CN104466637A - 包层光泄漏装置、光纤激光器及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种包层光泄漏装置、光纤激光器及制造方法。所述包层光泄漏装置包括光纤夹具，所述光纤夹具由导热材料制成，所述光纤夹具包括泄漏通道，所述泄漏通道设置有第一组分包层光泄漏段和第二组分包层光泄漏段，以用于供光纤中去除了外包层的裸露段从中穿过，当激光经过所述裸露段时，所述第一组分包层光泄漏段和所述第二组分包层光泄漏段先后泄漏所述激光中的包层光。这种包层光泄漏装置可以分段泄漏内包层中的包层光，使得包层光泄漏装置在泄漏包层光的过程中热量分散均匀。

Description

包层光泄漏装置、光纤激光器及制造方法

技术领域

本发明涉及光纤激光器技术领域，尤其涉及一种包层光泄漏装置。此外，本发明还涉及一种包括所述包层光泄漏装置的光纤激光器以及所述光纤激光器的制造方法。

背景技术

光纤激光器是以光学纤维为基质，掺入的活性离子作为工作介质的一类激光器。相比气体或者其他类型的固体激光器，光纤激光器具有结构简单、散热效果好、转换效率高、光束质量好等优点。其中，泵浦双包层光纤可以简易地将高功率多模激光高效地转换为单模衍射极限激光，极大地提高了输出激光的光束质量。另外，随着光纤光栅、泵浦合束器等关键器件的研发取得突破性进展，全光纤激光器的输出功率不断攀升，目前单根双包层光纤的输出功率可以达到万瓦量级。

对于双包层光纤激光器来说，泵浦光在内包层与外包层的交界面形成全反射，并被约束在内包层中传输，激光在纤芯与内包层的交界面形成全反射，并被约束在纤芯中传输。但是，在光纤弯曲和熔接过程中出现的对芯不准导致部分激光耦合到内包层中，另外内包层中还有未能被纤芯完全吸收的部分泵浦光，这些在内包层中传输的光统称为包层光。包层光不仅导致后级放大器的泵浦耦合器及激光输出端头温度升高而破坏系统的稳定性，还会由于纤芯中的激光和内包层中的包层光混合在一起，无法分离，而包层光直径大、数值孔径大，导致输出光的光束质量急剧劣化。针对这一问题，通常的做法是去除包层光，而去除包层光的方法主要为在内包层的表面涂覆单一高折射率材料，但是这种去除包层光的方法对工艺和材料的性能要求较高，如果透过所述单一高折射率材料的包层光功率较高时，由于所述单一高折射率材料吸收少量包层光而导致温度上升致使所述单一高折射率材料的折射率和机械性能发生变化，从而使得高折射率材料去除包层光的效率下降，输出光的光束质量下降，甚至导致光纤的去除包层光的裸露段直接烧毁致使光纤激光器无法工作。因此，需要一种包层光泄漏装置，以解决现有技术中存在的上述技术问题。

发明内容

本发明提供了一种包层光泄漏装置。这种包层光泄漏装置可以分段泄漏内包层中的包层光，使得包层光泄漏装置在泄漏包层光的过程中热量分散均匀。此外，本发明还提供一种包括所述包层光泄漏装置的光纤激光器以及所述光纤激光器的制造方法。

本发明采用的技术方案是：

一种包层光泄漏装置，其包括光纤夹具，所述光纤夹具由导热材料制成，所述光纤夹具包括泄漏通道，所述泄漏通道内设置有第一组分包层光泄漏段和第二组分包层光泄漏段，以用于供光纤中去除了外包层的裸露段从中穿过，当激光经过所述裸露段时，所述第一组分包层光泄漏段和所述第二组分包层光泄漏段先后泄漏所述激光中的包层光。

