CN105068181A - 一种光纤包层光滤除器及其制造方法 - Google Patents

一种光纤包层光滤除器及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光纤包层光滤除器及其制造方法，该光纤包层光滤除器包括：按光入射方向依序设置的大数值孔径折射率匹配包层光滤除段、表面处理包层光滤除段和小数值孔径折射率匹配包层光滤除段。大数值孔径折射率匹配包层光滤除段滤除大数值孔径包层光；表面处理包层光滤除段将小数值孔径包层光转化为大数值孔径包层光；小数值孔径折射率匹配包层光滤除段将残余的小数值孔径包层光以及转化后的大数值孔径包层光滤除。本发明采用三个滤除段复合结构在较短的包层光滤除器长度内快速地滤除较大比例的包层光，有利于抑制光纤激光器中的非线性效应，同时降低成本。

Description

一种光纤包层光滤除器及其制造方法
技术领域
本发明涉及光纤激光技术领域，具体涉及一种光纤包层光滤除器及其制造方法。
背景技术
随着光纤激光技术日益发展，光纤的输出能力不断提升。然而由于光纤的弯曲和熔接等原因，部分信号光会泄露到包层中，同时激光器和放大器输出端包层中会存在大量的泵浦光未被纤芯吸收。如果在输出激光时，光纤中的包层光不及时滤除，不仅会影响到输出光的光束质量与单色性，还会对输出设备造成损害，甚至破坏光学器件。因此，包层光滤除器在光纤激光器特别是高功率光纤激光器中非常重要。包层光滤除器可设置在光纤激光振荡器输出光纤之前，用于除去包层中残余的泵浦光以及进入包层中的信号光，达到提高输出激光光束质量的目的。此外，在光纤激光振荡级和放大级之间加入包层光滤除器，可以减少从振荡级进入放大级的包层光以及从放大级反向进入振荡级的包层光，达到保护激光器中元器件的目的。
现有的光纤包层光滤除器包括折射率匹配包层光滤除器以及表面处理包层光滤除器等。折射率匹配包层光滤除器用于滤除大数值孔径以及小数值孔径的包层光。表面处理包层光滤除器通过的漫反射和漫透射对一部分小数值孔径的包层光进一步滤除，同时将另一部分小数值孔径的包层光转化为大数值孔径的包层光，以便由后续的滤除器滤除。
虽然现有的光纤包层光滤除器中的折射率匹配包层光滤除器能较快的滤除大数值孔径的包层光，但在滤除小数值孔径的包层光需要使用较长的覆盖在光纤上的包层光滤除器，不利于抑制光纤激光器中的非线性效应，影响输出纤芯的质量。此外，现有的包层光滤除器在工作时，由于需要滤除的包层光能量很大，滤除器的折射率匹配材料会出现工作温度过高的情况，导致折射率匹配材料被烧坏，降低了包层光滤除器的稳定性及可靠性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：解决现有技术中滤除小数值孔径包层光需要较长的包层光滤除器的问题。
为实现上述的发明目的，本发明提供了一种光纤包层光滤除器及其制造方法，可以使用较短的光纤对包层光进行充分滤除。
依据本发明的第一方面，提供了一种光纤包层光滤除器，包括：
在剥除涂覆层的光纤包层上按光入射方向依序设置的大数值孔径折射率匹配包层光滤除段、表面处理包层光滤除段和小数值孔径折射率匹配包层光滤除段；
其中，大数值孔径折射率包层光滤除段，对裸露的光纤包层进行重覆盖使其滤除数值孔径大于预设临界值的大数值孔径包层光；
表面处理包层光滤除段，使其滤除一部分数值孔径小于预设临界值的小数值孔径包层光，并将另一部分小数值孔径包层光转化为大数值孔径包层光；
小数值孔径折射率包层光滤除段，对裸露的光纤包层进行重覆盖使其滤除残余的小数值孔径包层光以及表面处理包层光滤除段转化的大数值孔径包层光。
