CN103246011A - 扩束光纤及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种扩束光纤及其制作方法，该扩束光纤的端部具有扩束部，扩束部由光纤包层、光纤纤芯、与光纤纤芯端面对接的无芯光纤、包裹光纤包层、光纤纤芯及无芯光纤的玻璃棒熔融而成，且扩束部的端面经研磨形成扩束端面。该扩束光纤制作方法为：在玻璃棒内开设通孔，将光纤本体的一端经过剥除涂覆层后的光纤包层及光纤纤芯与一段长度小于通孔长度的无芯光纤进行熔接，接着将熔接后的光纤包层、光纤纤芯和无芯光纤插入通孔内，再将位于玻璃棒内的光纤包层、光纤纤芯、无芯光纤与玻璃棒熔化形成扩束部，最后将扩束部的端面研磨形成扩束端面。本发明提供的一体化的扩束光纤有效地扩大了激光输出端面的输出面积，降低了输出端功率密度。

Description

扩束光纤及其制作方法

技术领域

本发明涉及激光领域，尤其涉及一种高功率激光用的扩束光纤及该扩束光纤的制作方法。

背景技术

激光器是利用受激辐射原理使光在某些受激发的物质中放大或振荡发射的器件，而固体激光器则是利用固体增益介质受激发的激光器。作为一种典型的固体激光器，全光纤结构的光纤激光器以其结构简单紧凑、体积小、工作稳定可靠、光束质量好、易于集成等优点，被认为是固体激光技术实用化的最佳选择。目前固体激光器在激光应用中占有极其重要的地位，可用于材料加工、激光测距、激光光谱学、激光医疗、激光化工、激光分离同位素及激光核聚变等。

而用于传送激光的光纤是以SiO₂为基质材料拉成的玻璃实体纤维，传统的光纤主要用于光纤通讯，其导光原理就是光的全反射机理。普通裸光纤一般由中心高折射率玻璃芯（芯径一般为9-62.5μm）、中间低折射率硅玻璃包层（芯径一般为125μm）和最外层的加强树脂涂层组成，上述三层通常被称为光纤纤芯、光纤包层以及涂覆层。

随着应用范围的扩展，对激光器的功率要求越来越高，尤其是在高功率激光器中，光纤端面纤芯的功率密度很高，很容易造成端面损伤，因此对光纤端面的平整度和清洁度有很高的要求，增加光纤激光器加工成本，且光纤对使用环境要求较高，同时使用寿命也存在隐患。

公开号为CN102044828A的中国发明专利公开了一种“一种高功率光纤激光器光纤端面结构”揭示了一种高功率光纤激光器的光纤头，如图1所示，光纤头包括：毛细玻璃管11、纤芯12、无芯光纤13、光学棒14以及输出腔镜15，其中，纤芯12与无芯光纤13相接，纤芯12和无芯光纤13装夹在毛细玻璃管11中，激光从纤芯12和无芯光纤13相接面发散后进入光学棒，激光再从光学棒输出到输出腔镜14继而输出一个输出端面的面积较大的激光，即降低输出端功率密度，能够有效解决输出端面热损伤的问题。

然而，上述光纤头需要利用不同的光学棒和输出腔镜的组合才能输出所需的光束，这样不仅需要在激光器内增加光学器件的空间，不利于简化激光器的结构，也不利于降低激光腔内损耗，还不利于成本的控制，同时还不利于制作实际所需的不同类型输出光束。

发明内容

本发明的第一目的是提供一种低损耗、结构简单的一体化扩束光纤。

本发明的第二目的是提供一种制作低损耗、结构简单的一体化扩束光纤的方法。

本发明的第三目的是提供一种输出端面积较大且一体化的扩束光纤。

本发明的第四目的是提供一种制作输出端面积较大且一体化扩束光纤的方法。

本发明的第五目的是提供一种方便制作且制作输出端面积较大的一体化扩束光纤的方法。

为了实现本发明第一目的，本发明提供了一种扩束光纤，包括光纤本体，光纤本体包括光纤包层和光纤纤芯，其中，扩束光纤的端部具有扩束部，扩束部由光纤包层、光纤纤芯、与光纤纤芯端面对接的无芯光纤、包裹光纤包层、光纤纤芯及无芯光纤的玻璃棒熔融而成，且扩束部的端面经研磨形成扩束端面。

