CN105659125A - 空间调制的包层模剥离器及其光纤 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种空间调制包层模剥离器和包含空间调制包层模剥离器的光纤。该空间调制包层模剥离器包括位于沿着包层一部分的一系列交替的高包层光提取区域和低包层光提取区域，以由此对包层光的提取进行调制。

Description

空间调制的包层模剥离器及其光纤

技术领域

本发明涉及具有包层模剥离器的光纤，特别是一种空间调制的包层模剥离器。

背景技术

光纤激光器功率的不断提高产生了对高功率处理部件的需求。这些高功率光纤激光器基于具有内掺稀土的二氧化硅芯和内包层的双包层光纤。这种结构是沿着双包层光纤的长度的泵浦光耦合和随后的泵浦吸收所必需的。该双包层光纤还包括具有高数值孔径的内包层以耦合低亮度泵浦光。这通过在内包层围绕折射率低于二氧化硅的折射率的外部的聚合物外包层实现。该双包层光纤还包括折射率高于二氧化硅的折射率的外部的聚合物外涂层以提供机械完整性。然而，当前使用的聚合物外涂层和外包层具有相对低的工作温度范围。由于已知聚合物外涂层和外包层的有限工作温度范围，基于双包层光纤的高功率光纤激光器需要适当的杂散光和温度管理，从而避免由聚合物外涂层的热衰减引起的故障。

在双包层光纤激光器和放大器中，常常有不合需要的光（如未被吸收的泵浦光、从双包层光纤芯逃逸的光或来自材料加工的反馈光）在双包层光纤芯中传播。这种不合需要的光如果从双包层光纤除去，可能降低高功率激光器的输出光束质量，或者通过热衰减产生激光器系统的灾难性故障。经常通过引入包层模剥离器来除去不需要的光，该包层模剥离器去除内包层的光波导效应。在先的包层模剥离器的一个例子是典型的高分子基包层模剥离器，其通过折射率高于二氧化硅的折射率的材料替代低折射率聚合物外包层，因此在特定长度之后，不合需要的光从内包层完全提取。然而，高于外包层的折射率的任何折射率值将通过减少内包层波导的数值孔径从内包层提取光。本领域已知有旨在提高传统包层模剥离器的功率处理能力的技术。关于与双包层光纤的聚合物外涂层的峰值温度相关的包层模剥离器的可靠性，已知技术试图通过控制光剥离来沿着双包层光纤分配热量，或者通过封装方法来降低峰值温度。

Wetter等在题为《高功率包层光剥离器》（2008年美国西部光电展，光纤激光器V：技术、系统和应用，SPIE学报，第6873卷，687327）的科技论文中公开了一种渐进包层模剥离器，其中，包层材料具有沿着双包层有源光纤变化的折射率。

Anderegg等（在第7349596号美国专利中）公开了一种将包层材料用作外包层的包层模剥离器，所述包层材料的折射率与温度负相关。通过增加包层材料的温度，光剥离率将降低，因此使包层模剥离器中的峰值温度饱和。

Kliner等（在第8027555号美国专利中）公开了一种包层模剥离器，其中，提取的光通过一块透明材料而被吸收。

最后，Freier等（在第6301418号美国专利中）公开了一种具有不均匀包层粗糙度或凹痕的波导光漫射器。

如上述参考文献所公开的这些用于从双包层光纤剥离不合需要的光的技术在实践中不容易实现。沿着双包层光纤改变折射率需要非常好的折射率改变的空间分辨率。并且，可能需要具有特定低折射率的一种类型以上的聚合物，以覆盖实现包层模剥离的折射率范围。可供选择的具有所需光性能和机械性能的低折射率的材料比具有高折射率的材料要少。通常，具有低折射率的材料的工作温度范围低于具有高折射率的材料的工作温度范围。同样的问题出现在具有与温度负相关的折射率的材料上。此外，在由二氧化硅制成的芯和内包层上具有表面粗糙度或凹痕减小了其机械强度。

