CN105572803A - 一种熔点拉锥型光纤功率合束器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种熔点拉锥型光纤功率合束器及其制作方法，该合束器由输入信号光纤(100)、熔融光纤束(110)、拉锥过渡区光纤束(120)、拉锥均匀区(130)、熔接点(140)、拉锥均匀区输出光纤(220)、拉锥过渡区输出光纤(210)和输出双包层光纤(200)组成；该制作方法首先将输入光纤束熔融拉锥至包层尺寸与输出光纤匹配，然后将熔锥光纤束与输出光纤进行熔接，最后将熔接点区域进行再次拉锥，完成合束器的制作。本发明在保证耦合效率和实现大功率输出的同时，能够实现高亮度的信号激光合束，对于高功率激光有着重要意义。

Description

一种熔点拉锥型光纤功率合束器及其制作方法

技术领域

本发明涉及光纤激光器技术领域，尤其涉及一种熔点拉锥型光纤功率合束器及其制作方法。

背景技术

光纤激光器是继传统固体激光器和气体激光器后的新一代新型固体激光器，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和国防领域。目前，IPG公司已经报道了输出功率达到10kW的单模光纤激光器。然而，受光纤非线性效应及光学热损伤等机制的限制，单根光纤激光器的输出功率不可能无限提升。为了获得更大的光纤激光输出，对多个中等功率的光纤激光进行合束是一种有效手段。对光纤激光的合成主要分为相干合成和非相干合成两种方式。相干合成是采用相位控制技术，使得输出各路激光在远场发生相干叠加，合成后的远场功率密度正比于激光器路数的平方，能够实现非常高的能量集中度。但是相干合成要求参与合成的各光束具有相同的光谱分布，同时还要求各光束之间具有确定的相位关系。对于相位控制的要求也非常苛刻，受环境扰动的影响很大，目前还很难用于实际应用系统中。事实上，由于相位噪声的存在，各个激光器之间不能自发地实现相位锁定；同时，由于光波长较短，实现光束的精确相位控制也很难实现。相比而言，非相干合成方案不需要进行相位控制，对环境要求较小。非相干合成主要包括光谱合成、自适应光学元件合成和熔融拉锥光纤耦合器合成等方案。相比于空间结构的非相干光束合成方案，全光纤结构的光纤合束器具有结构简单紧凑、使用灵活等优点，能够避免空间光路调节，其功率的提升仅受限于光纤合束器本身。应用光纤合束器合束已经成为大功率光纤激光输出的有效选择方案。但是传统的光纤合束器一般采用多模单包层光纤将多个泵浦源耦合为一束输出，用于提高输出功率，但输出光束质量较差，不适合用于将多个光纤激光器合束输出。一些新型的光纤功率合束器结构，如中国专利信号光合束器及其制作方法(公开号CN101866032A)，提出将多根输出光纤通过高温熔融拉锥合成一束并与输出光纤熔接的方式制作信号光合束器，可以有效提升输出功率，但输出光束质量较差。发明专利光纤功率合束器及其制备方法(公开号CN102116902A),提出将输出的双包层光纤内包层腐蚀后再进行熔融拉锥，可以有效提高纤芯占空比，但无法完全解决纤芯占空比不高的问题，且内包层腐蚀操作麻烦，对光纤也有一定损伤。发明专利高光束质量信号光光纤合束器及其制作方法(公开号CN102778739A)，提出利用纤芯转接部使多个光纤与输出光纤熔接，实现信号光在熔接处的理论占空比达到1，提升输出激光光束质量，但发明中提到的纤芯转接部在实验上还是需要采用到化学腐蚀或者加热扩芯等方式来实现，同样存在前文提到的一些问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：基于传统熔融拉锥光纤束制作的光纤合束器无法实现高的纤芯占空比，从而使得输出信号光光束质量变差。为此，本发明提出一种全新结构的熔点拉锥型光纤功率合束器及其制作方法。

一种熔点拉锥型光纤功率合束器，其特征在于：由输入信号光纤100、熔融光纤束110、拉锥过渡区光纤束120、拉锥均匀区130、熔接点140、拉锥均匀区输出光纤220、拉锥过渡区输出光纤210和输出双包层光纤200组成。

