CN102778729B - 高光束质量信号光光纤合束器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种高光束质量信号光光纤合束器及其制作方法，该合束器包括：至少一根信号光纤，至少一根信号光纤形成一组，信号光纤包括光纤包层和纤芯，纤芯包括纤芯本体和纤芯转接部，纤芯转接部的一端与纤芯本体的一端相连且纤芯转接部的横截面积从纤芯转接部的一端向另一端逐渐增大以使纤芯转接部呈大致锥型，其中，纤芯转接部的一端向纤芯转接部的另一端的折射率逐渐减小且V参数不变；输出光纤，输出光纤的一端与该组信号光纤的纤芯转接部的另一端均相连。本发明实施例合束器采用纤芯转接部使信号光在多个光纤与输出光纤的熔接处的占空比达到1，使合成后的输出激光角度相对填充比<1的角度大大减小，有效提升输出激光光束质量。
Description
技术领域
本发明涉及激光器技术领域。特别设计一种高光束质量信号光光纤合束器及该高光束质量信号光光纤合束器制作方法。
背景技术
目前，IPG报道单模光纤激光连续输出功率达到了10kW。但受激布里渊散射、受激拉曼散射等非线性效应限制，以及热效应和和光纤高功率密度毁伤等影响，单根增益光纤激光功率进一步提升难度巨大。为获得更高功率光纤激光输出，先后提出了相干合成和非相干合成方式。相干合成是利用一定的技术将数个工作波长相同的激光器的相位锁定后，使这些激光器发出的激光在远场发生叠加。但是相干合成需要复杂的相位控制，并且合成基于各路光在远场干涉获得峰值功率，其功率密度正比于激光器路数的平方。当环境中存在扰动或激光器内部存在故障而引起某几路激光的参数发生变化时，会对合成的效果产生极大的影响。非相干合成包括光谱合成、自适应光学元件合成和熔融拉锥光纤耦合器合成。光谱合成利用色散元件将几路不同波长的激光在空间上直接叠加。需要对光纤输出激光的光谱中心波长和带宽进行严格控制，实现技术复杂，且合成元件耐受功率有效。自适应光学元件合成则利用光束定向器对几路任意的激光束进行叠加。自适应反射镜可以使各路激光传输到同一位置产生功率的叠加，但是需要极高的定向精度，实现难度大。而熔融拉锥光纤耦合器，破坏信号光纤纤芯结构，使合束后激光光束质量恶化。例如，中国专利，信号光合束器及其制作方法（公开号CN101866032A），将多根输入光纤的对接端通过高温熔融拉锥合成一束并与输出光纤的对接端熔接成一体，通过熔锥使纤芯直径逐渐减小，导致合束后光束质量下降。发明专利光纤功率合束器及其制备方法（公开号CN 102116902A），将输入的n根双包层光纤内包层腐蚀一半，然后再熔融拉锥，可以提高纤芯的占空比到0.5，但是无法达到占空比为1，并且采用熔融拉锥方式是纤芯缩小，同样会引起合束后光束质量恶化。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种能够实现高光束质量激光合成的高光束质量信号光光纤合束器。
本发明的另一目的在于提出一种高光束质量信号光光纤合束器的制作方法。
为了实现上述目的，本发明第一方面实施例提供了一种高光束质量信号光光纤合束器，包括：至少一根信号光纤，所述至少一根信号光纤形成一组，所述至少一根信号光纤包括光纤包层和形成在所述光纤包层中的纤芯，其中，所述纤芯包括：纤芯本体；纤芯转接部，所述纤芯转接部的一端与所述纤芯本体的一端相连，且所述纤芯转接部的横截面积从所述纤芯转接部的一端向所述纤芯转接部的另一端逐渐增大以使所述纤芯转接部呈大致锥型，其中，所述纤芯转接部的一端向所述纤芯转接部的另一端的折射率逐渐减小且V参数不变；以及输出光纤，所述输出光纤的一端与该组信号光纤的纤芯转接部的另一端均相连。
另外，根据本发明上述实施例的高光束质量信号光光纤合束器还可以具有如下附加的技术特征：
在一些示例中，所述至少一根信号光纤包括至少三根信号光纤，所述至少三根信号光纤形成一组，且该组的多根信号光纤排列成包层外切圆直径最小结构，所述至少三根信号光纤的每一根的纤芯转接部的另一端均与所述输出光纤相连。
