CN102508335B - 光锥型高功率耦合器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光锥型高功率耦合器及其制造方法，方法包括步骤：将光纤预制棒部分拉制成能量光纤后，将余棒放置到熔融拉锥机上，根据预先设定的圆台形光锥的输入端面的直径进行拉制；设定与所述能量光纤相匹配的耦合端面的直径、及光锥的输入端面与耦合端面之间的距离，通过熔融拉锥机进行拉锥；将光锥的耦合端面与能量光纤熔接为一体；将光锥固定在金属护套中。本发明结构简单，便于操作，体积较小，便于携带，能根据实际情况灵活调节尺寸，能实现高能激光与能量光纤的高效率和高可靠耦合，能有效提高高能激光的耦合能量。

Description

光锥型高功率耦合器及其制造方法

技术领域

本发明涉及光通信领域，特别是涉及一种光锥型高功率耦合器及其制造方法。

背景技术

利用光纤传输激光，具有传光效率高、可靠性好、可承载光功率强等优势。虽然光纤本身的基底损耗很高，可以承载近吉瓦的高能激光，但是，由于其端面较小，往往需要将光束通过透镜聚焦到一个直径不到1mm的光束，才能有效耦合进入光纤端面。这种方法对实现较低功率的激光耦合是可行的。

但是，当激光能量达到千瓦乃至万瓦以上时，上述方法将不再适宜。一方面，如此小的光斑，对透镜的光损伤阈值提出更高的要求。如此小的光斑下，高能激光束的单位面积的激光强度将大幅提高，极易击伤透镜，造成透镜的表面缺陷，从而引起光束散射，造成光透过率直线下降。另一方面，目前已经发现，在极小光斑下，当空气中悬浮的尘埃微粒沉积在具有20分贝或以上的单模式光纤的端面时，其光能就会集中到尘埃上，于是有尘埃沉积的端面就会过热熔化。

对于直径达到数百微米的石英能量光纤而言，目前通过在出射端面镀膜或打磨端面成球形等发散，已经可以有效实现光纤输出端的高能激光输出。但是，其接收端要将高能激光耦合在数百微米以内，并形成良好的光束质量，才能高效率的将高能激光耦合进光纤中。因此，当高能激光经透镜收束到直径不到数百微米照射到光纤接收端时，光纤接收端很容易发生断面损伤，造成光耦合效率的下降。所以，高能激光的光纤耦合问题，已经成为影响光纤承载高能激光的阻碍因素。

目前，参在利用镀膜提高光纤接收端的光损伤阈值方法，也有尽力增加光纤的芯径，降低耦合激光单位面积的能量强度的方法。但是，光纤的芯径如果超过1mm，就会极大的影响光纤的弯曲损耗，造成光纤在实际使用中的诸多不便，而利用镀膜技术，仍存在单位面积能量强度过高，容易造成空气微粒的击穿损失光纤端面的问题。此外，即使是直径为1～2mm的高能光斑，其单位面积的能量强度也是非常高的，很容易形成击穿效应，造成透镜端面和光纤接收端面的损伤。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种光锥型高功率耦合器及其制造方法，结构简单，便于操作，体积较小，便于携带，能根据实际情况灵活调节尺寸，能实现高能激光与能量光纤的高效率和高可靠耦合，能有效提高高能激光的耦合能量。

本发明提供的光锥型高功率耦合器，它包括能量光纤，它还包括圆台形光锥，所述光锥直径较大的端面为输入端面，直径较小的端面为耦合端面，耦合端面的直径与能量光纤的直径相匹配，光锥通过耦合端面与能量光纤熔接为一体，其外设有金属护套。

在上述技术方案中，所述光锥的输入端面的直径长度为4～20毫米。

在上述技术方案中，所述光锥的耦合端面的直径长度为0.13～2毫米。

在上述技术方案中，所述光锥的输入端面与耦合端面之间的距离为50～1800毫米。

在上述技术方案中，所述护套包括连接为一体的粗环套管和细环套管，所述粗环套管的内径与输入端面的直径相匹配，细环套管的内径与能量光纤的直径相匹配，光锥通过软胶粘接固定在护套中，输入端面与粗环套管的外端平齐。