优选的，所述输入信号光纤和输出双包层光纤的包层折射率相等。

优选的，所述输入信号光纤的光纤信号激光，是单包层光纤的纤芯激光、双包层光纤的纤芯信号激光、严格的单模激光、接近单模运转的少模激光中的任一种激光。

优选的，在用于非相干合束时，输出双包层光纤纤芯支持的光纤模式数目不小于单根输入信号光纤纤芯模式数和输入光纤数的乘积。

优选的，在用于相干合成时，输出双包层光纤的数目不小于单根输入信号光纤纤芯模式数。

优选的，所述熔融光纤束110、拉锥过渡区光纤束120、拉锥均匀区130、熔接点140、拉锥均匀区输出光纤220、拉锥过渡区输出光纤210包裹在一层低折射率玻璃管300中。

一种熔点拉锥型光纤功率合束器的制作方法，其特征在于，制作过程包括：

第一步，将所有用于输入的信号光纤去除一段涂覆层，并对处理后的包层进行彻底清洁；

第二步，将输入信号光纤进行紧密排列，形成结构稳定的组束形状，然后将组束光纤两端分别插入夹具中，并使组束光纤之间存在一定的作用力；

第三步，将夹具放置到拉锥机拉伸台上，施加一定拉力拉直光纤束，然后加热信号光纤束达到熔融状态并施加一定的拉力，使得各个信号光纤相互融合形成规则的圆形结构，同时直径逐渐减小，拉锥到与输出光纤包层直径相等或者略小时停止；

第四步，测量拉锥后的信号光纤束的直径和形状，在直径等于输出光纤包层直径的位置处进行切割，同时对输出双包层光纤进行去除涂覆层、清洁和切割处理，然后将二者用熔接机进行熔接；

第五步，将熔接完成后的输入输出光纤重新放置到拉锥机拉伸台上，对熔接点附近区域进行二次拉锥，拉锥使得输入光纤束和输出光纤的所有纤芯模式都截止,光纤中只有包层模式进行传输时停止。

优选的，在所述的第二步中，通过施加扭转方式使得组束光纤之间存在一定的作用力。

一种熔点拉锥型光纤功率合束器的制作方法，其特征在于,采用低折射率玻璃管进行信号光纤组束拉锥，制作过程包括：

第一步，分别对两根完全相同低折射率玻璃管进行拉锥，使得第一根玻璃管锥腰区域的内径与所要采用的所有信号光纤紧密排列时的外径相一致，第二根玻璃管锥腰区域的内径与输出光纤包层直径相一致；

第二步，将所有用于输入的信号光纤去除一段涂覆层，并对处理后的包层进行彻底清洁，然后将所有输入信号光纤插入第一根拉锥后的低折射率玻璃管，使得光纤在玻璃管内紧密排列；

第三步，将玻璃管连同玻璃管内的光纤束放置到拉锥机拉伸台上，加热玻璃管及光纤束达到熔融状态并施加一定的拉力，使得各个信号光纤相互融合形成规则的圆形结构，同时直径逐渐减小，拉锥到包层直径比输出光纤包层直径略小时停止，在锥腰位置处将玻璃管连同光纤束进行切割；

第四步，对输出双包层光纤进行去除涂覆层、清洁和切割处理，然后将其插入第二根拉锥后的玻璃管中，放置到拉锥机上进行拉锥，拉锥到包层直径与输入光纤包层直径相等时停止，在锥腰位置处将玻璃管连同光纤进行切割；

第五步，将切割好的输入光纤束和输出光纤用光纤熔接机进行熔接，然后将熔接完成后的输入输出光纤重新放置到拉锥机拉伸台上，对熔接点附近区域进行二次拉锥，拉锥使得输入光纤束和输出光纤的所有纤芯模式都截止,光纤中只有包层模式进行传输时停止。

与现有技术相比，本发明的优点在于：通过再次拉锥熔锥光纤束和输出光纤的熔接点，可以巧妙实现两个目的，一是使得光纤束的纤芯尺寸进一步减小，多芯超模截止而激发低阶包层模式，二是将耦合进输出光纤包层的包层模式激光逐渐耦合回纤芯中。通过包层模式的过渡形式，实现在输出光纤中高亮度信号光输出。本发明在保证耦合效率和实现大功率输出的同时，能够实现高亮度的信号激光合束，对于高功率激光有着重要意义。