优选地，大数值孔径折射率包层光滤除段的折射率满足：
n1 2-n2 2>NA2
其中，n1为光纤包层的折射率，n2为大数值孔径折射率包层光滤除段的折射率，NA为预设临界值。
优选地，大数值孔径折射率包层光滤除段包括：
一种折射率材料制成的大数值孔径折射率包层光滤除段；或，
多种折射率材料制成的多个大数值孔径折射率包层光滤除段。
优选地，多个大数值孔径折射率包层光滤除段沿包层光的入射方向按折射率由小到大设置。
优选地，小数值孔径折射率包层光滤除段的折射率满足：
n1 2-n3 2<NA2
其中，n1为光纤包层的折射率，n3为小数值孔径折射率包层光滤除段的折射率，NA为预设临界值。
优选地，小数值孔径折射率包层光滤除段包括：
一种折射率材料制成的小数值孔径折射率包层光滤除段；或，
多种折射率材料制成的多个小数值孔径折射率包层光滤除段。
优选地，多个小数值孔径折射率包层光滤除段沿包层光的入射方向按折射率由小到大设置。
优选地，大数值孔径折射率包层光滤除段的材料以及小数值孔径折射率包层光滤除段的材料为紫外胶、玻璃管或硅胶。
依据本发明的第二方面，提供了一种上述光纤包层光滤除器的制造方法，具体包括：
将光纤的涂覆层剥除；
按光入射方向依序在光纤上设置大数值孔径折射率匹配包层光滤除段、表面处理包层光滤除段以和小数值孔径折射率匹配包层光滤除段；
其中，表面处理包层光滤除段采用机械研磨或者化学腐蚀将光纤包层表面粗糙化。
优选地，预设临界值，是使大于预设临界值孔径的包层光能量占包层光总能量的50％的取值。
本发明提供的折射率匹配包层光滤除器和表面处理包层光滤除器相结合的方法，通过大数值孔径折射率匹配包层光滤除段滤除大数值孔径的包层光，再由表面处理包层光滤除段滤除部分小数值孔径的包层光，同时将部分小数值孔径的包层光转化为大数值孔径的包层光，最后由小数值孔径折射率匹配包层光滤除段较快地滤除残余的小数值孔径包层光和表面处理滤除器转化的大数值孔径包层光。相比现有技术，本发明可以在较短的包层光滤除器长度内快速地滤除较大比例的包层光，有利于抑制光纤激光器中的非线性效应，在提高输出纤芯的质量的同时，有效地降低成本。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1是本发明第一实施例提供的光纤包层光滤除器示意图；
图2是本发明第二实施例提供的光纤包层光滤除器示意图；
图3是图2所示的大数值孔径折射率匹配包层光滤除段的放大示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
如图1所示，本实施例提供的光纤包层光滤除器包括：大数值孔径折射率匹配包层光滤除段3、表面处理包层光滤除段4和小数值孔径折射率匹配包层光滤除段5。
其中，大数值孔径折射率匹配包层光滤除段3的长度优选为5cm，该滤除段的折射率匹配材料覆盖在剥除涂覆层的光纤包层上，使该滤除段可以滤除数值孔径大于预设临界值的大数值孔径包层光。
大数值孔径折射率匹配包层光滤除段3的折射率需要满足式(1)：
n1 2-n2 2>NA2(1)
其中，n1为光纤包层1的折射率，n2为大数值孔径折射率包层光滤除段3的折射率，NA为预设临界值。本实施例中，例如涂覆层2对975nm包层光的折射率为1.4458，大数值孔径折射率包层光滤除段3对波长为975nm包层光的折射率为1.43。
