CN102890312A - 大模场光纤泵浦耦合器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大模场光纤泵浦耦合器及其制造方法,所示耦合器包括主光纤和含有若干泵浦光纤的泵浦光纤束,若干泵浦光纤围设而成中空光纤束,主光纤一端设有露出内包层的过度区并插入所述泵浦光纤束的中空部分,所述泵浦光纤与所述主光纤的过度区对应的部分为露出包层的拉锥端,所述泵浦光纤拉锥端的包层与所述主光纤过度区的内包层紧密接触并熔为一体。所述制造方法包括将多根泵浦光纤预处理形成空心光纤束,并在合适位置截断;对主光纤内包层进行直径缩小处理或不进行缩小处理;将预处理后的主光纤插入空心泵浦光纤束,使其紧密配合;将二者熔为一体并对主光纤进行重新涂覆。本发明不破坏大模场主光纤纤芯结构的前提下,提高信号的耦合效率。
Description
技术领域
本发明涉及激光器技术领域,尤其涉及一种大模场光纤泵浦耦合器及其制造方法。
背景技术
高功率高能量光纤激光器和光纤放大器,在工业加工、军事和医疗等领域都有着广泛的应用前景。近些年,应用普通单模光纤,光纤激光的输出功率和能量获得了极大提升。但是,功率和能量的进一步提高将会受到特透镜效应,光纤非线性效应(比如受激布里渊散射和受激拉曼散射)和光纤损伤等方面限制。高性能超大模场光纤应用于高功率高能量光纤激光器和放大器为功率和能量的进一步提升提供了可能。现有技术中,有人提出了将大模场光纤应用于高功率激光系统中;随后,普通阶跃折射率大模场光纤、增益导引大模场光纤、光子晶体光纤和3C(Chirally-Coupled Core fiber)螺旋形大模场光纤等被提出应用于高功率高能量光纤激光器和放大器。
大模场光纤由于其超大模场特性,意味着光纤纤芯直径较为庞大(通常大于20um),这对于实现泵浦和信号同时实现高效耦合提出了挑战。现有的端面泵浦耦合技术,所采用的熔融拉锥方式实现泵浦和信号的高效耦合,只能针对于纤芯直径小于30um的主光纤。这是由于熔融拉锥方式对于模场较大的主光纤,在拉锥的过程会对模场的大小和形状造成极大的破坏,导致信号的耦合效率较低。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是:提供一种大模场光纤泵浦耦合器及其制造方法,以在不破坏大模场主光纤纤芯结构的前提下,对主光纤内包层进行直径缩小处理或不进行缩小处理,提高信号的耦合效率。
(二)技术方案
为解决上述问题,一方面,本发明提供了一种大模场光纤泵浦耦合器,包括主光纤和含有若干泵浦光纤的泵浦光纤束,所述泵浦光纤束的一端为所述若干泵浦光纤围设而成的中空光纤束,所述主光纤一端设有露出内包层的过度区并插入所述泵浦光纤束的中空部分,所述泵浦光纤与所述主光纤的过度区对应的部分为露出包层的拉锥端,所述泵浦光纤拉锥端的包层与所述主光纤过度区的内包层紧密接触并熔为一体。
优选地,所述主光纤的过度区为径向尺寸小于主光纤内包层主体径向尺寸的柱体,过度区与内包层主体之间形成台阶面,所述泵浦光纤拉锥端紧密贴靠于所述过度区径向外表面上并且端部紧密抵靠于所述台阶面,所述泵浦光纤拉锥端端部的直径与所述光纤主体过度区与内包层主体之间的半径差相当。
优选地,所述主光纤的过度区为窄端靠近端部、宽端远离端部的锥台形,所述若干泵浦光纤的拉锥端形成的中空部分具有与所述过度区对应的锥形内周。