由上述方案可见，通过研磨直接对一体化的玻璃棒端面加工成所需的不同扩束端面，如球面扩束端面、非球面扩束端面或者 8°扩束端面等，从而直接输出对应所需要的光束类型，例如准直光束、聚焦光束、发散光束，而无需增加光学棒、扩束镜、准直透镜等空间光学器件。尤其是作为激光器输出端时，甚至可直接将扩束端面制作成输出腔镜。这样便大大简化了光纤输出端或光纤输入端的结构，同时扩大了激光输出端的输出面积，降低了输出端功率密度，提高了光纤端面的功率耐受能力。

更进一步的方案是，光纤本体具有与无芯光纤对接的第一端面，无芯光纤具有与光纤本体对接的第二端面，第一端面的面积与第二端面的面积相等。

由上可见，通过熔接方式来接合光纤纤芯与无芯光纤，能够避免断纤、斜角、毛刺、裂痕等不良端面的产生，减少光损耗等问题的出现，同时达到固定光纤与无芯光纤相对位置的作用。

为了实现本发明第二目的，本发明提供了一种扩束光纤制作方法，该方法为：在一玻璃棒内开设通孔，将光纤本体的一端经过剥除涂覆层后的光纤包层及光纤纤芯与一段长度小于通孔长度的无芯光纤进行熔接，接着将熔接后的光纤包层、光纤纤芯和无芯光纤插入通孔内，再将位于玻璃棒内的光纤包层、光纤纤芯、无芯光纤与玻璃棒熔化形成扩束部，最后将扩束部的端面研磨形成扩束端面。

由上述方案可见，采用传统的研磨加工工序直接对玻璃棒和无芯光纤进行加工制作，可随意加工出所需的输出端面，继而扩大了激光输出端的输出面积，降低了输出端功率密度，提高了光纤端面的功率耐受能力。

更进一步的方案是，无芯光纤的径向半径与通孔的半径相等。

更进一步的方案是，光纤本体具有与无芯光纤对接的第一端面，无芯光纤具有与光纤本体对接的第二端面，且第一端面的面积与第二端面的面积相等

由上可见，光纤本体的一端经过剥涂覆层后的光纤包层及光纤纤芯再与无芯光纤熔接，之后插入与无芯光纤相同半径的通孔中，能够避免断纤、斜角、毛刺、裂痕等不良端面的产生，且使得扩束光纤结构更加紧致，不容易遭受损坏，减少光损耗。

为了实现本发明第三目的，本发明提供了一种扩束光纤，包括光纤本体，光纤本体包括光纤包层和光纤纤芯，其中，扩束光纤的端部具有扩束部，扩束部由光纤包层、光纤纤芯、包裹光纤包层及光纤纤芯的玻璃棒熔融而成，玻璃棒的至少一部分包裹在光纤纤芯外，且扩束部的端面经研磨形成扩束端面。

由上述方案可见，上述扩束光纤省略了无芯光纤，而采用的是将一段光纤的光纤包层去掉后直接被玻璃棒包裹，此方案结构简单，一体化的光纤头有利于通过光学加工制作出所需的扩束端面，同时扩大了激光输出端的输出面积，降低了输出端功率密度，提高了光纤端面的功率耐受能力。

更进一步的方案是，被所述玻璃棒包裹的所述光纤纤芯的长度大于被所述石英玻璃棒包裹的所述光纤包层的长度。

由上可见，通过上述的特殊结构，使得光束在玻璃棒散射过程中更加充分，从而获得的扩束效果更佳，降低了输出端功率密度。

为了实现本发明第四目的，本发明提供一种扩束光纤制作方法，该方法为：在一玻璃棒内开设具有不同半径的同轴通孔，通孔包括具有第一半径的第一段通孔与具有第二半径的第二段通孔，第一半径与一光纤本体的光纤纤芯半径相等，第二半径与光纤本体的半径相等，再将光纤本体的端部去掉一段光纤包层后得到一段光纤纤芯，光纤纤芯的长度与第一段通孔的长度相等，接着将光纤纤芯和光纤包层插入通孔中，将位于玻璃棒内的光纤包层、光纤纤芯与玻璃棒熔化形成扩束部，最后将扩束部的端面研磨形成扩束端面。