优选地，所述光纤夹具设置有散热进水口、散热出水口和散热管路，所述散热进水口和所述散热出水口通过所述散热管路流体连通，其中所述散热管路与所述泄漏通道隔离。

优选地，所述散热管路构造为微通道管道。

优选地，所述散热进水口靠近所述光纤的入光端，所述散热出水口远离所述光纤的入光端。

优选地，所述泄漏通道构造为凹槽，以使所述第一组分包层光泄漏段和所述第二组分包层光泄漏段暴露于外部环境中。

优选地，所述第一组分包层光泄漏段为在所述泄漏通道内填充折射率不小于1.48的负折温变化率材料，和/或所述第二组分包层光泄漏段为在所述泄漏通道内填充折射率不小于1.48的紫外固化胶。

本发明还提供了一种光纤激光器，其包括光纤和根据上文所述的包层光泄漏装置，所述光纤的裸露段穿过所述泄漏通道。

本发明进一步提供了一种如上文所述光纤激光器的制造方法，其包括以下步骤：泄漏通道形成步骤：在所述光纤夹具上采用线切割丝放电腐蚀形成所述泄漏通道；裸露段形成步骤：剥除光纤的外包层，以在光纤上形成所述去除外包层的裸露段；包层光泄漏段形成步骤：将所述裸露段放置于所述光纤夹具的泄漏通道内，向所述泄漏通道的靠近所述光纤的入光端的一段注入第一高折射率材料，以形成第一包层光泄漏段，向所述泄漏通道的远离所述光纤的入光端的另一段注入第二高折射率材料，以形成第二包层光泄漏段。

优选地，在所述光纤夹具设置有散热进水口、散热出水口和散热管路的情况下，所述泄漏通道形成步骤之前还包括散热管路形成步骤，以在光纤夹具上形成分别与散热进水口和散热出水口流体连通的散热管路。

优选地，所述包层光泄漏段形成步骤中向所述泄漏通道的靠近所述光纤的入光端的一段注入折射率不小于1.48的负折温变化率材料，向所述泄漏通道的远离所述光纤的入光端的另一段注入折射率不小于1.48的紫外固化胶，注入完成后采用紫外灯照射所述紫外固化胶以使其固化。

采用上述技术方案，本发明至少具有下列优点：

本发明所述的包层光泄漏装置包括泄漏通道，通过设置在泄漏通道中的第一包层光泄漏段和第二包层光泄漏段来分别将包层光泄漏出去，特别地，第一包层光泄漏段和第二包层光泄漏段分别采用折射率不小于1.48的材料制成，从而当激光经过裸露段时第一包层光泄漏段和第二包层光泄漏段先后将包层光折射出去。同时，第一包层光泄漏段和第二包层光泄漏段和光纤夹具在泄漏包层光的过程中会吸收部分包层光的能量而升温，本发明通过包层光分段泄漏使得包层光泄漏装置的热量分散均匀，提高了光纤激光器输出光的光束质量，确保光纤激光器稳定可靠地工作。优选地，光纤夹具采用导热材质制成，从而可以使得光纤夹具尽可能快地将自身所接收的热量以及高折射材料所接收的热量传导出去。

附图说明

图1为本发明第一个实施例的包层光泄漏装置的示意图；

图2为本发明第二个实施例的包层光泄漏装置安装至光纤激光器的示意图；

图3为图2所示处于安装状态下的包层光泄漏装置的俯视图；

图4为图2所示处于安装状态下的包层光泄漏装置的右视图；

图5为本发明的第五个实施例的光纤激光器的制造方法的流程图；

图6为本发明的第六个实施例的光纤激光器的制造方法的流程图。

其中，1-光纤夹具；2-泄漏通道；3-第一组分包层光泄漏段；4-第二组分包层光泄漏段；5-光纤的入光端；6-裸露段；7-散热进水口；8-散热出水口；9-散热管路。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明进行详细说明如后。

如图1和图2所示，本发明提供的包层光泄漏装置包括光纤夹具1，该光纤夹具可以均匀泄漏包层光的同时能够均匀受热，从而提高激光束传输的质量，下面将详细地描述本发明的包层光泄漏装置及其相关部分。

