CN104880764A - 一种祛除包层光的方法、光纤及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光加工技术领域，公开了一种祛除包层光的方法、光纤及其制造方法，该制造方法包括：在光纤的包层外周涂覆金属涂层；在所述金属涂层的外周连接导热层；将所述导热层连接冷却板。按照该制造方法即可制造得到可祛除包层光的光纤，在激光输出的光路上连接所述光纤即可祛除包层光。本发明优化了高功率光纤激光器的光束质量和光谱纯度，同时解决相应的散热问题，减小了高功率激光器的运行热负荷，提高其运行稳定性。

Description

一种祛除包层光的方法、光纤及其制造方法

技术领域

本发明属于激光加工技术领域，尤其涉及一种祛除包层光的方法、光纤及其制造方法。

背景技术

光纤激光器以其效率高、光束质量好、方便使用、稳定可靠等独特优势被广泛应用于材料加工、美容与医疗、军事科技、光纤通信等众多重大领域，取得了很好的社会和经济效益，已经形成了广泛的以光纤激光为代表的激光加工产业、激光医疗产业、激光通信产业、激光印刷产业、激光打标产业等等。随着应用领域的不断扩大和实际需求的不断提高，高输出功率是光纤激光器的重要发展方向，然而常规的光纤激光器都是将泵浦光直接耦合到直径小于10μm的单模光纤纤芯中，耦合效率低、难度大，耦合进掺杂光纤中的泵浦光很少，加之本身转换效率的限制，导致光纤激光器的输出功率较低。

以双包层光纤为基础出现的包层泵浦技术，为解决泵浦光耦合难的问题，提高光纤激光器的输出功率给出了解决方案：普通单模光纤全部的石英玻璃包层渐变为围绕稀土掺杂纤芯的第二个波导，相对于纤芯为10μm左右的普通单模光纤极大的增加了泵浦光的收集面积；较大的内包层包裹着较细的纤芯，随着入射泵浦光在包层中传播穿过纤芯的过程中，即被纤芯中的掺杂离子吸收产生粒子数反转形成激光。一方面，双包层光纤与纤芯形成的波导结构，使得产生的激光由于全反射只是严格的存在于单模纤芯中，保证了其输出激光良好的模式特性。另一方面，其内包层的结构尺寸较普通光纤的纤芯大很多，通常可达几百微米，降低了泵浦光耦合进入纤芯的难度，可把更大功率的泵浦光导入纤芯，使得光纤激光器也加入了高功率激光器的行列。

因此，高功率光纤激光器和放大器普遍采用了包层泵浦技术。随着包层泵浦技术的发展，存在螺旋光而吸收效率仅在50％左右的圆形内包层结构，已经逐渐演变成了能有效阻断螺旋光，且吸收效率更高的六边形、八边形、梅花形、D型等形状，然而由于波导结构本身、稀土离子吸收能力等限制不可能完全吸收泵浦光，各种各样改进后的双包层光纤对包层泵浦光的吸收效率普遍截止在90％左右，因此总会有至少10％的泵浦光不可能被纤芯吸收，存在于包层中随着激光一起输出。此外，加之实际制备的光纤难免有各种各样的缺陷，还有由于自发辐射、熔点处泄露以及芯层泄露而存在于包层中的光，所有这些未能被吸收、散射反射的各种在包层中传输的光均为“不需要的光”，都能沿着光纤传输增加系统高功率运行的负担，并降低输出激光光束质量和光谱纯度。因此，将光纤激光器及放大器系统中光纤包层传输的“不需要的光”滤除掉，对提高系统在高功率运行时的稳定性以及激光光束质量和光谱纯度具有非常重要的意义。

关于高功率光纤激光器包层光的滤除问题，现有技术中，已经有方法被公布，其基本原便是去除原有光纤的低折射率涂覆层，然后用高折射率材料进行再涂覆，利用全反射原理将包层中的光导入高折射率的涂覆层进行滤除。然而，由于再涂覆层本身为低燃点、高热阻的聚合物材料，大量进入再涂覆层的包层光便给导热性能差、易燃烧的涂层便给散热和稳定运行带了难题，因此，现有技术中并没有较好地解决祛除光纤中包层光的问题。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种祛除包层光的方法、光纤及其制造方法，能够祛除光纤中的包层光并解决相应的散热问题。