由上述方案可见，剥去光纤本体的光纤包层得到的光纤纤芯被玻璃棒包裹，通过这种方法获得的这种简单结构的扩束光纤，简化了加工流程节约成本，同时一体化的扩束光纤方便于进行光学加工制作出所需的扩束端面，扩大了激光输出端的输出面积，降低了输出端功率密度，提高了光纤端面的功率耐受能力。

更进一步的方案是，第一段通孔的长度大于第二段通孔的长度。

由上可见，通过不同的通孔长度，光束在玻璃棒散射过程中更加充分，从而获得的扩束效果更佳，使得光束在扩束端面的输出面积增大，降低了输出端功率密度。

为了实现本发明第五目的，本发明提供一种扩束光纤制作方法，该方法为：在一玻璃棒内开设盲孔，将光纤本体的一端经过剥除涂覆层后的光纤包层及光纤纤芯插入盲孔中，将位于玻璃棒内的光纤包层、光纤纤芯与玻璃棒熔化形成扩束部，将扩束部的端面研磨形成扩束端面。

由上述方案可见，利用现有成熟的研磨工艺可以实现对光纤端面的精密加工，制作出所需的扩束端面，研磨工艺相比于拉锥工艺具有更容易成型和更易于制作出各种所需的复杂扩束端面，且在玻璃棒开设的盲孔有利于方便与光纤本体熔接。

附图说明

图1是现有的光纤头结构示意图。

图2是本发明扩束光纤第一实施例熔接前的结构示意图。

图3是本发明扩束光纤第一实施例的第一结构的光路示意图。

图4是本发明扩束光纤第一实施例的第二结构的光路示意图。

图5是本发明扩束光纤第一实施例的第三结构的光路示意图。

图6是本发明扩束光纤第二实施例熔接前的结构示意图。

图7是本发明扩束光纤第二实施例的第一结构的光路示意图。

图8是本发明扩束光纤第二实施例的第二结构的光路示意图。

图9是本发明扩束光纤第二实施例的第三结构的光路示意图。

图10是本发明扩束光纤第三实施例熔接前的结构示意图。

图11是本发明扩束光纤第三实施例的第一结构的光路示意图。

图12是本发明扩束光纤第三实施例的第二结构的光路示意图。

图13是本发明扩束光纤第三实施例的第三结构的光路示意图。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

具体实施方式

第一实施例：

参照图2，图2中所示的是本发明第一实施例中的扩束光纤熔接前的结构示意图，在扩束光纤的端部具有扩束部，该扩束部由光纤本体23、无芯光纤22和玻璃棒21熔融而成，其中光纤本体23包括光纤包层24和光纤纤芯25。

无芯光纤22与光纤本体23采用熔接方式进行相接，其中，光纤本体23具有与无芯光纤22相接的第一端面F1，无芯光纤22具有与光纤本体23相接的第二端面F2，第一端面F1采用熔接方式与第二端面F2相接，且第一端面F1的面积与第二端面F2的面积相等。

光纤包层24、光纤纤芯25、与光纤纤芯25端面对接的无芯光纤22、包裹光纤包层24、光纤纤芯25及无芯光纤22的玻璃棒熔融而成扩束部 ，其中，如图3所示，经过熔融后最后形成一体化的扩束光纤3，扩束光纤的扩束部34的端面经研磨、抛光及镀膜等光学加工工序成平直扩束端面33。

激光通过光纤输出后在扩束光纤3的扩束部34中发散传输，最终在如图3所示成垂直光轴的平直扩束端面33输出，在扩束端面33形成了光斑31，在扩束端面的光斑31相比于在扩束部34内的光斑32要大，从而降低了输出端功率密度，提高了光纤端面的功率耐受能力。

