CN104570224A - 一种高功率光纤光学准直耦合系统及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高功率光纤光学准直耦合系统及其制作方法，包括光纤，所述光纤出射端设置有对光进行扩束的光纤端帽，该光纤出射端所在的端部外套设有管状的光纤支架，所述光纤被光纤支架所裹覆的部分需去除涂覆层，所述光纤端帽的出射端面外设置有准直耦合透镜，所述光纤支架和准直耦合透镜均套设在同一套管内。装置能够承受高功率光输出，大大提高装置的使用寿命。极大提高准直耦合系统的传输和耦合功率，可以有效应用在传输和耦合功率要求较高的系统中。

Description

一种高功率光纤光学准直耦合系统及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种高功率光纤光学准直耦合系统及其制作方法。
背景技术
随着光纤激光器技术的日渐成熟，光纤激光器在激光焊接、激光切割、激光热处理、生物医学、3D打印等很多方面都有了广泛的应用。而且目前单光纤输出的功率越来越高，尤其在900nm-1100nm这个波段，目前商用的激光器已经可以做到单光纤连续输出1000瓦，即使在1550nm这个通讯波段，也可以在单模光纤中传输10瓦以上的功率。但是1550单模光纤的纤心直径大小为9.5um左右，1060nm双包层光纤纤心大小约10um，即使特殊设计的近单模大功率光纤的纤心也仅仅为30um，光纤端面所能承受的损伤阈值限制了其在准直和耦合等方面的使用。
发明内容
本发明针对上述现有技术存在的问题做出改进，即本发明所要解决的技术问题是提供一种高功率光纤光学准直耦合系统及其制作方法，能应用在各个波段中，解决了由于传输光功率很高导致的光纤端面或光纤包层损伤的问题，同时解决了由于光耦合或端面反射产生的返回光损坏光纤涂覆层或胶合层的问题。
为了解决上述技术问题，本发明的一种技术方案是：一种高功率光纤光学准直耦合系统，包括光纤，所述光纤出射端设置有对光进行扩束的光纤端帽，该光纤出射端所在的端部外套设有管状的光纤支架，所述光纤被光纤支架所裹覆的部分需去除涂覆层，所述光纤端帽的出射端面外设置有准直耦合透镜，所述光纤支架和准直耦合透镜均套设在同一套管内。
进一步的，所述光纤端帽为熔石英材质的玻璃棒或大芯径光纤，所述光纤端帽的出射端面需进行精细研磨抛光，其抛光角度为0°~15°，该出射端面上镀有高损伤阈值增透膜；所述光纤端帽的长度及外径的取值需以保障端帽材料本身和增透膜承受光输出功率而不受损伤为前提，且光纤端帽的出射端面出射的光斑大小不超过其外径的40%。
进一步的，所述光纤端帽与光纤通过熔接在一起，所述熔接方式通过放电、火焰加热、电加热或CO2激光器实现，所述光纤端帽的出射端面与光纤支架的端部平齐或突出该端部。
进一步的，所述光纤支架的材料包括玻璃、宝石或金属，所述光纤支架材料为玻璃时，其折射率大于1.52，所述光纤支架与光纤端帽通过加热熔融固定连接或使用高折射率胶水粘接。
进一步的，所述的准直耦合透镜的两个通光面均镀有高损伤阈值增透膜，该准直耦合透镜为单透镜或用透镜组实现光斑的准直耦合。
进一步的，所述套管与光纤支架之间设置有裹覆光纤支架及该处光纤的散热固定管，所述光纤被散热固定管所裹覆的部分也需去除涂覆层，所述散热固定管为金属管或玻璃管。
进一步的，所述散热固定管与光纤之间留有间隙，以使光纤内光功率较高时，该间隙内填充有折射率大于1.47的高折射率胶水。
进一步的，所述套管为金属管或玻璃管，所述准直耦合透镜与套管通过胶水固定连接，所述散热固定管与套管通过胶水固定、螺纹固定或螺钉固定连接。
为了解决上述技术问题，本发明的另一种技术方案是：一种高功率光纤光学准直耦合系统的制作方法，按以下步骤进行：
（1）根据使用情况，选定光纤的型号，并根据光纤的参数计算光纤端帽的长度，所述光纤端帽为大芯径光纤或玻璃棒；