附图说明

图1为本发明的总体结构示意图；

图2为本发明信号光纤束的横截面结构示意图；

图3为本发明熔接点和输出光纤的横截面示意图；

图4为本发明制作基于熔接点拉锥法的全光纤高亮度信号光光纤合束器的总体流程图；

图5为采用低折射率玻璃管实施本发明的总体结构示意图；

图6为采用低折射率玻璃管实施本发明的信号光纤束和输出光纤横截面示意图。

具体实施方式

图1为本发明的总体结构示意图：整个合束器结构由输入光纤100、熔融光纤束110、拉锥过渡区光纤束120、拉锥均匀区130、熔接点140、拉锥均匀区输出光纤220、拉锥过渡区输出光纤210和输出光纤200组成。其中拉锥过渡区光纤束120的长度为L₁，拉锥均匀区输入光纤130和输出光纤220的长度为L，拉锥过渡区输出光纤的长度为L₂，在拉锥过程中通过控制L1和L2的长度来实现绝热拉锥。输入光纤100的包层和输出光纤200的包层折射率相等。另外，输入光纤涂覆层103和输出光纤涂覆层203在合束器制作过程中都需要去除。绝热拉锥的长度要求可参考中国专利：实现LP01模场直径低损耗变换的光纤模场适配器(公开号CN102866462A)以及文献[1]J.D.Love,W.M.Henry,W.J.Stewart,R.J.Black,S.Lacroix,F.Gonthier,Taperedsingle-modefibresanddevices.I.Adiabaticitycriteria,IEEPROCEEDINGS,138(1991)12.文献[2]T.A.Birks,Y.W.Li,Theshapeoffibertapers,J.LightwaveTechnol.,10(1992)432-438.

图2为本发明信号光纤束的横截面结构示意图。在输入信号光纤组束的位置上，信号光纤紧密排列，各自的纤芯和包层分别为101和102，此时信号激光104在每根信号光纤中独立传输。通过加热达到熔融状态，输入信号光纤束将逐渐转变为规则的圆形包层，形成类似多芯光纤结构，其纤芯和包层分别为111和112，此时信号激光114仍然在每根信号光纤中独立传输。随着拉锥比例的进一步增大，纤芯112和包层122的直径将等比例减小，由于相互耦合作用的增强，形成多芯光纤结构，信号激光124在各个纤芯之间耦合传输。在拉锥均匀区，多芯光纤的纤芯131由于纤芯模式截止效应而失去波导作用，信号激光134将在多芯光纤的包层132和空气形成的波导里传输。

图3为本发明熔接点和输出光纤的横截面示意图。在熔接点处同时存在输入信号光纤束纤芯141和输出光纤纤芯145，并且都由于纤芯模式截止效应而失去波导作用，信号激光144约束在包层142中传输。在输出光纤的拉锥均匀区，输出光纤纤芯221仍然不具有波导作用，信号激光224约束在包层222中传输。在输出光纤的拉锥过渡区，由于纤芯211和包层212的逐渐增大，信号激光214逐渐由包层模式转化为纤芯模式。在输出光纤的输出端，包层202中的激光完全耦合回纤芯201中，形成稳定的纤芯激光204输出。

图4为本发明制作基于熔接点拉锥法的全光纤高亮度信号光光纤合束器的总体流程图。整个制作过程主要包括：第一步，将所有用于输入的信号光纤去除一段涂覆层，并对处理后的包层进行彻底清洁；第二步，将输入信号光纤进行紧密排列，形成结构稳定的组束形状，然后将组束光纤两端分别插入合适的夹具中，通过施加扭转或者其他方式使得组束光纤之间存在一定的作用力；第三步，将夹具放置到拉锥机拉伸台上，施加一定拉力拉直光纤束，然后加热信号光纤束达到熔融状态并施加一定的拉力，使得各个信号光纤相互融合形成规则的圆形结构，同时直径逐渐减小，拉锥到与输出光纤包层直径相等或者略小时停止；第四步，测量拉锥后的信号光纤束的直径和形状，在直径等于输出光纤包层直径的位置处进行切割，同时对输出双包层光纤进行去除涂覆层、清洁和切割处理，然后将二者用熔接机进行熔接；第五步，将熔接完成后的输入输出光纤重新放置到拉锥机拉伸台上，对熔接点附近区域进行二次拉锥，拉锥使得输入光纤束和输出光纤的所有纤芯模式都截止,光纤中只有包层模式进行传输时停止。

图5为采用低折射率玻璃管实施本发明的总体结构示意图。与图1所示的结构不同的是，合束器的整个拉锥结构不是裸露在空气中，而是包裹在一层低折射率的玻璃管300中，这样的结构更易于实现大功率激光传输，同时也可以避免污染物质进入到波导界面。在制作过程中，在前文所述的制作流程基础上，还需要在光纤熔接这一步骤完成之后增加置入低折射率玻璃管这一个步骤。

