成型，生产效率大幅度提高，制造成本降低，适合大规模生产。
(5)本发明提供的光纤合束器的损耗小，泵浦效率高，使用方便，在大功率光纤激光器领域具有广泛的应用前景，也将产生较好的经济效益。
附图说明
图1是本发明实施例中光纤合束器的结构示意图。
图2是本发明实施例中光纤合束器各组成部分折射率的对比图。
图3是本发明实施例中光纤合束器制造方法的流程图。
图中：1-有源光纤的纤芯，2-无源光纤，3-有源光纤的内包层，4-低折射率涂层，5-有机涂层。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述。
参见图1所示，本发明实施例提供的光纤合束器，包括有源光纤和无源光纤2，有源光纤和无源光纤2沿轴向面结合或者沿轴向线接触。当有源光纤和无源光纤的形状均为D形、六边形或者八边形时，有源光纤和无源光纤沿轴向面结合；当有源光纤和无源光纤的形状均为圆形时，有源光纤和无源光纤沿轴向线接触。
有源光纤由有源光纤的纤芯1和有源光纤的内包层3构成，有源光纤中的稀土离子为镱离子、铒离子、铥离子或铒镱共掺离子。无源光纤2为无芯光纤，其玻璃部分的折射率无差异。有源光纤与无源光纤2的外围整体涂覆低折射率涂层4，低折射率涂层4的外围涂覆一层有机涂层5。
参见图2所示，有源光纤的纤芯1对应的折射率为n1，无源光纤2对应的折射率为n2，有源光纤的内包层3对应的折射率为n3，低折射率涂层4对应的折射率为n4，有机涂层5对应的折射率为n5。其中，无源光纤2的玻璃部分的折射率n2小于或等于有源光纤的内包层3玻璃部分的折射率n3，低折射率涂层4的折射率n4低于无源光纤2玻璃部分的折射率n2和有源光纤的内包层3玻璃部分的折射率n3。
参见图3所示，本发明实施例提供的光纤合束器的制造方法，包括以下步骤：
A、将有源光纤玻璃棒和无源光纤玻璃棒沿轴向组合在一起，形成复合光纤预制棒，具体的，将有源光纤玻璃棒和无芯的无源光纤玻璃棒分别加工成D形或六边形/八边形，无源光纤玻璃棒的D形或六边形/八边形的直边部分与有源光纤玻璃棒的D形或六边形/八边形的直边部分拼合，然后加工处理成复合光纤预制棒。
B、将复合光纤预制棒安置在拉丝塔设备上，加热高温炉至1900℃～2200℃，使复合光纤预制棒熔融成丝，先后经过第一道低折射率涂覆和第二道涂覆，即先在复合光纤预制棒的外围整体涂覆低折射率涂层，再在低折射率涂层的外围涂覆有机涂层，并束拉丝成一定尺寸的光纤，即制成有源无源光纤合束器。
下面通过3个具体实施例来详细描述本发明的方法。
实施例1：有源光纤玻璃棒为D形
取一根预先制备好的掺镱石英玻璃棒(有源光纤)，其掺镱芯层直径为0.9mm，有源光纤的纤芯1的折射率n1＝1.4592，石英包层(有源光纤的内包层3)直径为18mm，折射率n3＝1.4571，将其磨削成D形，玻璃棒磨削厚度为2.25mm；取一根预先制备好的无芯纯石英玻璃棒(无源光纤2)，该石英玻璃折射率n2＝1.4571，其直径为12mm，玻璃棒磨削厚度为2.65mm；然后，将掺镱石英玻璃棒的D形直线边与无芯纯石英玻璃棒的D形直线边，沿着轴向拼接组合成复合光纤预制棒。
将该复合光纤预制棒安置在拉丝塔设备上，加热高温炉至1900℃，复合光纤预制棒熔融成玻璃丝，先经过第一道低折射率涂覆器，将折射率n4＝1.37的紫外固化丙烯酸涂料涂覆在玻璃丝上，经过第一道固化，形成低折射率涂层4；再通过第二道涂覆器，将折射率n5＝1.52的常规外层涂料涂覆在低折射率涂层4的外围，然后经过第二道固化。控制进棒速度和收丝速度，将该玻璃丝拉丝成长轴直径为600微米的光纤，即成为有源无源光纤合束器。
该有源无源光纤合束器中的掺镱光纤的圆直径为400微米，D形直径为350微米，掺镱纤芯直径为20微米，纤芯数值孔径为0.078，该掺镱光纤在976nm波长的吸收系数为1.69dB/m；无源无芯光纤圆直径为267微米，D形直线边中心的垂直弦长为208微米。
实施例2：有源光纤玻璃棒为六边形
取一根预先制备好的掺镱石英玻璃棒(有源光纤)，其掺镱芯层直径为1.0mm，有源光纤的纤芯1的折射率n1＝1.4586，石英包层(有源光纤的内包层3)直径为15.0mm，折射率n3＝1.4571，将其磨削成六边形，玻璃棒每一边磨削厚度为1.0mm；取一根预先制备好的无芯纯石英玻璃棒(无源光纤2)，该石英玻璃折射率n2＝1.4571，其直径为15mm，玻璃棒磨削厚度为3.70mm；然后，将掺镱石英玻璃棒的一条直线边与无芯纯石英玻璃棒的的一条直线边，边沿着轴向拼接组合成复合光纤预制棒。