本发明提供的光锥型高功率耦合器的制造方法，包括以下步骤：A、将光纤预制棒部分拉制成能量光纤后，将余棒放置到熔融拉锥机上，根据预先设定的圆台形光锥的输入端面的直径进行拉制；B、设定与所述能量光纤相匹配的耦合端面的直径、及光锥的输入端面与耦合端面之间的距离，通过熔融拉锥机进行拉锥；C、将光锥的耦合端面与能量光纤熔接为一体；D、将光锥固定在金属护套中。

在上述技术方案中，步骤A中所述光锥的输入端面的直径长度为4～20毫米。

在上述技术方案中，步骤B中所述光锥的耦合端面的直径长度为0.13～2毫米。

在上述技术方案中，步骤B中所述光锥的输入端面与耦合端面之间的距离为50～1800毫米。

在上述技术方案中，步骤D包括以下步骤：D1、选取由内径与输入端面的直径相匹配、长度与输入端面与耦合端面之间距离相匹配的粗环套管、及内径与能量光纤的直径相匹配的细环套管构成的护套；D2、将光锥插入所述护套中，使光锥的输入端面与护套的粗环套管的外端平齐，然后在光锥与护套间的空隙部分填入软胶，将光锥粘接固定在护套中。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

(1)本发明中光锥的输入端面接收高功率激光，并通过与一根光纤端面实体相连的耦合端面，耦合进光纤中，实现高能激光与能量光纤的高效率和高可靠耦合。

(2)本发明利用光锥来实现高能激光的耦合，能有效提高高能激光的耦合能量，在高能激光耦合传输领域具有很高的潜在应用价值。

(3)本发明的耦合器结构简单，便于操作，具有较高的可靠性。

(4)本发明的耦合器能根据实际情况调节尺寸，具有很好的灵活性。

(5)本发明的耦合器体积比较小，便于携带，即使在复杂环境中使用仍然方便。

附图说明

图1为本发明实施例中圆台形光锥和能量光纤连接的主视图。

图2为本发明实施例中光锥的立体结构示意图。

图3为本发明实施例中护套的立体结构示意图。

图中：1-输入端面，2-光锥，3-耦合端面，4-能量光纤，5-粗环套管，6-细环套管。

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锥型高功率耦合器，包括能量光纤4和圆台形光锥2，参见图2所示，光锥2直径较大的端面为输入端面1，直径较小的端面为耦合端面3，输入端面1的直径长度为4～20毫米，耦合端面3的直径长度为0.13～2毫米，输入端面1与耦合端面3之间的距离为50～1800毫米。耦合端面3的直径与能量光纤4的直径相匹配，光锥2通过耦合端面3与能量光纤4熔接为一体，其外设有金属护套。参见图3所示，护套包括连接为一体的粗环套管5和细环套管6，粗环套管5的内径与输入端面1的直径相匹配，细环套管6的内径与能量光纤4的直径相匹配，光锥2通过软胶粘接固定在护套中，输入端面1与粗环套管5的外端平齐。

本发明实施例提供的光锥型高功率耦合器的制造方法，包括以下步骤：

A、将光纤预制棒部分拉制成能量光纤4后，将余棒放置到熔融拉锥机上，根据预先设定的圆台形光锥2的输入端面1的直径进行拉制，输入端面1的直径长度为4～20毫米。

B、设定与所述能量光纤4相匹配的耦合端面3的直径、及光锥2的输入端面1与耦合端面3之间的距离，通过熔融拉锥机进行拉锥。耦合端面3的直径长度为0.13～2毫米，输入端面1与耦合端面3之间的距离为50～1800毫米。

