CN107305269A - 一种大模场双包层光纤熔接的光功率对准系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大模场双包层光纤熔接的光功率对准系统和方法，光源通过单模光纤与模场匹配器输入端连接，模场匹配器的输出端接有第一大模场双包层光纤，第一大模场双包层光纤上设有一个包层光功率剥离器，第一大模场双包层光纤待熔接的一端设置在光纤熔接机内，第二大模场双包层光纤待熔接的一端设置在光纤熔接机内，第二大模场双包层光纤上设有另一个包层光功率剥离器，第二大模场双包层光纤输出端位于功率计前方，由第二大模场双包层光纤输出端输出的光被功率计接收。本发明测量待熔光纤在不同径向偏移情况下的输出功率变化，根据测量结果的反馈控制熔接机的马达，实现光纤的高精度对准。

Description

一种大模场双包层光纤熔接的光功率对准系统和方法
技术领域
本发明属于高功率光纤激光器领域，具体涉及一种大模场双包层光纤熔接的光功率对准系统和方法。
背景技术
高功率光纤激光器是集结了激光二极管光纤模块及其泵浦技术、双包层光纤制作技术和光纤光栅技术于一身的新型激光器。它因转换效率高、光束质量好、阈值低、散热性能好、结构紧凑、可靠性高、工作寿命长、维护费用和功率消耗低、性价比高等优点，已广泛应用于科技、军事、医疗、工业加工和通信等领域。近年来，高功率光纤激光器的功率输出水平不断提高，并在空间光通信、工业加工、激光焊接、印刷、打标、医疗以及军事等领域有着广泛的应用前景。在工业加工领域中，它可以作为高强度光源，用于切割、打孔、焊接等；在军事领域可用于车载、舰载激光武器，也可作为激光武器的信标光源，并且在光电对抗、激光制导和激光诱导核聚变等领域也有广泛应用。
高功率激光器主要由泵浦合束器、光纤光栅、增益光纤、包层光功率剥离器、QBH等组成，要将上述光纤器件及增益光纤有效地连接起来，光纤熔接必不可少。熔接点的质量直接影响光纤激光器的输出性能，质量差的熔接点会产生几瓦甚至几十瓦的功率损耗，一方面降低了激光输出效率，增加了系统的热处理负担，另一方面，质量差的熔接会激发出激光器中的高阶模，影响激光的光束质量。
高功率光纤激光器中的光纤器件及增益光纤大多采用大模场双包层光纤，该种光纤主要由纤芯、内包层和外包层构成，与普通的光纤相比最大的特点是具有两个包层，不仅纤芯可以导光，内包层也可导光。为了降低纤芯中传输激光的功率密度，大模场光纤的模场直径比普通单模光纤的模场直径大，且支持多个模式的激光传输。此外，为了提高掺杂离子的吸收效率，作为增益光纤使用时，双包层光纤的内包层通常不使用圆对称结构。因此，双包层光纤的熔接中，尤其是圆对称结构的双包层传能光纤和非圆对称结构的增益光纤熔接中，采用商用熔接机中基于包层影像的轮廓对准技术，很容易出现熔接纤芯错位，影响激光器的输出效率及光束质量。
目前市场上所有的光纤熔接机釆用的对准技术有透镜成像轮廓对准系统（L-PAS）、高清晰成像对准系统(HDCM)、热成像控制对准（WISP）、光功率探测对准系统。其中L-PAS对准技术使用范围最广，绝大部分光纤熔接机都是釆用该技术，然而由于熔接机中的对准成像系统存在误差，对准未必准确，只有光功率探测对准技术才能算得上是真正意义上的高精度光纤直接对准技术。该技术测量待熔光纤在不同径向偏移情况下的输出功率变化，根据测量结果的反馈控制熔接机的马达，最终实现光纤的高精度对准。传统的光功率对准技术大多针对单模或多模光纤的熔接，针对大模场双包层光纤的熔接对准技术并不多见。