参照图4，图4中的扩束光纤4的端部具有扩束部44，扩束部44经过经研磨、抛光及镀膜等光学加工工序后形成与径向平面成8°夹角的扩束端面43，激光通过光纤输出后在扩束光纤4的扩束部44中发散传输，最终在如图4所示的8°扩束端面43输出，在扩束端面43形成了光斑41，在扩束端面的光斑41相比于在扩束部44内的光斑42要大，从而降低了输出端功率密度，提高了光纤端面的功率耐受能力。

参照图5，图5中的扩束光纤5的端部具有扩束部54，扩束部54经过经研磨、抛光及镀膜等光学加工方式后形成球面的扩束端面53，激光通过光纤输出后在扩束光纤5的扩束部54中发散传输，最终在如图5所示的球面扩束端面53输出，在扩束端面53形成了光斑51，在扩束端面的光斑51相比于在扩束部54内的光斑52要大，从而降低了输出端功率密度，提高了光纤端面的功率耐受能力。

上述的扩束光纤可以通过以下方法制造而成：

首先在一玻璃棒内开设一半径与无芯光纤径向半径相等的通孔，接着将光纤本体的一端经过剥除涂覆层后的光纤包层及光纤纤芯与一段长度小于玻璃棒的通孔长度的无芯光纤进行熔接。

再将熔接后的光纤包层、光纤纤芯和无芯光纤插入通孔内，将位于玻璃棒内的光纤包层、光纤纤芯、无芯光纤与玻璃棒熔化形成扩束部，最后将扩束部的端面通过研磨、抛光及镀膜等光学加工工序加工形成扩束端面，扩束端面可以是上述的与光纤轴线垂直的平面或8°面或球面等不同形状的端面。

第二实施例：

参照图6，图6中所示的是本发明第二实施例中的扩束光纤熔接前的结构示意图，该扩束光纤包括光纤本体62，光纤本体62包括光纤包层63和光纤纤芯64。

其中，将光纤本体62的末端去掉一段光纤包层63后得到的裸露在外的光纤纤芯64，裸露的光纤纤芯64被玻璃棒61的一部分包裹着，且被玻璃棒61包裹的光纤纤芯64的长度L1大于被石英玻璃棒包裹的光纤包层63的长度L2。

如图7所示，扩束光纤7的端部为扩束部74，扩束部74是由上述图6中的光纤包层63、光纤纤芯64、包裹光纤包层63及光纤纤芯64的玻璃棒61熔融而成，扩束光纤7的扩束部74的端面经研磨、抛光及镀膜等光学加工工序形成平直的扩束端面73。

激光通过光纤输出后在扩束光纤7的扩束部74中发散传输，最终在如图7所示成垂直光轴的平直扩束端面73输出，在扩束端面73形成了光斑71，在扩束端面的光斑71相比于在扩束部74内的光斑72要大，从而降低了输出端功率密度，提高了光纤端面的功率耐受能力。

参照图8，图8中的扩束光纤8的端部具有扩束部84，扩束部84经过经研磨、抛光及镀膜等光学加工工序后形成与径向成8°夹角的扩束端面83，激光通过光纤输出后在扩束光纤8的扩束部84中发散传输，最终在如图8所示的8°扩束端面83输出，在扩束端面83形成了光斑81，在扩束端面的光斑81相比于在扩束部84内的光斑82要大，从而降低了输出端功率密度，提高了光纤端面的功率耐受能力。

参照图9，图9中的扩束光纤9的端部具有扩束部94，扩束部94经过经研磨、抛光及镀膜等光学加工工序后形成球面的扩束端面93，激光通过光纤输出后在扩束光纤9的扩束部94中发散传输，最终在如图9所示的球面扩束端面93输出，在扩束端面93形成了光斑91，在扩束端面的光斑91相比于在扩束部94内的光斑92要大，从而降低了输出端功率密度，提高了光纤端面的功率耐受能力。