将该复合光纤预制棒安置在拉丝塔设备上，加热高温炉至2100℃，复合光纤预制棒熔融成玻璃丝，先经过第一道低折射率涂覆器，将折射率n4＝1.37的紫外固化丙烯酸涂料涂覆在玻璃丝上，经过第一道固化，形成低折射率涂层4；然后通过第二道涂覆器，将折射率n5＝1.52的常规外层涂料涂覆在低折射率涂层4的外围，然后经过第二道固化。控制进棒速度和收丝速度，将该玻璃丝拉丝成长轴直径为486微米的光纤，即成为有源无源光纤合束器。
该有源无源光纤合束器中的六边形掺镱光纤的对边距离为260微米，外接圆直径为300微米，掺镱纤芯直径为20微米，纤芯数值孔径为0.066，该掺镱光纤在976nm波长的吸收系数为2.28dB/m；无源无芯光纤圆直径为300微米，六边形的外接圆直径为226微米。
实施例3：有源光纤玻璃棒为八边形
取一根预先制备好的掺镱石英玻璃棒(有源光纤)，其掺镱芯层直径为1.5mm，有源光纤的纤芯1的折射率n1＝1.46036，石英包层(有源光纤的内包层3)直径为30mm，折射率n3＝1.4571，将其磨削成八边形，玻璃棒每边磨削厚度为1.15mm；取一根预先制备好的无芯纯石英玻璃棒(无源光纤2)，该石英玻璃折射率n2＝1.4571，其直径为20mm，玻璃棒磨削厚度为2.0mm；然后，将掺镱石英玻璃棒的一条直线边与无芯纯石英玻璃棒的一条直线边，沿着轴向拼接组合成复合光纤预制棒。
将该复合光纤预制棒安置在拉丝塔设备上，加热高温炉至2200℃，复合光纤预制棒熔融成玻璃丝，先经过第一道低折射率涂覆器，将折射率n4＝1.37的紫外固化丙烯酸涂料涂覆在玻璃丝上，经过第一道固化，形成低折射率涂层4；然后通过第二道涂覆器，将折射率n5＝1.52的常规外层涂料涂覆在低折射率涂层4的外围，然后经过第二道固化。控制进棒速度和收丝速度，将该玻璃丝拉丝成长轴直径为610微米的光纤，即成为有源无源光纤合束器。
该有源无源光纤合束器中的掺镱光纤的对边距离为370微米，其该八边形外接圆直径为400微米，掺镱纤芯直径为20微米，纤芯数值孔径为0.097，该掺镱光纤在976nm波长的吸收系数为1.72dB/m；无源无芯光纤圆直径为267微米，八边形的外接圆直径为240微米。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (10)
1.一种光纤合束器，其特征在于：包括有源光纤和无源光纤，所述有源光纤和无源光纤沿轴向面结合或者沿轴向线接触。
2.如权利要求1所述的光纤合束器，其特征在于：所述有源光纤和无源光纤的形状均为D形、六边形或者八边形时，有源光纤和无源光纤沿轴向面结合；所述有源光纤和无源光纤的形状均为圆形时，有源光纤和无源光纤沿轴向线接触。
3.如权利要求1或2所述的光纤合束器，其特征在于：所述有源光纤中的稀土离子为镱离子、铒离子、铥离子或铒镱共掺离子。
4.如权利要求1或2所述的光纤合束器，其特征在于：所述无源光纤为无芯光纤，其玻璃部分的折射率无差异。
5.如权利要求4所述的光纤合束器，其特征在于：所述无源光纤的玻璃部分的折射率小于或等于有源光纤的内包层玻璃部分的折射率。
6.如权利要求5所述的光纤合束器，其特征在于：所述有源光纤与无源光纤的外围整体涂覆低折射率涂层，所述低折射率涂层的折射率低于无源光纤玻璃部分和有源光纤的内包层玻璃部分的折射率。
7.如权利要求6所述的光纤合束器，其特征在于：所述低折射率涂层的外围涂覆一层有机涂层。
8.如权利要求1至7任一项所述光纤合束器的制造方法，其特征在于包括以下步骤：
A、将有源光纤玻璃棒和无源光纤玻璃棒沿轴向组合在一起，形成复合光纤预制棒；
B、将所述复合光纤预制棒拉丝成光纤，即制成所述光纤合束器。
9.如权利要求8所述的光纤合束器的制造方法，其特征在于：步骤A中将有源光纤玻璃棒和无芯的无源光纤玻璃棒分别加工成D形或六边形/八边形，无源光纤玻璃棒的D形或六边形/八边形的直边部分与有源光纤玻璃棒的D形或六边形/八边形的直边部分拼合，然后加工处理成所述复合光纤预制棒。
10.如权利要求9所述的光纤合束器的制造方法，其特征在于：步骤B中将所述复合光纤预制棒安置在拉丝塔设备上，加热高温炉至1900℃～2200℃，使复合光纤预制棒熔融成丝，在复合光纤预制棒的外围整体涂覆低折射率涂层，再在低折射率涂层的外围涂覆有机涂层，并束拉丝为光纤，即制成所述光纤合束器。
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