CN104570213B - 一种高功率光纤包层功率剥离器装置 - Google Patents

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Abstract

一种高功率光纤包层功率剥离器装置，包括双包层光纤(1)、光学模块(2)、上盖板(3)、水冷底座(4)、水冷管(5)，双包层光纤(1)穿过光学模块(2)与水冷底座(4)，光学模块(2)置于水冷底座(4)内，水冷底座(4)上部使用良好散热性材料制成的上盖板(3)进行封装，水冷底座(4)下部安装有水冷管(5)。本发明装置通过将光纤内包层剥离成阶梯状形式并涂以不同折射率的高折射率光学凝胶，让内包层泄露光沿着光纤长度较为均匀泄露，构建了三层光波导的光学模块结构，让内包层泄露光能及时经光波导导出，另外利用循环水将热量及时带走，避免剥离器温度过高。

Description

一种高功率光纤包层功率剥离器装置
技术领域
本发明涉及一种去除剩余泵浦光和包层传输信号光的器件装置，特别是一种高功率光纤包层功率剥离器装置。
背景技术
高功率光纤激光器具有高电光转换效率、良好的散热性与输出光束质量、高稳定性等优点，广泛应用于激光焊接、打孔、表面处理与打标等领域。高功率光纤激光器通常采用双包层稀土掺杂光纤，现今采用的双包层稀土掺杂光纤一般由纤芯、内包层、外包层和涂覆层构成，这种光纤结构在纤芯仅支持单模传输，用于传输和放大信号光；内包层支持多模传输，用于耦合与传输泵浦光；这种光纤结构既保证了光纤激光的光束质量，又增大了泵浦与有源介质直接的耦合，提高了系统的整体能量转换效率。
但是由于泵浦光在双包层稀土掺杂光纤中沿光纤轴线呈指数衰减，对于有限长度的稀土掺杂光纤，泵浦光不可能被完全吸收而形成剩余泵浦光，另外由于光纤熔接效果不理想及熔接时模式匹配等问题也会导致信号光从纤芯泄露到包层，形成包层传输的信号光。对于kW甚至10kW以上的高功率光纤激光器，这种剩余泵浦光和包层传输的信号光较大，若不加以处理，则会对激光器器件、激光输出模式及稳定性造成较大损害，甚至烧毁激光器。
泵浦剥离器是一种去除剩余泵浦光和包层传输信号光的器件，基本原理是破坏包层传输光的传输条件。迄今已有诸多文献和专利阐述去除剩余泵浦光的装置和方法，最简单的方法是直接将光纤低折射率涂覆层去除，然后在以高折射率的材料对去除了涂覆层部分进行涂覆固化(美国发明专利US4678273)，这种方法难以对低数值孔径光进行去除，功率剥除效率较低且光泄露点过于集中。为了克服这种方法的缺点，文献“Anovel method forstripping cladding lights in high power fiber lasers and amplifiers”J.Lightwave Technol.vol.30 pp.3199-3202采用氢氟酸蒸汽和氢氟酸溶液将双包层光纤腐蚀成光纤锥的方法对进行包层功率剥除，这种方法既可以解决光泄露过于集中又可以去除低数值孔径的包层光，但光纤锥难以制作。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于阶梯结构的高功率光纤包层功率剥离器装置，本发明装置通过将光纤内包层部分剥离成阶梯状形式并涂以不同折射率的高折射率光学凝胶，让内包层泄露光沿着光纤长度较为均匀泄露，构建三层光波导结构，让内包层泄露光能及时经光波导导出，同时采用具有良好散热性的材料作为上盖板和散热底座，利用循环水将热量及时带走。
本发明的技术解决方案是：一种高功率光纤包层功率剥离器装置，包括双包层光纤、光学模块、上盖板、水冷底座、水冷管，双包层光纤穿过光学模块与水冷底座，光学模块置于水冷底座内，水冷底座上部使用上盖板进行封装，水冷底座下部安装有水冷管。
所述的光学模块为三层波导结构，包括折射率为nL的透光材料、折射率为nJ的光学凝胶、折射率为nK的透光材料，折射率为nJ的光学凝胶位于两种透光材料之间，其中nJ<nL、nJ<nK，双包层光纤穿过光学凝胶的部分为部分剥除内包层双包层光纤；所述的部分剥除内包层双包层光纤两端没有剥除内包层，中间为剥除内包层后由直径不等的圆柱构成的阶梯状结构。
所述的阶梯状结构为两端的圆柱直径最大且依次往中间递减或一端的圆柱直径最大且依次往另一端递减。
所述的部分剥除内包层双包层光纤两端涂附有折射率为nR的光学凝胶，阶梯状结构中的圆柱i涂附有折射率为ni的光学凝胶，i＝1,2,3,,,n，n为阶梯状结构包含圆柱的个数，nR、n1,2,3,,,n大于内包层的折射率，且nR、n1,2,3,,,n小于nJ。
所述的阶梯状结构中各圆柱的长度均小于5cm。
所述的上盖板和散热底座的材料为铜或者铝。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明通过将光纤内包层部分剥离成阶梯状形式并逐步缩小内包层直径，使内包层泄露光沿着光纤长度较为均匀的泄露；
(2)本发明通过将光纤内包层部分剥离成阶梯状形式并减小阶梯状最后一个内包层直径，获得了极高的剥除效率；
(3)本发明通过构建三层光波导，让内包层泄露光分散且减小了光和热的功率密度，避免了泄露光过于集中导致光学凝胶被烧坏的情况。
