CN105490141A - 一种具有包层光滤除功能的一体化大功率光纤激光输出系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有包层光滤除功能的一体化大功率光纤激光输出系统，包括光纤、包层光滤除组件、玻璃光纤端帽及封装组件和水冷循环组件，玻璃光纤端帽及封装组件包括玻璃光纤端帽和封装夹具，包层光滤除组件、玻璃光纤端帽及封装组件均位于水冷循环组件中；光纤的光纤纤芯与玻璃光纤端帽熔接并封装于封装夹具中；包层光滤除组件为位于光纤纤芯一端上裸光纤区域的高折射胶水层，高折射胶水层利用折射效应用来将光纤内包层里的泵浦光转换为高折射胶水层中的热积累并通过水冷循环组件进行冷却。本发明具有结构简单紧凑、制作方便、能够提升可承受输出功率、提高可靠性和安全性等优点。

Description

一种具有包层光滤除功能的一体化大功率光纤激光输出系统

技术领域

本发明主要涉及光纤激光器和光纤放大器领域，具体涉及一种具有包层光滤除功能的一体化大功率光纤激光输出系统。

背景技术

光纤激光器具有转换效率高、光束质量好、结构紧凑、易散热、工作稳定性好等优点，已经广泛应用于工业加工、生物医药和国防军事等诸多领域。近些年来，随着双包层光纤泵浦技术的成熟和光纤制造工艺的改进，光纤激光器的输出功率也不断提升，单模光纤激光器的输出功率已经突破10KW。伴随着光纤激光器输出功率的提高，激光输出方式也面临极大挑战，其中一个最主要的问题就是输出端面的光损伤和热负载。由于激光是在直径为几十微米的光纤纤芯里面传输，这就意味着在大功率条件下纤芯光密度很高，容易带来损伤。尤其是对于光纤输出端面，由于后期处理中不可避免的缺陷，很容易损坏端面，带来严重破坏。另一方面，激光从光纤传播到空气中时，由于二者折射率的差异，反射引起的回光会对前端的激光器结构带来影响，同时在输出端面附近积累热量，进一步加大光纤输出端的破坏可能性。

在大功率光纤激光器输出方面，光纤端帽作为一种有效的解决方案已经被广泛采用，如图1所示，光纤纤芯11中的激光通过长度为L的玻璃光纤端帽21，在光纤端帽输出镀膜面22出射，光场直径由ω_g发散为ω_L，出射面发散角变为θ_a。它的主要原理就是通过在石英光纤输出端熔接一段折射率相同的玻璃棒，通过扩大光场分布面积和采用增透膜来解决输出端的热负载问题。由于没有波导约束，激光光场在玻璃棒中逐渐发散，玻璃棒中单位面积上的光能量大大降低。而在玻璃棒表面镀增透膜，大大减小端面回光，对激光器前端结构起到很好的保护作用。尽管如此，这种方案也存在一个重要缺陷，就是只能传输纤芯中的信号光而无法处理包层中的泵浦光。以双包层光纤泵浦技术中的包层泵浦光为例，一方面由于包层泵浦光的数值孔径（NA）较大，在传输过程中向四周发散很快，无法集中输出；另一方面则是由于泵浦光和信号光波长差异，使得增透膜对其失效，无法解决回光强的问题，会带来大量的热量积累。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单紧凑、制作方便、能够提升可承受输出功率、提高可靠性和安全性的具有包层光滤除功能的一体化大功率光纤激光输出系统。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种具有包层光滤除功能的一体化大功率光纤激光输出系统，包括光纤、包层光滤除组件、玻璃光纤端帽及封装组件和水冷循环组件，所述玻璃光纤端帽及封装组件包括玻璃光纤端帽和封装夹具，所述包层光滤除组件、玻璃光纤端帽及封装组件均位于水冷循环组件中；所述光纤的光纤纤芯与玻璃光纤端帽熔接并封装于封装夹具中；所述包层光滤除组件为位于光纤纤芯一端上裸光纤区域的高折射胶水层，所述高折射胶水层利用折射效应用来将光纤内包层里的泵浦光转换为高折射胶水层中的热积累并通过水冷循环组件进行冷却。

