CN105700079A - 一种合束器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种合束器及其制作方法，其中方法包括如下步骤：将N根光纤分别剥离涂覆层后排列成一预定形状，其中N为大于或等于2的整数；将排列成预定形状的N根被剥离涂覆层的光纤插入一第一石英套管内，其中，该第一石英套管的内径被拉锥成与所述N根光纤排列成的预定形状的外径相匹配的大小；及将插入所述N根光纤后的第一石英套管加热收缩紧固后再将第一石英套管外壁腐蚀直到所述第一石英套管外壁的壁厚小于100μm得到一个N×1单元模块。本发明还可以通过将M个上述N×1单元模块进行集成化制成一M×N×1的合束器。本发明的合束器的制作方法通过化整为零的方式将光纤模块化后再进行集成化实现合束器的制作，制作工艺简单，成本低廉。

Description

一种合束器及其制作方法

【技术领域】

本发明涉及光纤及激光技术领域，特别涉及一种用于千瓦级光纤激光器的光纤信号合束器及其制作方法。

【背景技术】

高功率光纤激光器在光束质量、体积、重量、效率、散热等方面均具有明显优势，现已广泛应用于光纤通讯、激光空间远距离通讯、工业造船、汽车制造、激光切割、金属焊接、军事国防安全、生物医疗、大型基础建设等民用工业和军事领域，被称之为“第三代激光器”，尤其是在激光加工和国防安全两个领域，受到越来越多的重视和研究。其中，高功率光纤激光器中最关键的无源器件就是光纤泵浦合束器。此外，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的最高功率和光束质量均已接近理论极限值，为了获得更高功率的光纤激光输出，对多个中高等功率的光纤激光进行功率合束是一种有效提升激光输出功率的手段，其中所需的关键无源元件就是光纤信号合束器。

目前的现有技术中，制作光纤合束器时一般都采用将多个光纤激光器的输出尾纤捆绑成一束后，外层用石英套管套上进行熔融拉锥的方式。以制作7×1泵浦合束器为例，先将七根多模光纤捆扎成一个光纤束，然后使用光纤拉锥机将光纤束的石英套管拉锥。拉锥后，将光纤束插入石英管内进行二次拉锥，最后在锥区的适当位置切割，然后在断面处与多模光纤熔接在一起。这样，就将七根多模光纤中传输的泵浦光耦合到输出光纤的内包层中传输。

然而，利用上述技术研制的光线合束器主要的问题就是当输入端尾纤增加时，制作工业难度和成本倍增。例如，制作19×1泵浦合束器就会比制作7×1泵浦合束器困难得多，因为光纤直径只有百微米量级，当光纤数量增加到一定数量后，很难将光纤束有规则，对称性的排列。

【发明内容】

本发明要解决的技术问题是如何提供一种合束器及其制作方法，以解决随着尾纤数量增加，造成合束器制作工业大幅增加，制作成本昂贵的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：

一种合束器的制作方法所述合束器的制作方法包括如下步骤：将N根光纤分别剥离涂覆层后排列成一预定形状，其中N为大于或等于2的整数；将所述排列成预定形状的N根被剥离涂覆层的光纤插入一第一石英套管内，其中，该第一石英套管的内径被拉锥成与所述N根光纤排列成的预定形状的外径相匹配的大小；及将插入所述N根光纤后的所述第一石英套管加热收缩紧固后再将第一石英套管外壁腐蚀直到所述第一石英套管外壁的壁厚小于100μm。

优选地，所述第一石英套管为一纯的石英套管，通过上述方法制作出的为一拉锥前的N×1合束器，再经过拉锥、切割端面和续接尾纤就得到一个N×1合束器，所述第一石英套管为所述制作出的N×1合束器的机械外包层。

