CN103674483B - 大功率光纤熔接点的评估装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大功率光纤熔接点的评估装置和评估方法，该评估装置包括圆形金属管、上隔热弹性体和下隔热弹性体、安装在上隔热弹性体上的上夹持块、下夹持块、设于上夹持块上方的上座、安装在下夹持块底部的下座，所述的上夹持块与上座间连接有弹性结构，所述圆形金属管的内径与被测裸光纤直径一致，所述圆形金属管外侧边缘嵌设有热敏电阻，所述评估装置还包括用于测量热敏电阻温度的温度测试仪，所述热敏电阻与温度测试仪间连接有引线。通过在圆形金属管外侧边缘嵌设热敏电阻并外接温度测试仪，能够直接评估光纤熔接点处的光吸收导致发热的程度，进而判断被测裸光纤的熔接点是否合格；而且该评估装置结构简单、成本低廉，适合大规模批量生产。

Description

大功率光纤熔接点的评估装置和方法

技术领域

本发明涉及一种光纤熔接点的评估装置和方法，具体涉及一种用于大功率光纤激光器的光纤熔接点的评估装置和方法。

背景技术

光纤激光器经过多年的发展已经能够做到越来越大的输出光功率，光束质量、单脉冲能量、可靠性等性能也都不断地在提高。在大功率光纤激光器制造过程中，大功率光纤的熔接始终是一个技术难点。在有源光纤与有源光纤的熔接点、有源光纤和无源光纤的熔接点或无源光纤和无源光纤的熔接点处，均存在一定大小的光学不连续性和缺陷，这些缺陷存在于两根光纤熔接点附近的位置，会产生光反射、光散射、包层光和纤芯光之间的串扰、光吸收发热等现象。其中光吸收导致的熔接点发热对整个光纤和光纤激光器系统将带来显著的破坏作用，发热较大的情况下会引起光纤的折射率变化引起光纤中的横向光场强度分别发生变化，改变光束质量、增加光的节点反射；发热更大的时候会引起发热点的烧毁，致使整个光纤激光器工作失效。因此测量、评估、和控制大功率光纤的熔接点质量在光纤大功率激光器制造中是非常重要的问题。

目前通常的评估光纤熔接点质量的方法是：1、测量熔接点的光功率损耗，2、测量熔接点的温度。第一种方法中，在测试纤芯光损耗的时候，由于损耗是个较小的量，并且需要排除包层光功率等因素，给精确测量带来一定的困难。同时由于存在纤芯光损耗、包层光损耗等影响，而损耗的光功率不一定是被吸收发热，也可能被散射、反射或串扰等。因此仅仅测试熔接点的纤芯光损耗是不足以说明该熔接点的光吸收发热情况的，这个方法并不是一个十分有效合理的方法。第二种方法中，由于光纤直径很细，热容小，接触测温不方便也不准确；用非接触式的红外辐射方法测温可以测量熔接点的温度，但是需要购买昂贵的红外热像仪等测温设备，对于大功率光纤激光器的规模化生产形成较大的成本压力，因此该方法适合科学研究，而不适合规模生产中的多工位批量作业。

发明内容

本发明目的是为了克服现有技术的不足而提供一种快速有效、成本低的大功率光纤熔接点的评估装置。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种大功率光纤熔接点的评估装置，它包括用于套设于被测裸光纤上且对应设置的两根金属半管、对称套设于被测裸光纤上下两侧且覆盖金属半管的上隔热弹性体和下隔热弹性体、安装在上隔热弹性体上的上夹持块、安装在下隔热弹性体底部的下夹持块、设于上夹持块上方的上座、安装在下夹持块底部的下座，所述的上夹持块与上座间连接有弹性件，所述金属半管的内径与被测裸光纤直径一致，且其中一根金属半管内焊设有热敏电阻，所述评估装置还包括用于测量热敏电阻温度的温度测试仪，所述热敏电阻与温度测试仪间连接有引线。

