CN107918172A - 光纤合束器及其制备方法、消减光纤回反光的方法及半导体激光器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光纤合束器及其制备方法、半导体激光器及消减光纤回反光的方法，所述光纤合束器包括输入光纤束及一输出光纤，所述输入光纤束包含多根输入光纤及一锥形光纤，多根输入光纤一端经熔融拉锥后形成所述锥形光纤，所述锥形光纤一端连接于多根输入光纤，另一端与所述输出光纤熔接，所述锥形光纤的包层的外表面至少部分呈不规则结构。上述光纤合束器及其制备方法、半导体激光器及消减光纤回反光的方法，通过在包层的外表面形成不规则结构，从而使得包层向外出射的部分回反光在包层的外表面的入射角小于临界角，部分回反光折射出的包层，能够有效的消减回反光。

Description

光纤合束器及其制备方法、消减光纤回反光的方法及半导体 激光器

技术领域

本发明涉及激光焊接领域，特别是涉及一种光纤合束器及其制备方法、消减光纤回反光的方法及半导体激光器。

背景技术

随着半导体激光器的输出功率、转换效率、可靠性、寿命和制造方法的提高及成本的降低，半导体激光器越来越广泛的应用于工业、制造业、军事、科研、航空、显示、娱乐及医疗等各个领域。随着直接半导体激光加工技术的不断发展，近年来对于高功率和高性能的半导体激光器的需求与日俱增，推动着国内外半导体激光器技术不断向着更高功率发展。光纤合束器方案的高功率半导体激光器由于其光斑能量分布更加均匀，更有利于克服半导体激光器和碟片激光在铝合金、镁合金、铜合金等有色金属焊接过程中存在的不足，从而获得性能优良的焊缝。相比半导体激光器和碟片激光器，高功率半导体激光器具有焊接成型表面光滑平整，焊缝无气泡，对焊接焊缝的间隙容忍度高等优点。

目前半导体激光器大多采用光纤合束的方法，高功率光纤合束器是实现高功率光纤激光的核心元器件，可将多个低功率的半导体模块合成以获得高功率的半导体激光器输出。然而，高功率半导体激光器在加工金属等高反材料过程中，将产生一定的回反光现象，部分回反光会传输到光纤合束器的每个输入光纤的包层中，当包层光遇到输入光纤的涂覆层时，会引起涂覆层发热，更高功率的包层回反光可能会导致输入光纤的涂覆层过热而损坏。

发明内容

基于此，有必要针对回反光导致输入光纤的涂覆层过热而损坏的问题，提供一种光纤合束器及其制备方法、消减光纤回反光的方法及半导体激光器。

一种光纤合束器，所述光纤合束器包括输入光纤束及输出光纤，所述输入光纤束包含多根输入光纤及一锥形光纤，多根输入光纤一端经熔融拉锥后形成所述锥形光纤，所述锥形光纤一端连接于多根输入光纤，另一端与所述输出光纤熔接，所述锥形光纤的包层的外表面至少部分呈不规则结构。

在其中一个实施例中，所述锥形光纤的包层的不规则结构通过腐蚀形成。

在其中一个实施例中，还包括封装组件，所述封装组件将所述锥形光纤及所述输出光纤的靠近所述锥形光纤附近的区域密封封装。

在其中一个实施例中，所述封装组件内部填充有填充物。

在其中一个实施例中，所述填充物可以为导热介质。

在其中一个实施例中，所述输入光纤上设置有固化胶层，所述固化胶层成形于所述输入光纤的包层上，且所述固化胶层的折射率大于所述输入光纤的包层的折射率。

一种光纤合束器的制备方法，包括以下步骤：

提供若干输入光纤，并剥除输入光纤的部分涂覆层；

对若干所述输入光纤的剥除涂覆层的部分进行拉锥形成锥形光纤；

在所述锥形光纤的表面形成不规则结构；及

提供输出光纤，将锥形光纤与输出光纤熔接。

在其中一个实施例中，还包括以下步骤：

剥除输入光纤的部分涂覆层，在剥除涂覆层的包层上成形固化胶层，所述固化胶层的折射率大于所述输入光纤的包层的折射率。

一种消减光纤回反光的方法，包括以下步骤：

提供光纤，并剥除部分涂覆层；

在露出的包层上形成不规则结构。

一种半导体激光器，所述半导体激光器包括半导体模块、光纤合束器及输出传能光纤，光纤合束器为上述任一所述光纤合束器，所述半导体模块连接所述光纤合束器的输入光纤，所述光纤合束器将半导体模块发出的光耦合至输出传能光纤。

