CN103269010A - 包层光滤除结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种用于双包层或多包层光纤激光系统中滤出包层光的包层光滤出结构及其制备方法，包层光滤出结构包括剥除了保护层、外包层，裸露一段玻璃包层的光纤及在该玻璃包层上的滤光材料涂层，所述的滤光材料的折射率高于所述的光纤的外包层的折射率，所述的滤光材料的涂层是一种以上滤光材料且分段涂敷的涂层。本发明通过匹配滤出材料折射率，涂覆长度和涂敷间隔，使得每段滤光量大致相同，降低滤光器工作状态下的最高温度突变，提高系统的可靠性，所分段数和材料种类越多效果越好。

Description

包层光滤除结构及其制备方法

技术领域

本发明涉及光纤激光器或光纤放大器，特别是一种用于光纤激光器或光纤放大器的包层光滤出结构及其制备方法。

技术背景

光纤激光器输出功率不断提升，目前已经实现单台万瓦以上输出功率。如此高的输出功率主要得益于光纤和泵源技术的发展。通常情况下，输出功率超过1瓦的光纤激光器或是光纤放大器都会采用双包层有源光纤作为增益光纤。所谓双包层光纤，一般由纤芯6、玻璃包层5和低折射率外包层4，以及可选的多分子聚合物保护层3组成，如图1。低折射率外包层4通常是一种折射率在1.36附近的多分子聚合物。纤芯6的折射率一般高于玻璃包层5的折射率，保证信号光在纤芯中传输。泵浦光通常在玻璃包层5和纤芯6内传输，并在内包层和外包层的界面反射后通过纤芯，如果纤芯掺杂有稀土元素，则这部分通过纤芯的泵浦光会被吸收。

概括而言，在光纤激光器或光纤放大器中，增益光纤输出端的玻璃包层中的多余光能量主要有三个来源：

1）没有被吸收的残余泵浦光。在泵浦光被纤芯吸收的情况下，泵浦光功率沿光纤呈指数衰减趋势。由于光纤长度一定导致在激光腔或放大器输出端有残余泵浦光。

2）包层信号光。在光纤纤芯内传输的信号光会由于光纤宏弯、微弯或熔接点插损等原因而从纤芯泄露到包层中。

3）包层的自发辐射放大（ASE）光。在增益介质被激励的情况下，ASE光总会出现。通常残余泵浦光和ASE光在内包层传输时的数值孔径较大，而包层信号光的数值孔径较小。

如果增益光纤输出端的多余包层光不滤出，则会导致输出光的光学质量下降，从而影响工作效果。在特定情况下，这些大数值孔径的多余光能量可能会从激光输出头到激光切割/焊接头之间的某个或一些器件吸收，导致局部温度过高，产生器件的可靠性问题。

多余包层光处理方案，主要有界面滤出、界面吸收或二者混合三种形式。对滤出方案而言，目前普遍采用在裸露光纤或单包层光纤表面，集中涂敷一段单种滤光材料。由于多余包层光在滤光层内近似指数规律衰减，因此上述涂覆层在开始一小段内集中吸收热量很大，导致局部温度过高，大大限制其滤出能力。

随着光纤激光器或放大器输出功率不断攀高，需要滤出的多余内包层光的绝对量也不断上升，因此单种材料集中涂覆滤光方案成为影响光纤激光器或光纤放大器输出功率提升的瓶颈之一。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于光纤激光器或光纤放大器的包层光滤出结构及其制备方法，该结构可将光纤激光器或光纤放大器的包层光滤出，从而降低滤出点的最高工作温度，以提升系统的长期工作稳定性和可靠性。

本发明的技术解决方案如下：

一种包层光滤出结构，包括剥除了保护层、外包层，裸露一段玻璃包层的光纤及在该玻璃包层上的滤光材料涂层，其特点在于所述的滤光材料的折射率高于所述的光纤的外包层的折射率，所述的滤光材料的涂层是一种以上滤光材料且分段涂敷的涂层。

所述的滤光材料涂层是用同一种滤光材料分段涂敷的涂层分段，且每个涂层分段之间的间隔大于零，各涂层分段的长度由短渐长，以达到各涂层分段的滤出光相对均匀。

所述的滤光材料涂层是用2种以上不同的滤光材料依次相间地涂敷在涂层分段，每一个涂层分段之间的间隔等于零或大于零，各涂层分段的滤光材料的折射率由小渐大，以达到各涂层分段的滤出光相对均匀。

