CN103887688B - 分布反馈光纤激光器的封装结构 - Google Patents
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Abstract
一种分布反馈光纤激光器的封装结构，其特征是它包括石英U形槽和填充在石英U形槽中的硅脂或硅油，有源相移光纤光栅浸入到石英U型槽内的硅脂或硅油中，有源相移光纤光栅两端的尾纤分别通过两处并列的热固化胶与石英U型槽粘结固定使有源相移光纤光栅在不承受轴向应力情况下保持自由状态；位于石英U型槽外的光栅尾纤分别套装有塑料套管，石英U型槽两端连同两侧的塑料套管分别插入到对应的热熔管中，两段热熔管连同石英U型槽整体插入一热缩管；两热熔管和热缩管加热收缩后会将两塑料套管和石英U型槽连为一体，同时热缩管收紧使硅脂或硅油密封在石英U型槽内。
Description
技术领域
本发明涉及一种分布反馈光纤激光器增益介质和谐振腔体的封装，具体涉及一种有源相移光纤光栅封装结构。
背景技术
分布反馈光纤激光器是一种典型的窄线宽光纤激光器，它以单一有源相移光纤光栅作为激光谐振腔和增益介质，本身具有极窄的线宽、极低的噪声和稳定的单纵模运转等优点。由于分布反馈光纤激光器的细长型结构和单频输出的特点，使得它对外界振动和声音等环境噪声极其敏感，微弱的声波或振动就会使其频率和相位发生明显的变化，因此它常被用作光纤水听器和微震传感器。而用作激光光源时，无隔离保护的分布反馈光纤激光器在环境中根本无法保持窄线宽和低噪声的性能，必须对它的有源相移光纤光栅进行有效的封装，消除外界环境噪声对激光器性能的影响。
目前，光纤光栅主要用作传感器、波分复用器和激光腔镜等，作为光纤传感器的封装结构，主要是为了提高它对温度、应力和应变的灵敏度，或消除温度应变的交叉敏感；而作为波分复用器和激光腔镜，一般只需要提高其温度稳定性，使其波长不会随环境温度变化而漂移。相比于普通光纤光栅，有源相移光纤光栅作为分布反馈光纤激光器的核心部件，它的工作波长不再是0.2nm左右的宽谱，而是仅为10-7nm量级的窄线宽激光，微弱的环境扰动都会引起明显的性能变化，因此需要有更有效的隔声隔振的封装方法。专利CN102035125.A设计了一种采用隔声板和钢丝绳减震器的分布反馈光纤激光器封装结构，可实现隔声、隔振、温控和高频调制的功能，而实际上有源相移光纤光栅尾纤的拉拽也会对激光腔产生更直截的轴向扰动，这种因素对激光稳定性的影响甚至要比振动和声波的影响更严重，在此并未考虑。
发明内容
本发明从减弱有源相移光纤光栅敏感性的角度出发，设计了无应力阻尼隔振的结构，同时利用多层界面提高声波损耗的方式，实现了分布反馈光纤激光器稳定输出的封装结构，整体结构小巧，利于集成。
一种分布反馈光纤激光器的封装结构，其特征是它包括石英U形槽和填充在石英U形槽中的硅脂或硅油，有源相移光纤光栅浸入到石英U型槽内的硅脂或硅油中，有源相移光纤光栅两端的尾纤分别通过两处并列的热固化胶与石英U型槽粘结固定使有源相移光纤光栅在不承受轴向应力情况下保持自由状态；
位于石英U型槽外的光栅尾纤分别套装有塑料套管，石英U型槽两端连同两侧的塑料套管分别插入到对应的热熔管中，两段热熔管连同石英U型槽整体插入一热缩管；两热熔管和热缩管加热收缩后会将两塑料套管和石英U型槽连为一体，同时热缩管收紧使硅脂或硅油密封在石英U型槽内；在热缩管外侧设置有金属套管，在金属管口涂抹密封胶，在金属套管内壁和热缩管之间填充硅脂。