还需要说明的是，本实施例中，预设临界值用于区分大数值孔径包层光以及小数值孔径包层光，它的取值使数值孔径大于该临界值的包层光能量占包层光总能量的50％。大于该临界值的包层光为大数值孔径包层光，小于该临界值的包层光为小数值孔径包层光。在本实施例中，预设临界值优选为0.2。也即大数值孔径折射率匹配包层光滤除段3可以滤除波长为975nm、数值孔径大于0.2的大数值孔径包层光。
如图1所示，表面处理包层光滤除段4按照光入射的方向设置在靠近大数值孔径折射率匹配包层光滤除段3的一侧，长度优选为10cm。表面处理包层光滤除段4中被剥除涂覆层2的包层表面为经过机械研磨或者化学腐蚀的粗糙表面。
表面处理包层光滤除段4可以吸收一部分小数值孔径包层光，同时粗糙的表面使包层光发生漫反射或漫透射，将一部分小数值孔径的包层光转化为大数值孔径的包层光，便于后续的滤除段进行进一步滤除。
如图1所示，小数值孔径折射率匹配包层光滤除段5按照光入射的方向设置在表面处理包层光滤除段4远离大数值孔径折射率匹配包层光滤除段3的一侧，长度优选为5cm。小数值孔径折射率匹配包层光滤除段5的折射率匹配材料覆盖在剥除涂覆层的光纤包层上，使该滤除段滤除残余的小数值孔径包层光以及表面处理包层光滤除段4转化的大数值孔径包层光。
小数值孔径折射率匹配包层光滤除段5的折射率需要满足式(2)：
n1 2-n3 2<NA2(2)
其中，n1为光纤包层1的折射率，n3为小数值孔径折射率包层光滤除段5的折射率，NA为预设临界值，NA优选取0.2。本实施例中，优选小数值孔径折射率包层光滤除段5对波长为975nm包层光的折射率为1.52，高于大数值孔径折射率包层光滤除段3的折射率。
上述折射率匹配材料为紫外胶、玻璃管或硅胶。
如图1所示，光线从左端入射，首先大数值孔径折射率包层光滤除段3将大数值孔径包层光滤除；其次，表面处理包层光滤除段4将一部分小数值孔径包层光滤除，同时还有一部分小数值孔径包层光被转化为大数值孔径包层光；最后，小数值孔径折射率包层光滤除段5将残余的小数值孔径包层光以及转化后的大数值孔径包层光一并滤除。
本实施例提供的包层光滤除器，利用上述3个滤除段相互配合的方式，实现了对包层光的大比例滤除，其滤除量大于30dB。现有的包层光滤除器若要实现相同的滤除量需要30cm的包层光滤除器，而本实施例提供的包层光滤除器只需要20cm的长度内就能对包层光进行快速滤除，有利于抑制光纤激光器中的非线性效应，在提高输出纤芯的质量的同时，有效地降低成本。
实施例二
如图2所示，本实施例提供了一种光纤包层光滤除器，包括：大数值孔径折射率匹配包层光滤除段3、表面处理包层光滤除段4和小数值孔径折射率匹配包层光滤除段5。
其中，大数值孔径折射率匹配包层光滤除段3由多个滤除段组成，优选为3段。每个滤除段的长度优选为2cm，因此大数值孔径折射率匹配包层光滤除段3的长度为6cm。三个滤除段的折射率按光入射的方向逐渐增大。
本实施例中仍然以波长为975nm包层光为例，涂覆层2对975nm包层光的折射率为1.4458，优选地，大数值孔径折射率匹配包层光滤除段3的第一滤除段31的折射率为1.39，第二滤除段32的折射率为1.41，第三滤除段33的折射率为1.43。
如图3所示，包层光进入到第一滤除段31中，由于第一滤除段31的折射率很小，因此只有一部分大数值孔径包层光被滤除，剩余的包层光沿光入射的方向进入到第二滤除段32。
第二滤除段32的折射率大于第一滤除段31的折射率，因此第二滤除段32的滤除能力比第一滤除段31强，滤除的包层光的能量比第一滤除段31高。但由于第一滤除段31已经滤除了一部分包层光，所以第二滤除段32滤除的包层光的能量不会使第二滤除段32的工作温度过高。
