CN105204117A - 一种高功率双包层光纤包层光剥离器装置及制作方法 - Google Patents

Abstract

一种高功率双包层光纤包层光剥离器装置及制作方法，包括双包层光纤(116)、光学模块(111)、固定材料(113)、水冷管(117，118)；双包层光纤(116)穿过光学模块(111)与固定材料(113)，光学模块(111)置于固定材料(113)内，固定材料(113)下部安装有水冷管(117)，光学模块(111)为三层波导结构，固定材料(113)为散热材料。本发明通过将双包层光纤内包层腐蚀成相向锥形结构，并将其置于透明材料的半空心圆柱和半实心圆柱制成的波导结构中，使内包层泄露光沿着光纤长度方向较为均匀泄露，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。

Description

一种高功率双包层光纤包层光剥离器装置及制作方法

技术领域

本发明涉及光电子技术领域，特别是一种高功率双包层光纤包层光剥离器装置及制作方法。

背景技术

传统的随着大功率半导体激光技术发展及双包层掺杂光纤发明，极大的提高了光纤激光器输出功率水平，迄今，高功率光纤激光器已经广泛应用于激光武器、激光切割、激光焊接、激光加工等领域。光纤包层光剥离器是高功率光纤激光器关键器件之一，用于剥除双包层光纤中包层剩余泵浦光及由于光纤熔接效果不理想、熔接模式不匹配等形成的包层传输信号光，其性能对高功率光纤激光器输出光束质量及系统稳定性具有重要影响。

已有诸多文献和专利阐述去除光纤包层光的装置和方法，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，这种方法难以对低数值孔径光进行去除，而且这种剥除效率较低，且光泄露点过于集中容易导致剥离器烧毁。为了克服这种方法的缺点，文献“Anovelmethodforstrippingcladdinglightsinhighpowerfiberlasersandamplifiers”J.LightwaveTechnol.vol.30pp.3199-3202采用氢氟酸蒸汽将双包层光纤腐蚀成光纤锥，然后在光纤锥外涂高折胶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，但这种方法存在如下问题：第一，剥除的光转换成热都集中于高折射胶，而高折射胶一般难以承受高功率；第二，利用氢氟酸蒸汽进行腐蚀的方法较为复杂，且腐蚀的光纤一致性无法保证，难以大批量生产。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种光纤内包层为相向锥形、光学模块为透明圆柱状的高功率双包层光纤包层光剥离器装置及制作方法，本发明装置及方法在光均匀泄露上更有优势，而且能够大批量生产，一致性好。

本发明的技术解决方案是：一种高功率双包层光纤包层光剥离器装置，包括双包层光纤、光学模块、固定材料、水冷管；双包层光纤穿过光学模块与固定材料，光学模块置于固定材料内，固定材料下部安装有水冷管，光学模块为三层波导结构，包括折射率为n_K的第一透光材料、折射率为n_J的光学凝胶或透明材料、折射率为n_L的第二透光材料，折射率为n_J的光学凝胶或透明材料位于两种透光材料之间，其中，n_J<n_L、n_J<n_K，n_J、n_L、n_K均大于双包层光纤内包层折射率，双包层光纤穿过光学模块的部分为剥除了外包层及涂覆层的双包层光纤，固定材料为散热材料；所述的双包层光纤穿过光学模块的部分为相向锥形结构，包括第一锥区、第二锥区、两锥区连接部，其中，两锥区连接部直径不大于第一锥区、第二锥区的直径，大于双包层光纤纤芯直径。

所述的第一透光材料为耐热空心柱状透光材料切掉一半形成的光滑透明的半圆凹槽，半圆凹槽直径大于双包层光纤的内包层直径，第二透光材料为与第一透光材料具有同样尺寸的耐热实心柱状透光材料切掉一半形成的光滑透明半圆柱，双包层光纤穿过光学模块的部分置于半圆凹槽中，第一透光材料、第二透光材料形成圆柱状波导，折射率为n_J光学凝胶或透明材料填充双包层光纤和圆柱状波导之间缝隙。

所述的第一锥区长度L₁取值范围为0mm<L₁<100mm，第二锥区长度L₃取值范围为0mm<L₃<100mm，两锥区连接部长度L₂取值范围为0mm<＝L₂<50mm。