C、将光锥2的耦合端面3与能量光纤4熔接为一体；

D、将光锥2固定在金属护套中，具体包括以下步骤：

D1、选取由内径与输入端面1的直径相匹配、长度与输入端面1与耦合端面3之间距离相匹配的粗环套管5、及内径与能量光纤4的直径相匹配的细环套管6构成的护套；

D2、将光锥2插入所述护套中，使光锥2的输入端面1与护套的粗环套管5的外端平齐，然后在光锥2与护套间的空隙部分填入软胶，将光锥2粘接固定在护套中。

本发明实施例的设计原理详细阐述如下：

本发明实施例通过对光锥2的倾斜角度进行调节，将光锥2的粗端，即输入端面1打磨成平面，采用与需要熔接的能量光纤4结构相匹配的光纤预制棒拉制成光锥2，并将光锥2细端，即耦合端面3的尺寸调节到与能量光纤4的尺寸相匹配，从而实现光锥2与对应的能量光纤4进行高质量的熔接，并在光锥光纤熔接件外套上一个金属护套，对石英材质的光锥耦合器进行保护，从而将高能激光高效率地耦合进能量光纤之中，并能为高能激光运转系统提供一个高可靠性的高功率激光耦合器件。

本发明实施例将光锥2的粗端，即输入端面1打磨成规整的平面，粗糙度达到精细级。输入端面1的直径可以达到6mm以上，这里的输入端面1的直径指粗端直径，其内还有一个芯区直径，为按比例缩小。按芯包比1∶1.1来计算，则输入端面1的芯区直径可以达到5.45mm，从而使可接受的高能激光束的光束直径达到5mm以上，从而大大降低了高能激光束单位面积的能量强度，进而可以有效控制因高能激光束的直径变小而导致的光损伤。对光锥2的细端，即耦合端面3进行端面切割处理，使之较为平整，然后将之与能量光纤4熔接，形成光锥光纤的一体化产品，以便将经由光锥2接收的能量耦合进能量光纤4中进行传输。

光锥光纤一体化耦合器成型后，需要对其进行封装保护。本发明实施例设计了一种封装方式，采用如图3所示的护套进行保护。护套采用金属等较硬材质制成，能承受外界的较大冲击力。护套由粗环套管5和细环套管6组成，粗环套管5的内径与光锥2粗端的直径相匹配，细环套管6的内径与能量光纤4的直径相匹配，然后将光锥插入护套中，使光锥2的粗端与护套的粗环套管5的外端相平齐，然后在光锥2与护套间的空隙部分加入较低折射率的比较软的粘胶，从而正好将光锥2固定在护套的中间，利用护套的硬质和粘胶的软性为光锥光纤一体化耦合器提供充分可靠的保护。

对于光锥光纤一体化耦合器而言，其最关键的指标是透光效率以及光锥2粗端直径与高能激光束的匹配，从而在控制光的损伤的同时，将激光的透过率控制在合理范围内。本发明实施例采用与能量光纤4相匹配的光锥用光棒，使拉制光锥用光棒的波导结构与能量光纤4相一致，数值孔径相一致，最方便的是采用拉制能量光纤4的光棒进行光锥2的制备，从而充分保证光锥2与能量光纤4的匹配。

本发明实施例通过控制光锥2的长度，来调节光锥2的光传输效率。如图3所示，通过设定，将光锥2的粗端直径和细端直径固定，然后在实际熔融拉锥过程中，通过调节光锥2从粗端到细端的长度来调节光锥整体的透过率。根据现场的需求，在容许有较长光锥光纤一体化耦合器长度的情况下，可以将光锥2的长度尽量增大，则光锥整体透过率将能得到有效提升。在对光锥光纤一体化耦合器长度要求较高的情况下，在可以将光锥2的长度减小，另外调节细端的直径，将其稍稍放大，通过提升细端与能量光纤4的熔接效率，从而在既保障高功率光锥光纤一体化耦合器的小型化的同时，又保障其整体激光透过率。

下面通过2个具体实施例说明耦合器的制造方法。

实施例1

根据高能激光的传输需求，需要的光锥粗端芯区直径达到3.2mm，同时要求用于激光传输的能量光纤的芯径达到100μm，光锥光纤一体化高功率耦合器的激光透过率达到75％以上。基于这一设计目的，先利用制棒设备制备芯包比为0.8的光纤预制棒，光纤预制棒的外径达到20mm，芯区直径为16mm。

