CN103257399A - 一种用于光纤激光器且可滤除包层光的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于光纤激光器且可滤除包层光的装置，该装置包括一根双包层传能光纤，该双包层传能光纤由内向外依次由纤芯、内包层、外包层和涂覆层组成，其中间一段或多段为去除了涂覆层和外包层的滤除段，该滤除段的内包层外围沿其圆周方向排布有至少一根去除涂覆层的无芯光纤，无芯光纤与双包层传能光纤轴向平行，无芯光纤外设有一玻璃套管，玻璃套管将全部的无芯光纤、滤除段的内包层和纤芯包覆其中，玻璃套管的外表面上涂覆有导光胶层。本发明的装置结构简单、散热快而均匀、且安全性好，可有效滤除光纤激光器中的包层光。

Description

一种用于光纤激光器且可滤除包层光的装置

技术领域

本发明涉及光纤激光器领域，包括光纤振荡器和光纤放大器，具体涉及一种用于光纤激光器且可滤除包层光的装置。

背景技术

光纤激光器，是采用光纤作为增益介质的激光器，通过在光纤基质材料中掺杂不同的稀土离子，获得所对应波段的激光输出。近年来，随着高亮度激光二极管泵浦技术与大模场双包层掺杂光纤制造工艺的发展，单根双包层光纤激光的输出功率迅速提高。2003年，德国Jena大学的Limpert等人获得了500W的连续激光。2004年，英国Southampton大学的Jeong等实现了1.36kW的激光输出。Jeong通过改善增益光纤参数和提高泵浦功率, 将激光器的输出功率提升到了2.1kW。2009年6月，美国IPG公司推出了50kW级多模连续光纤激光器；同时，该公司实现了产品化的单模10kW级光纤激光器，此为目前功率最高的基模光纤激光器。光纤激光器作为一类新型激光器，具有转换效率高、体积小、光束质量好等优势，是21世纪最具发展潜力的激光器。光纤激光器通常包括光纤振荡器和光纤放大器，通过掺杂稀土离子的增益光纤，将注入的泵浦激光转化为信号激光。光纤激光器输出光中的包层光主要有三个来源：一是未被吸收的泵浦光；二是激光腔中激发的包层模式以及放大的自发辐射；三是由于光纤的弯曲和熔接等原因，部分信号光泄露到包层中形成包层光。

目前关于光纤激光器包层光滤除与冷却方案已有CN201234052Y（名称《用于双包层光纤放大器和光纤激光器的泵浦泄放装置》）和CN101718916A（名称《剥离双包层光纤中剩余泵浦光的方法》）等中国专利文献进行过相关报道，但这些装置均只采用了一种高折射率的导光胶层，包层光会在较短的长度内大量滤除，从而导致局部过热，不便于散热，当累积的热量达到一定程度时，光纤的局部由于温度较高将可能烧毁，进而给整个激光器系统带来灾难性后果。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种可有效滤除光纤激光器包层光、散热快而均匀、安全性好、结构简单的用于光纤激光器且可滤除包层光的装置。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是一种用于光纤激光器且可滤除包层光的装置，该装置包括一根双包层传能光纤（通常为1m～2m），所述双包层传能光纤由内向外依次由纤芯（实心结构）、内包层、外包层和涂覆层组成，所述双包层传能光纤的中间一段或多段为去除了涂覆层和外包层的滤除段，所述滤除段的内包层外围沿其圆周方向排布有至少一根去除涂覆层的无芯光纤，所述无芯光纤与双包层传能光纤轴向平行，所述无芯光纤外设有一玻璃套管，所述玻璃套管将全部的无芯光纤、滤除段的内包层与纤芯包覆其中，所述玻璃套管的外表面上涂覆有导光胶层。

上述的装置中，优选的，所述无芯光纤的折射率等于双包层传能光纤的内包层折射率，所述玻璃套管的折射率等于或大于无芯光纤的折射率，所述导光胶层的折射率大于玻璃套管的折射率，导光胶层的折射率优选大于1.46，改变导光胶层的折射率可以改变包层光的滤除速度，折射率越大，滤除速度越快。

上述的装置中，优选的，所述滤除段的内包层外表面与所述无芯光纤之间为线接触，线接触是通过在所述玻璃套管的外侧用氢氧焰进行加热得到。通过加热，使无芯光纤与内包层外表面有熔融接触，且接触程度可根据加热时间或温度的变化进行调节，从而改变包层光耦合出去的速度，实现包层光在滤除装置上均匀而快速地剥离。由于倏逝波耦合速度非常快，一般线接触就可符合要求。