在一些示例中，所述纤芯本体和所述纤芯转接部一体形成。
在一些示例中，所述输出光纤包括：输出光纤包层；形成在所述输出光纤包层中的输出光纤纤芯。
在一些示例中，所述输出光纤纤芯的横截面积不小于一组信号光纤的每根信号光纤的纤芯转接部的另一端的端面处横截面积之和。
在一些示例中，所述一组信号光纤的每一根信号光纤的纤芯转接部的另一端的边缘均位于所述输出光纤纤芯的一端的边缘之内。
在一些示例中，每根信号光纤和输出光纤为单包层光纤、双包层光纤或者多包层光纤。
在一些示例中，每根信号光纤为单模光纤或者多模光纤。
本发明第二方面实施例提供了一种高光束质量信号光光纤合束器的制作方法，包括以下步骤：S1，获取至少一根信号光纤和输出光纤，并去除所述至少一根信号光纤的熔接区域的涂覆层；S2，将所述至少一根信号光纤进行排列以组成信号光纤束；S3，对所述信号光纤束进行加热以使所述多根信号光纤相互微融合以形成融合后的信号光纤束；S4，将所述融合后的信号光纤束与所述输出光纤进行熔接。S5，利用氢氧火焰对熔接点周围进行加热以使靠近所述熔接点的一段所述融合后的信号光纤束的横截面积向熔接点方向逐渐增大。
另外，根据本发明上述实施例的高光束质量信号光光纤合束器的制作方法还可以具有如下附加的技术特征：
在一些示例中，在所述步骤S2之前还包括步骤：对去除涂覆层的所述多根信号光纤的包层直径进行缩小。
在一些示例中，在所述步骤S4进一步包括：将所述融合后的信号光纤束进行分割，并选择其中一段融合后的信号光纤束以将所述一段融合后的信号光纤束的分割面与所述输出光纤进行熔接。
在一些示例中，所述步骤S3中对所述信号光纤束进行加热以使所述多根信号光纤相互微融合以形成融合后的信号光纤束的微融合加热方式以及对熔接点的加热方式采用如下方式：氢氧火焰、CO2激光器、丙烷气、或微粒子喷灯的其中之一。
在一些示例中，采用化学腐蚀方法或者机械抛磨方法对去除涂覆层的所述多根信号光纤的包层直径进行缩小。
根据本发明实施例的高光束质量信号光光纤合束器的制作方法以及高光束质量信号光光纤合束器具有如下优点：
注入激光沿信号光纤传输过程中，光线通过锥形并折射率逐渐减少的纤芯传输，使输出激光发散角θout较输入激光发散角θin变小，即θout<θin。且光线充满整个信号光纤输出端面，说明此合束器的信号光填充因子达到1。高填充因子、低传输角度的信号光由熔点耦合到输出光纤，形成高光束质量激光输出。所以，此高光束质量信号光光纤合束器能够实现高光束质量激光合成。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1A为本发明实施例的高光束质量信号光光纤合束器的示意图；
图1B为沿图1A的A-A方向的剖面图；
图1C为沿图1A的B-B方向的剖面图；
图2为本发明实施例的高光束质量信号光光纤合束器的剖视图制作方法的流程图；
图3A为本发明一个实施例具有7根信号光纤的高光束质量信号光光纤合束器的示意图；
图3B为沿图3A的A-A方向的剖面图；
图3C为沿图3A的B-B方向的剖面图；
图4A为本发明另一个实施例的具有3根信号光纤的高光束质量信号光光纤合束器的示意图；
图4B为沿图4A的A-A方向的剖面图；以及
图4C为沿图4A的B-B方向的剖面图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
以下结合附图首先描述根据本发明实施例的高光束质量信号光光纤合束器。
本发明实施例的高光束质量信号光光纤合束器，由至少一根信号光纤和一根输出光纤组成，至少一根信号光纤排列成束后与输出光纤熔为一体。该高光束质量信号光光纤合束器具有如下特点：在靠近信号光纤与输出光纤熔点处，信号光纤的纤芯沿光传输方向直径逐渐增大，即形成大致锥形结构，而纤芯数值孔径逐渐减小，纤芯的V参数不变，V参数为归一化折射率。