上述光纤合束器及其制备方法、半导体激光器及消减光纤回反光的方法，通过在包层的外表面形成不规则结构，从而使得包层向外出射的部分回反光在包层的外表面的出射角小于临界角，部分回反光折射出的包层，能够有效的消减回反光。

附图说明

图1为光纤的结构示意图；

图2为本发明一实施例的光纤合束器的结构示意图；

图3为本发明一实施例的光纤合束器的剖面结构示意图；

图4为图3中A部分的局部放大图；

图5为图3中B部分的局部放大图；

图6为传统光纤合束器的回反光功率-温度测试图；

图7为本发明一实施例的光纤合束器的回反光功率-温度测试图；

图8为本发明一实施例的光纤合束器的制备方法流程图；

图9为本发明又一实施例的光纤合束器的制备方法流程图；

图10为本发明一实施例的消减光纤回反光方法的流程图

图11为本发明一实施例的半导体激光器的结构框图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1，图1示例性的示出了光纤10的结构示意图，所述光纤10包括纤芯11、包层13及涂覆层15，所述纤芯11作为光传播介质，所述包层13沿着所述纤芯11的外周包覆所述纤芯11，所述涂覆层15作为最外层的保护层，沿着所述包层13的外周包覆所述包层13。纤芯11的折射率大于包层13的折射率，以使得光在纤芯11中传播能够实现全反射，从而使得光在纤芯11内不断反射，向前传播，而不会产生光损失。

请继续参阅图2至图4，本发明一实施例提供一种光纤合束器20，所述光纤合束器20包括输入光纤束210及输出光纤230，所述输入光纤束211包含多根输入光纤211及一锥形光纤213，多根所述输入光纤211的一端经熔融拉锥后形成所述锥形光纤213，所述锥形光纤213一端连接于所述输入光纤211，另一端连接于所述输出光纤230，使得来自多个输入光纤211的光耦合进入输出光纤230内。在一具体的实施方式中，锥形光纤213熔接于输出光纤230，锥形光纤213与输出光纤230的熔接处形成熔接点270。

在一实施例中，所述输入光纤211为单包层光纤，纤芯的直径为105um，包层的直径为125um，数值孔径为0.22。所述输出光纤230为单包层光纤，纤芯直径为400um，包层为480um，数值孔径为0.22。在熔融拉锥时，将输入光纤211剥去一定长度的涂覆层后，用清洗机将包层清洗干净，将多根输入光纤211送入光纤拉锥机进行拉锥，形成所述锥形光纤213。需要剥去的涂覆层长度根据需要达到的虑光程度确定，拉锥后形成的锥形光纤213的模式与所述输出光纤230的模式相匹配。

所述锥形光纤213的表面具有不规则结构2131。具体地，所述锥形光纤213的包层的外表面至少部分区域具有不规则结构2131。在回反光进入到锥形光纤213的包层后，若锥形光纤213的表面光滑平整，回反光由包层向外出射时，会因为入射角大于临界角，满足全反射条件而产生全反射；而锥形光纤213的包层的外表面呈不规则时，回反光的出射角产生变化，部分回反光的入射角小于临界角，因而该部分回反光会同时产生折射和反射，折射光离开锥形光纤213的包层，从而使得回反光在锥形光纤213的包层传播时不断衰减，达到消减回反光的目的。在一实施例中，所述不规则结构2131通过腐蚀形成，将所述锥形光纤213插入腐蚀溶液中，腐蚀溶液腐蚀锥形光纤213的包层，形成不规则结构2131。在一具体的实施方式中，所述腐蚀溶液为氢氟酸溶液，其中，氟化氢的浓度为30％，将锥形光纤213插入到氢氟酸溶液内5min～15min，由于氢氟酸溶液具有腐蚀性，腐蚀锥形光纤213的包层外表面，即可形成不规则结构2131。

在一实施例中，所述光纤合束器还包括封装组件250，所述封装组件250将所述熔接点270、锥形光纤213及输出光纤230的靠近熔接点270附近的区域密封封装。所述封装组件250包括壳体251及密封头253，所述壳体251具有相对设置的输入端2511及输出端2513，输入光纤束211从所述输入端2511进入所述壳体251，所述输出光纤230从所述输出端2513离开所述壳体251。所述密封头253设置于所述壳体251两端，用于密封输入端2511及输出端2513。所述壳体251可以是管状壳体251或方块形壳体251，当然，还可以为其他任意形状。

在一实施例中，所述壳体251的内部填充有填充物。所述填充物可以为导热介质，当回反光功率较高时，输出光纤230及锥形光纤213的包层温度升高，可以通过填充物将热量传导至壳体251，以便及时散热。同时，回反光在锥形光纤213的包层传播时，部分回反光的出射角小于临界角，因而会同时产生反射和折射，折射的部分进入到填充物内，填充物及时将热量散发出去。所述填充物可以为固体介质，也可以为流体介质。