利用光纤预制棒拉制数百米能量光纤4，能量光纤4的芯径为100μm，包层直径为125μm，然后再利用余棒制备光锥。将余棒放置到熔融拉锥机上，首先设定光锥2粗端的直径为4mm，这样即可满足粗端的芯区直径达到3.2mm，进行第一次拉制，将余棒均匀拉制成外径为4mm的细棒。然后再设定光锥2细端的直径为130μm，这样其芯区直径为104μm，正好与能量光纤4匹配，然后利用熔融拉锥机进行拉锥，通过控制，将光锥2的长度控制到50mm，然后将光锥2的细端与能量光纤4进行熔接，能量光纤4的长度为10mm，则可得到整体激光透过率达到75％以上，长度在60mm的光锥光纤一体化高功率耦合器。

选取粗环套管5内径为4.2mm、细环套管6内径为135μm的护套，护套长度达到55mm，从而使粗环套管5的内径与光锥2的粗端直径相匹配，细环套管6的内径与能量光纤4的直径相匹配，然后将光锥2插入护套中，使光锥2的粗端与护套的粗环套管5的外端相平齐，然后在光锥2与护套间的空隙部分加入较低折射率的比较软的粘胶，从而正好将光锥2固定在护套的中间，利用护套的硬质和粘胶的软性，为光锥光纤一体化耦合器提供充分可靠的保护，即可靠的高功率耦合器制备成功。

实施例2

根据高能激光的传输需求，需要的光锥粗端芯区直径达到10mm，同时要求用于激光传输的能量光纤的芯径达到1mm，整体光锥光纤一体化高功率耦合器的激光透过率达到85％以上，并要求能量光纤长度在100m左右，光锥光纤一体化耦合器长度控制在1000mm左右。基于这一设计要求，首先利用制棒设备制备芯包比为0.8的光纤预制棒，光棒外径达到30mm，芯区直径为24mm。

利用光纤预制棒拉制两百米能量光纤4，能量光纤4的芯径为1mm，包层直径为1.25mm。然后再利用余棒制备光锥，将余棒放置到熔融拉锥机上，首先设定光锥2粗端的直径为12.5mm，这样即可满足粗端的芯区直径达到10mm，进行第一次拉制，将余棒均匀拉制成外径为12.5mm的细棒。然后再设定光锥2细端的直径为1.2mm，这样其芯区直径为0.96mm，正好与能量光纤4匹配，然后利用熔融拉锥机进行拉锥，由于此时光锥2细端的直径达到1000mm，与光锥2粗端的直径相差比例在0.1，因此可以通过控制，将光锥2的长度控制到900mm，然后将光锥2的细端与选取的100m能量光纤4进行熔接，熔接后作为耦合器部分的能量光纤长度为100mm，则可得到整体激光透过率达到85％以上，耦合器整体长度在1000mm的光锥光纤一体化高功率耦合器。

然后选取粗环套管5内径为12.7mm、细环套管6内径为1.3mm的护套，护套长度达到1000mm，从而使护套粗环套管5的内径与光锥2粗端的直径相匹配，护套细环套管6的内径与能量光纤4的直径相匹配，然后将光锥2插入护套中，使光锥2的粗端与护套的粗环套管5的外端相平齐，然后在光锥2与护套间的空隙部分加入较低折射率的比较软的粘胶，从而正好将光锥2固定在护套的中间，利用护套的硬质和粘胶的软性，为光锥光纤一体化耦合器提供充分可靠的保护。至此，一个小巧、简易、可靠、高效率的高功率耦合器制备成功。

实施例3

根据高能激光的传输需求，需要的光锥粗端芯区直径达到16mm，同时要求用于激光传输的能量光纤的芯径达到1.6mm，整体光锥光纤一体化高功率耦合器的激光透过率达到90％以上，并要求，光锥光纤一体化耦合器长度控制在2000mm以内。基于这一设计要求，首先利用制棒设备制备芯包比为0.8的光纤预制棒，光棒外径达到20mm，芯区直径为16mm。