图6为采用低折射率玻璃管实施本发明的信号光纤束和输出光纤横截面示意图。在组束阶段，将紧密排列的输入信号光纤100置入低折射率玻璃管300中，会形成空气间隙105。通过熔融拉锥消除输入信号光纤之间的空气间隙，形成统一的包层112，当拉锥程度很大时，信号激光将会在包层和低折射率玻璃管之间形成的波导结构中传输。同样在输出光纤中，在拉锥程度很大的区域，信号激光将会在包层202和低折射率玻璃管300形成的波导中传输。

为了对本发明实施例的熔点拉锥型光纤功率合束器的制作方法有更清楚的理解，以下结合具体例子进行说明。

【实施例1】

图1至图3是采用直接组束拉锥方式制作3×1熔点拉锥型光纤功率合束器的实施过程。制作过程中首先将3根纤芯/内包层直径分别为15/130μm的双包层信号光纤100的中段涂覆层103(包括外包层)去除4cm，露出内包层102。利用两个光纤夹具分别夹持住3根光纤带有涂覆层的两侧光纤，然后沿径向相反方向进行扭转一圈或者两圈，使3根光纤在剥除涂覆层区域紧密贴合在一起，如图2左侧结构所示。然后将组束后的光纤束放置到光纤拉锥机上，利用火焰对剥除涂覆层区域进行加热使其相互融合，同时对光纤束施加沿轴向相反方向的拉力，通过控制火焰温度和拉锥长度得到锥腰区域为直径250μm的圆形结构，如图2中的112。接着将拉锥后的光纤束在锥腰中心位置进行切割，与纤芯/内包层直径分别为25/250μm的双包层光纤进行熔接。最后将输入光纤束和输出光纤放置到光纤拉锥机上，对熔接点区域进行拉锥，使得熔接点位置处的光纤直径为40μm，光纤拉锥区长度为2cm，完成3×1熔点拉锥型光纤功率合束器的制作。

【实施例2】

图5至图6是采用低折射率玻璃管组束方式制作7×1熔点拉锥型光纤功率合束器的实施过程。制作过程中首先将7根纤芯/内包层直径分别为20/130μm的双包层信号光纤100的一端涂覆层103(包括外包层)去除4cm，露出内包层102。同时将两根根长度为10cm的低折射率玻璃管300(数值孔径为NA＝0.22,内径/外径为800/1000μm)在中段拉锥至400/500μm，使得锥腰长度为2cm。然后将处理后的7根光纤内包层插入低折射率玻璃管中，使得内包层紧密排列于玻璃管锥腰区域300，如图6左侧结构所示。然后将插入光纤的玻璃管300放置到光纤拉锥机上，利用火焰对玻璃管锥腰区域进行加热使其相互融合，同时对光纤束施加沿轴向相反方向的拉力，通过控制火焰温度和拉锥长度得到锥腰区域为直径300μm的圆形结构，并在此位置进行切割，如图6中间结构所示。接着将纤芯/内包层直径分别为30/400μm的双包层光纤一端涂覆层203去除4cm，露出内包层202。将输出光纤插入另一根拉锥好的玻璃管内，使得内包层紧密贴合在玻璃管锥腰区域300，如图6右侧结构所示。将插有输出光纤的玻璃管放置到光纤拉锥机上进行拉锥至300μm，并在此位置切割。将输入光线束和输出光纤在切割位置进行熔接。最后将输入光纤束和输出光纤连同玻璃管一起放置到光纤拉锥机上，对熔接点区域进行拉锥，使得熔接点位置处的光纤直径为40μm，光纤拉锥区长度为2cm，完成7×1熔点拉锥型光纤功率合束器的制作。

以上对本发明提供的一种熔点拉锥型光纤功率合束器及其制作方法进行了详细介绍，以上的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本发明的思想，还可做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明提交的权利要求书确定的保护范围。

Claims (9)

1.一种熔点拉锥型光纤功率合束器，其特征在于：由输入信号光纤(100)、熔融光纤束(110)、拉锥过渡区光纤束(120)、拉锥均匀区(130)、熔接点(140)、拉锥均匀区输出光纤(220)、拉锥过渡区输出光纤(210)和输出双包层光纤(200)组成。