所述有源相移光纤光栅为掺铒或掺镱光纤，具有2-10cm的栅区长度，栅区为裸纤，栅区两端焊接光栅尾纤，裸纤部分进行再涂覆处理，光栅尾纤为单模匹配光纤。
所述石英U型槽长度比有源相移光纤光栅长2cm，直径2-3mm，有源相移光纤光栅居中固定在槽内。
所述热固化胶为353ND环氧树脂胶，点胶方法为：保持有源相移光纤光栅的自由松弛状态，先在光栅两端各涂抹2-3mm胶构成第一粘结层并加热固化，相距第一粘结层一定距离再涂抹2-3mm胶构成第二粘结层并加热固化以形成并列的热固化胶粘结固定点；所述有源相移光纤光栅与石英U型槽粘结过程中，通过光谱仪监视激光波长始终不会比自由状态时变大，使栅区保持自由松弛状态；
所述热熔管和热缩管具有一次热收缩性，充分热缩后在60℃环境不会膨胀或进一步收缩。
所述塑料套管直径1mm，内壁光滑与光纤尾纤摩擦力小，套入热熔管内至少1cm深，与石英U型槽联接为一体。
所述金属套管为不锈钢管或铜管，长度与石英U型槽一致，内径以刚好套入收缩后的热缩管为宜，壁厚0.5mm。
本发明的有益效果是：分布反馈光纤激光器的有源相移光纤光栅具有“弦”的细长型结构，它极易受环境的影响而使光栅周期和折射率分布发生微扰，而又由于其10-7nm量级的单频输出特性，极小的结构变化就会引起线宽展宽、频率漂移、噪声起伏等明显的指标恶化。另外，研究表明，当对有源相移光纤光栅施加一定的拉力时，它对环境噪声的响应敏感度会被放大，而它处于自由状态时，敏感度最弱。除了受声波和振动噪声引起的弦效应带来的影响外，有源相移光纤光栅尾纤的振动和拉拽也会对栅区产生轴向扰动而影响激光稳定性。据此，本发明提出无应力阻尼隔振和多层界面消声结构的有源相移光纤光栅封装方法。封装后有源相移光纤光栅上无应力，为自由状态，由硅脂或硅油等半流体阻尼材料填封在石英U型槽中而非悬空，这些措施减弱了弦效应的影响，降低了它对振动信号的响应灵敏度，尤其对接触冲击以外的振动不再敏感；由内到外软硬材质交叠的多层圆柱体封装结构形成了七层界面，声波在传入光纤光栅的过程中基本被损耗掉，达到了隔声的要求；有源相移光纤光栅两端和石英U型槽分别采用两层热固胶粘结，对尾纤传递的轴向应变实现了有效的缓冲，而光栅尾纤由塑料套管保护，塑料套管由热熔管和热缩管与封装外壳连为一体，光栅尾纤和封装体之间具有了一定独立性，使用过程中有源相移光纤光栅不会受到轴向拉力而影响稳定；整体结构小巧，便于进一步集成。
附图说明
图1是有源相移光纤光栅的封装结构，图2为图1中A-A剖面结构图。
图中：1-有源相移光纤光栅；2-石英U型槽；3-热固化胶；4-硅脂或硅油；5-热熔管；6-塑料套管；7-热缩管；8-密封胶；9-硅脂；10-金属套管；11-光栅尾纤。
具体实施方式