请参阅图5，在一实施例中，所述输入光纤211上还设置有固化胶层2111。在图5所示的实施例中，所述固化胶层2111设置于所述封装组件250外，并靠近所述封装组件250设置，所述固化胶层2111与所述涂覆层共同密封所述输入光纤211的包层，所述固化胶层2111的折射率大于所述锥形光纤213的包层的折射率。在一具体的实施方式中，所述固化胶层2111的折射率为1.60～1.63。具体地，将所述输入光纤211靠近封装组件250的部分区域剥去涂覆层后，形成所述固化胶层2111。所述固化胶层2111可以是部分环绕所述输入光纤211的包层，也可以是全环绕所述输入光纤211的包层设置。在一具体的实施方式中，所述固化胶层2111熔接于所述输入光纤211的涂覆层。通过设置固化胶层2111，回反光在传播到与固化胶层2111对应的区域后，由于全反射条件被破坏，折射入所述固化胶层2111内。

上述光纤合束器20，通过在锥形光纤213的包层的外表面至少部分形成不规则结构2131，当回反光进入到锥形光纤213的包层内时，由于表面的不规则结构2131，使得由锥形光纤213的包层向外出射的部分回反光在包层的外表面的入射角小于临界角，因而部分回反光折射出锥形光纤213的包层，达到消减回反光的目的。

进一步，在输入光纤211上设置固化胶层2111，可以进一步消减进入到输入光纤211包层的回反光。

在输出光纤230末端反向注入一定功率的激光，起始功率设置为10W，逐渐增大输入的功率，并测试光纤合束器的靠近锥形光纤区域的温度。图6为传统的光纤合束器的测试结果，图7为上述光纤合束器20的测试结果。从图6中可以看出，传统的光纤合束器，当回反光的功率逐渐由10W增大到50W时，靠近锥形光纤区域的温度由28℃迅速上升到61℃，而光纤合束器的正常工作温度需低于60℃。从图7中可以看出，当回反光功率增加到320W时，靠近锥形光纤区域的温度才接近60℃，由此可以得出，上述光纤合束器20对回反光具有显著的消减作用。

请参阅图8，本发明还提供一种光纤合束器20的制备方法，包括以下步骤：

S110：提供若干输入光纤211，并剥除输入光纤211的部分涂覆层；

在对输入光纤211进行熔融拉锥前，需要将待拉锥区域的涂覆层剥除，需要剥除的涂覆层的长度根据需要达到的虑光程度而设定，例如，在一具体的实施方式中，设定为6cm～10cm。将露出的包层用超声波清洗机清洁干净后，即可进行拉锥操作。

S120：对若干输入光纤211的剥除涂覆层的部分进行拉锥形成一锥形光纤213；

为了将多个低功率的光耦合，从而得到高功率的激光输出，需要将输入光纤211进行熔融拉锥，将输入光纤211剥离涂覆层的一端熔融后拉锥，形成锥形光纤213，在一实施例中，锥形光纤213的长度控制在4cm～6cm。

S130：在锥形光纤的表面形成不规则结构2131；

在一实施例中，所述锥形光纤213表面的不规则结构2131通过腐蚀形成。具体地，将所述锥形光纤213插入到腐蚀溶液中，静置一端时间后，锥形光纤213的表面被腐蚀成不规则结构2131；在一具体的实施方式中，腐蚀溶液为氢氟酸溶液，氢氟酸溶液中氢氟酸的浓度为30％，腐蚀溶液内可适当添加缓冲剂及增稠剂。锥形光纤213插入到腐蚀溶液中，放置5min～15min，锥形光纤213的包层被腐蚀，并在外表面形成不规则的形状。本领域技术人员可以理解的是，锥形光纤213可以部分插入到腐蚀溶液中，也可以全部插入到腐蚀溶液中。

锥形光纤213从腐蚀溶液中取出后，还携带有腐蚀液，需要进行清洗，将锥形光纤213放入超声波清洗机内2min～4min，以清除携带的腐蚀液，锥形光纤213经超声波清洗机清洗后，同时将不规则结构2131的表面由毛糙变光滑。

本领域技术人员可以理解的是，锥形光纤213表面的不规则结构2131还可以通过其他方式形成，例如激光雕刻，镭射雕刻等方式，

S140：提供输出光纤230，将锥形光纤213与输出光纤230熔接；

本领域技术人员可以理解的是，上述步骤的顺序仅表示一种可以实现的具体实施方式，而不应理解为限制性的，在满足相应前提的基础上，上述步骤的顺序可以任意组合，只要能够实现光纤合束器的制备即可。

