CN103466934B - 一种高效并束型激光光纤拉制方法及光纤 - Google Patents

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Abstract

一种高效并束型激光光纤拉制方法，涉及光纤激光传输与放大技术领域，包括步骤：S1.在增益光纤预制棒和泵浦光纤预制棒的侧面均设置一个基础平面，将增益光纤预制棒的基础平面向内加工后，凸显出多个凸棱，且每个凸棱两侧的平面为加工面，在泵浦光纤预制棒的基础平面向内设置多个凹槽，且所述凸棱与所述凹槽匹配设置；S2.将增益光纤预制棒的凸棱嵌入泵浦光纤预制棒的凹槽内，二者组合后，将整体的一端拉锥固定，形成并束型激光光纤预制棒；S3.通过拉丝，将所述并束型激光光纤预制棒拉制成并束型激光光纤。本发明工艺重复性较高；获得的并束型激光能够实现设定区域泵浦光纤可剥离性，便于实现沿并束型激光光纤长度方向多点泵浦光注入。

Description

一种高效并束型激光光纤拉制方法及光纤
技术领域
本发明涉及光纤激光传输与放大技术领域，具体来讲是一种高效并束型激光光纤拉制方法及光纤。
背景技术
光纤激光器本质上是把低质量的泵浦激光转换为更高质量的激光输出，由于应用领域的不断扩展，对于光纤激光器输出功率的需求也不断提升，现在大功率光纤激光器、光纤放大器主要采用的是双包层掺杂光纤，而与半导体泵浦激光器发出的多模泵浦光束的发散角相比，双包层掺杂光纤内包层直径很小，因此如何把泵浦光高效地耦合到双包层光纤的内包层，是获得高功率光纤激光输出的核心技术。
泵浦耦合技术目前大致可分为端面泵浦耦合技术和侧面泵浦耦合技术。端面泵浦耦合技术是从双包层光纤的一个或者两个端面，将泵浦光耦合到双包层光纤的内包层。侧面泵浦耦合技术是从双包层光纤的侧面将泵浦光耦合到内包层，它不占用光纤的两端，使泵浦光在光纤中的分布更趋均匀，方便信号光输入输出、光纤熔接、信号测量等操作。典型的侧面泵浦技术包括Ｖ型槽法、嵌入反射镜法、角度磨抛法、衍射光栅泵浦耦合和GTWave技术等。GTWave技术利用有源与无源光纤预制棒组合拉制的并束型激光光纤的独特结构，泵浦光沿着光纤轴向组件耦合到增益光纤线，在光纤外径较小或数值孔径较低的情况下，也能够实现将无源光纤中的多模泵浦光高效耦合到有源光纤中，并且通过间断性的剥离无源光纤进行泵浦光注入，在光纤无损伤或形变的情况下实现沿光纤长度上的多点分部泵浦，避免入射功率集中而造成的热负荷过高难题，能够获得增益光纤稳定的高功率激光输出。如附图1所示，为并束型光纤的结构图，由含有石英组分的增益光纤a1和至少一根泵浦光纤a2并列设置，并在相接触的部分物理融合，包裹增益光纤a1和泵浦光纤a2外层的是低折射率涂层a3，最外层是保护涂层a4。其中，增益光纤a1的纤芯a11中掺杂有稀土元素，当泵浦光穿过纤芯a11时，将引发稀土元素激光能级“粒子数反转”，并以增益光纤包层为谐振腔形成激光振荡输出。将泵浦光从并束型激光光纤中剥离的泵浦光纤a2一端注入，泵浦光将通过泵浦光纤a2与增益光纤a1的连接处耦合到增益光纤a1中，能够极大提升泵浦耦合效率，并避免常规侧面泵浦方式由于点接触而造成的局部热管理难题。