实施例1：如图1所示，一种有源相移光纤光栅的封装结构，它包括石英U形槽2和填充在石英U形槽2中的硅脂或硅油4，有源相移光纤光栅1浸入到石英U型槽2内的硅脂或硅油4中，有源相移光纤光栅1两端的光栅尾纤11分别通过两处并列的热固化胶3与石英U型槽2粘结固定使有源相移光纤光栅1在不承受轴向应力情况下保持自由状态；位于石英U型槽2外的光栅尾纤11分别套装有塑料套管6，石英U型槽2两端连同两侧的塑料套管6分别插入到对应的热熔管5中，两段热熔管5连同石英U型槽2整体插入一热缩管7；两热熔管5和热缩管7加热收缩后会将两塑料套管6和石英U型槽2连为一体，同时热缩管7收紧使硅脂或硅油4密封在石英U型槽2内；在热缩管7外侧设置有金属套管10，在金属套管10的管口处涂抹密封胶，在金属套管10内壁和热缩管7之间填充硅脂9。所述有源相移光纤光栅1为掺铒或掺镱光纤，具有2-10cm的栅区长度，栅区为裸纤，栅区两端焊接光栅尾纤11，裸纤部分进行再涂覆处理，光栅尾纤11为单模匹配光纤。
所述石英U型槽2长度比有源相移光纤光栅1长2cm，直径2-3mm，有源相移光纤光栅1居中固定在石英U型槽2内。所述热固化胶3为353ND环氧树脂胶；所述热熔管5和热缩管7具有一次热收缩性，充分热缩后在60℃环境不会膨胀或进一步收缩。所述塑料套管6直径1mm，内壁光滑与光纤尾纤11摩擦力小，套入热熔管5内至少1cm深，与石英U型槽2联接为一体。所述金属套管10为不锈钢管或铜管，长度与石英U型槽2一致，内径以刚好套入收缩后的热缩管7为宜，壁厚0.5mm。
如图1和2所示，一种分布反馈光纤激光器的封装方法，有源相移光纤光栅1居中放置在石英U型槽2中，保持有源相移光纤光栅的自由松弛状态，先在有源相移光纤光栅1两端各涂抹2-3mm热固化胶3构成第一粘结层并加热固化，再相距第一粘结层一定距离涂抹2-3mm热固化胶3构成第二粘结层并加热固化以形成并列的热固化胶粘结固定点；在此过程中，通过光谱仪监视激光波长始终不会比自由状态时变大，使有源相移光纤光栅1保持自由松弛状态；
石英U型槽2内填充硅脂或硅油4等半流体将有源相移光纤光栅1包裹，起到阻尼隔振的作用；石英U型槽2外的两端光栅尾纤11分别套入一塑料套管6，石英U型槽2两端和两侧塑料套管6分别套入一热熔管5，两段热熔管5以及石英U型槽2整体套入一热缩管7；保持各部件的相对位置不变，放入光纤熔接机加热炉加热，热缩管7收紧使硅脂或硅油4密封在石英U型槽2内，同时两热熔管5和热缩管7收缩后会将两塑料套管6和石英U型槽2连为一体；在热缩管两端分别涂抹适量密封胶8，套入一金属套管10，并同时在金属套管10和热缩管7之间灌入硅脂9填充；退火老化后封装完成。
实施例:2：本实施例与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于有源相移光纤光栅1为4.5cm长掺铒光纤光栅，在60dB噪声环境下线宽在2-50kHz范围跳变，相对强度噪声最大为-99dB。将裸纤涂覆后居中放置在7cm长的石英U型槽2中，分别在有源相移光纤光栅1两端点3mm第一层353ND热固化胶3，在80℃下进行15分钟加热固化，之后分别间隔4mm往外再点3mm第二层353ND热固化胶3，再在80℃下进行15分钟加热固化，有源相移光纤光栅1始终保持自由不受力状态；石英U型槽2保持开口朝上，光栅尾纤11分别套入1mm塑料套管6，分别用2cm长热熔管5套入石英U型槽2两端各1cm深，另1cm包裹塑料套管6；在第一层热固化胶3之间的槽内填入硅油4，用9cm长热缩管7居中套在整个结构体上，放入光纤熔接机加热炉加热使热缩管7收紧，将硅油4密封在石英U型槽2的槽内，并使光纤套管6与石英U型槽2连为一体；在热缩管7保护的结构体两端各涂抹1cm长适量密封胶8，套入7cm长不锈钢管10，同时灌入导热硅脂9，进一步将不锈钢管制成的金属套管10和硅脂9密封；进行60℃下2小时退火老化。封装后的掺铒分布反馈光纤激光器线宽基本稳定在2.5kHz左右，相对强度噪声保持低于-105dB。