作为本发明的进一步改进：所述高折射胶水层由高折射率紫外胶水形成。

作为本发明的进一步改进：所述高折射胶水层的折射率高于所述光纤中光纤包层中内包层的折射率。

作为本发明的进一步改进：所述水冷循环组件包括外夹具、进水口、内循环通道、外循环通道和出水口，所述外夹具与封装夹具相连，所述内循环通道和外循环通道形成于外夹具与封装夹具之间的空腔；所述内循环通道和外循环通道之间通过通水孔连接。

作为本发明的进一步改进：在水冷循环组件中低温度的冷却水从进水口进入内循环通道，直接对所述高折射胶水层中的热积累进行水冷处理，然后通过所述通水孔进入外循环通道，最后从出水口排出。

作为本发明的进一步改进：所述外循环通道的外侧安装有温度传感器，所述温度传感器通过电缆与前端控制器相连，当所述外循环通道的探测温度达到阈值时，前段控制器自动切断电源。

作为本发明的进一步改进：所述包层光滤除组件以及玻璃光纤端帽与封装夹具之间都通过胶水连接。

作为本发明的进一步改进：所述封装夹具和水冷循环组件中的外夹具之间通过螺纹和胶水连接。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明的具有包层光滤除功能的一体化大功率光纤激光输出系统，结构简单、制作方便，通过增加包层光滤除组件，可以直接处理带包层光的激光输出。

2、本发明的具有包层光滤除功能的一体化大功率光纤激光输出系统，水冷组件能够有效提高了整个输出结构的热负载能力，进一步提升可承受的输出功率。

3、本发明的具有包层光滤除功能的一体化大功率光纤激光输出系统，集成了包层光滤除和光纤端帽输出结构，采用统一水冷装置，结构紧凑实用。

4、本发明的具有包层光滤除功能的一体化大功率光纤激光输出系统，通过设置具有温度传感器的温度控制模块，能够实现及时切断功能，可以有效保护激光器系统。

附图说明

图1是现有技术中普通光纤端帽的结构示意图。

图2是本发明在具体应用实例中的结构图。

图3是本发明在具体应用实例中包层光滤除的原理示意图。

图4是本发明在具体应用实例中水冷循环装置结构示意图。

图例说明：

11、光纤纤芯；12、裸光纤区域；13、光纤包层；14、高折射胶水层；16、泵浦光；17、热积累；21、玻璃光纤端帽；22、输出面；23、封装夹具；25、通水孔；31、外夹具；33、进水口；34、内循环通道；35、外循环通道；36、出水口；41、温度传感器。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图2所示，本发明的具有包层光滤除功能的一体化大功率光纤激光输出系统，包括光纤、包层光滤除组件、玻璃光纤端帽及封装组件和水冷循环组件，玻璃光纤端帽及封装组件包括玻璃光纤端帽21和封装夹具23，玻璃光纤端帽及封装组件的一端形成输出面22；包层光滤除组件、玻璃光纤端帽及封装组件均位于水冷循环组件中；光纤的光纤纤芯11与玻璃光纤端帽21熔接并封装于封装夹具23中；包层光滤除组件为位于光纤纤芯11一端上裸光纤区域12的高折射胶水层14，高折射胶水层14利用折射效应用来将光纤内包层里的泵浦光16转换为高折射胶水层14中的热积累17并通过水冷循环组件进行冷却。