优选地，所述第一石英套管为一掺氟的石英套管，通过上述方法制作出的为一M×N×1的合束器的单元模块，所述制作方法进一步包括如下步骤：将M个所述单元模块排列成一预定形状，其中M为大于或等于2的整数；将所述排列成预定形状的M个单元模块插入一第二石英套管内，其中，该第二石英套管为一纯的石英套管且所述第二石英套管的内径被拉锥成与所述M个单元模块排列成的预定形状的外径相匹配的大小；及将插入所述M个单元模块后的所述第二石英套管加热收缩紧固后再将第二石英套管外壁腐蚀直到所述第二石英套管外壁的厚度小于100μm，从而得到一个拉锥前的M×N×1的合束器，再经过拉锥、切割端面和续接尾纤就得到一个M×N×1合束器，所述第二石英套管为所述制作出的M×N×1合束器的机械外包层。

优选地，所述N等于3、7或19，M等于3、7或19，所述预定形状为一六边形外接圆形状。

优选地，采用氢氧焰熔融拉锥或二氧化碳激光拉锥方式对所述第一石英套管及第二石英套管进行拉锥。

优选地，采用具有强腐蚀性的气体或液体对所述第一石英套管外壁或第二石英套管外壁进行腐蚀。

优选地，采用氢氟酸或浓硫酸对所述第一石英套管外壁或第二石英套管外壁进行腐蚀。

本发明还提供了一种合束器，所述合束器由以上所述的方法制成。

本发明的有益效果在于，相较于现有技术，本发明的合束器制作方法通过化整为零的方式将光纤模块化后再进行集成化实现合束器的制作，制作工艺简单，成本低廉，且解决了因光纤数量增多造成的光纤合束和排列不规则的问题。

【附图说明】

图1是利用本发明合束器制作方法制成的7×1光纤合束单元模块的端面示意图。

图2是利用7×1光纤合束单元模块排列的7×7×1合束器的端面示意图。

图3是利用本发明合束器制作方法制成的19×1光纤合束单元模块的端面示意图。

图4是利用7×1光纤合束单元模块排列的7×19×1合束器的端面示意图。

附图标记：

【具体实施方式】

本发明提供一种合束器的制作方法，所述合束器的制作方法通过将多根光纤进行模块化并将多个模块化的单元模块进行集成为一合束器，制作工艺简单，成本低廉，且解决了因光纤数量增多造成的光纤合束器和排列不规则的问题。

本发明提供的一种合束器的制作方法中，首先是将N根光纤分别剥离涂覆层后排列成一预定形状。其中，所述N为大于或等于2的任意整数，所述预定形状可以为正方形、长方形、圆形、三角形、六边形等，在本发明的实施例中，所述N等于3、7或19，所述预定形状为六边形外接圆形状。所述光纤可以是单包层光纤(例如泵浦光纤、单模光纤)，也可以是双包层的大模场传能光纤，所述光纤的种类可以是非保偏光纤，保偏光纤或光子晶体光纤。所述剥离光纤涂覆层的技术属于现有技术，在此不再赘述。

在将所述N根光纤排列成所述预定形状后，将所述排列成预定形状的N根被剥离涂覆层的光纤插入一第一石英套管内，其中该第一石英套管的内径被拉锥成与所述N根光纤排列成的预定形状的外径相匹配的大小。所述拉锥的方式可以是任意一种能使得所述第一石英套管内径收缩减小的方式，在本发明的实施例中，所述拉锥方式为采用氢氧焰熔融拉锥或二氧化碳激光拉锥。

将插入所述N根光纤后的所述第一石英套管加热收缩紧固后再将第一石英套管外壁进行腐蚀，知道所述第一石英套管外壁的壁厚小于100μm。具体地，可以通过采用具有强腐蚀性的气体或液体对所述第一石英套管外壁进行腐蚀，在本发明的实施例中，采用氢氟酸或浓硫酸对所述第一石英套管外壁进行腐蚀。

在本发明一实施方式中，所述第一石英套管为一纯的石英套管，通过上述方法制作出的为一拉锥前的N×1合束器，再经过拉锥、切割端面和续接尾纤等就得到一个N×1合束器，所述第一石英套管为所述制作出的N×1合束器的机械外包层。所述拉锥、切割端面及续接尾纤均属于现有技术范畴，在此不再赘述。