优选地,所述锥台形过度区的宽端半径小于主光纤内包层主体的半径,过度区与内包层主体之间形成台阶面,所述泵浦光纤拉锥端的端部抵靠于所述台阶面上。
优选地,所述主光纤从位于所述泵浦光纤束中空部分内的端部至过度区的尾段的内包层外设有新涂覆层料,所述新涂覆层与主光纤尾段的内包层形成的数值孔径与主光纤主体内包层的原有的数值孔径一致。
优选地,所述主光纤可以是双包层或多包层光纤,主光纤包层形状可以是圆形、六边形或八边形。
另一方面,本发明还提供了一种上述大模场光纤泵浦耦合器的制作方法,包括以下步骤:
S1:分别除去泵浦光纤束中的若干泵浦光纤待熔接区域的涂覆层,露出包层;从一端开始除去主光纤的涂覆层,露出内包层;
S2:将所述泵浦光纤去除涂覆层的部分采用熔融拉锥的方法按一定的锥度拉锥到预定尺寸形成拉锥端;拉锥过程中,泵浦光纤束的中心光纤采用金属丝替代;拉锥完成后,将金属丝抽出,泵浦光纤束形成为中空光纤束;
S3:将所述泵浦光纤束从拉锥处理的轴向中心截断,并对所述泵浦光纤拉锥端形成的中空部分进行处理,使拉锥端形成的中空部分形状与主光纤的过度区互补;
S4:将露出内包层的主光纤的一端插入泵浦光纤束的中空部分,使主光纤的过度区与泵浦光纤拉锥端形成中空部分紧密贴合;
S5:将所述主光纤的过度区与所述泵浦光纤的拉锥端形成的中空部分熔为一体;
S6:对内包层露出在外面的过度区到端部之间的主光纤部分,重新涂覆制作新涂覆层。
优选地,所述步骤S2还包括对去除涂覆层的主光纤内包层进行直径缩小处理,形成所需过度区形状的步骤。
优选地,所述步骤S5中,通过氢氧火焰、CO2激光器、丙烷气、或微粒子喷灯将所述主光纤过度区与泵浦光纤的拉锥端熔为一体。
优选地,通过化学腐蚀或机械抛磨的方法,对步骤S2中去除涂覆层的主光纤内包层进行预处理、以及对步骤S3中的所述泵浦光纤拉锥端形成的中空部分进行处理。
(三)有益效果
本发明在耦合器制作的过程中不破坏主光纤的纤芯,既保证了泵浦光纤到主光纤的熔接,同时不会引起主光纤纤芯结构的微形变,这将有助于泵浦光在耦合器中的传输,提高耦合效率;同时还有助于高功率信号光的高效传输。其适用于大模场甚至超大模场主光纤的泵浦和信号的高效耦合。此外,本发明的单个耦合器能够进行多个泵浦臂同时耦合,可以实现单个耦合器高功率耦合。
附图说明
图1为根据本发明实施例二制作方法的步骤流程图;
图2a为经过本发明实施例二制作方法步骤S2处理后泵浦光纤束与主光纤的结构示意图;
图2b为经过本发明实施例二制作方法步骤S3处理后泵浦光纤束结构示意图;
图2c为经过本发明实施例二制作方法步骤S4和S5处理后泵浦光纤束与主光纤的结构示意图;
图2d为经过本发明实施例二制作方法步骤S6处理后泵浦光纤束与主光纤的结构示意图;
图3a为根据本发明实施例三耦合器的结构示意图;
图3b为图3a中A-A处的剖视图;
图4a为根据本发明实施例四耦合器的结构示意图;
图4b为图4a中B-B处的剖视图;
图5a为根据本发明实施例五耦合器的结构示意图;
图5b为图5a中C-C处的剖视图;
图6a为根据本发明实施例六耦合器的结构示意图;
图6b为图6a中D-D处的剖视图;
图7a为根据本发明实施例七耦合器的结构示意图;
图7b为图7a中E-E处的剖视图;
其中,110泵浦光纤;111涂覆层;112包层;113拉锥端;120主光纤;121涂覆层;122内包层;123过度区;124新涂覆层;130金属丝;
210泵浦光纤;211涂覆层;222包层;213拉锥端;220主光纤;221涂覆层;222内包层;223过度区;224新涂覆层
