CN104242027A - 一种光纤器件及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光纤器件及其制备方法及应用，将无机热超导材料封装于光纤激光器及其内部光学元器件的任意形状的密闭空间中，能够快速有效移除光纤激光器及其中关键器件和模块上的热量沉积。不同形状的密闭空间可以供多种情况下使用，方法简单，制作容易，并且很容易实现快速散热。通过这种方法可以提高光纤器件的稳定性，延长激光光源的使用寿命。

Description

一种光纤器件及其制备方法和应用

技术领域

本发明专利涉及光纤激光技术领域，特别涉及采用一种无机超导材料有效移除光纤激光器及其中关键器件和模块上的热累积的一种光纤器件及其制备方法及应用。

技术背景

光纤激光器自发明以来不断改进，日趋成熟，已成功应用于光通信技术领域。光纤激光器比起其他激光器具有增益介质表面积/体积比大、优异的双波导限制机制、固有的全封闭柔性光路、寿命长、体积小重量轻等优点，因此备受青睐。

光纤激光器可按多种方式分类,其中，按谐振腔型结构可以分为法布里-珀罗腔(F-P腔)、环形腔、以及“8”字形腔等；按工作方式可以分为单频激光、连续激光、调Q脉冲、锁模脉冲激光等。每种激光腔型都可实现多种工作方式。不管连续激光还是脉冲激光，光纤回路及光纤器件上的热累积必须有效的移除，才能确保光纤激光器长期稳定的运转。

对于连续激光来说，热累积会影响激光器中的重要光学器件——光纤光栅的长度，从而影响激光的中心波长。由于光纤光栅只会反射特定波长，其它波长的光则没有影响的全部透射。这个特定的波长与光纤光栅的周期有关，称为反射波长。现有技术是将光纤光栅封装在膨胀系数小、温度不敏感的材料中。分别在夹板上开两个相互匹配的凹槽，用以夹放光纤光栅，最后在夹板的两头用密封胶将光栅固定。这种方法虽可以防止环境外应力将光纤光栅拉断，但并没有充分考虑光纤光栅由热量累积及受热不均产生的内应力。此外，制作光纤光栅的光敏光纤与传导光纤或者是增益光纤的热膨胀系数不同，热累积在光纤熔接断面同样会产生不均匀的热膨胀内应力，进而使光纤从熔接点处断裂。

对于高峰值功率的脉冲激光来说，从关键器件上有效移除热累积同等重要。市面上在售的光纤激光器大多采用半导体可饱和吸收镜和光纤光栅的法布里-珀罗腔型结构。可饱和吸收镜，会吸收脉冲前后沿光强较弱的部分，反射脉冲中心光强较强的部分。其中，吸收的激光脉冲的能量将以热的形式散发出去。激光脉冲是集中的入射在吸收镜的某一点的，光斑大小约为10微米。累积的热量如不及时扩散便会极大的降低吸收镜的使用寿命。现有的可饱和吸收镜的散热技术是用导热性较好的黄铜或是紫铜材料做可饱和吸收镜的基座。但是，铜的导热性能依然有限(铜热导率为386.4W·m^-1·k^-1)，把热量从直径为几个微米热点扩散至整个基座的仍需要相对较长的时间。同样，与连续激光输出波长受温度影响类似，热累积效应会影响脉冲激光器的谐振腔长度及激光的中心波长。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种光纤器件及其制备方法及应用，以克服上述现有技术的存在缺陷。

本发明提供一种光纤器件，设置在光纤激光器里，其特征在于：所述光纤器件中含有无机热超导材料。

进一步，本发明提供一种光纤器件，还可以具有这样的特征：光纤器件为光纤光栅封装体。

进一步，本发明提供一种光纤器件，还可以具有这样的特征：光纤光栅封装体包括上夹板、下夹板、光纤光栅、密封胶和任意形状的密闭空间；光纤光栅设置在上夹板和下夹板的对接面上；在上夹板和下夹板内部开设密闭空间，无机热超导材料填充在密闭空间，两端用密封胶封装。

进一步，本发明提供一种光纤器件，还可以具有这样的特征：光纤器件为可饱和吸收镜。

进一步，本发明提供一种光纤器件，还可以具有这样的特征：可饱和吸收镜包括铜基座、镜片和沟槽；镜片粘贴在铜基座中心，沟槽开在铜基座上；沟槽的形状是任意的，无机热超导材料填充在沟槽内。