如图1所示，作为本发明第一个实施例的包层光泄漏装置，光纤夹具1由导热材料制成，例如由铜材料或者铝材料制成。目的是提高光纤夹具1的导热性能，快速分散泄漏包层光过程中所产生的热量。如图所示，光纤夹具1包括泄漏通道2，泄漏通道2内设置有第一组分包层光泄漏段3和第二组分包层光泄漏段4，光纤的去除外包层的裸露段6可以顺次穿过第一组分包层光泄漏段3和第二组分包层光泄漏段4。当激光经过裸露段6时，第一组分包层光泄漏段3和第二组分包层光泄漏段4先后泄漏包层光。采用以上分段泄漏包层光的方式可以避免包层光泄漏装置上热分布的均匀性，避免了由于局部过热造成的包层光泄漏装置的泄漏效率下降，甚至是失效。

第一组分包层光泄漏段3和第二组分包层光泄漏段4可以是预先设置在包层光泄漏装置的泄漏通道2内，只要预留出光纤的穿过通道即可。也可以将光纤的裸露段6放置在泄漏通道2内后再分别制成第一组分包层光泄漏段3和第二组分包层光泄漏段4，这种制作方式会使得包层光泄漏段与裸露段6之间的接触更贴合，提高包层光泄漏的质量和效果。

如背景技术中提到的包层光中包括耦合至内包层的部分激光和没有被纤芯完全吸收的部分泵浦光，由此，第一组分包层光泄漏段3的构成组分和第二组分包层光泄漏段4的构成组分最好不同，并且第一组分包层光泄露段3的构成组分的折射率小于第二组分包层光泄露段4的构成组分的折射率。例如第一组分包层光泄漏段3可以最大限度地将包层光泄漏掉，并保证包层光泄漏装置上的热量均匀分散开，避免局部过热，而第二组分包层光泄漏段4的构成组分的折射率较小，可以保证将剩余包层光在该段内完全泄漏掉。第一组分包层光泄漏段3和第二组分包层光泄漏段4可以是任意达到上述效果的材料，作为第一组分包层光泄漏段3和第二组分包层光泄漏段4的优选实例，第一组分包层光泄漏段3为在泄漏通道2内填充折射率不小于1.48的负折温变化率材料，第二组分包层光泄漏段4为在泄漏通道2内填充折射率不小于1.48的紫外固化胶。试验得出通过上述两种材料的分段泄漏可以对波长为900-1100nm光的透过率大于99％，由此将内包层中的包层光尽可能地向外折射出去，负折温变化率材料的性能是该材料在折射包层光的过程中随着材料温度的升高，该材料的折射率降低以此来减少包层光的折射量，从而避免该材料温度的持续增高，确保包层光泄漏装置的稳定可靠地工作。

如图2、图3和图4所示，作为本发明第二个实施例的包层光泄漏装置，包层光功率增大后，包层光泄漏段吸收的包层光增多促使包层光泄漏段的温度上升，为了确保包层光泄漏段的热量迅速地散发，可以对从包层光泄漏段穿过的光纤进行冷却散热。光纤夹具1设置有散热进水口7、散热出水口8和散热管路9，散热进水口7和散热出水口8通过散热管路9流体连通，其中散热管路9与泄漏通道2隔离。包层光泄漏装置安装至光纤激光器上，激光经过裸露段6(参见图1)时，可以从散热进水口7导入冷却液，例如可以是常温的水，冷却液在散热管路9中流经时充分地与光纤夹具1进行热交换，由此将光纤夹具1的温度降低，避免光纤夹具1的温度过高而影响包层光泄漏装置的泄漏效果和输出光的光束质量。作为优选地，散热管路9构造为微通道管道。从而冷却液可以尽可能地在散热管路9内与光纤夹具1充分地进行热交换，利于光纤夹具1的降温。

如图2和图3所示，针对散热进水口7和散热出水口8的位置没有特别限定，作为优选地，散热进水口7靠近光纤的入光端5，散热出水口8远离光纤的入光端5。

如图2所示，作为包层光泄漏装置的第三个实施例，区别于第一个实施例和第二个实施例的技术特征为：泄漏通道2构造为凹槽，由此，第一组分包层光泄漏段3和第二组分包层光泄漏段4暴露在外部环境中。从而使得包层光泄漏段最大限度地将包层光泄漏出去而不至于转换为热量，避免造成包层光泄漏装置的温度升高，，利于热量的扩散。