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大模场双包层光纤熔接的光功率对准系统和方法，解决了采用商用熔接机中采用的基于包层影像的轮廓对准技术进行光纤对准时，很容易出现熔接纤芯错位问题，提高了高功率光纤激光器中熔接点质量。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种大模场双包层光纤熔接的功率对准系统，包括光源、模场匹配器、第一大模场双包层光纤、第二大模场双包层光纤、光纤熔接机、功率计和两个包层光功率剥离器，光源通过单模光纤与模场匹配器输入端连接，模场匹配器的输出端接有第一大模场双包层光纤，第一大模场双包层光纤上设有一个包层光功率剥离器，第一大模场双包层光纤待熔接的一端设置在光纤熔接机内，第二大模场双包层光纤待熔接的一端设置在光纤熔接机内，第二大模场双包层光纤上设有另一个包层光功率剥离器，第二大模场双包层光纤输出端位于功率计前方，由第二大模场双包层光纤输出端输出的光被功率计接收。
所述第二大模场双包层光纤输出端端面为斜面，角度为8°。
所述功率计为带靶面的功率计，靶面用于接收第二大模场双包层光纤输出端输出的光。
所述第一大模场双包层光纤和第二大模场双包层光纤基本参数相同。
所述光源发出的光，其中心波长λ为1050nm~1100nm。
对第二大模场双包层光纤进行盘绕，盘绕位置位于包层光功率剥离器与第二大模场双包层光纤的输入端之间。
所述光纤熔接机中两个待熔接端面的间距z大于传播光的干涉长度。
当熔接其他元件时，待熔接元件一端与大模场双包层光纤熔接，另一端设置在光纤熔接机内。
一种采用大模场双包层光纤熔接的功率对准系统的对准方法，步骤如下：
步骤1、分别将第一大模场双包层光纤和第二大模场双包层光纤的待熔接端剥离涂敷层、切割、清洗后放入光纤熔接机中：
待熔接的第一大模场双包层光纤和第二大模场双包层光纤的切割角度控制在0.3°以内，光纤熔接机中光纤摆放角度在0.1°以内。
步骤2、运行光纤熔接机到光纤对准处后，打开光源，模场匹配器对光源输出光纤与第一大模场双包层光纤的模场进行匹配，通过包层光剥离器剥离第一大模场双包层光纤中的包层光，实现纤芯中基模激光的输出，从第一大模场双包层光纤的待熔接端耦合至第二大模场双包层光纤，经盘绕的第二大模场双包层光纤，滤出第二大模场双包层光纤纤芯中的高阶模，再经后方的包层光剥离器剥离第二大模场双包层光纤中的包层光及滤除纤芯中的高阶模，实现纤芯中基模激光的输出，被功率计靶面接收，功率计靶面通过热传感器将输出功率转化为电压信号，功率计再将电压信号进行分析与处理转换为实际功率并显示。
步骤3、调节光纤熔接机X/Y方向马达控制光纤的径向偏移量d，每调节Δd，记录输出功率P。
步骤4、根据输出功率P，绘制径向偏移量-输出功率曲线，在输出功率最大处即为光纤对准处，进行熔接。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：（1）提升了高功率光纤激光器中大模场双包层光纤之间的熔接点质量，特别是内包层是圆对称结构的传能光纤与内包层为非圆对称结构的增益光纤的熔接点。
（2）减小了熔接点的功率损耗，提高了高功率光纤激光器的光光转换效率，优化了光束质量。
（3）使用包层光剥离器，提高了包层光使输出功率对光纤径向偏移量的敏感度。
（4）使用模场匹配器，解决了由于光源输出光纤与大模场双包层光纤的模场不匹配熔接后产生高阶模问题。
（4）通过盘绕解决纤芯中高阶模使输出功率不稳定影响对准精度问题。
（5）方法简单有效，对科学实验、工程开发和产品制造都有着积极的作用。
附图说明
图1为本发明大模场双包层光纤熔接的光功率对准系统的结构示意图。
图2为本发明实施例1中接入待熔元件的大模场双包层光纤熔接的光功率对准系统的结构示意图。