下面说明上述的扩束光纤制作方法。首先将一玻璃棒内开设一个不同半径的同轴通孔，因此该通孔包括具有第一半径的第一段通孔及具有第二半径的第二段通孔，第一段通孔的第一半径与光纤纤芯半径相等，第二段通孔的第二半径与光纤的半径相同，且第一段通孔的长度大于第二段通孔的长度。

接着将光纤本体的末端去掉一段光纤包层后得到一段裸露的光纤纤芯，该段裸露的光纤纤芯的长度与具有第一段通孔的长度相等。

然后，将该段裸露的光纤纤芯和光纤包层插入通孔中，将位于玻璃棒内的光纤包层、光纤纤芯与玻璃棒进行熔化形成扩束部，最后将扩束部的端面经过研磨、抛光及镀膜等光学加工工序后形成扩束端面。

第三实施例：

参照图10，图10中所示的是本发明第三实施例中的扩束光纤熔接前的结构示意图，在扩束光纤的端部具有扩束部，该扩束部由光纤本体102和玻璃棒101熔融而成，其中光纤本体102包括光纤包层103和光纤纤芯104。

光纤包层103、光纤纤芯104、包裹光纤包层103和光纤纤芯104的玻璃棒101熔融而成扩束部 ，其中，如图11所示，经过熔融后最后形成一体化的扩束光纤16，扩束光纤16的扩束部164的端面经研磨、抛光及镀膜等光学加工工序成平直扩束端面163。

激光通过光纤输出后在扩束光纤16的扩束部164中发散传输，最终在如图11所示成垂直光轴的平直扩束端面163输出，在扩束端面163形成了光斑161，在扩束端面的光斑161相比于在扩束部164内的光斑162要大，从而降低了输出端功率密度，提高了光纤端面的功率耐受能力。

参照图12，图12中的扩束光纤17的端部具有扩束部174，扩束部174经过经研磨、抛光及镀膜等光学加工工序后形成与径向平面成8°夹角的扩束端面173，激光通过光纤输出后在扩束光纤17的扩束部174中发散传输，最终在如图12所示的8°扩束端面173输出，在扩束端面173形成了光斑171，在扩束端面的光斑171相比于在扩束部174内的光斑172要大，从而降低了输出端功率密度，提高了光纤端面的功率耐受能力。

参照图13，图13中的扩束光纤18的端部具有扩束部184，扩束部184经过经研磨、抛光及镀膜等光学加工方式后形成球面的扩束端面183，激光通过光纤输出后在扩束光纤18的扩束部184中发散传输，最终在如图13所示的球面扩束端面183输出，在扩束端面183形成了光斑181，在扩束端面的光斑181相比于在扩束部184内的光斑182要大，从而降低了输出端功率密度，提高了光纤端面的功率耐受能力。

上述的扩束光纤可以通过以下方法制造而成：

首先在一玻璃棒内开设一半径与光纤本体的半径相等的盲孔，接着将光纤本体的一端经过剥除涂覆层后的光纤包层及光纤纤芯插入该盲孔，。

再将位于玻璃棒内的光纤包层、光纤纤芯与玻璃棒熔化形成扩束部，最后将扩束部的端面通过研磨、抛光及镀膜等光学加工工序加工形成扩束端面，扩束端面可以是上述的与光纤轴线垂直的平面或8°面或球面等不同形状的端面。

通过上述的实施例及其实施例的制作方法，采用了光学加工方式直接对扩束光纤端面制作所需的不同扩束端面，例如球面扩束端面、非球面扩束端面或者8°扩束端面等，从而直接输出所需要的光束类型，例如准直光束、聚焦光束、发散光束等不同的光束，而无需增加光学棒、扩束镜、准直透镜等空间光学器件。尤其是作为激光器输出端时，甚至可直接将扩束端面制作成输出腔镜。这样便大大简化了光纤输出端或光纤输入端的结构。还利用不同的接合方式使得玻璃棒、光纤和无芯光纤接合，使得扩束光纤的扩束部具有一体化的结构，方便于对其进行光学加工，采用上述实施例的扩束光纤有效的扩大了激光输出端的输出面积，降低了输出端功率密度，提高了光纤端面的功率耐受能力。