现有类似并束型光纤结构的光纤制造工艺，主要采用低速并束拉丝法，是采用增益光纤预制棒和至少一个泵浦光纤预制棒，将这些预制棒以一定的排列方式固定在光纤拉丝塔上，以一定的拉伸速度和拉力同时拉伸这束光纤预制棒，其拉伸速度和拉力大小要能够使得两根相邻光纤互相接触，使光能穿透到相邻光纤中。虽然目前单根光纤拉制技术很成熟，但是多根光纤的同时拉制还存在诸多难点，例如多根光纤预制棒组合拉丝过程中，每根预制棒所受到的拉丝张力、温度，及对应光纤所受的涂覆压力都存在差异，难以有效控制调节。且目前的预制棒组合拉丝方法，由于是采用多根柱状预制棒组合后拉丝，且为了保证光纤能够有效融合，采用低速、高张力的条件，光纤预制棒会相互熔融结合，因此所拉制的光纤石英部分都是相互熔融紧密结合在一起，无法按需求进行剥离，所以也无法实现长度方向上的多点泵浦光注入。而并束型激光光纤在实际使用中，需要沿光纤长度方向选取多点进行泵浦光纤的剥离，以实现沿增益光纤长度方向的多点泵浦，泵浦光纤与增益光纤紧密接触（或融合），同时能够实现泵浦光纤可剥离特性，是实现并束型激光光纤应用性能的关键。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种高效并束型激光光纤拉制方法及光纤，制备过程中预制棒组合难度明显降低，工艺重复性较高；获得的并束型激光光纤结构稳定，能够实现设定区域泵浦光纤可剥离性，便于实现沿并束型激光光纤长度方向多点泵浦光注入。
为达到以上目的，本发明提供一种高效并束型激光光纤拉制方法，包括步骤：S1.在增益光纤预制棒和泵浦光纤预制棒的侧面均设置一个基础平面，将增益光纤预制棒的基础平面向内加工后，凸显出多个凸棱，且每个凸棱两侧的平面为加工面，在泵浦光纤预制棒的基础平面向内设置多个凹槽，且所述凸棱与所述凹槽匹配设置；S2.将增益光纤预制棒的凸棱嵌入泵浦光纤预制棒的凹槽内，二者组合后，将整体的一端拉锥固定，形成并束型激光光纤预制棒；S3.通过拉丝，将所述并束型激光光纤预制棒拉制成并束型激光光纤。
在上述技术方案的基础上，所述凸棱为矩形棱柱，凸棱横截面的中心与增益光纤预制棒的轴线位于同一平面。
在上述技术方案的基础上，所述凹槽为矩形槽，凹槽横截面的中心与泵浦光纤预制棒的轴线位于同一平面。
在上述技术方案的基础上，所述增益光纤预制棒与泵浦光纤预制棒之间形成紧配合，配合体之间的尺寸偏差小于0.25mm。
在上述技术方案的基础上，所述增益光纤预制棒的纤芯位于所述凸棱外，所述纤芯到所述基础平面的距离，大于加工面到所述基础平面的距离。
在上述技术方案的基础上，所述纤芯的中轴线与泵浦光纤的中轴线在同一平面，凸棱横截面的中心、凹槽横截面的中心、纤芯横截面的圆心，均位于同一直线。
在上述技术方案的基础上，所述增益光纤预制棒长度为30～720mm，凸棱沿光纤轴向的棱长为10～300mm，相邻两个凸棱中心之间的距离为12～420mm。
在上述技术方案的基础上，所述凸棱高出加工面的高度与凹槽的深度相同，均为0.5～35.0mm；所述凸棱的宽度和凹槽的宽度相同，均为1.0～70.0mm；所述每个凸棱两侧的加工面宽度相同，每个凹槽两侧的基础平面宽度相同，所述加工面和基础平面的宽度均为1.0～35.0mm。
在上述技术方案的基础上，所述S3中，将并束型激光光纤预制棒装入温度自适应拉丝设备，通过1800～2200℃高温熔融拉丝，拉丝速度控制在5～200m/min，并根据在线测定的增益光纤与泵浦光纤结合情况，在20～150g范围内调节拉丝张力，拉制成并束型激光光纤。