参见图2和图3，本发明的第四个实施例提供了一种光纤激光器，如图所示，这种光线激光器包括裸露段6(参见图1)和根据上文的包层光泄漏装置，裸露段6穿过泄漏通道2(参见图4)。光纤激光器在使用过程中，包层光泄漏装置可以分段泄漏包层光中的不同性质的光，从而使得光纤激光器均匀受热，提高输出光的光束质量，并且确保了光纤激光器的稳定可靠地工作。

如图5所示，对应于第四个实施例，本发明的第五个实施例提供了一种上文所述光纤激光器的制造方法，从图中可以看出其包括泄漏通道形成步骤、裸露段形成步骤以及包层光泄漏段形成步骤。其中，泄漏通道形成步骤：在光纤夹具1上采用线切割丝放电腐蚀形成泄漏通道2。泄漏通道2的大小可以适合于光纤的直径，特别是裸露段6放置在泄漏通道2中后，泄漏通道2还有空间用来形成包层光泄漏段。将泄漏通道2制成U型凹槽的形状在裸露段6放置在泄漏通道2内后使得包层光泄漏段可以暴露在外部环境中，利用包层光泄漏段吸收的热量的快速扩散。裸露段形成步骤：剥除光纤的外包层，以在光纤上形成去除外包层的裸露段6。裸露段6的长度适合于泄漏通道2的长度，也可以裸露段6的长度稍小于泄漏通道2的长度，由此可以使得包层光泄漏段可以尽可能地包覆裸露段6。包层光泄漏段形成步骤：将裸露段6放置在光纤夹具1的泄漏通道2内，向泄漏通道2的靠近光纤的入光端5的一段注入第一高折射率材料，以形成第一包层光泄漏段，向泄漏通道2的远离光纤的入光端5的另一段注入第二高折射率材料，以形成第二包层光泄漏段。

第一高折射率材料和第二高折射率材料可以是其它任意高折射率材料，作为优选地，第一高折射率材料为折射率不小于1.48的负折温变化率材料，第二高折射率材料为折射率不小于1.48的胶体。由此在包层光泄漏段形成步骤中向泄漏通道的靠近光纤的入光端5的一段注入折射率不小于1.48的负折温变化率材料，向泄漏通道的远离光纤的入光端的另一段注入折射率不小于1.48的紫外固化胶，并且在注入完成后采用紫外灯照射该紫外固化胶以使其固化。

如图6所示，本发明的第六个实施例提供了如上文所述光纤激光器的一个优选制造方法，相比第五个实施例，除了包括第四实施例中的全部步骤之外，泄漏通道形成步骤之前还执行散热管路形成步骤。具体地：通过机械钻孔，例如使用电钻在光纤夹具上形成散热管路，并且在散热管路的两端分别安装有散热出水口和散热进水口。作为优选的在铝制品的光纤夹具上形成微通道管路时，可以采用热挤压工艺实现，这是现有技术中较为成形的工艺。