因此，需要提供对不合需要的光的更容易的控制，以使包层模剥离内的温度曲线平坦。

发明内容

根据本发明的一个方面，本发明涉及一种用于光纤在运行中传播包层光信号的空间调制包层模剥离器。所述空间调制包层模剥离器包括位于光纤的包层的一部分的一系列交替的高包层光提取区域和低包层光提取区域。

根据所述空间调制包层模剥离器的另一方面，所述高包层光提取区域包括提供高包层光提取的高光剥离材料。

根据所述空间调制包层模剥离器的另一方面，所述低包层光提取区域包括提供低包层光提取的低光剥离材料。

根据所述空间调制包层模剥离器的另一方面，所述高包层光提取区域的长度沿着所述包层光信号在所述光纤中的传播方向递增。

根据所述空间调制包层模剥离器的另一方面，所述高提取区域的长度是基于要提取的总包层光功率和用于操作所述包层模剥离器的安全温度限制。

根据所述空间调制包层模剥离器的另一方面，所述高包层光提取区域的长度是固定的，而相继的低包层光提取区域的长度是沿着所述包层光信号的传播方向变化的。

根据所述空间调制包层模剥离器的另一方面，所述高光包层材料是折射率高于所述包层的折射率的光学透明材料。

根据所述空间调制包层模剥离器的另一方面，所述高光剥离材料具有用于传播所述剥离的包层光的扩散特性。

根据所述空间调制包层模剥离器的另一方面，所述高光包层材料包含含硅光学环氧树脂。

根据所述空间调制包层模剥离器的另一方面，所述低包层光提取区域包括围绕所述内包层的外包层和围绕所述外包层的外涂层。

根据所述空间调制包层模剥离器的另一方面，所述低光包层材料的折射率低于所述高光包层材料的折射率。

附图说明

将参照以下附图对本发明的实施例进行举例说明：

图1A为现有技术的双包层有源光纤的截面图；

图1B为图1A所示的现有技术的双包层有源光纤的折射率的径向分布图；

图2为常规的现有技术的包层模剥离器的侧截面图；

图3为根据非限制性说明的实施例的空间调制包层模剥离器的侧截面图，其中，高提取区域和低提取区域的长度是变化的。

图4为表现了若干包层模剥离器的纵向温度增加曲线的示意图；

图5为表现了随相互作用长度和有效光数值孔径的变化的残余光的示意图；

图6为空间调制包层模剥离器的侧截面图，其中周期是变化的；

图7为根据另一非限制性说明的实施例的空间调制包层模剥离器的侧截面图；

图8为根据又一非限制性说明的实施例的空间调制包层模剥离器的侧截面图。

具体实施方式

以下参照附图对本发明的示例性实施例的非限制性描述将有助于更好地理解本发明的上述和其他特征。在附图中相似的附图标记表示相似的特征。

本发明涉及一种空间调制包层模剥离器，其允许从光纤中提取分散的包层光。本发明的空间调制包层模剥离器提供了更简便的包层光提取率控制。此外，本发明的空间调制包层模剥离器使得包层模剥离器内的温度曲线平坦，从而提高包层模剥离器的功率处理能力，而不会损害光纤的机械完整性。

在这里所述的光纤指的是能够引导包层光的任何纤维结构，例如，单包层光纤、双包层光纤、有芯或无芯光纤等。

虽然本说明书和附图采用带有掺稀土的二氧化硅芯的光纤（在本领域也称为有源双包层光纤）来显示和描述本发明的空间调制包层模剥离器，本发明的空间调制包层模剥离器并不限于这种类型的光纤。本发明可能采用有源光纤（带有掺稀土的二氧化硅芯的光纤）或无源光纤（不带有掺稀土的二氧化硅芯的光纤）实现。