在本发明的另一实施方式中，所述第一石英套管为一掺氟的石英套管，通过上述方法制作出的为一M×N×1合束器的N×1单元模块，所述石英套管选用掺氟的石英套管的原因为其能够显著降低折射率而不引起损耗增加，在后续将M个单元模块的集成化处理时保证各单元模块中的光的独立耦合。所述合束器的制作方法进一步包括将M个N×1单元模块进行集成化的过程，具体步骤如下：

将M个所述N×1单元模块排列成一预定形状，其中M为大于或等于2的整数，所述预定形状可以为正方形、长方形、圆形、三角形、六边形等，在本发明的实施例中，所述M等于3、7或19，所述预定形状为六边形外接圆形状。

将所述排列成预定形状的M个单元模块插入一第二石英套管内，其中，该第二石英套管为一纯的石英套管且所述第二石英套管的内径被拉锥成与所述M个单元模块排列成的预定形状的外径相匹配的大小。所述拉锥的方式可以是任意一种能使得所述第一石英套管内径收缩减小的方式，在本发明的实施例中，所述拉锥方式为采用氢氧焰熔融拉锥或二氧化碳激光拉锥。

将插入所述M个单元模块后的所述第二石英套管加热收缩紧固后再将第二石英套管外壁腐蚀，直到所述第二石英套管外壁的厚度小于100μm。从而得到一个拉锥前的M×N×1的合束器。具体地，可以通过采用具有强腐蚀性的气体或液体对所述第二石英套管外壁进行腐蚀，在本发明的实施例中，采用氢氟酸或浓硫酸对所述第二石英套管外壁进行腐蚀。

再将上述拉锥前的M×N×1的合束器经过拉锥、切割端面和续接尾纤就得到一个M×N×1合束器，所述第二石英套管为所述制作出的M×N×1合束器的机械外包层。

通过上述方法将M×N根光纤进行二级集成模块得到一个M×N×1合束器，其制作成本低廉，工艺简单且损耗较低。在本发明的其他实施例中，还可以通过上述方法将多根光纤进行三级、四级或更多级的模块集成得到更高功率级别的光纤合束器。本发明的合束器的制作方法还能够用于千瓦级以上光纤激光器制作的泵浦光纤合束器。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，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用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1(以N＝7，M＝7为例)

请参阅图1，是通过本发明的合束器的制作方法制作出的7×1光纤合束单元模块的端面示意图。

在本实施例中，先将七根含有纤芯1和包层2的光纤7剥离涂覆层后排列成一“1+6”排列结构的六边形外接圆(即六根光纤7端面排列成一六边形形状，一根光纤7排列在所述六边形的中心位置)，然后将排列好的七根光纤7插入一根掺氟的第一石英套管3内后将该第一石英套管3进行加热使得该第一石英套管3的内径收缩紧固，最后将第一石英套管外壁31进行腐蚀，使得该第一石英套管外壁31的壁厚小于100μm，从而得到一个7×1单元模块4。

进一步地，如图2所示，是本实施例中将七个7×1单元模块4进行集成后制成的7×7×1合束器的端面示意图。将七个7×1单元模块4排列成一六边形外接圆形状，然后将排列好的七个7×1单元模块4插入一纯的第二石英套管5内后将该第二石英套管5进行加热使得该第二石英套管5的内径收缩紧固，最后将第二石英套管5的外壁(图未示)进行腐蚀，使得该第二石英套管5的外壁厚度小于100μm，这样，就得到一个拉锥前7×7×1合束器，再经过拉锥、切割端面和续接尾纤等就得到一个7×7×1合束器。

实施例2(以N＝19，M＝7为例)