一种高功率双包层光纤包层光剥离器装置制作方法，包括如下步骤：

(1)剥除双包层光纤的部分外包层及涂覆层，然后将剥除了外包层及涂覆层的双包层光纤制成相向锥形结构；所述的相向锥形结构包括第一锥区、第二锥区、两锥区连接部，其中，第一锥区长度L₁取值范围为0mm<L₁<100mm，第二锥区长度L₃取值范围为0<L₃<100mm，两锥区连接部长度L₂取值范围为0<＝L₂<50mm；

(2)将外半径为r₁、内半径为r₂、折射率为n_K的耐热空心柱状透光材料切掉一半，形成光滑透明的半圆凹槽，将步骤(1)得到的双包层光纤相向锥形结构放在半圆凹槽中，用折射率为n_J的光学凝胶或者透明材料进行填充，其中，内半径r₂大于双包层光纤内包层半径，其中，n_J<n_K，n_J、n_K均大于双包层光纤内包层折射率；

(3)将外半径为r₁、内半径为r₂、折射率为n_L耐热实心柱状透光材料切掉一半，放置在空心柱状透光材料上并紧密贴合得到圆柱状波导，得到光学模块，其中，n_J<n_L，n_J、n_L均大于双包层光纤内包层折射率；

(4)在固定材料内加工通孔结构，然后在固定材料内部安装水冷管，水冷管内部设有冷却水；

(5)将步骤(3)得到的光学模块置于通孔结构中，然后使用折射率为n_o的光学凝胶或者透明材料进行密封并固定，其中，n_o小于光纤内包层和涂覆层折射率。

所述的将剥除了外包层及涂覆层的双包层光纤制成相向锥形结构包括如下步骤

(1)剥除双包层光纤长度为L₁+L₂的外包层及涂覆层；

(2)将双包层光纤垂直固定于耐腐蚀结构件上，将结构件与双包层光纤置于氢氟酸腐蚀液中，并保持双包层光纤垂直于氢氟酸液面，令光纤双包层光纤及结构件上提，当剥除了外包层及涂覆层的双包层光纤还剩余L₂长度未露出氢氟酸腐蚀液面时停止上提，未露出部分经氢氟酸腐蚀形成第一锥区、两锥区连接部；

(3)在双包层光纤靠近两锥区连接部部分剥除L₃长度的外包层及涂覆层，在双包层光纤的第一锥区、两锥区连接部涂覆耐氢氟酸腐蚀材料；

(4)将双包层光纤以与步骤(2)相反方向垂直固定于耐腐蚀结构件上，将结构件与双包层光纤置于氢氟酸腐蚀液中，并保持双包层光纤垂直于氢氟酸液面，令光纤双包层光纤及结构件上提，当光纤双包层光纤提出氢氟酸腐蚀液时，形成第二锥区；

(5)去除双包层光纤的耐氢氟酸腐蚀材料，得到相向锥形结构。

所述的未露出部分经氢氟酸腐蚀的时间为0-2h。

所述的上提为匀速，上提速度为1-500mm/h。

所述的耐氢氟酸腐蚀材料为聚四氟乙烯或紫外光学凝胶。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明通过二步提拉法将光纤腐蚀成相向锥形结构，相向锥形结构能够剥除光纤中前向和后向包层光，与现有技术相比在光均匀泄露上更有优势，另外，本发明相向锥形结构能够大批量生产，一致性好；

(2)本发明将双包层光纤内包层腐蚀成相向锥形结构，并将其置于透明材料的半空心圆柱和半实心圆柱制成光学模块的波导结构中，与现有技术相比，使内包层泄露光沿着光纤长度方向较为均匀泄露，另外，本发明通过增加锥形结构长度和减小锥形结构中细锥端直径可以获得极高剥除效率；

(3)本发明与现有技术相比，通过构建三层圆柱状波导结构让内包层泄露光分散于波导结构中，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为本发明高功率双包层光纤包层光剥离器的整体结构示意图；