（2）将光纤包层去除一部分，用酒精清洁之后，用切割刀将该端面切平，或使用光学抛光该端面，或使用激光切割处理该端面，切割角度控制在1度以下；
（3）光纤端帽选择大芯径光纤时，将大芯径光纤的包层去除一部分，用酒精清洁之后，用切割刀将光纤切平，或使用光学抛光端帽的端面，或使用激光切割处理端帽的端面，切割角度控制在1度以下；
（4）将光纤和光纤端帽放在熔接机上，将光纤和光纤端帽处理好的端面相熔接在一起，如果光纤直径大于250微米，使用特殊熔接机或CO2激光器熔接光纤和光纤端帽，当然，火焰或电加热熔接也能实现上述熔接；
（5）熔接之后，用刀具将多余光纤端帽部分其切断，并用酒精清洁断面之后备用，所述光纤端帽的保留长度的取值需以保障端帽材料本身承受光输出功率而不受损伤为前提，且光纤端帽的出射端面出射的光斑大小不超过其外径的40%；
（6）将处理好后的光纤和光纤端帽装配在一管状的光纤支架内，并用夹具固定，保持两者位置稳定，光纤被光纤支架所裹覆的部分需去除涂覆层，所述光纤支架为低熔点的玻璃；
（7）所述光纤的纤芯为高熔点的熔石英玻璃，利用光纤支架和光纤的熔点差，通过加热或CO2激光器将两者熔在一起，必要时，在两者的缝隙间填充低熔点玻璃粉，当使用光功率不高时，用折射率高于1.47的高折射率胶水粘接两者，且在使用波段的透过率良好；
（8）装配之后，研磨光纤端帽的端面，并在高倍显微镜下检测通光面，为保证高功率使用而不损伤光纤端帽的端面，通光区域的光洁度应为0-0，即在高倍显微镜下无点子与道子；或在装配光纤支架之前，使用特殊夹具，直接研磨抛光光纤端帽的端面，而不研磨光纤支架，研磨过程中注意控制所需的端帽长度在设计范围之内；
（9）在研磨好后的光纤端帽端面上镀高损伤阈值增透膜；
（10）将上述装配好的构件装在一个套管内中，所述套管为金属管或玻璃管；
（11）在套管内相对光纤端帽的位置设置一准直耦合透镜，该准直耦合透镜两侧通光面需镀高损伤阈值增透膜；
（12）用已经装配好的标准组件和功率计调整光纤端帽与准直耦合透镜之间的间隙，调整到光损耗最小，然后点上胶水，待胶水固化后，光纤端帽与准直耦合透镜之间的间隙即固定；或通过光斑测试仪测试出射光束设计束腰及工作距离位置光斑大小的方式，进而确定光纤端帽与准直耦合透镜的间隙，待间隙调整好之后，点上胶水，待胶水固化后，光纤端帽与准直耦合透镜之间的间隙即固定；当套管采用金属管时，或通过在金属管上开螺纹孔，使用螺钉固定光纤端帽；或使用螺纹连接的方式固定套管和光纤支架，然后用螺纹胶固定光纤端帽与准直耦合透镜的位置。
进一步的，所述套管与光纤支架之间设置有裹覆光纤支架及该处光纤的散热固定管，所述光纤被散热固定管所裹覆的部分也需去除涂覆层，所述散热固定管为金属管或玻璃管；所述散热固定管与光纤之间留有间隙，以使光纤内光功率较高时，该间隙内填充有折射率大于1.47的高折射率胶水。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本装置通过在光纤出射端装光纤端帽、准直耦合透镜等，使用了光纤端帽技术，使出射光纤的光，经过扩束之后才出射，能显著降低由于能量密度太高而损伤光纤端面的现象发生，而且能应用在各个波段中，解决了由于传输光功率很高导致的光纤端面或光纤包层损伤的问题，同时解决了由于光耦合或端面反射产生的返回光损坏光纤涂覆层或胶合层的问题。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
附图说明
图1为本发明实施例的构造示意图。
图2为本发明实施例中光纤与等径的光纤端帽的装配示意图。
图3为本发明实施例中光纤与异径的光纤端帽的装配示意图。
图4为本发明实施例中等径的光纤端帽与光纤支架的装配示意图。
图5为本发明实施例中异径的光纤端帽与光纤支架的装配示意图。
图6为本发明实施例中光纤端帽、光纤支架与散热固定管的装配示意图。
