CN105158852A - 一种光纤合束器以及光纤激光器 - Google Patents

一种光纤合束器以及光纤激光器 Download PDF

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Abstract

本发明适用于光纤技术领域，提供了一种光纤合束器，包括由多个输入光纤组成的输入光纤束和与之熔接的输出光纤，在二者的熔接处设置将输入光纤束和输出光纤的熔接端密封的导热封装结构，封装结构包括外封管和填充于外封管中的导热介质，导热介质的折射率小于外封管的折射率。当光功率自输入光纤束耦合至输出光纤时，由于光的泄露、回传等产生的热量可以由导热介质快速导出，并通过外封管散发出去，并且泄露进导热介质的光容易折射进入外封管并经过外封管射出，避免封装结构吸光发热，进而，该光纤合束器可以有效避免温升、防止烧毁，实现其长时间的稳定工作。采用该光纤合束器的光纤激光器或其他设备的功率承载能力或功率输出能力也得以大幅提升。

Description

一种光纤合束器以及光纤激光器
技术领域
本发明属于光纤技术领域，特别涉及一种光纤合束器以及光纤激光器。
背景技术
光纤激光器被广泛应用在工业焊接、切割、打标、雕刻等工业领域，以及医疗、自由空间传输、军事、传感等领域。特别是近年来高功率光纤激光器得到了广泛的应用推广。半导体泵浦激光器的功率日益提高，使得光纤激光器的输出功率向更高水平发展。但是，作为光纤激光器的核心—起到连接半导体泵浦激光器和增益介质有源光纤的泵浦合束器却因种种原因无法将更高的泵浦功率耦合进有源光纤内，从而限制了光纤激光器的更高功率的输出。泵浦合束器已经由原来的桥梁作用提升到光纤激光器的核心地位。
泵浦合束器主要包括多个输入光纤和一个输出光纤，由多个输入光纤组成的光纤束与输出光纤熔接。而制约泵浦合束器功率能力的因素主要包括以下两个：(1)光纤束与输出光纤的耦合效率过低，导致部分泵浦功率泄露到光纤的导光波导外；(2)上述泄露光引起光纤的局部发热温升，进而导致泵浦合束器的烧毁。进一步结合图1，图中示出泵浦合束器中常见的几个光纤高温点：(1)由于在制作输入端多根多模光纤束时，需要对多根光纤进行打结拉细，这势必导致光纤的变形、光纤数值孔径(NA)的变化、以及光纤内部应力的变化，这些变化破坏了光纤的均匀性，致使在高功率输入时部分光能量泄露到光纤波导以外，这些泄露光会引起光纤束的局部发热(点A)；(2)输出光纤端面的反射或者光纤激光器中的反向传输光会进入光纤束一侧的输入光纤的包层，当包层中的光遇到光纤涂敷层时(涂敷层为高折射率材料)，光泄露到涂敷层中，导致输入光纤涂敷层的温度上升(点B)；(3)光纤束与输出光纤熔接时，由于空气中及熔接机电极的杂质的影响导致光纤表面附有污染物，使光纤温度上升(点C)；(4)光纤束拉细并熔接后有一部分输入光的数值孔径(NA)会超过输出光纤的亮度(光纤纤芯与数值孔径的乘积)，这部分大数值孔径的输入光进入输出光纤后，一旦遇到输出光纤的涂敷层就会泄露到涂敷层内从而导致涂敷层温度上升(点D)。通常来讲，几百毫瓦的泄露光功率就会导致光纤涂敷层近百度的温升(B点和D点)；泵浦合束器中玻璃光纤处的温升(A点和C点)随输入泵浦功率的变化会超过0.01℃/W，在输入泵浦功率5KW时，光纤上的局部温度会接近甚至超过100度。这些局部高温点是导致泵浦合束器烧毁的主要原因。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光纤合束器，旨在提高其功率能力，进而将其用于光纤激光器中以提高激光器的输出功率，或用于其他需要合束器的信号光纤以提高光纤设备的功率承载或输出能力。
本发明是这样实现的，一种光纤合束器，包括由多个输入光纤组成的输入光纤束和一个输出光纤，所述输入光纤束与所述输出光纤熔接，在所述输入光纤束和输出光纤的熔接处设置将所述输入光纤束和输出光纤的熔接端密封的具有导热功能的封装结构，所述封装结构包括外封管和填充于所述外封管中的导热介质，所述导热介质的折射率小于所述外封管的折射率。
本发明的另一目的在于提供一种光纤激光器，包括半导体泵浦激光器、上述的光纤合束器以及增益介质有源光纤，所述半导体泵浦激光器通过泵浦光输出光纤连接所述光纤合束器的输入光纤，所述光纤合束器的输出光纤连接所述增益介质有源光纤。
本发明提供的光纤合束器在输入光纤束和输出光纤的熔接端密封一封装结构，在封装结构内部填充导热介质，该导热介质的折射率小于外封管的折射率，当光功率自输入光纤束耦合至输出光纤时，由于光的泄露、回传等产生的热量可以由导热介质快速导出，外封管上没有易发生温升的高温点，进而可以将热量散发出去，抑制了输入光纤、输出光纤和熔接点处的温升，并且，泄露进导热介质的光容易折射进入外封管并经过外封管射出，避免封装结构吸光发热，进而，该光纤合束器可以有效避免温升、防止烧毁，实现其长时间的稳定工作。采用了这种光纤合束器的光纤激光器或其他光纤设备的功率承载能力或功率输出能力也得以大幅提升。
附图说明
图1是现有技术中泵浦合束器的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的光纤合束器的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的光纤合束器的输入光纤束和输出光纤的一种结构示意图；