参阅图3，是通过本发明的合束器的制作方法制作出的19×1光纤合束单元模块的端面示意图。

在本实施例中，先将19根含有纤芯1和包层2的光纤7剥离涂覆层后排列成一“1+6+12”排列结构的六边形外接圆(即12根光纤7端面排列成一六边形形状，六根光纤7端面在所述六边形内排列成一更小的六边形形状，一根光纤7排列在中心位置)，然后将排列好的19根光纤7插入一根掺氟的第一石英套管6内后将该第一石英套管6进行加热使得该第一石英套管6的内径收缩紧固，最后将第一石英套管外壁61进行腐蚀，使得该第一石英套管外壁61的壁厚小于100μm，从而得到一个19×1单元模块8。

进一步地，如图4所示，是本实施例中将七个19×1单元模块8进行集成后制成的7×19×1合束器的端面示意图。将七个19×1单元模块8排列成一六边形外接圆形状，然后将排列好的七个19×1单元模块8插入一纯的第二石英套管9内后将该第二石英套管9进行加热使得该第二石英套管9的内径收缩紧固，最后将第二石英套管9的外壁(图未示)进行腐蚀，使得该第二石英套管9的外壁厚度小于100μm，这样，就得到一个拉锥前7×19×1合束器，再经过拉锥、切割端面和续接尾纤等就得到一个7×19×1合束器。

本发明实施例还提供了一种合束器，所述合束器由上述实施例的方法制成。

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 (9)

1.一种合束器的制作方法，其特征在于，所述合束器的制作方法包括如下步骤：

将N根光纤分别剥离涂覆层后排列成一预定形状，其中N为大于或等于2的整数；

将所述排列成预定形状的N根被剥离涂覆层的光纤插入一第一石英套管内，其中，该第一石英套管的内径被拉锥成与所述N根光纤排列成的预定形状的外径相匹配的大小；及

将插入所述N根光纤后的所述第一石英套管加热收缩紧固后再将第一石英套管外壁腐蚀直到所述第一石英套管外壁的壁厚小于100μm。

2.如权利要求1所述的合束器的制作方法，其特征在于，所述第一石英套管为一纯的石英套管，通过上述方法制作出的为一拉锥前的N×1合束器，再经过拉锥、切割端面和续接尾纤就得到一个N×1合束器，所述第一石英套管为所述制作出的N×1合束器的机械外包层。

3.如权利要求1所述的合束器的制作方法，其特征在于，所述第一石英套管为一掺氟的石英套管，通过上述方法制作出的为一M×N×1的合束器的单元模块，所述制作方法进一步包括如下步骤：

将M个所述单元模块排列成一预定形状，其中M为大于或等于2的整数；

将所述排列成预定形状的M个单元模块插入一第二石英套管内，其中，该第二石英套管为一纯的石英套管且所述第二石英套管的内径被拉锥成与所述M个单元模块排列成的预定形状的外径相匹配的大小；及

将插入所述M个单元模块后的所述第二石英套管加热收缩紧固后再将第二石英套管外壁腐蚀直到所述第二石英套管外壁的厚度小于100μm，从而得到一个拉锥前的M×N×1的合束器，再经过拉锥、切割端面和续接尾纤就得到一个M×N×1合束器，所述第二石英套管为所述制作出的M×N×1合束器的机械外包层。

4.如权利要求1或2所述的合束器的制作方法，其特征在于，所述N等于3、7或19，所述预定形状为一六边形外接圆形状。

5.如权利要求3所述的合束器的制作方法，其特征在于，所述N等于3、7或19，M等于3、7或19，所述预定形状为一六边形外接圆形状。

6.如权利要求1～3任一项所述的合束器的制作方法，其特征在于，采用氢氧焰熔融拉锥或二氧化碳激光拉锥方式对所述第一石英套管及第二石英套管进行拉锥。

7.如权利要求1～3任一项所述的合束器的制作方法，其特征在于，采用具有强腐蚀性的气体或液体对所述第一石英套管外壁或第二石英套管外壁进行腐蚀。

8.如权利要求7所述的合束器的制作方法，其特征在于，采用氢氟酸或浓硫酸对所述第一石英套管外壁或第二石英套管外壁进行腐蚀。

9.一种合束器，其特征在于，所述合束器由权利要求1-8任一项所述的方法制成。