进一步，本发明提供一种光纤光栅封装体的制备方法，其特征在于包括如下步骤：步骤A-1:制作上夹板和下夹板并安放和固定光纤光栅；步骤A-2:在上夹板和下夹板内光纤光栅周围制作出密闭空间，将无机热超导材料填充到密闭空间里；步骤A-3:将上夹板和下夹板两端用密封胶封住。

进一步，本发明提供一种可饱和吸收镜制备方法，其特征在于包括以下步骤：步骤B-1：在铜基座上制作沟槽，将无机热超导材料填充到沟槽内；步骤B-2：把可饱和吸收镜片粘贴到铜基座中心处。

进一步，本发明提供一种光纤激光器的散热方法，其特征在于：脉冲激光的法布里-珀罗腔结构的光纤激光器中的可饱和吸收镜上的热量通过安装可饱和吸收镜来进行散热；光纤光栅本身热量及制作光纤光栅的光敏光纤与传导光纤或者是增益光纤的熔接点处累积的热量通过安装光纤光栅封装体来进行散热。

进一步，本发明提供一种光纤激光器的散热方法，其特征在于：连续激光的法布里-珀罗腔结构的光纤激光器中光纤光栅本身热量及制作光纤光栅的光敏光纤与传导光纤或者是增益光纤的熔接点处累积的热量通过安装光纤光栅封装体来进行散热。

发明的有益效果

本发明提供一种光纤器件及其制备方法及应用，将无机热超导材料封装于光纤激光器及其内部光纤器件中，无机超导材料的微粒子受热后会从受热端高速运动到冷端，以最快的速度使轴向温差趋于零，能够快速有效移除光纤激光器及其中关键器件和模块上的热量沉积，提高光纤器件的稳定性，延长激光光源的使用寿命。

将无机热超导材料封装于光纤器件的任意形状的密闭空间内，这样可以依据不同形状和散热要求的光纤器件尺寸具体制定相应的密闭空间，这样可以使得各种各样的光纤元器件都可以实现快速散热，并且无机热超导材料的加入，没有给光纤激光器引进其他方面的不利因素。

无机热超导材料的适用温度范围广(-60℃～1100℃)，安全性高，工作时元件内腔压力低，不会发生高温爆管，且使用寿命长，材料自身能够有效的抑制氢、氧的产生，不与常用金属材料发生化学反应，可以保持不低于11万小时的稳定工作。

无机热超导材料热导率为14MW·m^-1·k^-1，导热性比现有的导热材料要高的多(是纯银的3.2万倍，是黄铜的12.8万倍，紫铜的3.6万倍)。

通过将无机热超导材料封装于光纤器件中来实现快速散热，制作简单，易于实现，有多种方案，可以供多种情况下使用。

附图说明

图1为条状光纤光栅封装体结构示意图。

图2为空心圆柱体光纤光栅封装体结构示意图。

图3为螺旋状光纤光栅封装体结构示意图。

图4为米字型可饱和吸收镜结构示意图。

图5为网状可饱和吸收镜结构示意图。

图6为片状可饱和吸收镜结构示意图。

图7为脉冲激光的法布里-珀罗腔结构图。

图8是连续激光的法布里-珀罗腔结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的描述。

如图所示，一种光纤器件安装在光纤激光器里，光纤器件是光纤光栅封装体、可饱和吸收镜，当然还包括其他一些器件。这种光纤器件中都含有一种无机热超导材料20。

光纤光栅封装体包括上夹板11、下夹板12、光纤光栅13、密封胶14和任意形状的密闭空间。密闭空间内部填充无机热超导材料20。光纤光栅13设置在上夹板11和下夹板12的对接面上。在上夹板11和下夹板12内部开设密闭空间，密闭空间可以是条状、空心圆柱体状、螺旋状，当然也可以是其他的形状。上夹板11和下夹板12两端用密封胶14封装。

可饱和吸收镜包括铜基座50、镜片30和沟槽。镜片30粘贴在铜基座50中心，沟槽开在铜基座50上，在沟槽内填充无机热超导材料20。沟槽的形状是任意的，可以是米字型，也可以是网状、片状。