本发明还提供一种高效并束型激光光纤，包括增益光纤、泵浦光纤、低折射率涂层和保护涂层，所述增益光纤包括纤芯，所述增益光纤和泵浦光纤的结合面中，包括熔融结合部分和紧密接触部分，且熔融结合部分和紧密接触部分间隔设置，紧密接触部分与所述高效并束型激光光纤的轴线位于同一平面，熔融结合部分所在平面位于紧密接触部分所在平面的一侧。
本发明的有益效果在于：
1、在增益光纤预制棒基础平面加工形成凸棱，在泵浦光纤预制棒的基础平面加工形成凹槽，均可利用数控机床加工，不需要高精度的机械精加工设备，形成的凸棱结构外表面和开槽内表面光洁度处理工艺难度低，光洁度高，加工效率高，成本低，时间短，适合规模化生产。
2、增益光纤的加工面与泵浦光纤的基础平面在长度方向上贴合，二者形成间隔设置的紧密接触部分，具备可剥离结构，能够在剥去外涂层情况下，实现泵浦光纤与增益光纤分离，满足多点注入的应用需求。
3、增益光纤预制棒凸棱与泵浦光纤预制棒凹槽相契合，使预制棒组合简便，且比常规并行排布的预制棒组合方式更牢固，能够保障拉丝中预制棒位置的相对固定。
4、组合后预制棒在拉丝工序中，契合部分在玻璃熔融态张力作用下能够充分融合，避免常规方法易出现的泵浦光纤与增益光纤接触面被涂料挤入，而造成泵浦光无法耦合进入增益光纤的技术风险。
5、本发明所述的并束型激光光纤，具备良好的光学性能与可靠性，具备优良的泵浦光耦合性能，能够实现沿光纤轴向多点泵浦与泵浦光高效耦合，5m光纤耦合效率大于80%。
附图说明
图1为背景技术中并束型光纤的结构图；
图2为本发明高效并束型激光光纤拉制方法流程图；
图3为本发明实施例增益光纤预制棒的立体视图；
图4为本发明实施例泵浦光纤预制棒的立体视图；
图5为本发明实施例并束型激光光纤预制棒的结构示意图；
图6为本发明实施例并束型激光光纤的紧密接触部分横截面示意图；
图7为本发明实施例并束型激光光纤的熔融结合部分横截面示意图。
背景技术附图标记：
增益光纤a1，纤芯a11，泵浦光纤a2，低折射率涂层a3，保护涂层a4。
实施方式附图标记：
增益光纤预制棒1，凸棱11，纤芯12，基础平面13；泵浦光纤预制棒2，凹槽21；加工面3；
增益光纤b1，泵浦光纤b2，低折射率涂层b3，保护涂层b4，熔融结合部分b5，紧密接触部分b6。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图2至图5所示，本发明高效并束型激光光纤拉制方法，包括如下步骤：
S1.如在增益光纤预制棒1和泵浦光纤预制棒2的侧面均设置一个矩形的基础平面13。由基础平面13向内等间距加工多个相同的矩形槽后，凸显出多个凸棱11，且每个凸棱11两侧的平面（即方形槽的底面）为加工面3。所述增益光纤预制棒1长度为30～720mm，凸棱11沿光纤轴向的棱长为10～300mm，相邻两个凸棱中心之间的距离为12～420mm。所述凸棱11为棱形柱，凸棱横截面的中心与增益光纤预制棒1的轴线位于同一平面。将泵浦光纤预制棒2的基础平面13多处等间距开槽，形成与所述凸棱11相匹配的凹槽21，所述凹槽21为矩形槽，凹槽横截面的中心与泵浦光纤预制棒2的轴线位于同一平面。