该空间调制包层模剥离器位于光纤的长度的一部分。该光学可能还包括，例如，在包层模剥离器的每侧上的外涂层，该外涂层的折射率高于最外面的包层的折射率。

该保存模剥离器包括沿着包层光在光纤的包层中的传播方向的多个交替的高包层光提取区域和低包层光提取区域。该高包层光提取区域由提供高包层光提取性能的材料制成，该高包层光提取区域围绕光纤的包层以提取包层光。该第包层光提取区域也围绕光纤的包层，并且由提供低包层光提取性能的低光剥离材料制成。

通过将高包层光提取区域和低包层光提取区域沿着光纤的一部分交替设置实现包层模剥离器的空间调制。因此，由于包层光提取产生的热量分布在交替的高包层光提取区域和相邻的低包层光提取区域上。这相对于当前已知的更受制于过热的具有单个连续的高包层光提取区域的包层模剥离器是一种改进。

本发明还涉及一种沿着光纤的裸露的包层制造该空间调制包层模剥离器的方法。在具体的实施例中，该方法包括沿着光纤的长度的一部分移除光纤的至少部分外包层和外涂层，从而得到裸露的包层。

该方法还包括围绕裸露的包层的一部分应用提供高包层光提取性能的高光剥离材料，从而在包层模剥离区域中创建围绕裸露的包层的高包层光提取区域。该方法还包括在包层模剥离区域中围绕光纤的裸露的包层的其他区域应用提供低包层光提取性能的第二材料，从而创建低包层光提取区域。在裸露的包层中，沿着包层光的传播方向，低包层光提取区域与高包层光提取区域交替。

高光剥离材料是折射率至少高于外包层的折射率的材料，并且必须是光学透明的。本领域技术人员可以理解的是，随着高光剥离材料的折射率朝着裸露的包层的折射率的值增加。裸露的包层的数字孔径将减小到零。因此，高光剥离材料的折射率应当高于裸露的包层的折射率，以便潜在提取所有的包层光。

在具体的实施例中，只是沿着包层模剥离器区域部分地移除外包层和外涂层。在这种情况下，低包层光提取区域由剩余的外包层和外涂层形成，而不用采用不同的低光剥离材料。然而，当沿着包层模剥离器区域完全移除外包层和外涂层时，通过使用不同于外包层和外涂层的低光剥离材料创建低包层光提取区域。这种低光剥离材料的折射率低于裸露的包层的折射率，并且低于高光剥离材料的折射率。

高包层光提取区域和低包层光提取区域的各自的长度可能根据具体的热分布需求变化。例如，可能创建和产生高包层光提取区域和低包层光提取区域的特定模式来实现沿着包层模剥离器的特定热分布模式。

同时参考图1A和1B，其分别表示本领域已知的双包层光纤的截面图和该双包层光纤的折射率的径向分布图。

该双包层光纤10具有内掺稀土二氧化硅芯11和内包层12，这是沿着光纤芯11的长度的泵浦光耦合和后续的泵浦吸收所必需的。内包层12通常由纯二氧化硅制成，并且它的折射率6低于芯11的折射率5，从而能够在芯11中引导光。为了将低亮度的泵浦光耦合进光纤10中，内包层12具有高数值孔径。通过在内包层12上围绕具有低于内包层12的折射率6的折射率7（例如，当内包层12由纯二氧化硅制成时，低于二氧化硅的折射率）的低系数聚合物外包层13实现内包层12的高数值孔径。具有高于内包层12的折射率6的折射率8（例如，当内包层12由纯二氧化硅制成时，高于二氧化硅的折射率）的高系数聚合物外涂层14确保了光纤10的机械和化学完整性。

现在参考图2，其为常规的现有技术的包层模剥离器20的侧截面图。在常规包层模剥离器20中，通过改变外包层13的波导功能实现从内包层12的包层光提取。在图2所示的常规包层模剥离器20中，外包层13和外涂层14沿着光纤的特定长度被移除，并用剥离材料25替代。剥离材料25是折射率等于或高于内包层12的折射率的光学透明材料。这种光学透明材料包括，例如，光学透明环氧树脂或聚合物。因此，在光纤的芯11中引导光信号传播的同时，在内包层12中个包层光在相对短的传播长度上离开。此外，首先提取具有更大传播角度的光束，如图5中的常规模剥离器的标准化的剩余功率与长度比较的图形结果所示。剥离材料25的加热与光剥离材料25的光吸收率，和传播到此的包层光功率成正比。因此，在典型的包层模剥离器20中，提取的包层光功率密度和温度在包层模剥离器20中的某点最大，如图4所示，其中，温度分布曲线44对应上述常规包层模剥离器20。