优化地，所述的金属半管内径为100~500微米。

优化地，所述的热敏电阻为正温度系数热敏电阻或负温度系数热敏电阻。

优化地，所述的上隔热弹性体和下隔热弹性体的组成材料为硅橡胶或聚氨酯。

优化地，所述的热敏电阻为小型片状热敏电阻。

本发明还提供一种大功率光纤熔接点的评估方法，依次包括以下步骤：

（a）装载光纤：将带有熔接点的被测裸光纤固定于评估装置两根合拢的金属半管内，使得熔接点与热敏电阻位置靠近，并利用弹性件对上夹持块施加作用力；

（b）通光：对被测裸光纤通光；

（c）测试温度：利用温度测试仪上显示的数据观测热敏电阻的表观温度，判断该被测裸光纤的熔接点是否合格；

（d）卸载光纤：松开上座，取出被测裸光纤。

优化地，步骤（b）中，所述通光的平均光功率为10~1000瓦，通光时间为1~200秒；

优化地，步骤（b）中，所述的通光类型是脉冲激光、准连续激光或连续激光。

优化地，步骤（a）中，所述的被测裸光纤由下述光纤中的一种或两种熔接而成：单包层光纤、双包层光纤、单模光纤、多模光纤、有源光纤、无源光纤。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明大功率光纤熔接点的评估装置，通过在金属半管内焊设热敏电阻并外接温度测试仪，利用温度测试仪显示的数据能够直接评估光纤熔接点处的光吸收导致发热的程度，进而判断被测裸光纤的熔接点是否合格；而且该评估装置结构简单、成本低廉，适合大规模批量生产。利用该评估装置的大功率光纤熔接点的评估方法，操作简单，一方面能够有效避免现有光损耗测试方法中的无法区分光散射、光反射、光吸收的情况，可以单纯地测量出光吸收导致发热的程度；另一方面在评估测试过程中不需要对熔接后的光纤进行二次涂覆，减轻了返工的工作量，提高了生产效率。

附图说明

图1为本发明评估装置的结构示意图；

图2为本发明评估装置的被测裸光纤周围结构（释放状态）的横向截面示意图；

图3为本发明评估装置的被测裸光纤周围结构（压紧状态）的横向截面示意图；

图4为本发明评估装置的被测裸光纤周围结构（压紧状态）的纵向截面示意图；

其中，1、金属半管；2、上隔热弹性体；3、下隔热弹性体；4、上夹持块；5、下夹持块；6、弹性件；7、上座；8、下座；9、热敏电阻；10、温度测试仪；11、引线；12、被测裸光纤。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明优选实施方案进行详细说明：

实施例1

本例提供一种大功率光纤熔接点的评估装置，如图1至4所示，主要包括金属半管1、上隔热弹性体2、下隔热弹性体3、上夹持块4、下夹持块5、热敏电阻9、温度测试仪10。其中，金属半管1为两根，相对应设置用于合拢套在被测裸光纤12上，其内径与被测裸光纤12直径一致；上隔热弹性体2和下隔热弹性体3对称设置，套在被测裸光纤12上下两侧且包覆金属半管1；上夹持块4安装在上隔热弹性体2上，且在它的上方设有上座7；下夹持块5安装在下隔热弹性体3底部，且在它的底部安装有下座8；上夹持块4与上座7间连接有弹性件6，可以提供弹性夹持力；热敏电阻9嵌设于金属半管1内，并与温度测试仪10利用引线11相连接。