光纤光栅封装体的制备方法包括如下步骤：

步骤A-1:制作上夹板11和下夹板12并安放和固定光纤光栅13。

采用热膨胀系数较小，温度不敏感的殷钢材料制作半圆柱状结构的上夹板11和下夹板12，在上夹板11和下夹板12对接面上制作圆形凹槽安放和固定光纤光栅13。

步骤A-2:在上夹板11和下夹板12内光纤光栅13周围制作出密闭空间，将无机热超导材料20填充到密闭空间里。

密闭空间为从微米量级到厘米量级的条状结构、空心圆柱状结构、螺旋状结构，当然还可以为其他任意形状。

步骤A-3:将上夹板11和下夹板12两端用密封胶14封住。

可饱和吸收镜的制备方法包括以下步骤：

步骤B-1：在铜基座50上制作沟槽，将无机热超导材料20填充到沟槽内。

沟槽可以是米字型，网状和片状，也可以是其他的任意形状。无机热超导材料20填充到沟槽后应与铜基座50构成平整面。

步骤B-2：把可饱和吸收镜片30粘贴到铜基座50中心处。

一种光纤激光器的散热方法：

如图7所示，脉冲激光的法布里-珀罗腔的光纤激光器中有许多热累积点，热点1是可饱和吸收镜上的热累积点。热点2是制作光纤光栅13的光敏光纤与传导光纤或者是增益光纤的熔接点处累积的热。热点3是光纤光栅13本身的热累积。为了均匀移除热点1、热点2、热点3，需采用上述光纤激光器中的光纤器件安装到相应位置来实现快速散热。

为了均匀移除热点1可以采用如图4所示米字型可饱和吸收镜30来移除热点1上的热能，当然也可以采用如图5、图6所示的可饱和吸收镜来移除热量。为了均匀移除热点2、3可以采用如图1中的光纤光栅封装体来移除热量。当然也可以选用如图2、图3中的光纤光栅封装体。每个结构的光纤器件都有各自的优缺点，可根据具体的情况选择合适的结构来进行散热。

如图8所示，连续激光的法布里-珀罗腔的光纤激光器中有许多热累积点，热点2是光敏光纤与传导光纤或增益光纤熔接点处的热量累积，热点3是高反射型和部分反射型光纤光栅13自身的热累积。为消除这些热累积可以采用如图1所示的光纤光栅封装体安装到光纤激光器的热点位置来实现快速散热，当然也可以采用图2和图3的光纤光栅封装体安装到光纤激光器的热点位置来实现快速散热。

Claims (9)

1.一种光纤器件，设置在光纤激光器里，其特征在于：所述光纤器件中含有无机热超导材料。

2.根据权利要求1所述的光纤器件，其特征在于：所述光纤器件为光纤光栅封装体。

3.根据权利要求2所述的光纤器件，其特征在于：所述光纤光栅封装体包括上夹板、下夹板、光纤光栅、密封胶和任意形状的密闭空间；所述光纤光栅设置在上夹板和下夹板的对接面上；在所述上夹板和所述下夹板内部开设所述密闭空间，所述无机热超导材料填充在所述密闭空间，两端用所述密封胶封装。

4.根据权利要求1所述的光纤器件，其特征在于：所述光纤器件为可饱和吸收镜。

5.根据权利要求4所述的光纤器件，其特征在于：所述可饱和吸收镜包括铜基座、镜片和沟槽；所述镜片粘贴在所述铜基座中心，所述沟槽开在所述铜基座上，所述沟槽的形状是任意的，所述无机热超导材料填充在所述沟槽内。

6.一种如权利要求3所述的光纤器件的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤A-1:制作所述上夹板和所述下夹板并安放和固定光纤光栅；

步骤A-2:在所述上夹板和所述下夹板内所述光纤光栅周围制作出密闭空间，将无机热超导材料填充到所述密闭空间里；

步骤A-3:将所述上夹板和所述下夹板两端用密封胶封住。

7.一种如权利要求5所述的光纤器件的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤B-1：在铜基座上制作沟槽，将无机热超导材料填充到所述沟槽内；

步骤B-2：把可饱和吸收镜片粘贴到所述铜基座中心处。

8.一种光纤激光器的快速散热方法，其特征在于：

脉冲激光的法布里-珀罗腔结构的光纤激光器中的可饱和吸收镜上的热量通过安装如权利要求5所述的可饱和吸收镜来进行散热；光纤光栅本身热量及制作光纤光栅的光敏光纤与传导光纤或者是增益光纤的熔接点处累积的热量通过安装如权利要求3所述的光纤光栅封装体来进行散热。

9.一种光纤激光器的快速散热方法，其特征在于：

连续激光的法布里-珀罗腔结构的光纤激光器中光纤光栅本身热量及制作光纤光栅的光敏光纤与传导光纤或者是增益光纤的熔接点处累积的热量通过安装如权利要求3所述的光纤光栅封装体来进行散热。