图3为本发明实施例1中大模场双包层光纤熔接的光功率对准方法的输出功率随光纤径向偏移量的关系曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
结合图1，一种大模场双包层光纤熔接的功率对准系统，包括光源、模场匹配器(Mode Field Adapter，简称MFA)、第一大模场双包层光纤（Fiber-1）、第二大模场双包层光纤（Fiber-2）、光纤熔接机、功率计和两个包层光功率剥离器（Cladding Power Stripper，简称CPS），光源通过单模光纤与模场匹配器输入端连接，模场匹配器的输出端接有第一大模场双包层光纤，第一大模场双包层光纤上设有一个包层光功率剥离器，第一大模场双包层光纤待熔接的一端（即输出端）设置在光纤熔接机的V形槽内，第二大模场双包层光纤待熔接的一端（即输入端）也设置在光纤熔接机的V形槽内，第二大模场双包层光纤上设有另一个包层光功率剥离器，第二大模场双包层光纤输出端位于功率计前方，由第二大模场双包层光纤输出端输出的光被功率计接收。
所述第二大模场双包层光纤输出端端面为斜面，角度为8°。
功率计为带靶面的功率计，靶面用于接收第二大模场双包层光纤输出端输出的光。
所述第一大模场双包层光纤和第二大模场双包层光纤基本参数相同。
所述光源发出的激光，其中心波长λ为1050nm~1100nm，且带宽Δλ足够大。所述光纤熔接机中两个待熔接端面的间距z大于传播光的干涉长度， 。
对第二大模场双包层光纤进行盘绕，盘绕位置位于包层光功率剥离器与第二大模场双包层光纤的输入端之间。
包层光功率剥离器：将大模场双包层光纤上一段涂敷层剥离，然后涂上高折率胶使得大模场双包层光纤中的包层光被剥除，实现包层光剥离的功能。也可采用市购的包层光功率剥离器。
一种采用大模场双包层光纤熔接的功率对准系统的对准方法，步骤如下：
步骤1、分别将第一大模场双包层光纤和第二大模场双包层光纤的待熔接端剥离涂敷层、切割、清洗后放入光纤熔接机中。
待熔接的第一大模场双包层光纤和第二大模场双包层光纤的切割角度控制在0.3°以内，光纤熔接机中光纤摆放角度在0.1°以内。
步骤2、运行光纤熔接机到光纤对准处后，打开光源，模场匹配器对光源输出光纤与第一大模场双包层光纤的模场进行匹配，通过包层光剥离器剥离第一大模场双包层光纤中的包层光，实现纤芯中基模激光的输出，从第一大模场双包层光纤的待熔接端耦合至第二大模场双包层光纤，经盘绕的第二大模场双包层光纤，滤出第二大模场双包层光纤纤芯中的高阶模，再经后方的包层光剥离器剥离第二大模场双包层光纤中的包层光及滤除纤芯中的高阶模，实现纤芯中基模激光的输出，被功率计靶面接收，功率计靶面通过热传感器将输出功率转化为电压信号，功率计再将电压信号进行分析与处理转换为实际功率并显示。
步骤3、调节光纤熔接机X/Y方向马达控制光纤的径向偏移量d，每调节Δd，记录输出功率P。
步骤4、根据输出功率P，绘制径向偏移量-输出功率（d-P）曲线，在输出功率最大处即为光纤对准处，进行熔接。
实施例1
结合图2，以熔接高功率光纤激光器系统中两个元件（输入/输出光纤均为Nufern，LMA-GDF-20/400-M）的熔接为例进一步说明。