图2为本发明波导结构示意图；

图3为本发明腐蚀成的光纤锥结构示意图；

图4为本发明制作方法的工艺流程图；

图5为两种剥离器装置功率与温度变化对比示意图。

具体实施方式

专利一种高功率光纤包层功率剥离器装置(201510024289.5)将光纤制作成阶梯状结构，可剥除低阶模式和光泄漏均匀分散于多个阶梯结构附近，并采用三层波导结构将光纤泄漏出光均匀导出，解决了光纤包层泄漏光无法快速分散问题，此种结构制作简单，但是当光纤较粗时，三层波导结构中间为胶层，光纤制作时难以固定，上下两层透光材料难以平衡，增加了制作难度。

在剥除更高功率光纤时，锥形结构在光均匀泄露上更有优势，另外采用柱状波导结构能够进一步增加体表比，有利于剥离器装置散热。本发明装置及方法采用两步提拉法制作相向锥形光纤结构代替梯状波导结构使光进一步均匀泄露，同时采用粘合的柱状波导结构代替方形三层波导结构进一步增加散热体积和解决中间光学凝胶对光纤难以固定和上下两层透光材料难以平衡问题，下面结合附图对本发明进行详细说明。

如图1所示本发明一种高功率双包层光纤包层光剥离器装置，包括双包层光纤116、光学模块111、固定材料113、水冷管(117，118)，其中，双包层光纤116穿过光学模块111与固定材料113，光学模块111置于固定材料113内，固定材料113下部安装有水冷管117。相向锥形结构的双包层光纤116置于光学模块111中，在具有良好散热性能的固定材料113中设置通孔112，通孔两端钻刻螺纹，将带有双包层光纤116的光学模块111放置于散热材料的通孔结构112中，用设有便于旋进旋出的小孔115、120的螺纹盖114、119在散热材料两端对光学模块111加以固定，最后用光学凝胶对螺纹盖进行固定、并用水冷管117、118对散热材料进行散热，固定材料113为散热材料。

如图2所示，光学模块111为圆柱波导结构，包括折射率为n_K的第一透光材料、折射率为n_J的光学凝胶或透明材料、折射率为n_L的第二透光材料，折射率为n_J的光学凝胶或透明材料位于两种透光材料之间，其中，n_J<n_L、n_J<n_K，n_J、n_L、n_K均大于双包层光纤116内包层折射率，双包层光纤11)穿过光学模块的部分为剥除了内包层的双包层光纤。其中，第一透光材料为耐热空心柱状透光材料211切掉一半形成的光滑透明的半圆凹槽214，半圆凹槽214直径大于双包层光纤116的内包层直径，第二透光材料为与第一透光材料具有同样尺寸的耐热实心柱状透光材料212切掉一半形成的光滑透明半圆柱，双包层光纤116穿过光学模块的部分为相向锥形结构213，且置于半圆凹槽214中，折射率为n_J光学凝胶或透明材料填充双包层光纤116和第一透光材料、第二透光材料之间缝隙。

如图3(d)所示双包层光纤116穿过光学模块111的部分为相向锥形结构213，包括第一锥区315、第二锥区317、两锥区连接部316，其中，第一锥区315长度L₁取值范围为0mm<L₁<100mm，第二锥区317长度L₃取值范围为0<L₃<100mm，两锥区连接部316长度L₂取值范围为0<＝L₂<50mm。

二、制作方法

本方法实施的具体流程如图4所示，首先通过利用两步提拉腐蚀方法将光纤腐蚀成两相向锥形结构，其次利用耐热透光材料制成的半空心柱和半实心柱构建波导结构，并将光纤锥形结构置于波导结构中，光学凝胶或透明材料填充双包层光纤和凹槽之间的缝隙并密封，最后加工具有良好散热性的材料作为固定结构件，将波导结构置于其中，并利用循环水将热量及时带走。其具体实施步骤为：

(1)制作光纤锥：剥除双包层光纤的涂覆层及外包层，如图3(a)所述包括涂覆层311、锥形内包层312、纤芯313，将双包层光纤部分剥除涂覆层及外包层垂直固定于耐腐蚀结构上，将结构件和光纤置于氢氟酸腐蚀液中，并保持光纤垂直于氢氟酸液面。将双包层光纤及光纤固定结构件以每小时1-500mm匀速上提，当上提到剥除涂覆层及外包层的光纤部分还剩余一部分未露出氢氟酸腐蚀液面时停止，经过一段时间整体拿出，形成图3(b)光纤锥形结构。将图3(b)光纤锥形结构用光纤涂覆机重涂一层涂覆层314，得到图3(c)所示结构，再将靠近细锥端未腐蚀部分的光纤涂覆层剥除及外包层，并以和原来方向相反固定于光纤固定结构件上，重复形成图3(b)光纤锥形结构的腐蚀步骤，形成图3(d)结构，将重涂覆部分去除，最后形成图3(e)所示相向锥形结构。