本发明实施例是这样实现的：

提供了一种光纤的制造方法，所述光纤中的纤芯外周包覆光纤的包层，在光纤的包层外周涂覆金属涂层；在所述金属涂层的外周连接导热层；将所述导热层连接冷却板。

所述的一种光纤的制造方法，在涂覆金属涂层之前还包括：将光纤的包层放入氢氟酸溶液中进行刻蚀，使得包层表面形成凹凸粗糙的刻蚀层。

所述的一种光纤的制造方法，刻蚀完成后，冲洗干净光纤的包层表面残留的氢氟酸溶液并烘干。

所述的一种光纤的制造方法，在涂覆金属涂层之前还包括：将光纤的包层外周的涂覆层去除，使所述光纤的包层裸露在外。

所述的一种光纤的制造方法，所述金属涂层的材料为铋、锡、铟、铝、金这五种金属材料中的一种或者任意某几种这五种材料的合金。

所述的一种光纤的制造方法，涂覆金属涂层具体包括：将待涂覆光纤的两端夹持固定，使得光纤恰好位于金属涂层浇铸槽的中央位置，并保证其平行于金属涂层浇铸槽的底面及侧壁；将准备好的金属熔融液倒入金属浇铸槽中；静待10—60分钟使得金属浇铸槽的温度降至室温，轻轻敲打槽壁去掉金属浇铸槽只留下浇铸完毕的金属涂层。

所述的一种光纤的制造方法，在所述金属涂层的外周连接导热层具体包括：将浇铸完成的光纤平行放入并固定于热沉的中央位置；在浇铸完成的光纤周围敷设导热硅胶，在导热硅胶和热沉侧壁之间的空间填充石墨导热片。

所述的一种光纤的制造方法，将所述导热层连接冷却板具体包括：将所述热沉固定安装在水冷板上。

以及，一种按照上述的光纤的制造方法制造得到光纤。

以及，一种祛除包层光的方法，在激光输出的光路上连接按照上述的光纤的制造方法制造得到光纤。

本发明实施例通过在光纤包层的外周涂覆金属涂层以及增加相应的导热层及冷却方案，使得光纤包层中多余的泵浦光被折射出光纤，优化了高功率光纤激光器的光束质量和光谱纯度，同时解决相应的散热问题，减小了高功率激光器的运行热负荷，提高其运行稳定性。

附图说明

图1是本发明实施例中制备滤除包层光的金属涂层的过程示意图；

图2是本发明实施例中浇铸金属涂层示意图；

图3是本发明实施例中金属涂层固定及导热示意图；

图4是本发明实施例中滤除包层光过程示意图；

图5是本发明实施例中应用滤除包层光光纤的示意图。

附图标记：

101—纤芯；102—包层；103—涂覆层；104—刻蚀层；105—金属涂层；201—待涂覆光纤；202—光纤固定架；203—金属涂层浇铸槽；204—浇铸槽壁；301—导热硅胶；302—石墨导热片；303—热沉；304—金属涂层固定螺钉；305—热沉固定螺钉；306—水冷板；401—待滤除包层光；402—被吸收包层光；501—泵浦源；502—增益光纤；503—高反光栅；504—高透光栅；505—金属涂层处理光纤区域；506—滤除包层光后输出激光

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明中，通过去除低折射率的光纤涂覆层，用金属材料对其进行再涂覆，以金属材料将泄漏出包层的光进行吸收，并利用金属材料良好的导热性能将产生的热量散去；其中，金属涂材料层为铋(Bi)、锡(Sn)、铟(In)、铝(Al)、金(Au)这五种金属材料中的一种或者某几种这五种材料的合金，或者其他金属。

本发明实施例通过在光纤上进行二次加工，用金属涂层代替传统的涂覆层，或者在光纤制造之初就直接采用金属涂层代替传统的涂覆层，从而能够吸收光纤包层中多余的泵浦光，即祛除包层光，并相应增加金属涂层的散热方案，从而不仅解决了祛除包层光的问题，能够很好的优化高功率光纤激光器的光束质量和光谱纯度，同时解决相应的散热问题，减小了高功率激光器的运行热负荷，提高其运行稳定性。

以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述：

本发明实施例实现滤除包层“不需要光”的主要方式便是围绕光纤包层的金属涂层，其基本的制备过程如图1所示：(a)选择待涂覆的光纤或者光纤段；(b)去除选择区域段光纤的涂覆层103，并保证纤芯101和包层102完整无损；(c)把去除了涂覆层的光纤放入氢氟酸溶液中，对剥去涂覆层裸露包层的光纤进行刻蚀，得到表面凹凸粗糙的刻蚀层104；(d)冲洗干净光纤表面残留的氢氟酸溶液，并将光纤烘干进而浇铸金属涂层105。