利用光纤预制棒拉制两百米能量光纤4，能量光纤4的芯径为1.6mm，包层直径为2.0mm。然后再利用余棒制备光锥，因余棒粗端直径已经达到20mm，粗端的芯区直径达到16mm，故不用进行第一次拉锥，直接拉制细端。设定光锥2细端的直径为2.0mm，这样其芯区直径为1.6mm，正好与能量光纤4匹配，然后利用熔融拉锥机进行拉锥，由于此时光锥2细端的直径达到2.0mm，与光锥2粗端的直径相差比例在0.1，因此可以通过控制，将光锥2的长度控制到1800mm，然后将光锥2的细端与选取的50m能量光纤4进行熔接，熔接后作为耦合器部分的能量光纤长度为100mm，则可得到整体激光透过率达到90％以上，耦合器整体长度在1900mm的光锥光纤一体化高功率耦合器。

然后选取粗环套管5内径为20.2mm、细环套管6内径为2.2mm的护套，护套长度达到1900mm，从而使护套粗环套管5的内径与光锥2粗端的直径相匹配，护套细环套管6的内径与能量光纤4的直径相匹配，然后将光锥2插入护套中，使光锥2的粗端与护套的粗环套管5的外端相平齐，然后在光锥2与护套间的空隙部分加入较低折射率的比较软的粘胶，从而正好将光锥2固定在护套的中间，利用护套的硬质和粘胶的软性，为光锥光纤一体化耦合器提供充分可靠的保护。至此，一个小巧、简易、可靠、高效率的高功率耦合器制备成功。

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 (2)

1.一种光锥型高功率耦合器，它包括能量光纤(4)和圆台形光锥(2)，其特征在于：所述光锥(2)直径较大的端面为输入端面(1)，直径较小的端面为耦合端面(3)，耦合端面(3)的直径与能量光纤(4)的直径相匹配，光锥(2)通过耦合端面(3)与能量光纤(4)熔接为一体，其外设有金属护套，所述金属护套包括连接为一体的粗环套管(5)和细环套管(6)，所述粗环套管(5)的内径与输入端面(1)的直径相匹配，细环套管(6)的内径与能量光纤(4)的直径相匹配，光锥(2)通过软胶粘接固定在金属护套中，输入端面(1)与粗环套管(5)的外端平齐；所述光锥(2)的输入端面(1)的直径长度为4～20毫米；所述光锥(2)的耦合端面(3)的直径长度为0.13～2毫米；所述光锥(2)的输入端面(1)与耦合端面(3)之间的距离为50～1800毫米。

2.如权利要求1所述的光锥型高功率耦合器的制造方法，包括以下步骤：

A、将光纤预制棒部分拉制成能量光纤(4)后，将余棒放置到熔融拉锥机上，根据预先设定的圆台形光锥(2)的输入端面(1)的直径进行拉制；

B、设定与所述能量光纤(4)相匹配的耦合端面(3)的直径、及光锥(2)的输入端面(1)与耦合端面(3)之间的距离，通过熔融拉锥机进行拉锥；

其特征在于：

步骤A中所述光锥(2)的输入端面(1)的直径长度为4～20毫米；

步骤B中所述光锥(2)的耦合端面(3)的直径长度为0.13～2毫米；所述光锥(2)的输入端面(1)与耦合端面(3)之间的距离为50～1800毫米；

步骤B之后还包括以下步骤：

C、将光锥(2)的耦合端面(3)与能量光纤(4)熔接为一体；

D、将光锥(2)固定在金属护套中：选取由内径与输入端面(1)的直径相匹配、长度与输入端面(1)与耦合端面(3)之间距离相匹配的粗环套管(5)、及内径与能量光纤(4)的直径相匹配的细环套管(6)构成的金属护套，将光锥(2)插入所述金属护套中，使光锥(2)的输入端面(1)与护套的粗环套管(5)的外端平齐，然后在光锥(2)与护套间的空隙部分填入软胶，将光锥(2)粘接固定在金属护套中。