所述增益光纤预制棒1具有纤芯12，纤芯12位于所述凸棱11外，纤芯12到基础平面13的距离，大于加工面3到基础平面13的距离。纤芯12与泵浦光纤预制棒2的中轴线在同一平面上，所述纤芯的中轴线与泵浦光纤预制棒2的中轴线在同一平面，凸棱横截面的中心、凹槽横截面的中心、纤芯12横截面的圆心（图未示），均位于同一直线。所述凸棱11高出加工面3的高度与凹槽21的深度相同，均为0.5～35.0mm；所述凸棱11的宽度和凹槽21的宽度相同，均为1.0～70.0mm；所述每个凸棱11两侧的加工面3宽度相同，每个凹槽21两侧的基础平面13宽度相同，所述加工面3和基础平面13的宽度均为1.0～35.0mm。所述增益光纤预制棒1和泵浦光纤预制棒2的加工可同时进行，也可任意顺序进行。
S2.将所述增益光纤预制棒1与泵浦光纤预制棒2组合，增益光纤预制棒1的凸棱11嵌入泵浦光纤预制棒2的凹槽21内，将组合后整体的一端熔融拉锥，形成并束型激光光纤预制棒。所述增益光纤预制棒1与泵浦光纤预制棒2之间形成紧配合，配合体之间的尺寸偏差小于0.25mm。
S3.将所述并束型激光光纤预制棒，装入温度自适应拉丝设备，通过1800～2200℃高温熔融拉丝，拉丝速度控制在5～200m/min，并根据在线测定的增益光纤与泵浦光纤结合情况，在20～150g范围内调节拉丝张力，形成需求的并束型激光光纤。所述并束型激光光纤，原增益光纤预制棒1的凸棱11的基础平面13，与泵浦光纤预制棒2的凹槽21内底面熔融在一起，而原增益光纤预制棒1的加工面3和泵浦光纤预制棒2的基础平面13只是紧密贴合在一起，并没有融合。所述并束型激光光纤，经过5m传输光纤耦合效率大于80%，侧面泵浦有效吸收系数大于3dB/m，承载功率大于500W。
如图5和图7所示，本发明高效并束型激光光纤包括增益光纤b1、泵浦光纤b2、低折射率涂层b3和保护涂层b4，所述增益光纤b1包括纤芯12，增益光纤b1和泵浦光纤b2的结合面中，包括熔融结合部分b5和紧密接触部分b6，且熔融结合部分b5和紧密接触部分b6间隔设置，这是因为在高效并束型激光光纤预制棒拉制后，原凸棱11的基础平面13与凹槽21内表面熔融在一起，形成多个熔融结合部分b5，而原增益光纤预制棒1的加工面3和泵浦光纤预制棒2的基础平面13只是紧密贴合在一起，形成多个紧密接触部分b6。紧密接触部分b6与所述高效并束型激光光纤的轴线位于同一平面，也就是说，紧密接触部分b6是等间隔设置的多个小平面，而高效并束型激光光纤的轴线穿过这些小平面的中心，而所有熔融结合部分b5均位于一个平面内，且所在平面位于多个紧密接触部分b6所在平面的一侧。因此高效并束型激光光纤内部，周期性间隔形成不同光线结构，紧密接触部分b6形成可剥离并束型激光光纤结构，可进行光耦合，同时易于分离。熔融结合部分b5由于具有较大的接触面积，在高温熔融拉丝工艺中，受到温度与张力的共同作用，且熔融后可高效耦合且难以分离。因此高效并束型激光光纤能够实现并束型激光光纤高效耦合与多点泵浦应用对于光纤结构特性的不同需求，且可根据增益光纤b1吸收特性对应的注入点需求进行紧密耦合结构分布设定。
下面通过具体实施例对本发明进行详细描述。
实施例1
如图3至7所示，将芯区稀土掺杂的增益光纤预制棒1由基础平面13向内加工，形成25个凸棱11，凸棱11的高度（即加工面3到基础平面13的距离）为1.5mm，凸棱11沿光纤轴向的棱长为10mm，相邻两个凸棱11中心之间的距离为12mm。将石英组分的泵浦光纤预制棒2由基础平面13向内加工，并在与增益光纤预制棒1凸棱11的相对应位置，加工形成多个矩形的凹槽21，凹槽21的加工深度为1.5mm。