具体地，本发明实施例的高光束质量信号光光纤合束器，包括：至少一根信号光纤和输出光纤。其中：至少一根信号光纤形成一组，至少一根信号光纤包括光纤包层和形成在所述光纤包层中的纤芯，纤芯包括：纤芯本体和纤芯转接部，纤芯转接部的一端与纤芯本体的一端相连，且纤芯转接部的横截面积从纤芯转接部的一端向纤芯转接部的另一端逐渐增大以使纤芯转接部呈大致锥型，其中，纤芯转接部的一端向纤芯转接部的另一端的折射率逐渐减小且V参数不变。输出光纤的一端与该组信号光纤的纤芯转接部的另一端均相连。
在本发明的一个实施例中，至少一根信号光纤包括至少三根信号光纤，参考图1A至图1C，至少三根信号光纤100形成一组，且该组的多根信号光纤100排列成包层外切圆直径最小结构，换言之，多根信号光纤100横截面（如图1B和1C所示）上每相邻三根信号光纤100的中心连线形成三角形，如图1B和1C所示的三角形T，也就是说，优选地将多根信号光纤排列成园对称结构（包层外切圆直径最小结构）。至少三根信号光纤100的每一根的纤芯转接部的另一端均与输出光纤200相连。
再次结合图1A，至少三根信号光纤100中的每一根信号光纤100包括光纤包层110和形成在光纤包层110中的纤芯120，更为具体地，纤芯120包括纤芯本体121和纤芯转接部122。其中，纤芯转接部122的一端与纤芯本体121的一端相连，在本发明的示例中，纤芯本体121和纤芯转接部122一体形成。
另外，纤芯转接部122的横截面积从纤芯转接部122的一端向纤芯转接部122的另一端逐渐增大。换言之，多根信号光纤100在靠近信号光纤与输出光纤熔点P处的一端纤芯呈大致锥形结构，即该锥形结构的纤芯即为上述的纤芯转接部122，该纤芯转接部122从一端向该纤芯转接部122的另一端的折射率逐渐减小，在一些示例中，纤芯直径增大到可充满光纤包层110，当然也可不充满光纤包层110，纤芯的V参数不变。
输出光纤200的一端与多根信号光纤100的纤芯转接部122的另一端均相连。在本发明的一个实施例中，输出光纤200的一端与多根信号光纤100的纤芯转接部122的另一端通过熔接的方式进行连接。
输出光纤200包括输出光纤包层210和形成在输出光纤包层210中的输出光纤纤芯220。在该实例中，输出光纤纤芯220的一端与多根信号光纤100的纤芯转接部122的另一端均相连。
进一步地，输出光纤纤芯220的横截面积不小于一组信号光纤的每根信号光纤的纤芯转接部122的另一端的端面处横截面积之和。优选地，一组信号光纤的每根信号光纤100的纤芯转接部122的另一端的边缘均位于输出光纤纤芯220的一端的边缘之内。即输出光纤纤芯220的直径应大于或等于多个纤芯转接部122围成的园对称结构的直径。由此，大致锥型结构的纤芯转接部以及另一端完全被输出光纤的一端的端面覆盖，使信号光在多根信号光纤与输出光纤的熔接处的占空比达到1（即完全填充），直接使合成后的输出激光角度相对填充比<1的角度大大减小，从而可以有效提升输出激光光束质量。
在本发明的实施例中，每根信号光纤100和输出光纤200为单包层光纤、双包层光纤或者多包层光纤。另外，每根信号光纤100为单模光纤或者多模光纤。
在本发明的进一步实施例中，提出了一种上述实施例的高光束质量信号光光纤合束器的制作方法，该方法采用预处理输入信号光纤，在保证信号光纤纤芯直径不变的情况下使其包层直径缩小到一定尺寸，接着，将多根预处理后的信号光纤排列成信号光纤束，然后加热将其相互微熔合后，在合适位置截断与输出光纤熔接。最后采用热扩散纤芯方式，使信号光纤与输出光纤熔接点靠近信号光纤处，形成沿光传输方向纤芯逐渐增大的大致锥形结构，实现高光束质量信号光光纤合束器的制作。
根据本发明实施例的高光束质量信号光光纤合束器实现了高光束质量激光的合成。
具体而言，参见图2，本发明实施例的高光束质量信号光光纤合束器制作方法，包括如下步骤：
步骤S201，获取至少一根信号光纤和输出光纤，并去除至少一根信号光纤的熔接区域的涂覆层。即除去待熔接的信号光纤的熔接区域的涂覆层，露出包层。