(2)制作光学模块：将外半径为r₁，内半径为r₂，折射率为n_K的耐热空心柱状透光材料211切掉一半，形成一光滑透明凹槽214，其中r₂大于光纤内包层直径。将图3(d)中光纤锥形结构置于透光材料211中间凹槽214中，用折射率为n_J的光学凝胶或者透明材料进行填充。将同样尺寸的折射率为n_L耐热实心柱状透光材料212切掉一半，置于半空心圆柱透光材料211之上，并使其紧密贴合。透光材料折射率n_K、n_L大于或等于填充于凹槽中的光学凝胶或者透明材料的折射率n_J，这三种材料的折射率都大于双包层光纤内包层折射率。

(3)制作机械结构：高功率双包层光纤包层光剥离器的机械及整体结构如图5所示，包括具有良好散热性能的固定材料113、用于循环水冷却的水冷管(117、118)，散热材料内加工有通孔结构112，通孔两头为螺纹结构。将图4制作成的光学模块111置于散热材料的通孔结构112中，在通孔两端分别用螺纹盖(114、119)加以固定，螺纹盖上钻有便于旋进旋出的小孔(115、120)，用螺纹盖固定后再用光学凝胶对螺纹盖固定，至此完成高功率双包层光纤包层光剥离器制作。

三、实验验证

对本发明光剥离器、申请号为201510024289.5的光剥离器进行测试，在保证剥除功率和剥除效率16dB相同情况下，测试效果如图5所示。由图5可见，在相同剥除功率和剥除效率下，利用本发明光剥离器、申请号为201510024289.5的光剥离器外表面最高温度都随剥除功率线性变化，但是本发明光剥离器的温度低，在剥除功率为100W时，本发明光剥离器外表面最高温度比申请号为201510024289.5的包层光剥离器低大约8℃，另外经过实验得出，当包层光剥离器外表面温度大于60℃时有损坏的危险，因此说本发明光剥离器能耐受更高功率光纤，与申请号为201510024289.5的光剥离器相比，性能相比更为优越。

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 (8)

1.一种高功率双包层光纤包层光剥离器装置，包括双包层光纤(116)、光学模块(111)、固定材料(113)、水冷管(117，118)；双包层光纤(116)穿过光学模块(111)与固定材料(113)，光学模块(111)置于固定材料(113)内，固定材料(113)下部安装有水冷管(117)，光学模块(111)为三层波导结构，包括折射率为n_K的第一透光材料、折射率为n_J的光学凝胶或透明材料、折射率为n_L的第二透光材料，折射率为n_J的光学凝胶或透明材料位于两种透光材料之间，其中，n_J<n_L、n_J<n_K，n_J、n_L、n_K均大于双包层光纤(116)内包层折射率，双包层光纤(116)穿过光学模块(111)的部分为剥除了外包层及涂覆层的双包层光纤，固定材料(113)为散热材料；所述的双包层光纤(116)穿过光学模块(111)的部分为相向锥形结构(213)，包括第一锥区(315)、第二锥区(317)、两锥区连接部(316)，其中，两锥区连接部(316)直径不大于第一锥区(315)、第二锥区(317)的直径，大于双包层光纤(116)纤芯直径。

2.根据权利要求1所述的一种高功率双包层光纤包层光剥离器装置，其特征在于：所述的第一透光材料为耐热空心柱状透光材料(211)切掉一半形成的光滑透明的半圆凹槽(214)，半圆凹槽(214)直径大于双包层光纤(116)的内包层直径，第二透光材料为与第一透光材料具有同样尺寸的耐热实心柱状透光材料(212)切掉一半形成的光滑透明半圆柱，双包层光纤(116)穿过光学模块(111)的部分置于半圆凹槽(214)中，第一透光材料、第二透光材料形成圆柱状波导，折射率为n_J光学凝胶或透明材料填充双包层光纤(116)和圆柱状波导之间缝隙。