310泵浦光纤;311涂覆层;132包层;313拉锥端;320主光纤;321涂覆层;322内包层;323过度区;324新涂覆层;
410泵浦光纤;411涂覆层;442包层;413拉锥端;420主光纤;421涂覆层;422内包层;423过度区;424新涂覆层;
510泵浦光纤;511涂覆层;552包层;513拉锥端;520主光纤;521涂覆层;522内包层;523过度区;524新涂覆层;610泵浦光纤;611涂覆层;662包层;613拉锥端;620主光纤;621涂覆层;622内包层;623过度区;624新涂覆层。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明如下。
实施例一:
本实施例记载了一种大模场光纤泵浦耦合器,包括主光纤和含有若干泵浦光纤的泵浦光纤束,所述泵浦光纤束的一端为所述若干泵浦光纤围设而成的中空光纤束,所述主光纤一端设有露出内包层的过度区并插入所述泵浦光纤束的中空部分,所述泵浦光纤与所述主光纤的过度区对应的部分为露出包层的拉锥端,所述泵浦光纤拉锥端的包层与所述主光纤过度区的内包层紧密接触并熔为一体。
所述主光纤的过度区为径向尺寸小于主光纤内包层主体径向尺寸的柱体,过度区与内包层主体之间形成台阶面,所述泵浦光纤拉锥端紧密贴靠于所述过度区径向外表面上并且端部紧密抵靠于所述台阶面,所述泵浦光纤拉锥端端部的直径与所述光纤主体过度区与内包层主体之间的半径差相当。
所述主光纤的过度区为窄端靠近端部、宽端远离端部的锥台形,所述若干泵浦光纤的拉锥端形成的中空部分具有与所述过度区对应的锥形内周。
所述锥台形过度区的宽端半径小于主光纤内包层主体的半径,过度区与内包层主体之间形成台阶面,所述泵浦光纤拉锥端的端部抵靠于所述台阶面上。
所述主光纤从位于所述泵浦光纤束中空部分内的端部至过度区的尾段的内包层外设有新涂覆层料,所述新涂覆层与主光纤尾段的内包层形成的数值孔径与主光纤主体内包层的原有的数值孔径一致。
所述主光纤可以是双包层或多包层光纤,主光纤包层形状可以是圆形、六边形或八边形。
实施例二:
如图1和图2a-d所示,本实施例记载了上述大模场光纤泵浦耦合器的制作方法,包括以下步骤:
S1:分别除去泵浦光纤束中的若干泵浦光纤110待熔接区域的涂覆层111,露出包层112;从一端开始除去主光纤120的涂覆层121,露出内包层122;
S2:通过化学腐蚀或机械抛磨的方法对去除涂覆层的主光纤内包层122进行直径缩小处理,形成所需过度区123形状;将所述泵浦光纤110去除涂覆层的部分采用熔融拉锥的方法按一定的锥度拉锥到预定尺寸形成拉锥端113;拉锥过程中,泵浦光纤束的中心光纤采用金属丝130替代;拉锥完成后,将金属丝130抽出,泵浦光纤束形成为中空光纤束;
S3:将所述泵浦光纤束从拉锥处理的轴向中心I处(或其它合适的位置)截断,并通过化学腐蚀或机械抛磨的方法对所述若干泵浦光纤拉锥端113形成的中空部分进行处理,使拉锥端113形成的中空部分形状与主光纤120的过度区123互补;
S4:将露出内包层122的主光纤120的一端插入泵浦光纤束的中空部分,使主光纤120的过度区123与泵浦光纤拉锥端113形成中空部分紧密贴合;
S5:通过氢氧火焰、CO2激光器、丙烷气、或微粒子喷灯将所述主光纤120的过度区123与所述泵浦光纤110的拉锥端113形成的中空部分熔为一体;
S6:对内包层露出在外面的过度区到端部之间的主光纤部分,重新涂覆制作新涂覆层124。