被两个滤除段滤除之后剩余的包层光将进入第三滤除段33，第三滤除段33的折射率最大，滤除能力最强，可以将剩余的大数值孔径包层光快速有效的滤除。由于前两个滤除段的作用，剩余包层光的能量已经很少了，因此第三滤除段33可以很容易的将其滤除，且不会出现工作温度过高、折射率匹配材料损坏的情况。
小数值孔径折射率匹配包层光滤除段5也采用分段式均匀滤除的方式，由多个滤除段组成，优选为3段。每个滤除段的长度优选为2cm，因此小数值孔径折射率匹配包层光滤除段5的长度也为6cm。三个滤除段的折射率按光入射的方向逐渐增大。
优选地，第四滤除段51的折射率为1.46，第五滤除段52的折射率为1.49，第六滤除段53的折射率为1.52。
小数值孔径折射率匹配包层光滤除段5滤除小数值孔径包层光的原理与大数值孔径折射率匹配包层光滤除段3滤除大数值孔径包层光的原理相同。
光线按照传输方向，先由小数值孔径折射率匹配包层光滤除段5中折射率最低的第四滤除段51吸收一部分小数值孔径包层光的能量；再由折射率次低的第五滤除段52吸收一部分能量。由于第四滤除段51的作用，第五滤除段52吸收的包层光能量不会使第五滤除段52的折射率匹配材料过高；最后剩余的少量的小数值孔径包层光被第六滤除段53快速滤除，且由于滤除的包层光能量很少，不会出现第六滤除段53内的折射率匹配材料过热的情况。
本实施例中的其他特征同第一实施例相同，在此不再赘述。
本实施例提供的光纤包层光滤除器，实现了在22cm长度的包层光滤除器内，对975nm包层光的大比例滤除，其滤除量大于30dB，而相同长度的现有折射率匹配包层光滤除器仅能实现小于20dB的滤除量。
同时，大数值孔径折射率匹配包层光滤除段3和小数值孔径折射率匹配包层光滤除段5采用分段式结构，通过控制滤光材料的折射率、涂覆长度，从而控制单位长度上的滤光量，使包层光沿着光线传输方向被均匀滤除，进而热量分布也变得相对均匀。
因此，本实施例提供的光纤包层光滤除器可以避免出现某点温度突变过高导致折射率匹配材料损坏的情况，最大可承受的包层1内包层光的总功率为200W。而现有的相同长度包层光滤除器最大可承受的包层内包层光的总功率仅为100W。因此，本实施例提供的光纤包层光滤除器相比于现有的包层光滤除器承受能力大大提高，稳定性和可靠性也大大提升。
本发明在大数值孔径折射率匹配包层光滤除段3以及小数值孔径折射率匹配包层光滤除段5上设置的滤除段不限于3个，采用滤除段的数量越多，温度分布越均匀，滤除点的最高工作温度越低。
实施例三
本发明提供的光纤包层光滤除器的制造方法，包括：
将光纤的涂覆层剥除；
按光入射方向依序在光纤上设置大数值孔径折射率匹配包层光滤除段、表面处理包层光滤除段以和小数值孔径折射率匹配包层光滤除段。
其中，在大数值孔径折射率匹配包层光滤除段，利用折射率匹配材料对裸露的光纤包层进行重覆盖；
在表面处理包层光滤除段，采用机械研磨或化学腐蚀的方法将包层表面粗糙化，使小数值孔径包层光在其粗糙的表面上发生漫反射或慢散射，从而转换为大数值孔径包层光；
在小数值孔径折射率匹配包层光滤除段，利用折射率匹配材料对裸露的光纤包层进行重覆盖；
大数值孔径折射率包层光滤除段的折射率需要满足式(3)：
n1 2-n2 2>NA2(3)
其中，n1为光纤包层1的折射率，n2为大数值孔径折射率包层光滤除段的折射率，NA为预设临界值。
小数值孔径折射率匹配包层光滤除段的折射率需要满足式(4)：
n1 2-n3 2<NA2(4)
其中，n1为光纤包层1的折射率，n3为小数值孔径折射率包层光滤除段的折射率，NA为预设临界值。
预设临界值，是使大于所述预设临界值孔径的包层光能量占包层光总能量的50％的取值。