将加工后的芯层稀土掺杂直径为1.7mm，包层17.3mm的增益光纤预制棒1与开槽后的包层17.3mm的泵浦光纤预制棒2组合，即增益光纤预制棒1的凸棱11嵌入泵浦光纤预制棒2的凹槽21内，配合误差为0.15mm，所述凸棱11和凹槽21的中心线，与增益光纤预制棒1和泵浦光纤预制棒2的轴线均位于同一平面。将组合后的整体预制棒一端熔融拉锥，组合成如图5所示的并束型激光光纤预制棒。
最后将所述并束型激光光纤预制棒置于拉丝塔上，在1950℃左右温度下拉丝，同时控制拉丝张力与拉丝速度，实现两种光纤按照加工设计形成紧密融合与接触可分离的两种结构形态，拉丝成光纤增益光纤直径为201微米，泵浦光纤直径为199微米，涂层直径为562微米的并束型激光光纤，该光纤测试的主要指标见表1所示。
表1 并束型激光光纤性能指标
实施例2
如图3至7所示，将芯区稀土掺杂的增益光纤预制棒1由基础平面13向内加工，形成4个凸棱11，凸棱11的高度（即加工面3到基础平面13的距离）为4mm，凸棱11沿光纤轴向的棱长为50mm，相邻两个凸棱11中心之间的距离为120mm。将石英组分的泵浦光纤预制棒2由基础平面13向内加工，并在与增益光纤预制棒1凸棱11的相对应位置，加工形成多个矩形的凹槽21，凹槽21的加工深度为4mm。
将加工后的芯层稀土掺杂直径为3.6mm，包层36mm的增益光纤预制棒1与开槽后的包层36mm的泵浦光纤预制棒2组合，即增益光纤预制棒1的凸棱11嵌入泵浦光纤预制棒2的凹槽21内，配合误差为0.15mm，所述凸棱11和凹槽21的中心线，与增益光纤预制棒1和泵浦光纤预制棒2的轴线均位于同一平面。将组合后的整体预制棒一端熔融拉锥，组合成如图5所示的并束型激光光纤预制棒。
最后将所述并束型激光光纤预制棒置于拉丝塔上，在2000℃左右温度下拉丝，同时控制拉丝张力与拉丝速度，实现两种光纤按照加工设计形成紧密融合与接触可分离的两种结构形态，拉丝成光纤增益光纤直径为201微米，泵浦光纤直径为200微米，涂层直径为564微米的并束型激光光纤，该光纤测试的主要指标见表2所示。
表2 并束型激光光纤性能指标
实施例2
如图3至7所示，将芯区稀土掺杂的增益光纤预制棒1由基础平面13向内加工，形成3个凸棱11，凸棱11的高度（即加工面3到基础平面13的距离）为35mm，凸棱11沿光纤轴向的棱长300mm，相邻两个凸棱11中心之间的距离为420mm。将石英组分的泵浦光纤预制棒2由基础平面13向内加工，并在与增益光纤预制棒1凸棱11的相对应位置，加工形成多个矩形的凹槽21，凹槽21的加工深度为35mm。
将加工后的芯层稀土掺杂直径为18mm，包层180mm的增益光纤预制棒1与开槽后的包层180mm的泵浦光纤预制棒2组合，即增益光纤预制棒1的凸棱11嵌入泵浦光纤预制棒2的凹槽21内，配合误差为0.25mm，所述凸棱11和凹槽21的中心线，与增益光纤预制棒1和泵浦光纤预制棒2的轴线均位于同一平面。将组合后的整体预制棒一端熔融拉锥，组合成如图5所示的并束型激光光纤预制棒。
最后将所述并束型激光光纤预制棒置于拉丝塔上，在2100℃左右温度下拉丝，同时控制拉丝张力与拉丝速度，实现两种光纤按照加工设计形成紧密融合与接触可分离的两种结构形态，拉丝成光纤增益光纤直径为201微米，泵浦光纤直径为201微米，涂层直径为564微米的并束型激光光纤，该光纤测试的主要指标见表3所示。