下面以具体的耦合器结构为例进行说明:
实施例三:
如图3a和3b所示为本实施例的大模场光纤泵浦耦合器。其制作方法为:
将一纤芯/内包层直径分别为50/400um的圆形双包层主光纤220的涂覆层221去除30cm的轴向长度,露出内包层222;
6根泵浦光纤210的纤芯/包层直径为200/220um,将每根泵浦光纤210的涂覆层211去除3cm轴向长度,露出包层212;
采用HF对双包层主光纤220的去涂覆层处进行化学腐蚀,使其内包层直径缩小到133um,并使过度区223的内包层222与主光纤220内包层222呈台阶形;
采用氢氧焰加热熔融拉锥方法对6根泵浦光纤210熔融拉锥,拉锥过程中6根泵浦光纤210形成的泵浦光纤束的中心穿入直径为135um的圆形金属丝,拉锥后使每根泵浦光纤拉锥端213的直径缩小到133um;
然后,将金属丝抽出,并将泵浦光纤束从拉锥的轴向中心截断,形成空心光纤束;
接着,将处理后的圆形双包层主光纤220插入空心光纤束,使泵浦光纤210的拉锥端213与过度区223外周以及过度区223与主光纤主体内包层222之间形成的台阶面紧密接触;
用氢氧火焰加热泵浦光纤210拉锥端213与主光纤220过度区223接触的位置,使泵浦光纤束与主光纤220熔为一体;
最后对主光纤220位于泵浦光纤210之间的输入端进行重新涂覆新涂覆层224,即完成耦合器制作。
实施例四:
如图4a和4b所示为本实施例的大模场光纤泵浦耦合器。其制作方法为:
将一纤芯/内包层直径分别为50/250um的圆形双包层主光纤320的涂覆层321轴向去除30cm,露出内包层322;将6根纤芯/包层为105/125um的泵浦光纤310的涂覆层311轴向去除3cm,露出包层312;
采用HF对双包层主光纤320的去涂覆层处进行化学腐蚀,使其直径缩小到125um,并使主光纤320的过度区323呈带台阶的锥形(如图4b所示);
采用氢氧焰加热熔融拉锥方法对6根泵浦光纤310熔融拉锥,拉锥过程中中心穿入直径为126um的圆形金属丝,拉锥后使每根泵浦光纤310拉锥端313的直径缩小到62.5um;
然后,将金属丝抽出,并将泵浦光纤束从拉锥处轴向的中心截断,形成空心光纤束,并采用机械抛磨得方式使其空心内表面形成与主光纤过度区323匹配的锥形;
接着,将处理后的圆形双包层主光纤320插入空心光纤束,使得主光纤过度区323与泵浦光纤束的锥形中空部分紧密接触;
用氢氧火焰加热上述紧密接触的区域,使泵浦光纤束与主光纤320熔为一体;
最后对主光纤320位于泵浦光纤310之间的输入端进行重新涂覆新涂覆层324,即完成耦合器制作。
实施例五:
如图5a和5b所示为本实施例的大模场光纤泵浦耦合器。其制作方法为:
将一纤芯/内包层直径分别为20/400um的八边形双包层主光纤420的涂覆层421轴向去除30cm,露出内包层422;将6根纤芯/包层直径分别为220/242um的泵浦光纤410的涂覆层411轴向去除3cm,露出包层412;
采用HF对主光纤420的去涂覆层处进行化学腐蚀,使该处内包层直径缩小到200um,并使形成锥形的过度区423;
采用氢氧焰加热熔融拉锥方法对6根泵浦光纤410熔融拉锥,拉锥过程中中心穿入直径为202um的圆形形金属丝,拉锥后使每根泵浦光纤拉锥端413直径缩小到100um;
然后,将金属丝抽出,并将泵浦光纤束从拉锥的轴向中心截断,形成空心光纤束;并采用机械抛磨得方式使其空心内表面形成锥形;