上述过程中对光滑的光纤表面进行粗糙刻蚀处理可以增加其表面积，使得所浇铸的金属溶液能够更牢靠的附着在光纤表面而不易脱落或者松动。金属涂层的浇铸过程及其相应的浇铸装置如图2所示：将待涂覆光纤201的两端夹持在光纤固定架202上，调节两端光纤固定架202的上下高低位置使得光纤恰好位于金属涂层浇铸槽203的中央位置，并保证两端固定架的高低和左右位置一直使得光纤完全平行于金属涂层浇铸槽203的底面及侧壁。金属涂层浇铸槽的槽长a、槽宽b和槽深c分别可以在10—50mm、2—5mm和2—10mm的范围内变化，根据所涂覆光纤参数的变化和其他要求的不同可选择一定的参数a、b和c制备相应的金属涂层浇铸槽203。金属涂层浇铸槽203由纯度99.99％以上的铜材料制成，浇铸槽壁204的厚度确定为3mm，在保证良好散热的同时又有一定的保温效果，使得金属浇铸液在冷却的时候能够缓慢的降温。调节金属浇铸槽203的槽长a、槽宽b和槽深c以及光纤固定架201的位置，改变光纤相对于金属浇铸槽侧壁及底的相对距离便可以调节金属涂层的浇铸厚度，选定好上述参数后，将事先准备好的金属熔融液倒入金属浇铸槽中，便可完成金属涂层的浇铸工作。

金属涂层浇铸完成后，静待10—60分钟使得金属浇铸槽203的温度降至室温，轻轻敲打槽壁去掉金属浇铸槽203只留下浇铸完毕的金属涂层。图3中，将浇铸完成的光纤放入热沉303中，利用涂层固定螺钉304将金属涂层105连同待涂覆光纤201一起固定在热沉303的中央位置，并在其侧壁和金属涂层105周围敷设石墨导热片302和导热硅胶301，再将整个热沉303固定在水冷板306上。热沉303由导热性能良好的铜质材料制成，连同石墨导热片302及导热硅胶301一起可以及时有效的将金属涂层105中产生的热量传导至水冷板306，再由水冷板306将这些热量带走。

包层中“不需要的光”被滤除的过程如图4所示：当待滤除包层光401来回在光纤表面反射时，其泄露出去的光迅速被环绕着光纤包层102的金属涂层105吸收，随着传输距离和反射次数的增加被吸收的包层光402逐渐增多，而剩余的包层光则逐渐减少，便可达到滤除包层光的目的。与此同时，因吸收包层光而发热的金属涂层导热和抗热性能良好，能够在吸收包层光的同时，及时有效的降低光纤表面的热量，减小整个激光器的工作热负荷。

采用本发明方法在具体的光纤激光器中滤除包层光的过程可由图5来展示：泵浦源501输出的泵浦光经过高反光栅503后进入增益光纤502，在增益光纤中所产生的激光在高反光栅503和高透光纤504之间进行振荡后，由高透光栅输出，输出后的激光进连同包层中“不需要的光”一起进入本发明的金属涂层处理光纤区域505中，经过金属涂层105的吸收滤除包层中“不需要的光”并将由此产生的大量热量及时散去。经过这样的一个或者多个的金属涂层处理光纤区域505后，光纤包层中“不需要的光”便可以被有效的滤除掉同时不增加激光器的热负荷，滤除包层中“不需要的光”之后，便可得到光谱更纯光束质量更高的滤除包层光后输出激光506。

实例1 采用铝(Al)涂层制造光纤祛除包层光

选择好待涂覆光纤201并去除其长度30mm的涂覆层103，将去除包层的光纤段在氢氟酸中刻蚀20分钟左右；洗净烘干带涂覆光纤201后，将其夹持在光纤固定架201的两端并调节光纤处于金属浇铸槽203的中央，把事先准备好的金属铝熔融液均匀的浇铸在金属浇铸槽203内；冷却降温30分钟至室温后，取出涂覆好的光纤并将其固定在热沉303的中央，将石墨导热片302和导热硅胶301填满铝涂层105与热沉303侧壁间的空隙后，把热沉固定在水冷板306上。随着包层中的光在光纤表面不断的反射，泄露出去的包层光被铝涂层迅速吸收转化为热量，并被水冷板306及时带走，可以在滤除包层光的同时又有良好的散热性能，提高了输出激光的光谱纯度和光束质量又不增加激光器的热负荷。