表3 并束型激光光纤性能指标
本发明不局限于上述实施方式，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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (9)

1.一种高效并束型激光光纤拉制方法，其特征在于，包括步骤：
S1.在增益光纤预制棒和泵浦光纤预制棒的侧面均设置一个基础平面，将增益光纤预制棒的基础平面向内加工后，凸显出多个凸棱，且每个凸棱两侧的平面为加工面，在泵浦光纤预制棒的基础平面向内设置多个凹槽，且所述凸棱与所述凹槽匹配设置；
S2.将增益光纤预制棒的凸棱嵌入泵浦光纤预制棒的凹槽内，二者组合后，将整体的一端拉锥固定，形成并束型激光光纤预制棒；
S3.通过拉丝，将所述并束型激光光纤预制棒拉制成并束型激光光纤；
所述增益光纤预制棒与泵浦光纤预制棒之间形成紧配合，配合体之间的尺寸偏差小于0.25mm。
2.如权利要求1所述的高效并束型激光光纤拉制方法，其特征在于：所述凸棱为矩形棱柱，凸棱横截面的中心与增益光纤预制棒的轴线位于同一平面。
3.如权利要求1所述的高效并束型激光光纤拉制方法，其特征在于：所述凹槽为矩形槽，凹槽横截面的中心与泵浦光纤预制棒的轴线位于同一平面。
4.如权利要求1所述的高效并束型激光光纤拉制方法，其特征在于：所述增益光纤预制棒的纤芯位于所述凸棱外，所述纤芯到所述基础平面的距离，大于加工面到所述基础平面的距离。
5.如权利要求4所述的高效并束型激光光纤拉制方法，其特征在于：所述纤芯的中轴线与泵浦光纤的中轴线在同一平面，凸棱横截面的中心、凹槽横截面的中心、纤芯横截面的圆心，均位于同一直线。
6.如权利要求1所述的高效并束型激光光纤拉制方法，其特征在于：所述增益光纤预制棒长度为30～720mm，凸棱沿光纤轴向的棱长为10～300mm，相邻两个凸棱中心之间的距离为12～420mm。
7.如权利要求1所述的高效并束型激光光纤拉制方法，其特征在于：所述凸棱高出加工面的高度与凹槽的深度相同，均为0.5～35.0mm；所述凸棱的宽度和凹槽的宽度相同，均为1.0～70.0mm；所述每个凸棱两侧的加工面宽度相同，每个凹槽两侧的基础平面宽度相同，所述加工面和基础平面的宽度均为1.0～35.0mm。
8.如权利要求1所述的高效并束型激光光纤拉制方法，其特征在于：所述S3中，将并束型激光光纤预制棒装入温度自适应拉丝设备，通过1800～2200℃高温熔融拉丝，拉丝速度控制在5～200m/min，并根据在线测定的增益光纤与泵浦光纤结合情况，在20～150g范围内调节拉丝张力，拉制成并束型激光光纤。
9.一种基于权利要求1所述方法的高效并束型激光光纤，包括增益光纤、泵浦光纤、低折射率涂层和保护涂层，所述增益光纤包括纤芯，其特征在于：所述增益光纤和泵浦光纤的结合面中，包括熔融结合部分和紧密接触部分，且熔融结合部分和紧密接触部分间隔设置，紧密接触部分与所述高效并束型激光光纤的轴线位于同一平面，熔融结合部分所在平面位于紧密接触部分所在平面的一侧。
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