3.根据权利要求1或2所述的一种高功率双包层光纤包层光剥离器装置，其特征在于：所述的第一锥区(315)长度L₁取值范围为0mm<L₁<100mm，第二锥区(317)长度L₃取值范围为0mm<L₃<100mm，两锥区连接部(316)长度L₂取值范围为0mm<＝L₂<50mm。

4.一种高功率双包层光纤包层光剥离器装置制作方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)剥除双包层光纤(116)的部分外包层及涂覆层，然后将剥除了外包层及涂覆层的双包层光纤制成相向锥形结构(213)；所述的相向锥形结构(213)包括第一锥区(315)、第二锥区(317)、两锥区连接部(316)，其中，第一锥区(315)长度L₁取值范围为0mm<L₁<100mm，第二锥区(317)长度L₃取值范围为0<L₃<100mm，两锥区连接部(316)长度L₂取值范围为0<＝L₂<50mm；

(2)将外半径为r₁、内半径为r₂、折射率为n_K的耐热空心柱状透光材料(211)切掉一半，形成光滑透明的半圆凹槽(214)，将步骤(1)得到的双包层光纤相向锥形结构(213)放在半圆凹槽(214)中，用折射率为n_J的光学凝胶或者透明材料进行填充，其中，内半径r₂大于双包层光纤(116)内包层半径，其中，n_J<n_K，n_J、n_K均大于双包层光纤(116)内包层折射率；

(3)将外半径为r₁、内半径为r₂、折射率为n_L耐热实心柱状透光材料(212)切掉一半，放置在空心柱状透光材料(211)上并紧密贴合得到圆柱状波导，得到光学模块(111)，其中，n_J<n_L，n_J、n_L均大于双包层光纤内包层折射率；

(4)在固定材料(113)内加工通孔结构(112)，然后在固定材料(113)内部安装水冷管(117、118)，水冷管(117、118)内部设有冷却水；

(5)将步骤(3)得到的光学模块(111)置于通孔结构(112)中，然后使用折射率为n_o的光学凝胶或者透明材料进行密封并固定，其中，n_o小于光纤内包层和涂覆层折射率。

5.根据权利要求4所述的一种高功率双包层光纤包层光剥离器装置制作方法，其特征在于：所述的将剥除了外包层及涂覆层的双包层光纤制成相向锥形结构包括如下步骤

(1)剥除双包层光纤(116)长度为L₁+L₂的外包层及涂覆层；

(2)将双包层光纤(116)垂直固定于耐腐蚀结构件上，将结构件与双包层光纤(116)置于氢氟酸腐蚀液中，并保持双包层光纤(116)垂直于氢氟酸液面，令光纤双包层光纤(116)及结构件上提，当剥除了外包层及涂覆层的双包层光纤还剩余L₂长度未露出氢氟酸腐蚀液面时停止上提，未露出部分经氢氟酸腐蚀形成第一锥区(315)、两锥区连接部(316)；

(3)在双包层光纤(116)靠近两锥区连接部(316)部分剥除L₃长度的外包层及涂覆层，在双包层光纤(116)的第一锥区(315)、两锥区连接部(316)涂覆耐氢氟酸腐蚀材料；

(4)将双包层光纤(116)以与步骤(2)相反方向垂直固定于耐腐蚀结构件上，将结构件与双包层光纤(116)置于氢氟酸腐蚀液中，并保持双包层光纤(116)垂直于氢氟酸液面，令光纤双包层光纤(116)及结构件上提，当光纤双包层光纤(116)提出氢氟酸腐蚀液时，形成第二锥区(317)；

(5)去除双包层光纤(116)的耐氢氟酸腐蚀材料，得到相向锥形结构。

6.根据权利要求5所述的一种高功率双包层光纤包层光剥离器装置制作方法，其特征在于：所述的未露出部分经氢氟酸腐蚀的时间为0-2h。

7.根据权利要求5所述的一种高功率双包层光纤包层光剥离器装置制作方法，其特征在于：所述的上提为匀速，上提速度为1-500mm/h。

8.根据权利要求5所述的一种高功率双包层光纤包层光剥离器装置制作方法，其特征在于：所述的耐氢氟酸腐蚀材料为聚四氟乙烯或紫外光学凝胶。