接着,将处理后的圆形双包层主光纤420插入空心光纤束,使得主光纤过度区423与泵浦光纤束的锥形中空部分紧密接触;
用氢氧火焰加热上述紧密接触的区域,使泵浦光纤束与主光纤420熔为一体;
最后对主光纤420位于泵浦光纤410之间的输入端进行重新涂覆新涂覆层424,即完成耦合器制作。
实施例六:
如图6a和6b所示为本实施例的大模场光纤泵浦耦合器。其制作方法为:
将一纤芯/内包层直径分别为100/400um的圆形双包层主光纤520的涂覆层521轴向去除30cm,露出内包层522;
将6根纤芯/包层直径分别为220/242um的泵浦光纤510的涂覆层511轴向去除3cm,露出包层512;
采用HF对主光纤520的去涂覆层处进行化学腐蚀,使其直径缩小到200um,形成不平整锥形的过度区523;
采用氢氧焰加热熔融拉锥方法对6根泵浦光纤510熔融拉锥,拉锥过程中中心穿入直径为202um的圆形金属丝,拉锥后使每根泵浦光纤510的拉锥端513直径缩小到100um;
然后,将金属丝抽出,并将泵浦光纤束从拉锥的轴向中心截断,形成空心光纤束;
采用HF腐蚀的方式使泵浦光纤束的空心部分内表面形成锥形;
接着,将处理后的圆形双包层主光纤520插入空心光纤束,使得主光纤过度区523与泵浦光纤束的锥形中空部分接触;但是由于过度区523表面不平整,因此无法紧密接触;
用氢氧火焰加热上述接触的区域,使泵浦光纤束与主光纤520熔为一体;由于上述过度区523与泵浦光纤束无法紧密接触,加热过程所预设的加热温度相对其前几个实施例有所提高;
最后对主光纤520位于泵浦光纤510之间的输入端进行重新涂覆新涂覆层524,即完成耦合器制作。
实施例七:
如图7a和7b所示为本实施例的大模场光纤泵浦耦合器。其制作方法为:
将一纤芯/内包层直径分别为200/400um的圆形双包层主光纤620的涂覆层621轴向去除30cm,露出内包层622;将12根纤芯/包层直径分别为220/242um的泵浦光纤610的涂覆层611轴向去除3cm,露出包层612;
采用氢氧焰加热熔融拉锥方法对所示12根泵浦光纤610组成的泵浦光纤束熔融拉锥直至拉断形成拉锥端613,拉锥过程中中心穿入直径为400um的圆形金属丝;在本实施例中对主光纤620的内包层的预处理可以省略,保持其原有尺寸大小;因此其过度区623的形状与其内包层主体形状相同;
然后,将金属丝抽出,并将泵浦光纤束从拉锥的轴向中心截断,形成空心光纤束;
接着,将处理后的圆形双包层主光纤620插入空心光纤束,使得主光纤过度区623与泵浦光纤束的锥形中空部分紧密接触;
用氢氧火焰加热上述紧密接触的区域,使泵浦光纤束与主光纤620熔为一体;由于上述过度区623与泵浦光纤束无法紧密接触,加热过程所预设的加热温度相对其前几个实施例有所提高;
最后对主光纤620位于泵浦光纤610之间的输入端进行重新涂覆新涂覆层624,即完成耦合器制作。
本发明在耦合器制作的过程中不破坏主光纤的纤芯,既保证了泵浦光纤到主光纤的熔接,同时不会引起主光纤纤芯结构的微形变,这将有助于泵浦光在耦合器中的传输,提高耦合效率;同时还有助于高功率信号光的高效传输。
以上实施方式仅用于说明本发明,而并非对本发明的限制,有关技术领域的普通技术人员,在不脱离本发明的精神和范围的情况下,还可以做出各种变化和变型,因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴,本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