上述制备方法制备的光纤合束器，在锥形光纤213的包层的外表面至少部分形成不规则结构2131，当回反光进入到锥形光纤213的包层内时，由于表面的不规则结构2131，使得由锥形光纤213的包层向外出射的部分回反光在包层的外表面的入射角小于临界角，因而部分回反光折射出锥形光纤213的包层，达到消减回反光的目的。

请参阅图9，在另一实施例中，所述制备方法还包括以下步骤：

S150：剥除输入光纤211的部分涂覆层，在剥除涂覆层的包层上成形固化胶层2111，所述固化胶层2111的折射率大于所述输入光纤211的包层的折射率。

在一具体的实施方式中，所述固化胶层2111的折射率为1.60～1.63。所述固化胶层2111可以是部分环绕所述输入光纤211的包层，也可以是全环绕所述输入光纤211的包层设置。所述固化胶层2111与涂覆层共同密封所述输入光纤211的包层，例如，所述固化胶层2111可以是熔接于所述输入光纤211的涂覆层。通过设置固化胶层2111，回反光在传播到与固化胶层2111对应的区域后，由于固化胶层2111的折射率大于所述输入光纤211的包层的折射率，回反光由包层向固化胶层出射时，由光疏介质向光密介质传播，全反射条件被破坏，回反光可以折射入固化胶层2111内，可以进一步消减进入到输入光纤211包层的回反光。

请参阅图10，本发明还提供一种消减光纤回反光的方法，所述方法包括以下步骤：

S210：提供光纤，并将剥除部分涂覆层；

S220：在露出的包层上形成不规则结构2131。

通过在包层外表面形成不规则结构2131，当回反光进入到包层内时，由于表面的不规则结构2131，使得由包层向外出射的部分回反光在包层外表面的入射角小于临界角，因而部分回反光折射出包层，达到消减回反光的目的。不规则结构2131的形成可以通过腐蚀形成，例如，将露出的包层插入腐蚀溶液内，静置一段时间，即可形成不规则结构2131。腐蚀溶液可以是氢氟酸溶液。当然，不规则结构2131的形成方式还可以是激光雕刻、镭射雕刻等其他方式。

请参阅图11，本发明一实施例提供一种半导体激光器30，所述半导体激光器30包括半导体模块310、光纤合束器及输出传能光纤320，光纤合束器为上述任一所述光纤合束器20，所述半导体模块310连接所述光纤合束器20的输入光纤211，所述光纤合束器20将半导体模块310发出的光耦合至输出传能光纤320，进而实现更高功率的半导体激光输出，所述光纤合束器20还可以消减回反光。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

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 (10)

1.一种光纤合束器，其特征在于，所述光纤合束器包括输入光纤束及输出光纤，所述输入光纤束包含多根输入光纤及一锥形光纤，多根输入光纤一端经熔融拉锥后形成所述锥形光纤，所述锥形光纤一端连接于多根输入光纤，另一端连接于所述输出光纤，所述锥形光纤的包层的外表面至少部分呈不规则结构。

2.根据权利要求1所述的光纤合束器，其特征在于，所述锥形光纤的包层的不规则结构通过腐蚀形成。

3.根据权利要求1所述的光纤合束器，其特征在于，还包括封装组件，所述封装组件将所述锥形光纤及所述输出光纤的靠近所述锥形光纤附近的区域密封封装。

4.根据权利要求3所述的光纤合束器，其特征在于，所述封装组件内部填充有填充物。

5.根据权利要求4所述的光纤合束器，其特征在于，所述填充物可以为导热介质。

6.根据权利要求1所述的光纤合束器，其特征在于，所述输入光纤上设置有固化胶层，所述固化胶层成形于所述输入光纤的包层上，且所述固化胶层的折射率大于所述输入光纤的包层的折射率。

7.一种光纤合束器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供若干输入光纤，并剥除所述输入光纤的部分涂覆层；

对若干所述输入光纤的剥除涂覆层的部分进行拉锥形成锥形光纤；

在所述锥形光纤的表面形成不规则结构；及

提供输出光纤，将所述锥形光纤与所述输出光纤熔接。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，还包括以下步骤：

剥除所述输入光纤的部分涂覆层，在剥除涂覆层的包层上成形固化胶层，所述固化胶层的折射率大于所述输入光纤的包层的折射率。

9.一种消减光纤回反光的方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供光纤，并剥除部分涂覆层；

在露出的包层上形成不规则结构。

10.一种半导体激光器，其特征在于，所述半导体激光器包括半导体模块、光纤合束器及输出传能光纤，光纤合束器为权利要求1-6任一所述光纤合束器，所述半导体模块连接所述光纤合束器的输入光纤，所述光纤合束器将半导体模块发出的光耦合至输出传能光纤。