上述的装置中，优选的，所述滤除段的内包层外围均匀排满6根去除涂覆层的无芯光纤。无芯光纤通常由处于中心的硅酸盐玻璃（实心结构）及处于外侧的涂覆层构成，无芯光纤在滤除段上的排布数目可根据需要滤除包层光的多少决定，当滤除段的内包层外围沿圆周方向排满去除涂覆层的无芯光纤时，可达到非常好的滤除效果。

上述的装置中，所述玻璃套管优选纯石英套管、硅酸盐玻璃套管或磷酸盐玻璃套管，更优选纯石英套管，当然，该玻璃套管也可以是其它折射率等于或大于无芯光纤折射率的材料。

上述的装置中，优选的，所述双包层传能光纤的外包层与涂覆层为同一介质。

上述的装置中，所述滤除段的长度优选5cm～20cm（当有多段滤除段时，该长度指每一段滤除段的长度），滤除段的长度不限于此，可根据需要滤除包层光的多少决定。

上述的装置中，所述双包层传能光纤的尺寸可根据光纤激光器中输出光纤（即增益光纤）的尺寸来决定，优选的，所述双包层传能光纤中纤芯、内包层、外包层和涂覆层的厚度与光纤激光器中输出光纤的纤芯、内包层、外包层和涂覆层的厚度对应相等，此时可减小本发明装置与光纤激光器输出端的熔接损耗，从而减小该装置对光纤激光器输出功率的影响。

本发明的用于光纤激光器且可滤除包层光的装置主要是基于倏逝波耦合理论，将双包层传能光纤的中间一段或多段剥离了涂覆层和外包层，形成滤除段，在滤除段裸露的内包层外排布去除涂覆层的无芯光纤，使无芯光纤与双包层传能光纤的内包层紧密接触，根据倏逝波理论，滤除段中的包层光会逐渐耦合到无芯光纤中，然后用玻璃套管将无芯光纤、滤除段的内包层与纤芯包裹其中，通过氢氧焰在外侧加热，使无芯光纤表面与滤除段裸露的内包层外表面之间有一定的熔融接触，再在玻璃套管的外围涂覆高折射率的导光胶层，从而使耦合到无芯光纤中的包层光能够及时地入射到高折射率的导光胶层中，通过导光胶层散射到周围介质中。本发明装置可以控制包层光滤除的速度与均匀性，使得包层光在滤除段均匀地剥离，从而包层光转化为热，均匀地散掉，减小热积累。在本发明的外侧可以加设散热装置以吸收导光胶层散射出的光，同时冷却由于吸收了部分包层光而升温的导光胶层。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明装置中包层光被逐层滤除，整个装置的温升均匀，不仅有利于散热，而且不易出现由于局部过热导致光纤烧毁的现象。

2、基于倏逝波耦合理论，本发明装置中包层光向无芯光纤耦合的耦合系数是可控的；增大无芯光纤的数目可增加包层光的滤除量，提高无芯光纤与滤除段内包层的接触程度可加快包层光耦合出去的速度，增大导光胶层的折射率也可加快包层光的滤除速度，从而使得包层光在滤除段可均匀而快速地剥离，从而包层光转化为热后，均匀地散掉，减小局部热积累。

3、本发明的装置结构简单、安全性好，可以在不破坏双包层传能光纤内包层的前提下达到很好的滤波效果。

附图说明

图1为本发明的用于光纤激光器且可滤除包层光的装置应用于高功率双包层光纤激光器中的基本原理示意图。

图2为本发明实施例中用于光纤激光器且可滤除包层光的装置中双包层传能光纤的纵向截面示意图。

图3为本发明实施例中用于光纤激光器且可滤除包层光的装置的纵向截面示意图。

图4为本发明实施例中用于光纤激光器且可滤除包层光的装置在滤除段处的横向截面示意图。

图例说明：

1、双包层传能光纤；11、纤芯；12、内包层；13、外包层；14、涂覆层；2、无芯光纤；3、玻璃套管；4、导光胶层。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