在本实施例中，如图2至3所示，两根金属半管1合拢套在被测裸光纤12的上下两侧，它们由黄铜材料制作而成，外径为2毫米、内径优选为100~500微米，长度为5毫米。在下金属半管1的外侧面开一个宽度约1毫米、深0.5毫米的凹槽，将尺寸为0.6毫米×0.6毫米×0.3毫米的片状小型负温度系数热敏电阻9（也可选用正温度系数的热敏电阻），用铟锡焊料焊接到该凹槽的里面，使得热敏电阻和铜管之间具有良好的热接触。热敏电阻9的引线11外部套绝缘套，使得两个引线11之间是绝缘的，两根引线11连接到温度测试仪10上，温度测试仪10通过测量热敏电阻9的阻值，根据热敏电阻自身的“电阻-温度”特性就可以得到测量点的温度值了。上隔热弹性体2和下隔热弹性体3为10毫米见方、20毫米长的硅橡胶或聚氨酯材料。当将圆形金属管1套在与其内径相当的裸光纤12上后，上夹持块4和下夹持块5靠拢就可以利用两个金属半管对裸光纤12进行夹持且在在裸光纤12和两个金属半管之间形成一定的压力，保证裸光纤12外表面和圆形金属管1内表面有较好的热接触。

实施例2

本例提供一种大功率光纤熔接点的评估方法，依次包括以下步骤：

（a）装载光纤：将带有熔接点的被测裸光纤固定于评估装置两根合拢的金属半管内，使得熔接点与热敏电阻位置靠近，并利用弹性件对上夹持块施加作用力；该被测裸光纤由下述光纤中的一种或两种熔接而成：单包层光纤、双包层光纤、单模光纤、多模光纤、有源光纤、无源光纤；

（b）通光：对被测裸光纤通光；所通激光的类型是脉冲激光、准连续激光或连续激光，其平均光功率为10~1000瓦，通光时间为1~200秒；

（c）测试温度：利用温度测试仪上显示的数据观测热敏电阻的表观温度，判断该被测裸光纤的熔接点是否合格；

（d）卸载光纤：松开上座，取出被测裸光纤。

该方法特别适用于输出功率为1000瓦光的连续大功率光纤激光器的功率放大级的大功率光纤熔接点的评估。

在本实施例中，被测光纤的熔接点是在外径400微米的无源光纤和外径400微米的掺杂有源光纤之间熔接形成的，熔接后的光纤不需要进行二次涂覆，保持其裸光纤的状态。光纤熔接点的评估方法具体为：首先装载光纤，将带有熔接点的裸光纤12放置于实施例1中评估装置位于下侧的金属半管1内，合拢金属半管1使得其上金属半管和下金属半管对齐并与被测光纤紧密贴合；用上隔热弹性体2和下隔热弹性体3并施加一定的外力使得使得光纤的外表面和圆形金属管内表面有较好的热接触，并且熔接点与热敏电阻9位置靠近。然后利用光纤激光器对该光纤进行通光，所通激光为连续工作的、中心波长为1064纳米、光功率为200W的激光，持续时间为30秒钟，此时光纤和圆形金属管已经基本达到热平衡状态。通过温度测试器读出相应的温度数值：实验室的环境温度是20℃，被测点的温度是37℃，两者的温度差为17℃。根据熔接光纤的性质、光纤激光器的散热方式、本装置金属管的尺寸和热容等各个因素，确定环境温度与被测点的温度的最大允许温度差，本实施例中为15℃，当该温差大于15℃时，该熔接点为不合格熔接点。此时，松开上隔热弹性体2和下隔热弹性体3，开启上侧的金属半管，取出被测光纤。进行熔接返工：掰断光纤的该熔接点，再次进行涂覆层去除、端面切割和清洁，在光纤熔接机上再次进行光纤熔接。然后重复利用本实施例方法对该光纤再次进行评估测试，评定其是否合格，直至熔接点合格为止。