图7为本发明实施例中胶水粘接式结构光正向传输过程中包层光与端面反射光溢出示意图。
图8为本发明实施例中熔融固定式结构光正向传输过程中包层光与端面反射光溢出示意图。
图9为本发明实施例中胶水粘接式结构光反向传输过程中包层光溢出示意图。
图10为本发明实施例中熔融固定式结构光反向传输过程中包层光溢出示意图。
图中：1-光纤，2-光纤端帽，2a-等径光纤端帽，2b-异径光纤端帽，3-光纤支架，4-套管，5-准直耦合透镜，6-固定散热管，7-高折射率胶水。
具体实施方式
实施例一：如图1所示，一种高功率光纤光学准直耦合系统，包括光纤1，所述光纤1出射端设置有对光进行扩束的光纤端帽2，该光纤出射端所在的端部外套设有管状的光纤支架3，所述光纤1被光纤支架3所裹覆的部分需去除涂覆层，所述光纤端帽2的出射端面外设置有准直耦合透镜5，所述光纤支架3和准直耦合透镜5均套设在同一套管4内，所述套管4与光纤支架3之间设置有裹覆光纤支架及该处光纤的散热固定管6，所述光纤1被散热固定管6所裹覆的部分也需去除涂覆层，所述散热固定管为金属管或玻璃管。所述散热固定管6与光纤1之间留有间隙，以使光纤内光功率较高时，该间隙内填充有折射率大于1.47的高折射率胶水7。
先将光纤1剥除一定长度的涂覆层，剥除的长度与使用的光纤支架及设计的散热固定管有关，通常情况下这个长度在0.5-30厘米之间；剥除外部涂覆层之后，可使用切割刀、激光切割或抛光方式将光纤端面处理好；将处理好的光纤与光纤端帽2熔接在一起，熔接方式可使用放电、加热或CO2激光器，光纤端帽2的材料可使用但不局限于大芯径光纤或玻璃棒，端帽的外径大小无特殊限制，可与光纤外径一样，如图2中的等径光纤端帽2a，也可如图3中的异径光纤端帽2b所示，与光纤直径有较大差别。
熔接好之后将光纤端帽2的端面研磨，形成光洁度良好的出射面，当然，也可以将端帽研磨抛光好之后再进行熔接。光纤端帽长度以控制出射端的光斑直接小于其外径40%为宜，光纤端帽的研磨角度通常为0度，因为光纤熔接了一定长度的光纤端帽之后，光纤端帽的出射面即使抛成0度，也能保证返回光纤的光足够少而且满足系统要求，如需特殊设计，这个光纤端帽的抛光角度也通常小于15度。
将光纤端帽2装配到光纤支架中，图4所示的是等径光纤端帽2a与光纤支架3装配示意图，图5所示的是异径光纤端帽2b与光纤支架3装配示意图。其实先装配光纤支架3，然后在研磨抛光，或先研磨抛光光纤端帽，再行装配都是可以的，没有必然的先后顺序。固定光纤端帽2的方式可使用胶水粘接，也可使用加热玻璃光纤支架，让其与光纤直接熔融在一起，还可使用CO2激光器，将玻璃光纤支架与光纤直接熔接起来；或在光纤和光纤支架之间的缝隙添加低熔点玻璃粉，然后加热，让玻璃粉熔化将两者粘接在一起也是不错的固定方式。
如图6所示，将光纤支架3与散热固定管6装配在一起，在光纤包层外侧以高折射率胶水7填充，其实这个散热固定管6非必须品，也可使用足够长的光纤支架3替代，光纤支架3的材质如果是玻璃材质，建议使用折射率高于1.52的玻璃光纤支架，能更好让溢出的光发散出去，不过为了起到对光良好的吸收以及散热效果，金属的光纤支架以及散热固定管是相对比较好的选择；散热固定管6通常选用散热性能良好的金属，以方便内部淤积的热量及时散出，当功率较高时，此散热固定管外可设计水冷系统，提高散热效率。
在研磨抛光后的光纤端帽2表面镀高损伤阈值增透膜。
准直耦合透镜5预先装配在套管4中，然后将光纤1与光源熔接在一起，调整光纤端帽2出射面与准直耦合透镜5的距离，使出射的光斑满足预先设计的要求，或使用预先生产的标准高功率光学准直耦合系统在设定的工作距离上与待测的耦合，利用光功率计测试耦合效率，当参数符合要求时，可用紫外胶固定好光纤端帽2和准直耦合透镜5的相对位置，也可使用热固化胶，直接高温固化，使两者的位置固定，还可在套管上加工螺纹孔，使用螺丝固定两者，或在套管与散热固定管上都加工螺纹，缓慢旋转调整，待调整好之后用螺纹胶或其他固定方式直接固定两者。