实施例：

一种如图3、4所示的本发明的用于光纤激光器且可滤除包层光的装置，该装置包括一根双包层传能光纤1，该双包层传能光纤1选用大模场双包层增益光纤，长度为2m。如图2所示，该双包层传能光纤1由内向外依次由纤芯11（主要成分为二氧化硅和二氧化锗）、内包层12、外包层13和涂覆层14组成，该双包层传能光纤1的中间一段（还可以为中间间隔的多段）为剥离了涂覆层14和外包层13的滤除段，该滤除段的长度为10cm。在双包层传能光纤1中，纤芯11的直径为20μm，内包层12的外径为400μm，外包层13与涂覆层14为同一介质，涂覆层14的外径为550μm；纤芯11、内包层12及外包层13的折射率分别为1.4596、1.4584、1.3839，呈阶跃型分布；纤芯11相对于内包层12的数值孔径为0.06，内包层12相对于外包层13的数值孔径为0.46。如图3、4所示，该装置的滤除段剥离了涂覆层14和外包层13，保留的内包层12外表面上沿其圆周方向对称排布有上下两根去除涂覆层的无芯光纤2，无芯光纤2与内包层12的外表面为线接触，无芯光纤2与双包层传能光纤1轴向平行。当然，无芯光纤2的排布数目不仅局限于此，可根据实际需要改变其排布数目，以达到所需的滤除效果，特别地，当无芯光纤2沿内包层12圆周方向均匀排满6根时（如图4中示意所示），滤除效果会非常好。无芯光纤2的折射率等于双包层传能光纤1中内包层12的折射率1.4584。在无芯光纤2外设有一玻璃套管3，玻璃套管3为纯石英套管，玻璃套管3的折射率为1.459。玻璃套管3将两根无芯光纤2、滤除段的内包层12与纤芯11包覆其中。在该装置的制造过程中，在玻璃套管3的外侧可以通过氢氧焰加热使无芯光纤2与滤除段的内包层12之间实现线接触。玻璃套管3的外围涂覆有导光胶层4，导光胶层4的折射率为1.5。

利用本发明的装置滤除光纤激光器中包层光的过程为：

如图1所示，将本发明装置的双包层传能光纤与高功率双包层光纤激光器的输出端熔接，其中，本发明装置的双包层传能光纤的纤芯、内包层、外包层和涂覆层的厚度与光纤激光器中输出光纤的纤芯、内包层、外包层和涂覆层的厚度对应相等。光纤激光器的纤芯光及包层光分别在本发明装置中双包层传能光纤的纤芯及内包层中传输，在该装置中的滤除段，根据倏逝波耦合理论，包层光耦合入无芯光纤中，并依次通过玻璃套管、高折射率导光胶层散射到周围介质中，有效地实现了对光纤激光器中包层光的滤除。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于光纤激光器且可滤除包层光的装置，所述装置包括一根双包层传能光纤，所述双包层传能光纤由内向外依次由纤芯、内包层、外包层和涂覆层组成，所述双包层传能光纤的中间一段或多段为去除了涂覆层和外包层的滤除段，其特征在于，所述滤除段的内包层外围沿其圆周方向排布有至少一根去除涂覆层的无芯光纤，所述无芯光纤与双包层传能光纤轴向平行，所述无芯光纤外设有一玻璃套管，所述玻璃套管将全部的无芯光纤、滤除段的内包层与纤芯包覆其中，所述玻璃套管的外表面上涂覆有导光胶层。

2.根据权利要求1所述的用于光纤激光器且可滤除包层光的装置，其特征在于，所述无芯光纤的折射率等于双包层传能光纤的内包层折射率，所述玻璃套管的折射率等于或大于无芯光纤的折射率，所述导光胶层的折射率大于玻璃套管的折射率。

3.根据权利要求2所述的用于光纤激光器且可滤除包层光的装置，其特征在于，所述导光胶层的折射率大于1.46。

4.根据权利要求1或2所述的用于光纤激光器且可滤除包层光的装置，其特征在于，所述滤除段的内包层外表面与所述无芯光纤之间为线接触。

5.根据权利要求1或2所述的用于光纤激光器且可滤除包层光的装置，其特征在于，所述滤除段的内包层外围均匀排满6根去除涂覆层的无芯光纤。

6.根据权利要求1或2所述的用于光纤激光器且可滤除包层光的装置，其特征在于，所述玻璃套管为纯石英套管、硅酸盐玻璃套管或磷酸盐玻璃套管。

7.根据权利要求1或2所述的用于光纤激光器且可滤除包层光的装置，其特征在于，所述双包层传能光纤的外包层与涂覆层为同一介质。

8.根据权利要求1或2所述的用于光纤激光器且可滤除包层光的装置，其特征在于，所述滤除段的长度为5cm～20cm。

9.根据权利要求1或2所述的用于光纤激光器且可滤除包层光的装置，其特征在于，所述双包层传能光纤中纤芯、内包层、外包层和涂覆层的厚度与光纤激光器中输出光纤的纤芯、内包层、外包层和涂覆层的厚度对应相等。

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