下面结合一个具体实例对本发明的光纤激光器的制造方法进行详细地说明。

以纤芯直径为20μm、内包层直径为400μm的三百瓦级的光纤激光器为例进行说明。

首先采用铝制坯件通过热挤压形成具有微通道管路的光纤夹具，光纤夹具的尺寸为长280mm，宽16mm，高16mm，并且在微通道管路的两端分别安装散热进水口和散热出水口，微通道管路的管径可以采用现有技术中的常用尺寸。然后采用线切割丝放电腐蚀形成U型槽，使得U型槽尽可能地设置在光纤夹具上表面的中间位置处，U型槽的尺寸为深0.7mm，宽0.7mm。接着，用双面剃须刀剥除光纤1的外包层，剥除长度260mm的裸露段，使光纤的石英内包层完全裸露出来。然后将裸露段放入光纤夹具的U形槽中并尽量放在U型槽的中间位置，固定光纤的两端保证光纤始终处于拉直状态，并且确保光纤紧贴U形槽的底部。用普通医用注射器将折射率不小于1.48的负折温变化率材料注入U形槽的接近光纤的入光端5的一段，并保证负折温变化率材料将光纤完全覆盖，用普通医用注射器将折射率不小于1.48的紫外固化胶注入U形槽的远离光纤的入光端5的另一段，并保证紫外固化胶将光纤完全覆盖。最后采用紫外灯照射U形槽中的紫外固化胶5直至胶体完全固化。使用时，可以通过散热进水口、散热管路和散热出水口实现冷却液与光纤夹具的热交换。经试验，本发明的光纤激光器可有效泄漏三百瓦高功率的包层光，改善高功率光纤激光器的光束质量，确保光纤激光器地稳定工作。

通过具体实施方式的说明，应当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图示仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。

Claims (10)

1.一种包层光泄漏装置，其特征在于，包括光纤夹具，所述光纤夹具由导热材料制成，所述光纤夹具包括泄漏通道，所述泄漏通道设置有第一组分包层光泄漏段和第二组分包层光泄漏段，以用于供光纤中去除了外包层的裸露段从中穿过，当激光经过所述裸露段时，所述第一组分包层光泄漏段和所述第二组分包层光泄漏段先后泄漏所述激光中的包层光。

2.根据权利要求1所述的包层光泄漏装置，其特征在于，所述光纤夹具设置有散热进水口、散热出水口和散热管路，所述散热进水口和所述散热出水口通过所述散热管路流体连通，其中所述散热管路与所述泄漏通道隔离。

3.根据权利要求2所述的包层光泄漏装置，其特征在于，所述散热管路构造为微通道管道。

4.根据权利要求2或3所述的包层光泄漏装置，其特征在于，所述散热进水口靠近所述光纤的入光端，所述散热出水口远离所述光纤的入光端。

5.根据权利要求1所述的包层光泄漏装置，其特征在于，所述泄漏通道构造为凹槽，以使所述第一组分包层光泄漏段和所述第二组分包层光泄漏段暴露于外部环境中。

6.根据权利要求1所述的包层光泄漏装置，其特征在于，所述第一组分包层光泄漏段为在所述泄漏通道内填充折射率不小于1.48的负折温变化率材料，和/或所述第二组分包层光泄漏段为在所述泄漏通道内填充折射率不小于1.48的紫外固化胶。

7.一种光纤激光器，其特征在于，包括光纤和根据权利要求1至6中任一项所述的包层光泄漏装置，所述光纤的裸露段穿过所述泄漏通道。

8.一种如权利要求7所述光纤激光器的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

泄漏通道形成步骤：在所述光纤夹具上采用线切割丝放电腐蚀形成所述泄漏通道；

裸露段形成步骤：剥除光纤的外包层，以在光纤上形成所述去除外包层的裸露段；

包层光泄漏段形成步骤：将所述裸露段放置于所述光纤夹具的泄漏通道内，向所述泄漏通道的靠近所述光纤的入光端的一段注入第一高折射率材料，以形成第一包层光泄漏段，向所述泄漏通道的远离所述光纤的入光端的另一段注入第二高折射率材料，以形成第二包层光泄漏段。

9.根据权利要求8所述光纤激光器的制造方法，其特征在于，在所述光纤夹具设置有散热进水口、散热出水口和散热管路的情况下，所述泄漏通道形成步骤之前还包括散热管路形成步骤，以在光纤夹具上形成分别与散热进水口和散热出水口流体连通的散热管路。

10.根据权利要求8或9所述光纤激光器的制造方法，其特征在于，所述包层光泄漏段形成步骤中向所述泄漏通道的靠近所述光纤的入光端的一段注入折射率不小于1.48的负折温变化率材料，向所述泄漏通道的远离所述光纤的入光端的另一段注入折射率不小于1.48的紫外固化胶，注入完成后采用紫外灯照射所述紫外固化胶以使其固化。