本发明的优势在于：
1、使用了光纤端帽技术，使出射光纤的光，经过扩束之后才出射，能显著降低由于能量密度太高而损伤光纤端面的现象发生
2、如图7所示光的正向传输光路，图7中由于使用了高折射率胶水7，通常胶水的折射率高于1.47，高折射率胶水7包裹光纤1使得光纤包层中的光有效溢出到胶水中，而不在返回到光纤，而光纤端帽2端面的反射光也会溢出到胶水中，不在对光路产生影响。如图8所示的图中利用熔融技术将光纤1和端帽2与光纤支架3熔融在一起，由于光纤支架3的玻璃材料折射率高于光纤1和端帽2，所以光纤1包层中的杂散光以及端帽2表面的反射光会直接折射到光纤支架3中，而不在返回光纤中，也不会对后续的测试已经光耦合的产品产生影响，此技术适合使用在功率较高的器件，由于两者结合是直接熔融的，没有了胶水的吸收，所以能让更多的包层光折射到光纤支架中，而不必担心由于胶水吸收和透过率造成胶水被烧毁的问题
3、如图9所示，反向耦合光由于透镜不能完美地耦合到光纤1的纤心中，总是会有一部分光被耦合到光纤1的包层之中，如果不能将这部分光去除掉，在高功率使用过程中，会将光纤的涂覆层烧毁，更会对后续的使用产生巨大的影响，本发明在光纤外部包裹了高折射率胶水7，由于胶水的折射率（折射率>1.47）高于光纤，根据光学折射定律，光将直接折射到胶层中，而不在返回到光纤包层中，如光纤支架是金属材料，则这部分光会经过多次折射后，被金属的光纤支架系数，如光纤支架是玻璃材料，由于支架的材料折射率高于胶水，根据光学折射定律，光将直接折射到光纤支架中，而不再返回到胶层中，直接被最外侧的金属散热固定管吸收，此结构能有效保护器件的使用安全可靠。如图10所示的是玻璃材质的光纤支架3直接与光纤1及端帽2直接熔融的方案，耦合光由于透镜不能完美耦合到光纤1的纤心中，而由部分光耦合到包层中，由于光纤支架3的玻璃材料折射率高于光纤1及端帽2，所以被耦合到包层中的这部分光由于光学折射定律将直接被折射到光纤支架3中，而不再返回到光纤1包层中，这部分光最终会被最外侧的金属散热固定管直接吸收，此方案由于没有了胶层，所以能承受更高的功率而不必担心烧毁的问题。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种高功率光纤光学准直耦合系统，其特征在于：包括光纤，所述光纤出射端设置有对光进行扩束的光纤端帽，该光纤出射端所在的端部外套设有管状的光纤支架，所述光纤被光纤支架所裹覆的部分需去除涂覆层，所述光纤端帽的出射端面外设置有准直耦合透镜，所述光纤支架和准直耦合透镜均套设在同一套管内。
2.根据权利要求1所述的高功率光纤光学准直耦合系统，其特征在于：所述光纤端帽为熔石英材质的玻璃棒或大芯径光纤，所述光纤端帽的出射端面需进行精细研磨抛光，其抛光角度为0°~15°，该出射端面上镀有高损伤阈值增透膜；所述光纤端帽的长度及外径的取值需以保障端帽材料本身和增透膜承受光输出功率而不受损伤为前提，且光纤端帽的出射端面出射的光斑大小不超过其外径的40%。
3.根据权利要求1所述的高功率光纤光学准直耦合系统，其特征在于：所述光纤端帽与光纤通过熔接在一起，所述熔接方式通过放电、火焰加热、电加热或CO2激光器实现，所述光纤端帽的出射端面与光纤支架的端部平齐或突出该端部。
4.根据权利要求1所述的高功率光纤光学准直耦合系统，其特征在于：所述光纤支架的材料包括玻璃、宝石或金属，所述光纤支架材料为玻璃时，其折射率大于1.52，所述光纤支架与光纤端帽通过加热熔融固定连接或使用高折射率胶水粘接。
5.根据权利要求1所述的高功率光纤光学准直耦合系统，其特征在于：所述的准直耦合透镜的两个通光面均镀有高损伤阈值增透膜，该准直耦合透镜为单透镜或用透镜组实现光斑的准直耦合。