步骤S202，将至少一根信号光纤进行排列以组成信号光纤束。例如，当至少一根信号光纤为三个以上时，优选地可将多根信号光纤排列成包层外切圆直径最小结构，即多根信号光纤组成的光纤束的横截面上每相邻三根信号光纤的中心连线形成三角形，形成信号光纤束，即多根信号光纤排列成园对称结构。
在本发明的一个实施例中，可以直接将多根信号光纤排列，也可将多根信号光纤置入低折射率管中进行信号光纤束的形成。
步骤S203，对信号光纤束进行加热以使多根信号光纤相互微融合以形成融合后的信号光纤束，在该实例中，对所述信号光纤束进行加热以使所述多根信号光纤相互微融合以形成融合后的信号光纤束的微融合加热方式以及对熔接点的加热方式采用如下方式但不限于：氢氧火焰、CO2激光器、丙烷气、或微粒子喷灯的其中之一。优选地，利用氢氧火焰对信号光纤束进行加热。
步骤S204，将融合后的信号光纤束与输出光纤进行熔接。具体地，将所述融合后的信号光纤束进行分割，并选择其中一段融合后的信号光纤束以将所述一段融合后的信号光纤束的分割面与所述输出光纤进行熔接。也就是说，首先将融合信号光纤束从微融合部分的中心处切断，然后将截断后的一部分融合信号光纤束与输出光纤进行熔接。
步骤S205，利用氢氧火焰对熔接点周围进行加热以使靠近所述熔接点的一段所述融合后信号光纤束的横截面积向熔接点方向逐渐增大。即加热熔接点靠近信号光纤处，以热扩散纤芯方式，使信号光纤与输出光纤熔接点靠近信号光纤处，形成沿光传输方向纤芯逐渐增大的结构，即大致锥型结构，由此，使信号光在多根信号光纤与输出光纤的熔接处的占空比达到1（即完全填充），直接使合成后的输出激光角度相对填充比<1的角度大大减小，从而可以有效提升输出激光光束质量。
可选地，在将多根信号光纤进行排列以组成信号光纤束之前还可对去除涂覆层的所述多根信号光纤的包层直径进行缩小。例如，可采用化学腐蚀方法或者机械抛磨方法对去除涂覆层的所述多根信号光纤的包层直径进行缩小。优选地，采用化学腐蚀方法。
根据本发明实施例的高光束质量信号光光纤合束器的制作方法以及高光束质量信号光光纤合束器具有如下优点：
注入激光沿信号光纤传输过程中，光线通过锥形并折射率逐渐减少的纤芯传输，使输出激光发散角θout较输入激光发散角θin变小，即θout<θin。且光线充满整个信号光纤输出端面，说明此合束器的信号光填充因子达到1。高填充因子、低传输角度的信号光由熔点耦合到输出光纤，形成高光束质量激光输出。所以，此高光束质量信号光光纤合束器能够实现高光束质量激光合成。
为了对本发明实施例的高光束质量信号光光纤合束器的制作方法有更清楚的理解，以下结合具体例子进行说明。
【实施例1】
如图3A至3C所示，在该实例中，高光束质量信号光光纤合束器是将7根信号光纤，且纤芯/内包层直径分别为20/130um的圆形双包层信号光纤100靠近与输出光纤的熔接点的处的一段信号光纤100的涂覆层（包括外包层）去除4cm，露出内包层。采用HF对双包层信号光纤100的去涂覆层的一段信号光纤100进行化学腐蚀，使其直径缩小到30um，然后将处理后的7根信号光纤100插入长度为4cm，内径/外径为90/150um的低折射率石英管300中，然后用氢氧火焰加热石英管，使7根信号光纤100以及石英管相互弱融合，最后将其从中心处截断，与尺寸为90/150um双包层输出光纤200熔接，接着采用氢氧火焰加热熔接点靠近信号光纤100侧，使信号光纤100的纤芯120掺杂粒子发生扩散而形成大致锥形分布的纤芯结构，即完成高光束质量信号光光纤合束器的制作。
【实施例2】
如图4A-4C所示，在该实例中，高光束质量信号光光纤合束器是将3根纤芯/内包层直径分别为10/125um的圆形双包层信号光纤100靠近与输出光纤的熔接点的处的一段信号光纤100的涂覆层（包括外包层）去除4cm，露出内包层，采用HF对双包层信号光纤100的去涂覆层的一段信号光纤100进行化学腐蚀，使其直径缩小到20um，然后将处理后的3根信号光纤100排列成品字形光纤束，如图4B和4C所示的结构。然后用氢氧火焰加热排列后光纤束，使3根信号光纤100相互弱融合，最后将其从加热区中心处截断，与尺寸为50/125um双包层输出光纤200熔接，接着采用氢氧火焰加热熔接点靠近信号光纤侧，使信号光纤纤芯掺杂粒子发生扩散而形成大致锥形分布的纤芯结构，即完成高光束质量信号光光纤合束器的制作。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。