2.如权利要求1所述的一种熔点拉锥型光纤功率合束器，其特征在于：所述输入信号光纤(100)和所述输出双包层光纤(200)的包层折射率相等。

3.如权利要求1所述的一种熔点拉锥型光纤功率合束器，其特征在于：所述输入信号光纤的光纤信号激光，是单包层光纤的纤芯激光、双包层光纤的纤芯信号激光、严格的单模激光、接近单模运转的少模激光中的任一种激光。

4.如权利要求1所述的一种熔点拉锥型光纤功率合束器，其特征在于：在用于非相干合束时，输出双包层光纤纤芯支持的光纤模式数目不小于单根输入信号光纤纤芯模式数和输入光纤数的乘积。

5.如权利要求1所述的一种熔点拉锥型光纤功率合束器，其特征在于：在用于相干合成时，输出双包层光纤的数目不小于单根输入信号光纤纤芯模式数。

6.如权利要求1所述的一种熔点拉锥型光纤功率合束器，其特征在于：所述熔融光纤束(110)、拉锥过渡区光纤束(120)、拉锥均匀区(130)、熔接点(140)、拉锥均匀区输出光纤(220)、拉锥过渡区输出光纤(210)包裹在一层低折射率玻璃管(300)中。

7.如权利要求1-5所述的一种熔点拉锥型光纤功率合束器的制作方法，其特征在于，制作过程主要包括：

第一步，将所有用于输入的信号光纤去除一段涂覆层，并对处理后的包层进行彻底清洁；

第二步，将输入信号光纤进行紧密排列，形成结构稳定的组束形状，然后将组束光纤两端分别插入夹具中，并使组束光纤之间存在一定的作用力；

第三步，将夹具放置到拉锥机拉伸台上，施加一定拉力拉直光纤束，然后加热信号光纤束达到熔融状态并施加一定的拉力，使得各个信号光纤相互融合形成规则的圆形结构，同时直径逐渐减小，拉锥到与输出光纤包层直径相等或者略小时停止；

第四步，测量拉锥后的信号光纤束的直径和形状，在直径等于输出光纤包层直径的位置处进行切割，同时对输出双包层光纤进行去除涂覆层、清洁和切割处理，然后将二者用熔接机进行熔接；

第五步，将熔接完成后的输入输出光纤重新放置到拉锥机拉伸台上，对熔接点附近区域进行二次拉锥，拉锥使得输入光纤束和输出光纤的所有纤芯模式都截止，光纤中只有包层模式进行传输。

8.如权利要求7所述的一种熔点拉锥型光纤功率合束器的制作方法，其特征在于：在所述第二步中，通过施加扭转方式使得组束光纤之间存在一定的作用力。

9.如权利要求6所述的熔点拉锥型光纤功率合束器的制作方法，其特征在于,采用低折射率玻璃管进行信号光纤组束拉锥，制作过程包括：

第一步，分别对两根完全相同低折射率玻璃管进行拉锥，使得第一根玻璃管锥腰区域的内径与所要采用的所有信号光纤紧密排列时的外径相一致，第二根玻璃管锥腰区域的内径与输出光纤包层直径相一致；

第二步，将所有用于输入的信号光纤去除一段涂覆层，并对处理后的包层进行彻底清洁，然后将所有输入信号光纤插入第一根拉锥后的低折射率玻璃管，使得光纤在玻璃管内紧密排列；

第三步，将玻璃管连同玻璃管内的光纤束放置到拉锥机拉伸台上，加热玻璃管及光纤束达到熔融状态并施加一定的拉力，使得各个信号光纤相互融合形成规则的圆形结构，同时直径逐渐减小，拉锥到包层直径比输出光纤包层直径略小时停止，在锥腰位置处将玻璃管连同光纤束进行切割；

第四步，对输出双包层光纤进行去除涂覆层、清洁和切割处理，然后将其插入第二根拉锥后的玻璃管中，放置到拉锥机上进行拉锥，拉锥到包层直径与输入光纤包层直径相等时停止，在锥腰位置处将玻璃管连同光纤进行切割；

第五步，将切割好的输入光纤束和输出光纤用光纤熔接机进行熔接，然后将熔接完成后的输入输出光纤重新放置到拉锥机拉伸台上，对熔接点附近区域进行二次拉锥，拉锥使得输入光纤束和输出光纤的所有纤芯模式都截止,光纤中只有包层模式进行传输时停止。