6.根据权利要求1所述的高功率光纤光学准直耦合系统，其特征在于：所述套管与光纤支架之间设置有裹覆光纤支架及该处光纤的散热固定管，所述光纤被散热固定管所裹覆的部分也需去除涂覆层，所述散热固定管为金属管或玻璃管。
7.根据权利要求6所述的高功率光纤光学准直耦合系统，其特征在于：所述散热固定管与光纤之间留有间隙，以使光纤内光功率较高时，该间隙内填充有折射率大于1.47的高折射率胶水。
8.根据权利要求7所述的高功率光纤光学准直耦合系统，其特征在于：所述套管为金属管或玻璃管，所述准直耦合透镜与套管通过胶水固定连接，所述散热固定管与套管通过胶水固定、螺纹固定或螺钉固定连接。
9.一种高功率光纤光学准直耦合系统的制作方法，其特征在于，按以下步骤进行：
（1）根据使用情况，选定光纤的型号，并根据光纤的参数计算光纤端帽的长度，所述光纤端帽为大芯径光纤或玻璃棒；
（2）将光纤的包层去除一部分，用酒精清洁之后，用切割刀将该端面切平，或使用光学抛光该端面，或使用激光切割处理该端面，切割角度控制在1度以下；
（3）光纤端帽选择大芯径光纤时，将大芯径光纤一端面的包层去除一部分，用酒精清洁之后，用切割刀将光纤切平，或使用光学抛光端帽的端面，或使用激光切割处理端帽的端面，切割角度控制在1度以下；
（4）将光纤和光纤端帽放在熔接机上，将光纤和光纤端帽处理好的端面相熔接在一起，如果光纤直径大于250微米，使用特殊熔接机或CO2激光器熔接光纤和光纤端帽，当然，火焰或电加热熔接也能实现上述熔接；
（5）熔接之后，用刀具将多余光纤端帽部分其切断，并用酒精清洁断面之后备用，所述光纤端帽的保留长度的取值需以保障端帽材料本身承受光输出功率而不受损伤为前提，且光纤端帽的出射端面出射的光斑大小不超过其外径的40%；
（6）将处理好后的光纤和光纤端帽装配在一管状的光纤支架内，并用夹具固定，保持两者位置稳定，光纤被光纤支架所裹覆的部分需去除涂覆层，所述光纤支架为低熔点的玻璃；
（7）所述光纤的纤芯为高熔点的熔石英玻璃，利用光纤支架和光纤的熔点差，通过加热或CO2激光器将两者熔在一起，必要时，在两者的缝隙间填充低熔点玻璃粉，当使用光功率不高时，用折射率高于1.47的高折射率胶水粘接两者，且在使用波段的透过率良好；
（8）装配之后，研磨光纤端帽的端面，并在高倍显微镜下检测通光面，为保证高功率使用而不损伤光纤端帽的端面，通光区域的光洁度应为0-0，即在高倍显微镜下无点子与道子；或在装配光纤支架之前，使用特殊夹具，直接研磨抛光光纤端帽的端面，而不研磨光纤支架，研磨过程中注意控制所需的端帽长度在设计范围之内；
（9）在研磨好后的光纤端帽端面上镀高损伤阈值增透膜；
（10）将上述装配好的构件装在一个套管内中，所述套管为金属管或玻璃管；
（11）在套管内相对光纤端帽的位置设置一准直耦合透镜，该准直耦合透镜两侧通光面需镀高损伤阈值增透膜；
（12）用已经装配好的标准组件和功率计调整光纤端帽与准直耦合透镜之间的间隙，调整到光损耗最小，然后点上胶水，待胶水固化后，光纤端帽与准直耦合透镜之间的间隙即固定；或通过光斑测试仪测试出射光束设计束腰及工作距离位置光斑大小的方式，进而确定光纤端帽与准直耦合透镜的间隙，待间隙调整好之后，点上胶水，待胶水固化后，光纤端帽与准直耦合透镜之间的间隙即固定；当套管采用金属管时，或通过在金属管上开螺纹孔，使用螺钉固定光纤端帽；或使用螺纹连接的方式固定套管和光纤支架，然后用螺纹胶固定光纤端帽与准直耦合透镜的位置。
10.根据权利要求9所述的高功率光纤光学准直耦合系统的制作方法，其特征在于：所述套管与光纤支架之间设置有裹覆光纤支架及该处光纤的散热固定管，所述光纤被散热固定管所裹覆的部分也需去除涂覆层，所述散热固定管为金属管或玻璃管；所述散热固定管与光纤之间留有间隙，以使光纤内光功率较高时，该间隙内填充有折射率大于1.47的高折射率胶水。
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