现在参考图3，其为根据本发明的实施例的在双包层光纤上的本发明的空间调制包层模剥离器的侧截面图，其中，高光提取区域和低光提取区域的长度是交替的和变化的。该双包层光纤只是用作举例说明，本发明的空间调制包层模剥离器和相关的方法不应当被认为限制于双包层光纤。

由于光纤是双包层光纤，首先通过移除一系列小段的外包层13和外涂层14提供裸露的包层，即，在本例子中的内包层，从而提供包层模剥离区域37。移除小段外包层13和外涂层14产生的间隙36被填充光剥离材料25。该交替的间隙36和剩余的外包层13和外涂层14创建了沿着芯12的交替的高光提取区域38和低光提取区域39的模式。此外，高光提取区域38和低光提取区域39的长度可能相等，或者为不同尺寸，或者沿着包层模剥离区域37的长度变化。每个高包层光提取区域38从裸露的包层提取光，通过包层模剥离器30，提取的光在低提取区域传播一定长度。剥离材料25可能具有扩散性能，例如，含气相二氧化硅的光学环氧树脂，以助于沿着包层模剥离器30传播提取的光和防止热堆积。对于具有低数值孔径的包层光射线，使用具有扩散性能的光剥离材料是特别重要的。

为了减小包层模剥离器30的整体长度，高包层光提取区域38的长度是递增的，由于存在越来越少的包层光要被提取，通过包层模剥离器30的光提取率减少，因此，热曲线沿着包层模剥离器30变平。在知道要提取的全部包层光功率、要提取的包层光的数值孔径分别和包层模剥离器30的安全温度限制的情况下，可以设计出包层光提取的准确调制模式。

现在参考图3和4，其中，图4为展示了不同包层模剥离器的纵向温度曲线。纵向温度曲线42对应图3所示的空间调制包层模剥离器30。它可以与图2所示的常规包层模剥离器20的纵向温度曲线44相比较。图4中所示的纵向温度曲线42和44的包层模剥离器是在相似的条件下测试的，并采用相似的技术实现。

高包层光提取区域38的最小可控长度和包层模剥离器30的总长度构成包层模剥离器30的两个设计约束。然而，光纤在本质上是非常长的，因此通常不关心总长度。在另一方面，可以在外包层13中创建短至几十微米的间隙36以确保最小包层光提取。空间调制包层模剥离器30（如图3所示）的温度曲线42相对于常规包层模剥离器20（如图2所示）的温度曲线44的改进至少大致对应最短高包层光提取区域36的长度和相邻的低包层光提取区域39的长度的比率。温度曲线的改进的这种近似对于小于几毫米的低包层光提取区域39是有效的。采用足够长的包层模剥离器30，可能有千瓦级功率提取，如图4中的温度曲线所示。然而，包层模剥离器30的最大提取功率受包层光数值孔径的影响，即，在图3的例子中，受内包层中的包层光的影响。由于包层光与剥离材料25的交互水平的提高，因此提取更高数值孔径光束需要更短的高包层光提取区域36。因此，在某点，控制第一高提取区域36的长度可能变得越来越重要。

现在参考图6，其给出了空间调制包层模剥离器60的另一实施例。在本实施例中，通过沿包层模剥离器区域创建一系列间隙来创建空间调制模剥离器60。这些间隙通过裸露内包层创建，并且在图6的具体例子中，为了这么做，需要移除外包层和外涂层。这些间隙对应固定长度但是长度非常短的高包层光提取区域66。这些间隙与一系列不同长度的低包层光提取区域69相交替，这些低包层光提取区域69对应具有剩余外包层和外涂层的未改变的光纤。通过往这些间隙填充剥离材料25实现高包层提取区域66。