图4是本发明实施例提供的光纤合束器的输入光纤束和输出光纤的另一种结构示意图；
图5是本发明实施例提供的光纤合束器的输入光纤束的截面图；
图6是本发明实施例提供的光纤激光器的部分结构示意图。
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。
以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述：
请参考图2，本发明实施例提供一种光纤合束器，用于将至少两个输入光纤的光能量耦合至一个输出光纤中，其包括由多个输入光纤11组成的输入光纤束1和一个输出光纤2，输入光纤束1与输出光纤2熔接，使来自多个输入光纤11的光功率耦合进入输出光纤2，在输入光纤束1和输出光纤2的熔接处设置有将输入光纤束1和输出光纤2的熔接端密封的并且具有导热功能的封装结构3，该封装结构3包括外封管31和填充于外封管31中的导热介质32，该导热介质32的折射率小于外封管31的折射率。
具体参考图3～5，多个输入光纤11并排紧靠成为一束输入光纤束1，在输入光纤束1的熔接端，将其拉细并熔接于输出光纤2的端部。封装结构3将输入光纤束1和输出光纤2的熔接点以及熔接点附近的区域密封。封装结构3的外封管31由一管状壳体两端设置密封胶体33构成，输入光纤束1和输出光纤2穿过封装结构3两端的密封胶体33，熔接点位于封装结构3内部空间。
进一步地，输入光纤11至少包括第一纤芯111、第一包层112和第一涂敷层113，输出光纤2至少包括第二纤芯21、第二包层22和第二涂敷层23。光功率自输入光纤11耦合至输出光纤2时，在熔接点附近(A点)易由于光功率泄露而升温，在输入光纤11的第一涂敷层113上(B点)易由于反向传输光泄露而升温，在C点可能由于污染物而升温，在输出光纤2的第二涂敷层23上(D点)易由于较大数值孔径的光的泄露而升温。
该光纤合束器在输入光纤束1和输出光纤2的熔接端密封一封装结构3，在封装结构3内部填充导热介质32，该导热介质32的折射率小于外封管31的折射率，当光功率自输入光纤束1耦合至输出光纤2时，上述A、B、C、D点是易发热的位置，其热量可以由导热介质32快速导出，外封管31上没有易发生温升的高温点，进而可以将热量散发出去，抑制了输入光纤11、输出光纤2和熔接点处的温升，并且，泄露进导热介质32的光容易折射进入外封管31并经过外封管31射出，避免封装结构3吸光温升，进而可以避免光纤合束器烧毁，实现其长时间的稳定工作。采用了封装结构3的光纤合束器与采用相同输入光纤11和输出光纤2且没有封装结构3的合束器相比，其功率能力可提高三倍。
通过实验验证，采用本实施例提供的光纤合束器可以实现5000W以上输出功率的1微米波长的光纤激光器。
作为本实施例的进一步改进，在使用光纤合束器时，优选将封装结构3放置于流动的水中进行冷却，以提升散热效果。该水冷装置可以设置于光纤合束器所应用的环境中，例如作为光纤激光器的一个组成部分。
进一步地，外封管31可以采用折射率大于1.45的对工作波长低吸收且易导热的固体材料。该固体材料优选为透明的陶瓷材料。导热介质32可以采用折射率小于1.4的对工作波长低吸收且易导热的流体介质。该流体介质优选为油类物质。采用这种对工作波长低吸收且易导热的材料，可以避免泄露的光被封装结构3吸收而引起封装结构3升温，进而保证快速散热。
在本实施例中，输入光纤11可以为多模光纤，也可以是单模光纤或者少模光纤。输出光纤2可以为双包层光纤或大芯径多模单包层光纤。例如图3所示，本实施例可以选择多根大芯径多模输入光纤11构成输入光纤束1，采用双包层光纤作为输出光纤2，或者如图4采用大芯径单包层多模光纤作为输出光纤2。
如图5，可选的，输入光纤束1包括7根200/220、0.22NA的大芯径多模输入光纤11，另外，输出光纤2为20/400、0.06/0.46NA的双包层输出光纤2。该光纤合束器的整体输入功率为8000W，耦合效率为95％，总损耗是400W，工作波长为915nm。
本发明实施例提供的光纤合束器可以用于光纤激光器中，因此本发明进一步提供一种光纤激光器，如图6，该激光器至少包括半导体泵浦激光器01、光纤合束器02以及增益介质有源光纤03，半导体泵浦激光器01通过泵浦光输出光纤04连接光纤合束器02的输入光纤，光纤合束器02的输出光纤连接增益介质有源光纤03。该光纤合束器02用于将泵浦光耦合至增益介质有源光纤03，进而实现激光增益以及振荡。该激光器还包括其他功能结构，本发明不再赘述。
该光纤合束器不仅限于用于光纤激光器，还可以适用于含有少模光纤或者单模光纤的信号光纤的合束器，以提高相应光纤设备的功率承载能力或者功率输出能力。
为了改善光纤合束器的散热效果，可以在光纤激光器中或者其他光纤设备中设置水冷装置，将光纤合束器的封装结构放置于水冷装置的流动水中进行快速冷却。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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)