实施例3：本实施例与实施例2相同之处不再赘述，不同之处在于有源相移光纤光栅1为8cm长掺镱光纤光栅，在60dB噪声环境下线宽在20-500kHz范围跳变，相对强度噪声最大为-65dB。将裸纤涂覆后用10cm长的石英U型槽2和10cm长铜管制成的金属套管10按同样的步骤进行封装，为保证掺镱光纤激光器栅区的热平衡，填充在石英U型槽2中的半流体采用导热硅脂4。封装后的掺镱分布反馈光纤激光器线宽基本稳定在30kHz左右，相对强度噪声保持低于-80dB。
Claims (8)
1.一种分布反馈光纤激光器的封装结构，其特征是它包括石英U形槽和填充在石英U形槽中的硅脂或硅油，有源相移光纤光栅浸入到石英U型槽内的硅脂或硅油中，有源相移光纤光栅两端的尾纤分别通过两处并列的热固化胶与石英U型槽粘结固定使有源相移光纤光栅在不承受轴向应力情况下保持自由状态；位于石英U型槽外的光栅尾纤分别套装有塑料套管，石英U型槽两端连同两侧的塑料套管分别插入到对应的热熔管中，两段热熔管连同石英U型槽整体插入一热缩管；两热熔管和热缩管加热收缩后会将两塑料套管和石英U型槽连为一体，同时热缩管收紧使硅脂或硅油密封在石英U型槽内。
2.根据权利要求1所述的分布反馈光纤激光器的封装结构，其特征是在热缩管外侧设置有金属套管，在金属套管口涂抹密封胶，在金属套管内壁和热缩管之间填充硅脂。
3.根据权利要求1所述的分布反馈光纤激光器的封装结构，其特征是所述有源相移光纤光栅为掺铒或掺镱光纤，具有2-10cm的栅区长度，栅区为裸纤，栅区两端焊接光栅尾纤，光栅尾纤为单模匹配光纤。
4.根据权利要求1所述的分布反馈光纤激光器的封装结构，其特征是所述石英U型槽长度比有源相移光纤光栅长2cm，直径2-3mm，有源相移光纤光栅居中固定在槽内。
5.根据权利要求1所述的分布反馈光纤激光器的封装结构，其特征是所述热固化胶为353ND环氧树脂胶，点胶方法为：保持有源相移光纤光栅的自由松弛状态，先在光栅两端各涂抹2-3mm胶构成第一粘结层并加热固化，相距第一粘结层一定距离再涂抹2-3mm胶构成第二粘结层并加热固化以形成并列的热固化胶粘结固定点；所述有源相移光纤光栅与石英U型槽粘结过程中，通过光谱仪监视激光波长始终不会比自由状态时变大，使栅区保持自由松弛状态。
6.根据权利要求1所述的分布反馈光纤激光器的封装结构，其特征是所述热熔管和热缩管具有一次热收缩性，充分热缩后在60℃环境不会膨胀或进一步收缩。
7.根据权利要求1所述的分布反馈光纤激光器的封装结构，其特征是所述塑料套管直径1mm，内壁光滑与光纤尾纤摩擦力小，套入热熔管内至少1cm深，与石英U型槽联接为一体。
8.根据权利要求2所述的分布反馈光纤激光器的封装结构，其特征是所述金属套管为不锈钢管或铜管，长度与石英U型槽一致，内径刚好套入收缩后的热缩管，壁厚0.5mm。
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