此外，折射率匹配材料可以为紫外胶、硅胶或者玻璃管。
本实施例中，大数值孔径折射率匹配包层光滤除段滤除大数值孔径包层光；表面处理包层光滤除段滤除部分小数值孔径包层光，同时将另一部分小数值孔径包层光转化为大数值孔径包层光；小数值孔径折射率匹配包层光滤除段滤除残余的小数值孔径包层光以及转化后大数值孔径包层光，通过设置上述三个滤除段，较大比例的包层光将在较短的光纤长度内被滤除，有效地抑制光纤激光器中的非线性效应，提高输出纤芯的质量，降低成本。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (10)

1.一种光纤包层光滤除器，其特征在于，包括：
在剥除涂覆层的光纤包层上按光入射方向依序设置的大数值孔径折射率匹配包层光滤除段、表面处理包层光滤除段和小数值孔径折射率匹配包层光滤除段；
其中，
所述大数值孔径折射率包层光滤除段，对裸露的光纤包层进行重覆盖使其滤除数值孔径大于预设临界值的大数值孔径包层光；
所述表面处理包层光滤除段，使其滤除一部分数值孔径值小于预设临界值的小数值孔径包层光，并将另一部分小数值孔径包层光转化为大数值孔径包层光；
所述小数值孔径折射率包层光滤除段，对裸露的光纤包层进行重覆盖使其滤除残余的小数值孔径包层光以及所述表面处理包层光滤除段转化的大数值孔径包层光。
2.如权利要求1所述的光纤包层光滤除器，其特征在于，所述大数值孔径折射率包层光滤除段的折射率满足：
n1 2-n2 2>NA2
其中，n1为所述光纤包层的折射率，n2为大数值孔径折射率包层光滤除段的折射率，NA为预设临界值。
3.如权利要求1所述的光纤包层光滤除器，其特征在于，所述大数值孔径折射率包层光滤除段包括：
一种折射率材料制成的大数值孔径折射率包层光滤除段；或，
多种折射率材料制成的多个大数值孔径折射率包层光滤除段。
4.如权利要求3所述的光纤包层光滤除器，其特征在，所述多个大数值孔径折射率包层光滤除段沿包层光的入射方向按折射率由小到大设置。
5.如权利要求1所述的光纤包层光滤除器，其特征在于，其特征在于，所述小数值孔径折射率包层光滤除段的折射率满足：
n1 2-n3 2<NA2
其中，n1为所述光纤包层的折射率，n3为小数值孔径折射率包层光滤除段的折射率，NA为预设临界值。
6.如权利要求1所述的光纤包层光滤除器，其特征在于，所述小数值孔径折射率包层光滤除段包括：
一种折射率材料制成的小数值孔径折射率包层光滤除段；或，
多种折射率材料制成的多个小数值孔径折射率包层光滤除段。
7.如权利要求6所述的光纤包层光滤除器，其特征在于，所述多个小数值孔径折射率包层光滤除段沿包层光的入射方向按折射率由小到大设置。
8.如权利要求1-7任意一项所述的光纤包层光滤除器，其特征在于，所述大数值孔径折射率包层光滤除段的材料以及所述小数值孔径折射率包层光滤除段的材料为紫外胶、玻璃管或硅胶。
9.一种光纤包层光滤除器的制造方法，其特征在于，用于制造权利要求1-8任意一项所述的光纤包层光滤除器，具体包括：
将光纤的涂覆层剥除；
按光入射方向依序在光纤上设置大数值孔径折射率匹配包层光滤除段、表面处理包层光滤除段以和小数值孔径折射率匹配包层光滤除段；
其中，所述表面处理包层光滤除段采用机械研磨或者化学腐蚀将光纤包层表面粗糙化。
10.如权利要求9所述的制造方法，其特征在于，所述预设临界值是使大于所述预设临界值孔径的包层光能量占包层光总能量的50％的取值。
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