附图说明
图1为本发明的整体装置示意图；
图2为本发明的光学模块示意(局部)；
图3为本发明的部分剥除外包层的光纤示意图(局部)。
具体实施方式
一种高功率光纤包层功率剥离器装置如图1所示，包括内包层直径为r0的双包层光纤1、光学模块2、上盖板3、水冷底座4、水冷管5，其中图1中光学模块2如图2所示，包括内包层直径为r0的双包层光纤1、部分剥除内包层双包层光纤24、折射率为nL的透光材料21、折射率为nJ的高折射率光学凝胶22、折射率为nK的透光材料23。图2中部分剥除内包层双包层光纤24如图3所示。
为使得功率剥离器能够提高剥除效率且使得内包层泄露光沿着光纤长度较为均匀泄露，采用如图3的部分剥除双包层内包层使之形成阶梯状形式31、32、33、34、35，并分别涂上n1的高折射率光学凝胶36、n2的高折射率光学凝胶37、n3的高折射率光学凝胶38、n4的高折射率光学凝胶39、n5的高折射率光学凝胶40。部分剥除内包层后光纤31、32、33、34、35的直径r1、r2、r3、r4、r5之间及与内包层直径r0的关系满足：r0>r1>r2>r3；r0>＝r5>＝r4>＝r3；长度L1、L2、L3、L4、L5都应小于5cm。光学凝胶36、37、38、39、40的折射率n1至n5及部分剥除内包层双包层光纤24没有剥除内包层的两端25上所涂的折射率为nR高折射率光学凝胶都大于内包层折射率。同时，部分剥除内包层使之形成阶梯状形式31、32、33、34、35可为对称结构即r0>r1>r2>r3、r0>r5>r4>r3且r1＝r5、r2＝r3或者非对称结构r0>r1>r2>r3、r3＝r4＝r5。另外，阶梯的个数可任意增加或减少到N(N>2)，阶梯的形状可为陡峭阶梯或缓变阶梯，每一个阶梯的长度可变且每个阶梯上所涂覆的光学凝胶折射率可变。
为使从涂有高折射率的光学凝胶部分泄露出的光及时分散导出，采用如图2所示的三层波导结构21、22、23。将涂好光学凝胶的阶梯双光纤置于折射率为nL的透光材料之上，再涂以折射率为nJ的光学凝胶、最后在光学凝胶上增加一层折射率为nK透光材料，形成三层波导结构的光学模块并固化。21、22、23的折射率nL、nJ、nK直接的关系满足nJ<nL，nJ<nK，且两层透光材料之间具有良好的紧密性。中间光学凝胶的折射率nJ应大于或者等于图3中36、37、38、39、40上所涂光学凝胶的折射率n1、n2、n3、n4、n5与部分剥除内包层双包层光纤24没有剥除内包层的两端上所涂光学凝胶的折射率nR中最大者。
同时，为使图2所示的光学模块产生的热量及时导出，采用通常具有良好散热性的材料如铜、铝等作为上盖板3和水冷底座4的制作材料并采用水冷进一步散热。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.一种高功率光纤包层功率剥离器装置，其特征在于包括双包层光纤(1)、光学模块(2)、上盖板(3)、水冷底座(4)、水冷管(5)，双包层光纤(1)穿过光学模块(2)与水冷底座(4)，光学模块(2)置于水冷底座(4)内，水冷底座(4)上部使用上盖板(3)进行封装，水冷底座(4)下部安装有水冷管(5)；所述的光学模块(2)为三层波导结构，包括折射率为nL的透光材料(21)、折射率为nJ的光学凝胶(22)、折射率为nK的透光材料(23)，折射率为nJ的光学凝胶(22)位于两种透光材料(21，23)之间，其中nJ<nL、nJ<nK，双包层光纤(1)穿过光学凝胶(22)的部分为部分剥除内包层双包层光纤(24)；所述的部分剥除内包层双包层光纤(24)两端没有剥除内包层，中间为剥除内包层后由直径不等的圆柱构成的阶梯状结构；所述的阶梯状结构为两端的圆柱直径最大且依次往中间递减或一端的圆柱直径最大且依次往另一端递减；所述的部分剥除内包层双包层光纤(24)两端涂附有折射率为nR的光学凝胶，阶梯状结构中的圆柱i涂附有折射率为ni的光学凝胶，i＝1,2,3…n，n为阶梯状结构包含圆柱的个数，nR、n1,2,3…n大于内包层的折射率，且nR、n1,2,3…n小于nJ；所述的阶梯状结构中各圆柱的长度均小于5cm；所述的上盖板(3)和水冷底座(4)的材料为铜或者铝；所述的中间为剥除内包层后由直径不等的圆柱构成的阶梯状结构包括长度为L1且直径为r1的第一阶梯(31)、长度为L2且直径为r2的第二阶梯(32)、长度为L3且直径为r3的第三阶梯(33)、长度为L4且直径为r4的第四阶梯(34)、长度为L5且直径为r5的第五阶梯(35)，第一阶梯(31)涂有n1的高折射率光学凝胶(36)，第二阶梯(32)涂有n2的高折射率光学凝胶(37)，第三阶梯(33)涂有n3的高折射率光学凝胶(38)，第四阶梯(34)涂有n4的高折射率光学凝胶(39)，第五阶梯(35)涂有n5的高折射率光学凝胶(40)，其中，r0>r1>r2>r3，r0>＝r5>＝r4>＝r3，L1、L2、L3、L4、L5均小于5cm，r0为内包层直径；所述的高功率光纤包层功率剥离器装置采用水冷散热。
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