最后需要强调的是，本发明不限于上述实施方式，例如采用本结构的扩束光纤经过光学加工的扩束端面成其他曲面的扩束端面或者其他角度的端面，又例如光纤本体的光纤包层及光纤纤芯与一段长度大于或等于通孔长度的无芯光纤进行熔接，或者被玻璃棒包裹的光纤纤芯的长度小于或者等于被玻璃棒包裹的光纤包层的长度，这些都可以根据实际所需的光斑大小而调整扩束长度，从而达到本发明目的，上述的都是本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.扩束光纤，包括

光纤本体，所述光纤本体包括光纤包层和光纤纤芯；

其特征在于：

所述扩束光纤的端部具有扩束部，所述扩束部由所述光纤包层、所述光纤纤芯、与所述光纤纤芯端面对接的无芯光纤、包裹所述光纤包层、所述光纤纤芯及所述无芯光纤的玻璃棒熔融而成，且所述扩束部的端面经研磨形成扩束端面。

2.根据权利要求1所述的扩束光纤，其特征在于：

所述光纤本体具有与所述无芯光纤对接的第一端面，所述无芯光纤具有与所述光纤本体对接的第二端面，所述第一端面的面积与所述第二端面的面积相等。

3.扩束光纤制作方法，其特征在于：

在一玻璃棒内开设通孔，将光纤本体的一端经过剥除涂覆层后的光纤包层及光纤纤芯与一段长度小于所述通孔长度的无芯光纤进行熔接；

将熔接后的所述光纤包层、所述光纤纤芯和所述无芯光纤插入所述通孔内，将位于所述玻璃棒内的所述光纤包层、所述光纤纤芯、所述无芯光纤与所述玻璃棒熔化形成扩束部，将所述扩束部的端面研磨形成扩束端面。

4.根据权利要求3所述的扩束光纤制作方法，其特征在于：

所述无芯光纤的半径与所述通孔的半径相等。

5.根据权利要求3所述的扩束光纤制作方法，其特征在于：

所述光纤本体具有与所述无芯光纤对接的第一端面，所述无芯光纤具有与所述光纤本体对接的第二端面，且所述第一端面的面积与所述第二端面的面积相等。

6.扩束光纤，包括

光纤本体，所述光纤本体包括光纤包层和光纤纤芯；

其特征在于：

所述扩束光纤的端部具有扩束部，所述扩束部由所述光纤包层、所述光纤纤芯、包裹所述光纤包层及所述光纤纤芯的玻璃棒熔融而成，所述玻璃棒的至少一部分包裹在所述光纤纤芯外，且所述扩束部的端面经研磨形成扩束端面。

7.根据权利要求6所述的扩束光纤，其特征在于：

被所述玻璃棒包裹的所述光纤纤芯的长度大于被所述玻璃棒包裹的所述光纤包层的长度。

8.扩束光纤制作方法，其特征在于：

在一玻璃棒内开设具有不同半径的同轴通孔，所述通孔包括具有第一半径的第一段通孔与具有第二半径的第二段通孔，所述第一半径与一光纤本体的光纤纤芯半径相等，所述第二半径与所述光纤本体的半径相等；

将所述光纤本体的端部去掉一段光纤包层后得到一段光纤纤芯，所述光纤纤芯的长度与所述第一段通孔的长度相等；

将所述光纤纤芯和所述光纤包层插入所述通孔中，将位于所述玻璃棒内的所述光纤包层、所述光纤纤芯与所述玻璃棒熔化形成扩束部，将所述扩束部的端面研磨形成扩束端面。

9.根据权利要求8所述的扩束光纤制作方法，其特征在于：

所述第一段通孔的长度大于所述第二段通孔的长度。

10.扩束光纤制作方法，其特征在于：

在一玻璃棒内开设盲孔，将光纤本体的一端经过剥除涂覆层后的光纤包层及光纤纤芯插入所述盲孔中，将位于所述玻璃棒内的所述光纤包层、所述光纤纤芯与所述玻璃棒熔化形成扩束部，将所述扩束部的端面研磨形成扩束端面。

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