Claims (13)
1.一种高光束质量信号光光纤合束器，其特征在于，包括：
至少一根信号光纤，所述至少一根信号光纤形成一组，所述至少一根信号光纤包括光纤包层和形成在所述光纤包层中的纤芯，其中，所述纤芯包括：
纤芯本体；
纤芯转接部，所述纤芯转接部的一端与所述纤芯本体的一端相连，且所述纤芯转接部的横截面积从所述纤芯转接部的一端向所述纤芯转接部的另一端逐渐增大以使所述纤芯转接部呈大致锥型，其中，所述纤芯转接部的一端向所述纤芯转接部的另一端的折射率逐渐减小且V参数不变；以及
输出光纤，所述输出光纤的一端与该组信号光纤的纤芯转接部的另一端均相连。
2.根据权利要求1所述的高光束质量信号光光纤合束器，其特征在于，所述至少一根信号光纤包括至少三根信号光纤，所述至少三根信号光纤形成一组，且该组的多根信号光纤排列成包层外切圆直径最小结构，所述至少三根信号光纤的每一根的纤芯转接部的另一端均与所述输出光纤相连。
3.根据权利要求1或2所述的高光束质量信号光光纤合束器，其特征在于，所述纤芯本体和所述纤芯转接部一体形成。
4.根据权利要求1所述的高光束质量信号光光纤合束器，其特征在于，所述输出光纤包括：
输出光纤包层；
形成在所述输出光纤包层中的输出光纤纤芯。
5.根据权利要求4所述的高光束质量信号光光纤合束器，其特征在于，所述输出光纤纤芯的横截面积不小于一组信号光纤的每根信号光纤的纤芯转接部的另一端的端面处横截面积之和。
6.根据权利要求5所述的高光束质量信号光光纤合束器，其特征在于，所述一组信号光纤的每一根信号光纤的纤芯转接部的另一端的边缘均位于所述输出光纤纤芯的一端的边缘之内。
7.根据权利要求1所述的高光束质量信号光光纤合束器，其特征在于，每根信号光纤和输出光纤为单包层光纤，双包层光纤或者多包层光纤。
8.根据权利要求1所述的高光束质量信号光光纤合束器，其特征在于，每根信号光纤为单模光纤或者多模光纤。
9.一种如权利要求1-8任一项所述的高光束质量信号光光纤合束器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，获取至少一根信号光纤和输出光纤，并去除所述至少一根信号光纤的熔接区域的涂覆层；
S2，将所述至少一根信号光纤进行排列以组成信号光纤束；
S3，对所述信号光纤束进行加热以使所述多根信号光纤相互微融合以形成融合后的信号光纤束；
S4，将所述融合后的信号光纤束与所述输出光纤进行熔接；
S5，利用氢氧火焰对熔接点周围进行加热以使靠近所述熔接点的一段所述融合后的信号光纤束的横截面积向熔接点方向逐渐增大。
10.根据权利要求9所述的制作方法，其特征在于，在所述步骤S2之前还包括步骤：
对去除涂覆层的所述多根信号光纤的包层直径进行缩小。
11.根据权利要求9所述的制作方法，其特征在于，在所述步骤S4进一步包括：
将所述融合后的信号光纤束进行分割，并选择其中一段融合后的信号光纤束以将所述一段融合后的信号光纤束的分割面与所述输出光纤进行熔接。
12.根据权利要求9-11任一项所述的制作方法，其特征在于，所述步骤S3中对所述信号光纤束进行加热以使所述多根信号光纤相互微融合以形成融合后的信号光纤束的微融合加热方式以及对熔接点的加热方式采用如下方式：氢氧火焰、CO2激光器、丙烷气、或微粒子喷灯的其中之一。
13.根据权利要求10所述的制作方法，其特征在于，采用化学腐蚀方法或者机械抛磨方法对去除涂覆层的所述多根信号光纤的包层直径进行缩小。
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