如图3所示，为本发明在具体应用实例中包层光滤除原理示意图。高折射胶水层14可以根据实际需要选择胶水材质，本实例中采用高折射率紫外胶水。本发明针对的是以双包层光纤作为输出光纤的大功率激光器及放大器系统，因而滤除内包层中残余的泵浦光16是一个重要问题。如图3所示，纤芯中的激光数值孔径很小，可以沿着玻璃光纤端帽21直接输出，由于端面进行了增透膜处理，光能量损失很小，因而热积累17也很小。但是内包层中的泵浦光数值孔径较大，无法通过玻璃光纤端帽21输出，因而需要对其进行滤除。图中高折射胶水层14的折射率要高于光纤包层13中内包层的折射率，这样由于折射效应，内包层里面传导的泵浦光16将逐渐传播到紫外胶水中并形成热积累17，这样就将光纤内包层里的泵浦光16转换为高折射胶水层14中的热积累17，方便水冷循环组件进行处理。

如图4所示，为本发明在具体应用实例中水冷循环组件的结构示意图，水冷循环组件包括外夹具31、进水口33、内循环通道34、外循环通道35和出水口36，外夹具31与封装夹具23相连，内循环通道34和外循环通道35形成于外夹具31与封装夹具23之间的空腔；内循环通道34和外循环通道35之间通过通水孔25连接。其主要工作原理为：低温度的冷却水从进水口33进入内循环通道34，直接对高折射胶水层14中的热积累17进行水冷处理，然后通过通水孔25进入外循环通道35，最后从出水口36排出。

本发明进一步在外循环通道35的外侧安装有温度传感器41，温度传感器41通过电缆42与前端控制器（即激光器前端）相连，当外循环通道35的探测温度达到阈值时，控制器会自动切断电源，通过及时切断电源保证了激光器的安全工作。

在本实施例中，包层光滤除组件和玻璃光纤端帽21采用共同的水冷循环组件进行水冷。

在本实施例中，包层光滤除组件以及玻璃光纤端帽21与封装夹具23之间都通过胶水连接。

在本实施例中，封装夹具23和水冷循环组件中的外夹具31之间通过螺纹和胶水连接。

整个系统的封装步骤如下：第一步，将双包层光纤进行涂覆层剥除和切割处理（在此过程中需要保证涂覆层剥除区域的长度来进行包层光滤除），去掉光纤包层13，利用玻璃端帽熔接系统完成光纤纤芯11和玻璃光纤端帽21的熔接；第二步，在涂覆层剥除区域表面（即：裸光纤区域12）均匀抹上一层高折射率紫外胶水并进行固化，形成作为包层光滤除组件的高折射胶水层14；第三步，利用导热良好的胶水将前两步完成的带输出玻璃光纤端帽21的光纤及高折射胶水层14封装到封装夹具23中；第四步，利用螺纹和胶水将水冷循环组件的外夹具31和封装夹具23进行封装；第五步，利用螺纹和导热良好的胶水完成水冷管以及温度探测器41的封装。

由上可知，本发明结合光纤端帽输出技术和包层光滤除技术，通过合理设计将二者集成到一个系统中，采用统一的水冷循环组件，构造了一个具有包层光滤除功能的一体化大功率光纤端帽输出系统。本发明通过将双包层光纤的一段涂覆层去掉后，对其进行清洁处理，然后在内包层表面涂覆高折射率材料，通过高折射率材料来破坏原有波导结构，从而将内包层里面的泵浦光16导出。由于双包层光纤本身的外包层折射率要比内包层折射率低很多，从而形成大数值孔径的内包层导光机制，当内包层外面换成是高折射率的材料时，原有的泵浦光16将很容易进入到高折射率材料中，实现包层光滤除的目的。这一种方法不需要破坏原有内包层结构，对纤芯激光没有任何影响，同时在高折射率材料的选取和具体涂覆方式上有很大的灵活性，可以根据不同需要进行调整，这给实际操作带来很大便利。