实例2 采用锡(Sn)涂层制造光纤祛除包层光

选择好待涂覆光纤201并去除其长度20mm的涂覆层103，间隔50mm之后再剥去一段长度20mm的涂覆层103；将去除包层的两段光纤在氢氟酸中各刻蚀20分钟左右；洗净烘干待涂覆光纤201后，将其夹持在光纤固定架201的两端并调节第一段光纤处于金属浇铸槽203的中央，把事先准备好的金属锡熔融液均匀的浇铸在金属浇铸槽203内；冷却降温25分钟至室温后，取出涂覆好的光纤并将其固定在热沉303的中央，将石墨导热片302和导热硅胶301填满锡涂层105与热沉303侧壁间的空隙后，把热沉固定在水冷板306上。再按照与上述一样的过程处理好第二段光纤。随着包层中的光在光纤表面不断的反射，泄露出去的包层光被锡涂层迅速吸收转化为热量，并被水冷板306及时带走，可以在滤除包层光的同时又有良好的散热性能，提高了输出激光的光谱纯度和光束质量又不增加激光器的热负荷。

上述浇铸槽为黄铜制成，浇铸槽为矩形结构，根据涂覆光纤的不同，浇铸槽可以设计成槽宽、槽深、槽长变化的一系列浇铸槽；浇铸槽两端各有一个光纤固定架，可用以固定和调节光纤的位置，槽宽、槽深、槽长以及光纤的固定位置便可以决定涂层的形状及大小。

上述方法中，对浇铸完成的光纤及涂层的固定，采用专用设计的固定热沉；该热沉与金属涂层间填充有导热材料，可以将金属涂层中的热量及时导出，并起到固定金属涂层以及光纤的作用。

按照上述方法制造的光纤，便可以得到可以祛除包层光的光纤，本发明实施例的光纤，沿光纤径向由内至外包括纤芯101、包层102、金属涂层105、导热硅胶301、石墨导热片302和热沉303，以及与热沉303连接的水冷板306，采用这样的光纤输出激光即能祛除包层光。

综上所述，应用本发明提供的方法可以有效的滤除高功率光纤激光器包层中“不需要的光”，在滤除包层光的同时能够有效散热降低激光器的热负荷，可有效优化高功率光纤激光器的光束质量和光谱纯度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光纤的制造方法，所述光纤中的纤芯外周包覆光纤的包层，其特征在于：

在光纤的包层外周涂覆金属涂层；

在所述金属涂层的外周连接导热层；

将所述导热层连接冷却板。

2.根据权利要求1所述的一种光纤的制造方法，其特征在于，在涂覆金属涂层之前还包括：将光纤的包层放入氢氟酸溶液中进行刻蚀，使得包层表面形成凹凸粗糙的刻蚀层。

3.根据权利要求2所述的一种光纤的制造方法，其特征在于：刻蚀完成后，冲洗干净光纤的包层表面残留的氢氟酸溶液并烘干。

4.根据权利要求1所述的一种光纤的制造方法，其特征在于，在涂覆金属涂层之前还包括：将光纤的包层外周的涂覆层去除，使所述光纤的包层裸露在外。

5.根据权利要求1所述的一种光纤的制造方法，其特征在于：所述金属涂层的材料为铋、锡、铟、铝、金这五种金属材料中的一种或者任意某几种这五种材料的合金。

6.根据权利要求1所述的一种光纤的制造方法，其特征在于，涂覆金属涂层具体包括：

将待涂覆光纤的两端夹持固定，使得光纤恰好位于金属涂层浇铸槽的中央位置，并保证其平行于金属涂层浇铸槽的底面及侧壁；

将准备好的金属熔融液倒入金属浇铸槽中；

静待10—60分钟使得金属浇铸槽的温度降至室温，轻轻敲打槽壁去掉金属浇铸槽只留下浇铸完毕的金属涂层。

7.根据权利要求6所述的一种光纤的制造方法，其特征在于，在所述金属涂层的外周连接导热层具体包括：

将浇铸完成的光纤平行放入并固定于热沉的中央位置；

在浇铸完成的光纤周围敷设导热硅胶，在导热硅胶和热沉侧壁之间的空间填充石墨导热片。

8.根据权利要求7所述的一种光纤的制造方法，其特征在于，将所述导热层连接冷却板具体包括：将所述热沉固定安装在水冷板上。

9.一种光纤，其特征在于：采用权利要求1至8任一所述的光纤的制造方法得到。

10.一种祛除包层光的方法，其特征在于：在激光输出的光路上连接权利要求9所得到的光纤。