上述对本发明大功率光纤熔接点的评估装置的结构进行了说明，下面对其工作原理进行解释：

光纤在熔接点处，由于熔接工艺的不完美、光纤类型不完全匹配、局部的材料和结构瑕疵等各种原因，会在该熔接点处形成光学不连续性，这种不连续性会一定程度上形成光吸收而导致熔接点发热，将直接影响大功率激光器的工作稳定性、可靠性和寿命。本发明的实质是测试光纤熔接点在激光通光后的局部温度。为了避免使用昂贵的红外辐射测温仪器，同时保证测温的可靠性，我们采用一个固定热容和热阻的金属体与其进行良好热接触，并到达热平衡。用该状态下的金属体温度来间接评估大功率光纤激光器在相应散热条件和封装情况下的发热情况。具体地，通过两根金属半管1和带熔接点的裸光纤12进行一段长时间的热接触，使得该光纤12和金属半管1达到热平衡。同时营造一个对于金属半管1外部相对隔热的环境，这样可以提高金属半管1的温升速度，使得测试效果明显。我们可以看到：裸光纤12和金属半管1之间的热阻，以及金属半管1和外部空气环境之间的热阻是确定的，裸光纤12和金属半管1的热容也是确定的。因此金属半管1在测试点的温度与被测光纤熔接点附近的温度的一一对应的。当然，光纤熔接点温度与周围散热环境有关，但是该熔接点在实际的光纤激光器系统中的温度，与在本测量装置中的温度，虽然散热环境不同，但是这两个温度在相同通光激光功率的条件下也是一一对应的。这样，我们通过测量金属半管1上热敏电阻9的局部温度就间接地得到了光纤熔接点在实际光纤激光器工作状态下温度的信息，由此设定合格失效判据，也就是最大允许温度差，并依据此判据就可以进行光纤熔接点的评估，当评估测试的温度差大于最大允许温度差时，光纤熔接点不合格需要返工；当评估测试的温度差小于最大允许温度差时，光纤熔接点合格。该最大温度差对于不同的光纤激光器类型和不同尺寸和材料的本方面评估装置将是不同的。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种大功率光纤熔接点的评估装置，其特征在于：它包括用于套设于被测裸光纤（12）上且对应设置的两根金属半管（1）、对称套设于被测裸光纤（12）上下两侧且覆盖金属半管（1）的上隔热弹性体（2）和下隔热弹性体（3）、安装在上隔热弹性体（2）上的上夹持块（4）、安装在下隔热弹性体（3）底部的下夹持块（5）、设于上夹持块（4）上方的上座（7）、安装在下夹持块（5）底部的下座（8），所述的上夹持块（4）与上座（7）间连接有弹性件（6），所述金属半管（1）的内径与被测裸光纤（12）直径一致，且其中一根金属半管（1）内焊设有热敏电阻（9），所述评估装置还包括用于测量热敏电阻（9）温度的温度测试仪（10），所述热敏电阻（9）与温度测试仪（10）间连接有引线（11）。

2.根据权利要求1所述的大功率光纤熔接点的评估装置，其特征在于：所述的金属半管（1）内径为100~500微米。

3.根据权利要求1所述的大功率光纤熔接点的评估装置，其特征在于：所述的热敏电阻（9）为正温度系数热敏电阻或负温度系数热敏电阻。

4.根据权利要求1所述的大功率光纤熔接点的评估装置，其特征在于：所述的上隔热弹性体（2）和下隔热弹性体（3）的组成材料为硅橡胶或聚氨酯。

5.根据权利要求1所述的大功率光纤熔接点的评估装置，其特征在于：所述的热敏电阻（9）为小型片状热敏电阻。

6.一种利用权利要求1至5中任一项所述大功率光纤熔接点的评估装置对大功率光纤熔接点的评估方法，其特征在于：依次包括以下步骤：

（a）装载光纤：将带有熔接点的被测裸光纤固定于评估装置两根合拢的金属半管内，使得熔接点与热敏电阻位置靠近，并利用弹性件对上夹持块施加作用力；

（b）通光：对被测裸光纤通光；

（c）测试温度：利用温度测试仪上显示的数据观测热敏电阻的表观温度，判断该被测裸光纤的熔接点是否合格；

（d）卸载光纤：松开上座，取出被测裸光纤。

7.根据权利要求6所述对大功率光纤熔接点的评估方法，其特征在于：步骤（b）中，所述通光的平均光功率为10~1000瓦，通光时间为1~200秒。

8.根据权利要求6所述对大功率光纤熔接点的的评估方法，其特征在于：步骤（b）中，所述的通光类型是脉冲激光、准连续激光或连续激光。