本发明还解决了包层光滤除和光纤端帽输出的一体化问题。要实现一体化就要求二者之间相互靠近，同时要保证双包层光纤有足够长的距离来完成包层光滤除。基于这些考虑，本发明采用将包层光滤除设置在玻璃光纤端帽21的输出尾纤区域，将连接光纤端帽的一段剥除涂覆层的双包层光纤充分利用起来。但是，考虑到光纤端帽熔接机械强度的问题，熔接好光纤端帽的双包层光纤很难在尾纤区域剥除涂覆层，因而本发明采用先去除双包层光纤涂覆层，再熔接光纤端帽的处理方法，这样也便于控制好包层光滤除区域的长度。

同时，本发明在解决水冷问题上还兼顾了包层光滤除和玻璃光纤端帽21二者的需要。由于滤除的所有包层光最后都转化为热能的形式，尤其是从外包层材料到涂覆高折射率材料的交界处，热积累最大，需要及时进行水冷散热。而玻璃光纤端帽21本身产热较少，加上体积较大，热负载能力较强，因而对其进行水冷可以放宽条件。根据以上特点，本发明采用内外水循环通道，沿热负载分布正向水冷散热，最高效地利用水冷组件。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种具有包层光滤除功能的一体化大功率光纤激光输出系统，其特征在于，包括光纤、包层光滤除组件、玻璃光纤端帽及封装组件和水冷循环组件，所述玻璃光纤端帽及封装组件包括玻璃光纤端帽（21）和封装夹具（23），所述包层光滤除组件、玻璃光纤端帽及封装组件均位于水冷循环组件中；所述光纤的光纤纤芯（11）与玻璃光纤端帽（21）熔接并封装于封装夹具（23）中；所述包层光滤除组件为位于光纤纤芯（11）一端上裸光纤区域（12）的高折射胶水层（14），所述高折射胶水层（14）利用折射效应用来将光纤内包层里的泵浦光（16）转换为高折射胶水层（14）中的热积累（17）并通过水冷循环组件进行冷却。

2.根据权利要求1所述的具有包层光滤除功能的一体化大功率光纤激光输出系统，其特征在于，所述高折射胶水层（14）由高折射率紫外胶水形成。

3.根据权利要求1所述的具有包层光滤除功能的一体化大功率光纤激光输出系统，其特征在于，所述高折射胶水层（14）的折射率高于所述光纤中光纤包层（13）中内包层的折射率。

4.根据权利要求1或2或3所述的具有包层光滤除功能的一体化大功率光纤激光输出系统，其特征在于，所述水冷循环组件包括外夹具（31）、进水口（33）、内循环通道（34）、外循环通道（35）和出水口（36），所述外夹具（31）与封装夹具（23）相连，所述内循环通道（34）和外循环通道（35）形成于外夹具（31）与封装夹具（23）之间的空腔；所述内循环通道（34）和外循环通道（35）之间通过通水孔（25）连接。

5.根据权利要求4所述的具有包层光滤除功能的一体化大功率光纤激光输出系统，其特征在于，在水冷循环组件中低温度的冷却水从进水口（33）进入内循环通道（34），直接对所述高折射胶水层（14）中的热积累（17）进行水冷处理，然后通过所述通水孔（25）进入外循环通道（35），最后从出水口（36）排出。

6.根据权利要求4所述的具有包层光滤除功能的一体化大功率光纤激光输出系统，其特征在于，所述外循环通道（35）的外侧安装有温度传感器（41），所述温度传感器（41）通过电缆（42）与前端控制器相连，当所述外循环通道（35）的探测温度达到阈值时，前段控制器自动切断电源。

7.根据权利要求4所述的具有包层光滤除功能的一体化大功率光纤激光输出系统，其特征在于，所述包层光滤除组件以及玻璃光纤端帽（21）与封装夹具（23）之间都通过胶水连接。

8.根据权利要求4所述的具有包层光滤除功能的一体化大功率光纤激光输出系统，其特征在于，所述封装夹具（23）和水冷循环组件中的外夹具（31）之间通过螺纹和胶水连接。