1.一种光纤合束器，其特征在于，包括由多个输入光纤组成的输入光纤束和一个输出光纤，所述输入光纤束与所述输出光纤熔接，在所述输入光纤束和输出光纤的熔接处设置将所述输入光纤束和输出光纤的熔接端密封的具有导热功能的封装结构，所述封装结构包括外封管和填充于所述外封管中的导热介质，所述导热介质的折射率小于所述外封管的折射率。
2.如权利要求1所述的光纤合束器，其特征在于，所述封装结构放置于流动的水中进行散热。
3.如权利要求1所述的光纤合束器，其特征在于，所述外封管采用折射率大于1.45的对工作波长低吸收且易导热的固体材料。
4.如权利要求3所述的光纤合束器，其特征在于，所述固体材料为透明的陶瓷材料。
5.如权利要求1所述的光纤合束器，其特征在于，所述导热介质采用折射率小于1.4的对工作波长低吸收且易导热的流体介质。
6.如权利要求5所述的光纤合束器，其特征在于，所述流体介质为油类物质。
7.如权利要求1所述的光纤合束器，其特征在于，所述输入光纤为单模光纤、多模光纤或少模光纤。
8.如权利要求1所述的光纤合束器，其特征在于，所述输出光纤为双包层光纤或大芯径多模单包层光纤。
9.一种光纤激光器，其特征在于，包括半导体泵浦激光器、权利要求1至8任一项所述的光纤合束器以及增益介质有源光纤，所述半导体泵浦激光器通过泵浦光输出光纤连接所述光纤合束器的输入光纤，所述光纤合束器的输出光纤连接所述增益介质有源光纤。
10.如权利要求9所述的光纤激光器，其特征在于，还包括用于对所述光纤合束器的封装结构进行冷却的水冷装置。
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