一种大模场双包层光纤熔接的功率对准系统，包括光源（上海瀚宇，型号:VASS-1060-B-13-GF，中心波长1064nm，带宽46nm（FWHM）输出功率稳定性优于1%，输出光纤为corning HI1060，由可知该光源的相干长度为24.62 um）、模场匹配器(ModeField Adapter，简称MFA，深圳朗光，输入光纤为HI1060，输出光纤为大模场双包层光纤Nufern，LMA-GDF-20/400-M)、第一大模场双包层光纤（Fiber-1，Nufern，LMA-GDF-20/400-M）、第二大模场双包层光纤（Fiber-2，Nufern，LMA-GDF-20/400-M）、光纤熔接机（Fujikura100P+）、功率计和两个包层光功率剥离器（Cladding Power Stripper，简称CPS）。光源通过单模光纤与模场匹配器输入端连接，模场匹配器的输出端接有第一大模场双包层光纤，第一大模场双包层光纤上设有一个包层光功率剥离器，第一大模场双包层光纤的输出端（即上文中待熔接的一端）与第一元件的输入端熔接，第一元件的输出端设置在光纤熔接机的V形槽内，第二大模场双包层光纤输入端（即上文中待熔接的一端）与第二元件的输出端熔接，第二元件的输入端也设置在光纤熔接机的V形槽内，第二大模场双包层光纤上设有另一个包层光功率剥离器，第二大模场双包层光纤输出端位于功率计前方，由第二大模场双包层光纤输出端输出的光被功率计接收。
所述第二大模场双包层光纤输出端端面为斜面，角度为8°。
功率计为带靶面的功率计，靶面用于接收第二大模场双包层光纤输出端输出的光。
所述第一大模场双包层光纤和第二大模场双包层光纤基本参数相同。
为了抑制光纤对准过程中由端面反射光的干涉所引起的功率波动，设置熔接机中光纤端面间距Z=25um。
对第二大模场双包层光纤进行盘绕，盘绕位置位于包层光功率剥离器与第二大模场双包层光纤的输入端之间。
包层光功率剥离器：是将第一大模场双包层光纤（Fiber-1）和第二大模场双包层光纤（Fiber-2）一段光纤的涂覆层剥除，并以折射率为1.56（@λ=589nm）的紫外固化胶重新涂覆，90%以上的包层光将从这两段重新涂覆区域漏出，实现包层光功率剥离器（CPS，Cladding Power Stripper）的功能。也可采用市购的包层光功率剥离器。
一种采用大模场双包层光纤熔接的功率对准系统的对准方法，步骤如下：
步骤1、将第一大模场双包层光纤的输出端（即上文中待熔接的一端）与第一元件的输入端熔接，第二大模场双包层光纤输入端（即上文中待熔接的一端）与第二元件的输出端熔接。
步骤2、分别将第一元件的输出端和第二元件的输入端剥离涂敷层、切割、清洗后放入光纤熔接机中。
待熔接的第一元件的输出端和第二元件的输入端的切割角度控制在0.3°以内，光纤熔接机中光纤摆放角度在0.1°以内。
步骤3、运行光纤熔接机到光纤对准处后，打开光源，模场匹配器对光源输出光纤与第一大模场双包层光纤的模场进行匹配，通过包层光剥离器剥离第一大模场双包层光纤中的包层光，实现纤芯中基模激光的输出，从第一大模场双包层光纤的输出端进入第一元件输入端，由第一元件输出端输出耦合至第二元件输入端，第二元件输出端与第二大模场双包层光纤熔接，经盘绕的第二大模场双包层光纤，滤出第二大模场双包层光纤纤芯中的高阶模，再经后方的包层光剥离器剥离第二大模场双包层光纤中的包层光及滤除纤芯中的高阶模，实现纤芯中基模激光的输出，被功率计靶面接收，功率计靶面通过热传感器将输出功率转化为电压信号，功率计再将电压信号进行分析与处理转换为实际功率并显示。
步骤4、调节光纤熔接机X/Y方向马达控制光纤的径向偏移量d，每调节0.1μm，记录输出功率P。
步骤5、根据输出功率P，绘制径向偏移量-输出功率（d-P）曲线如图3所示，在输出功率最大处即为光纤对准处，进行熔接。
熔接后，从熔接机中显示的熔接图像可以看出熔接点处不存在纤芯错位，熔接点质量完好；可将第一大模场双包层光纤输出端（即上文中待熔接的一端）与第一元件输入端的熔接点、第二大模场双包层光纤输入端（即上文中待熔接的一端）与第二元件输出端的熔接点断开。