现在参考图7，其给出了空间调制包层模剥离器的又一实施例。在该空间调制包层模剥离器70中，沿着整个包层模剥离器区域裸露出内包层。该内包层通过在包层模剥离器70的长度上移除外包层13和外涂层14而裸露（后面简称为裸露包层）。此外，通过沿着包层模剥离器区域的长度绕裸露的包层应用不同折射率的材料模式实现高包层光提取区域75和低包层光提起区域76。在一系列交替的高包层光提取区域和低包层光提取区域中，裸露包层12中传播的包层光被包层模剥离器70提取，同时，在芯11中传播的光信号保持不变。

现在参考图8，其给出了本发明的空间调制包层模剥离器80的再一实施例。在空间调制包层模剥离器80的本实施例中，如图7的实施例，内包层通过在包层模剥离器80的长度上移除外包层13和外涂层14而裸露（后面简称为裸露包层）。此外，在包层模剥离器区域的长度上用具有凹痕86图案的固体材料（如玻璃、金属、聚合物）围绕裸露包层12。该固体材料85可能要么用作高包层光提取区域，要么用作低包层光提取区域。凹痕86由低折射率材料或高折射率材料（如气体、液体、聚合物和金属）填充。裸露包层12还与不存在固体材料85的无源区域87接触。该无源区域87由低折射率材料（如水或聚合物）制成。

虽然图3、6、7和8描绘了在双包层光纤上的空间调制包层模剥离器的实施例，本发明的空间调制包层模剥离器并不限于用在这种光纤上。本发明的空间调制包层模剥离器可能用在要移除包层光的任意类型的光纤上。通过简单地裸露出必须提取包层光的包层的层，如前所述，因而使用术语裸露包层，可能从包层的任意层移除包层光。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (12)

1.一种空间调制包层模剥离器，其用于具有包层的光纤，所述空间调制包层模剥离器包括：

一系列交替的高包层光提取区域和低包层光提取区域，这些区域位于沿着所述包层的一部分。

2.根据权利要求1所述的空间调制包层模剥离器，其特征在于，所述高包层光提取区域包括提供来自包层的高包层光提取的高光剥离材料。

3.根据权利要求2所述的空间调制包层模剥离器，其特征在于，所述低包层光提取区域包括提供来自包层的低包层光提取的低光剥离材料。

4.根据权利要求1所述的空间调制包层模剥离器，其特征在于，所述高包层光提取区域的长度沿着所述包层光在所述包层中的传播方向递增。

5.根据权利要求4所述的空间调制包层模剥离器，其特征在于，所述高提取区域的长度是基于要提取的总包层光功率和用于操作所述包层模剥离器的安全温度限制的。

6.根据权利要求1所述的空间调制包层模剥离器，其特征在于，所述高包层光提取的长度是固定的，而相继的低包层光提取区域的长度是沿着所述包层中的光的传播方向增加的。

7.根据权利要求2所述的空间调制包层模剥离器，其特征在于，所述高光包层材料是折射率高于所述包层的折射率的光学透明材料。

8.根据权利要求2所述的空间调制包层模剥离器，其特征在于，所述高光包层材料是折射率高于所述光纤的外包层的折射率的光学透明材料。

9.根据权利要求7所述的空间调制包层模剥离器，其特征在于，所述高光剥离材料具有用于传播所提取的包层光的扩散特性。

10.根据权利要求8所述的空间调制包层模剥离器，其特征在于，所述高光包层材料包括含硅光学环氧树脂。

11.根据权利要求1所述的空间调制包层模剥离器，其特征在于，所述低包层光提取区域包括围绕所述内包层的外包层和围绕所述外包层的外涂层。

12.根据权利要求3所述的空间调制包层模剥离器，其特征在于，所述低光包层材料的折射率低于所述包层的折射率。