所述的光纤是单包层光纤、双包层光纤或多包层光纤。

所述的滤光材料为对需滤出波段包层光低损的胶、折射率匹配液体或低熔点的玻璃粉。

一种光纤包层光滤除结构的制备方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

①根据包层光滤除功率要求，确定光纤的包层光滤除结构的长度，将光纤一段相应长度的保护层和外包层去掉，形成一段裸露玻璃包层（5）的光纤；

②选用折射率高于光纤原有的外包层的折射率的一种或多种滤光材料；

③涂敷滤光材料：

当选用一种滤光材料时，将所述的玻璃包层按照间隔大于零并确定涂层分段数，根据包层光沿光线传输方向所述的长度内均匀地滤出原则，优化并确定各涂层分段的长度，将所述的滤光材料按涂层分段依次涂敷在所述的玻璃包层的表面；

当采用多种滤光材料时，将所述的玻璃包层按照间隔大于或等于零并确定涂层分段数和间隔，根据包层光沿光线传输方向所述的长度内均匀地滤出原则，通过优化滤光材料折射率和相应涂层分段的长度，将所述的多种滤光材料按滤光材料的折射率由小变大、按涂层分段依次涂敷在光纤的玻璃包层的表面。

本发明原理

光束在光纤内传播时，不同横模的光线在玻璃包层和外包层界面上的入射角不同，原有外包层的折射率通过和玻璃包层的折射率合理匹配，使得一定范围内不同入射角的光线均可满足全反射条件，从而相应的模式在光纤内得以传输。

根据菲涅耳定律，选用滤光材料折射率大于原有外包层折射率的材料，可破坏部分或全部模式的全反射条件，进而部分或全部的包层光可以经由滤光材料和玻璃包层的界面泄露出去。

被滤出的包层光一部分散射到空间，一部分被滤光层的滤光材料吸收。此时，滤出的包层光沿光纤传输方向近似指数规律下降，即：

Pdump=Pc*e^-a*l

式中，Pdump表示滤出的功率，Pc表示包层内传输的总功率，a表示和滤光材料折射率相关的滤出系数，l表示滤光材料涂敷长度。

产生的热量Qdump和Pdump滤出功率线性相关：

Qdump=Pdump*b

式中，b为和滤光材料成分相关的对需滤出波段的吸收系数。

因此产生的热量也将按照类似规律分布，在开始滤光的一小段玻璃包层内，热量最集中，温度最高，若采用单种材料集中滤出，将产生较高的温度突变点。

本发明采用分段滤出方案，通过控制滤光材料的折射率、涂敷长度、涂覆间隔，可控制单位长度上的滤光量，使得包层光沿光线传输方向一定长度内均匀的被滤出，进而热量分布也将变得相对均匀，避免出现某点温度突变过高的情况。采用滤光材料的种类越多，滤光材料涂层分段数越多，温度分布就更加均匀。

通过上述分析可知，本发明的技术效果如下：

1、包层光沿光线传播方向相对均匀滤出；

2、能消除包层光滤出段的热量过分集中的现象，大大降低温度突变点，使得滤出段上温度分布相对均匀。

附图说明

图1现有包层光滤出结构示意图

图2现有双包层光纤结构及折射率分布示意图

图3是本发明实施例1多种滤光材料分段连续涂敷的滤光示意图

图4是本发明实施例2单种滤光材料分段涂敷的滤光示意图

图5实施例1包层光滤出量模拟曲线图

图6实施例2包层光滤出量模拟曲线图

具体实施方式

下面通过实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

实施例1

先请参阅图3，图3是本发明实施例1多种滤光材料分段连续涂敷的滤光示意图，由图可见，本实施例包层光滤出结构，包括剥除了保护层3、外包层4，裸露一段玻璃包层5的光纤2及在该玻璃包层5上的滤光材料1涂层，所述的滤光材料1的折射率高于所述的光纤2所述的外包层4的折射率，所述的滤光材料1涂层是用五种不同的滤光材料依次相间地涂敷在涂层分段，每一个涂层分段之间的间隔等于零，各涂层分段的滤光材料的折射率由小渐大，以达到各涂层分段的滤出光相对均匀。