通过光功率对准系统对准后熔接的熔接点质量可以很好的提高高功率光纤激光器的输出性能；此外，可以利用本发明系统对熔接机熔接程序进行调试，将熔接机中熔接参数调到熔接的最佳状态，对高功率光纤激光器输出功率的提高和光束质量的优化具有重要意义。

Claims (10)

1.一种大模场双包层光纤熔接的功率对准系统，其特征在于：包括光源、模场匹配器、第一大模场双包层光纤、第二大模场双包层光纤、光纤熔接机、功率计和两个包层光功率剥离器，光源通过单模光纤与模场匹配器输入端连接，模场匹配器的输出端接有第一大模场双包层光纤，第一大模场双包层光纤上设有一个包层光功率剥离器，第一大模场双包层光纤待熔接的一端设置在光纤熔接机内，第二大模场双包层光纤待熔接的一端设置在光纤熔接机内，第二大模场双包层光纤上设有另一个包层光功率剥离器，第二大模场双包层光纤输出端位于功率计前方，由第二大模场双包层光纤输出端输出的光被功率计接收。
2.根据权利要求1所述的大模场双包层光纤熔接的功率对准系统，其特征在于：所述第二大模场双包层光纤输出端端面为斜面，角度为8°。
3.根据权利要求1所述的大模场双包层光纤熔接的功率对准系统，其特征在于：所述功率计为带靶面的功率计，靶面用于接收第二大模场双包层光纤输出端输出的光。
4.根据权利要求1所述的大模场双包层光纤熔接的功率对准系统，其特征在于：所述第一大模场双包层光纤和第二大模场双包层光纤基本参数相同。
5.根据权利要求1所述的大模场双包层光纤熔接的功率对准系统，其特征在于：所述光源发出的光，其中心波长λ为1050nm~1100nm。
6.根据权利要求1所述的大模场双包层光纤熔接的功率对准系统，其特征在于：对第二大模场双包层光纤进行盘绕，盘绕位置位于包层光功率剥离器与第二大模场双包层光纤的输入端之间。
7.根据权利要求1所述的大模场双包层光纤熔接的功率对准系统，其特征在于：所述光纤熔接机中两个待熔接端面的间距z大于传播光的干涉长度。
8.根据权利要求1所述的大模场双包层光纤熔接的功率对准系统，其特征在于：当熔接其他元件时，待熔接元件一端与大模场双包层光纤熔接，另一端设置在光纤熔接机内。
9.一种采用如权利要求1中所述的大模场双包层光纤熔接的功率对准系统的对准方法，其特征在于，步骤如下：
步骤1、分别将第一大模场双包层光纤和第二大模场双包层光纤的待熔接端剥离涂敷层、切割、清洗后放入光纤熔接机中；
步骤2、运行光纤熔接机到光纤对准处后，打开光源，模场匹配器对光源输出光纤与第一大模场双包层光纤的模场进行匹配，通过包层光剥离器剥离第一大模场双包层光纤中的包层光，实现纤芯中基模激光的输出，从第一大模场双包层光纤的待熔接端耦合至第二大模场双包层光纤，经盘绕的第二大模场双包层光纤，滤出第二大模场双包层光纤纤芯中的高阶模，再经后方的包层光剥离器剥离第二大模场双包层光纤中的包层光及滤除纤芯中的高阶模，实现纤芯中基模激光的输出，被功率计靶面接收，功率计靶面通过热传感器将输出功率转化为电压信号，功率计再将电压信号进行分析与处理转换为实际功率并显示；
步骤3、调节光纤熔接机X/Y方向马达控制光纤的径向偏移量d，每调节Δd，记录输出功率P；
步骤4、根据输出功率P，绘制径向偏移量-输出功率曲线，在输出功率最大处即为光纤对准处，进行熔接。
10.根据权利要求9所述的大模场双包层光纤熔接的功率对准方法，其特征在于：所述步骤1中，待熔接的第一大模场双包层光纤和第二大模场双包层光纤的切割角度控制在0.3°以内，光纤熔接机中光纤摆放角度在0.1°以内。
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