Claims (10)
1.一种大模场光纤泵浦耦合器,包括主光纤和含有若干泵浦光纤的泵浦光纤束,其特征在于,所述泵浦光纤束的一端为所述若干泵浦光纤围设而成的中空光纤束,所述主光纤一端设有露出内包层的过度区并插入所述泵浦光纤束的中空部分,所述泵浦光纤与所述主光纤的过度区对应的部分为露出包层的拉锥端,所述泵浦光纤拉锥端的包层与所述主光纤过度区的内包层紧密接触并熔为一体。
2.如权利要求1所述的大模场光纤泵浦耦合器,其特征在于,所述主光纤的过度区为径向尺寸小于主光纤内包层主体径向尺寸的柱体,过度区与内包层主体之间形成台阶面,所述泵浦光纤拉锥端紧密贴靠于所述过度区径向外表面上并且端部紧密抵靠于所述台阶面,所述泵浦光纤拉锥端端部的直径与所述光纤主体过度区与内包层主体之间的半径差相当。
3.如权利要求1所述的大模场光纤泵浦耦合器,其特征在于,所述主光纤的过度区为窄端靠近端部、宽端远离端部的锥台形,所述若干泵浦光纤的拉锥端形成的中空部分具有与所述过度区对应的锥形内周。
4.如权利要求3所述的大模场光纤泵浦耦合器,其特征在于,所述锥台形过度区的宽端半径小于主光纤内包层主体的半径,过度区与内包层主体之间形成台阶面,所述泵浦光纤拉锥端的端部抵靠于所述台阶面上。
5.如权利要求1所述的大模场光纤泵浦耦合器,其特征在于,所述主光纤从位于所述泵浦光纤束中空部分内的端部至过度区的尾段的内包层外设有新涂覆层料,所述新涂覆层与主光纤尾段的内包层形成的数值孔径与主光纤主体内包层的原有的数值孔径一致。
6.如权利要求1所述的大模场光纤泵浦耦合器,其特征在于,所述主光纤可以是双包层或多包层光纤,主光纤包层形状可以是圆形、六边形或八边形。
7.一种权利要求1-6中任一项所述的大模场光纤泵浦耦合器的制作方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1:分别除去泵浦光纤束中的若干泵浦光纤待熔接区域的涂覆层,露出包层;从一端开始除去主光纤的涂覆层,露出内包层;
S2:将所述泵浦光纤去除涂覆层的部分按一定的锥度拉锥到预定尺寸形成拉锥端;拉锥过程中,泵浦光纤束的中心光纤采用金属丝替代;拉锥完成后,将金属丝抽出,泵浦光纤束形成为中空光纤束;
S3:将所述泵浦光纤束从拉锥处理的轴向中心截断,并对所述泵浦光纤拉锥端形成的中空部分进行处理,使拉锥端形成的中空部分形状与主光纤的过度区互补;
S4:将露出内包层的主光纤的一端插入泵浦光纤束的中空部分,使主光纤的过度区与泵浦光纤拉锥端形成中空部分紧密贴合;
S5:将所述主光纤的过度区与所述泵浦光纤的拉锥端形成的中空部分熔为一体;
S6:对内包层露出在外面的过度区到端部之间的主光纤部分,重新涂覆制作新涂覆层。
8.如权利要求7所述的制作方法,其特征在于,所述步骤S2还包括对去除涂覆层的主光纤内包层进行直径缩小处理,形成所需过度区形状的步骤。
9.如权利要求7所述的制作方法,其特征在于,所述步骤S5中,通过氢氧火焰、CO2激光器、丙烷气、或微粒子喷灯将所述主光纤过度区与泵浦光纤的拉锥端熔为一体。
10.如权利要求8所述的制作方法,其特征在于,通过化学腐蚀或机械抛磨的方法,对步骤S2中去除涂覆层的主光纤内包层进行预处理、以及对步骤S3中的所述泵浦光纤拉锥端形成的中空部分进行处理。
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