采用纤芯6直径10um，内玻璃包层5直径125um，外包层4直径250um的石英光纤，剥除保护层3和外包层4，形成3cm的裸露光纤。参考图3，滤光材料一7、滤光材料二8、滤光材料三9、滤光材料四10选用折射率介于外包层4折射率和玻璃包层5折射率之间的低熔点玻璃粉，滤光材料五11选用折射率大于或等于内包层折射率的玻璃粉，将5种玻璃粉。根据前述指数公式，涂敷间隔设为0，通过优化折射率和每段涂敷长度，使得每段滤出系数比为0.5：0.66：0.93：1.5：3.5。实验表明可滤出99%以上的包层光，包层光滤除量模拟计算结果如图5所示。

实施例2

先请参阅图4，图4是本发明实施例2单种滤光材料分段涂敷的滤光示意图，由图可见，本实施例包层光滤出结构，包括剥除了保护层3、外包层4，裸露一段玻璃包层5的光纤2及在该玻璃包层5上的滤光材料1涂层，所述的滤光材料1的折射率高于所述的光纤2所述的外包层4的折射率，所述的滤光材料1涂层是用同一种滤光材料分段涂敷的涂层分段，且每个涂层分段之间的间隔大于零，各涂层分段的长度由短渐长，以达到各涂层分段的滤出光相对均匀。

本实施例采用纤芯6直径10um，内玻璃包层5直径125um，外包层4直径250um的石英光纤，剥除保护层3和外包层4，形成10cm的裸露光纤。参考图4，选用折射率大于或等于玻璃内包层折射率的玻璃粉作为滤光材料，分为涂敷分段一12，涂敷分段二13，涂敷分段三14，涂敷分段四15，涂敷分段五16，共5个涂敷分段，等间隔0.5cm涂覆，根据前述指数公式，涂敷间隔设为1cm，通过优化涂敷长度，使得长度比为0.15：0.2：0.3：0.55：0.9。实验表明可滤出99%以上的包层光，包层光滤出量模拟计算结果如图6所示。

Claims (6)

1.一种包层光滤出结构，包括剥除了保护层(3)、外包层(4)，裸露一段玻璃包层（5）的光纤(2)及在该玻璃包层（5）上的滤光材料(1)涂层，其特征在于所述的滤光材料(1)的折射率高于所述的光纤(2)所述的外包层(4)的折射率，所述的滤光材料(1)的涂层是一种以上滤光材料且分段涂敷的涂层。

2.根据权利要求1所述的光纤包层光滤除结构，其特征在于所述的滤光材料(1)涂层是用同一种滤光材料分段涂敷的涂层分段，且每个涂层分段之间的间隔大于零，各涂层分段的长度由短渐长，以达到各涂层分段的滤出光相对均匀。

3.根据权利要求1所述的光纤包层光滤除结构，其特征在于所述的滤光材料(1)涂层是用2种以上不同的滤光材料依次相间地涂敷在涂层分段，每一个涂层分段之间的间隔等于零或大于零，各涂层分段的滤光材料的折射率由小渐大，以达到各涂层分段的滤出光相对均匀。

4.根据权利要求1所述的光纤包层光滤除结构，其特征在于所述的光纤(2)是单包层光纤、双包层光纤或多包层光纤。

5.根据权利要求1所述的光纤包层光滤除结构，其特征在于所述的滤光材料(1)为对需滤出波段包层光低损的胶、折射率匹配液体或低熔点的玻璃粉。

6.一种光纤包层光滤除结构的制备方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

①根据包层光滤除功率要求，确定光纤的包层光滤除结构的长度，将光纤一段相应长度的保护层(3)和外包层(4)去掉，形成一段裸露玻璃包层（5）的光纤；

②选用折射率高于光纤原有的外包层(4)的折射率的一种或多种滤光材料；

③涂敷滤光材料(1)：

当选用一种滤光材料时，将所述的玻璃包层(5)按照间隔大于零并确定涂层分段数，根据包层光沿光线传输方向所述的长度内均匀地滤出原则，优化并确定各涂层分段的长度，将所述的滤光材料按涂层分段依次涂敷在所述的玻璃包层(5)的表面；

当采用多种滤光材料时，将所述的玻璃包层(5)按照间隔大于或等于零并确定涂层分段数和间隔，根据包层光沿光线传输方向所述的长度内均匀地滤出原则，通过优化滤光材料折射率和相应涂层分段的长度，将所述的多种滤光材料（1）按滤光材料的折射率由小变大、按涂层分段依次涂敷在光纤的玻璃包层(5)的表面。

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