CN108493750A - 一种基于套管的光纤端面泵浦耦合器的制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于套管的光纤端面泵浦耦合器的制作方法，其步骤如下：S1：引入一段与信号光纤纤芯直径相同包层直径为130微米的双包层光纤作为过渡光纤；S2：对6根泵浦光纤进行预拉锥并将其在特定位置进行切割；S3：光纤束穿入七孔夹具；S4：拉锥玻璃管；S5：将步骤S3中做好的光纤组束穿入到拉锥好的玻璃管中，然后放置在拉锥机平台上进行拉锥；S6：将步骤S5制作好的熔融光纤束在玻璃管外径处进行切割，然后再与输出光纤的双包层光纤进行熔接。本发明具有原理简单、操作简便、效果好等效果。

Description

一种基于套管的光纤端面泵浦耦合器的制作方法
技术领域
本发明属于光纤激光器技术领域，特指一种基于套管的光纤端面泵浦耦合器的制作方法。
背景技术
光纤激光器一直以其转换效率高、结构紧凑、易散热、工作稳定好等优点受到人们的广泛关注，同时广泛的应用于工业、国防等多个领域。随着对光纤激光器功率要求的不断提高，如何将泵浦能量可靠、高效地耦合注入增益光纤是研制高功率光纤激光系统的关键问题之一。而泵浦耦合器则是解决这一问题，实现高功率输出的核心元件，它的性能参数将直接决定光纤激光器的输出功率，转化效率以及光束质量，因此，研制高性能的光纤泵浦耦合器是实现高功率光纤激光器的基础和前提。目前实现泵浦光的耦合技术主要分为两种：端面泵浦耦合和侧面泵浦耦合。与侧面泵浦技术相比，端面泵浦技术相对成熟，且结构较为简单，便于封装，因此目前工业用千瓦量级光纤激光器普遍采用端面泵浦耦合器。
实现端面泵浦耦合主要是采用熔融拉锥光纤束技术，其制作过程主要分为四步：组束-拉锥 -切割-熔接。首先将多根光纤组成一束，然后在高温下进行加热拉伸，使光纤之间互相熔合并形成锥形过渡区，之后在锥腰区切断光纤熔融组束，最后完成光纤熔锥束与输出光纤熔接。根据泵浦耦合器的应用方式可以将其分成两类：N×1的端面耦合器和(N+1)×1含信号光纤的端面耦合器。两者的主要区别在于是否含有信号光纤。在含信号光纤的泵浦耦合器制作过程中，要保证N根泵浦光纤紧密且对称的围绕在信号光纤周围，然后进行熔融拉锥，从锥腰区中间截断，并与一根双包层传能光纤进行熔接。这种信号泵浦端面耦合器主要用于全光纤的光纤放大器。本发明设计了一种用于光纤放大器中的(6+1)×1高功率光纤端面泵浦耦合器的制作方法。
目前，(6+1)×1光纤端面泵浦耦合器制作方法主要是将信号光纤和泵浦光纤同时进行组束、拉锥过程，虽然可以使信号纤和泵浦纤紧密贴合并以信号纤为中心，但这种方法在对组束进行拉锥时也使信号纤的纤芯、包层直径变小，改变了信号纤原有的光学特性，会造成其与输出光纤的纤芯模场失配，从而引起过大的传输损耗和模式退化等问题，大大的降低了耦合器的耦合效率，限制了泵浦耦合器的承载功率，同时也将引起输出激光的光束质量恶化，降低了光纤激光器的性能。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种原理简单、操作简便、效果好的基于套管的光纤端面泵浦耦合器的制作方法。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种基于套管的光纤端面泵浦耦合器的制作方法，其步骤如下：
S1：引入一段与信号光纤纤芯直径相同包层直径为130微米的双包层光纤作为过渡光纤；
S2：对6根泵浦光纤进行预拉锥并将其在特定位置进行切割；
S3：光纤束穿入七孔夹具；
S4：拉锥玻璃管；
S5：将步骤S3中做好的光纤组束穿入到拉锥好的玻璃管中，然后放置在拉锥机平台上进行拉锥；
S6：将步骤S5制作好的熔融光纤束在玻璃管外径处进行切割，然后再与输出光纤的双包层光纤进行熔接。
作为本发明的进一步改进：所述步骤S1中，将0/400μm(NA＝0.06/0.46)和0.5m左右的 20/130μm(NA＝0.06)双包层光纤剥离涂覆层，切割、然后利用普通的熔接机进行熔接。
作为本发明的进一步改进：所述步骤S2中，将220/242(NA＝0.22)的双包层光纤的涂覆层剥除4-5cm，用酒精棉将光纤包层上的剩物擦拭干净，放入光纤拉锥机中，通过设置拉锥机对泵浦光纤进行拉锥，将拉锥好的泵浦光纤在右侧过渡区起始位置进行切割。
作为本发明的进一步改进：所述步骤S3中，将步骤S1制作好的信号纤穿入中心孔，将步骤S2中制作号的6根泵浦纤穿入七孔夹具外围的六个孔中，并将信号纤的涂覆层剥除；利用七孔夹具提供的约束力来保证信号纤在光纤组束的中心位置，泵浦纤在其周围对称排布。
作为本发明的进一步改进：所述步骤S4中，采用的玻璃管的内外壁直径为1200/1500μm，将玻璃管放入酒精瓶中，然后将酒精瓶放入到超声波清洗机中进行清洗，将清洗后的玻璃管内壁进行残留酒精清除，利用酒精棉擦拭玻璃管外壁，将其放入拉锥机中进行拉锥。
作为本发明的进一步改进：所述步骤S5中，在拉锥过程中控制拉锥光纤束的直径基本保持不变，保证信号纤纤芯的大小基本不变。
作为本发明的进一步改进：所述步骤S6中，将步骤S5制作好的熔融光纤束在玻璃管外径处进行切割，然后再与输出光纤20/400μm(NA＝0.06/0.46)的双包层光纤进行熔接，维持信号光纤的纤芯始终一致，完成端面泵浦耦合器的制作。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明的基于套管的光纤端面泵浦耦合器的制作方法，原理简单、操作简便、效果好，能够克服传统(6+1)×1泵浦耦合器因信号光纤拉锥变小时引起的一系列问题，可以实现输入信号光纤和输出光纤的模场直径相匹配，降低信号光的传输损耗并保持光纤模式不退化，为实现更高功率、更高光束质量的光纤激光器提供器件支撑。
附图说明
图1是20/400(NA＝0.06/0.46)光纤与20/130(NA＝0.08)熔接结构示意图。
图2是220/242(NA＝0.22)双包层光纤拉锥到130μm结构示意图。
图3是本发明所用七孔夹具的结构示意图。
图4是将拉锥切割好的泵浦纤和信号纤传入七孔夹具后的结构示意图。
图5是将内径1200μm的玻璃管拉锥到内径400μm的结构示意图。
图6是将图3结构穿到图4玻璃管中的结构示意图。
图7是耦合器结构示意完整图。
具体实施方式
以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
本发明设计的泵浦耦合器中输入、输出信号光纤的参数均为内径/外径大小为20/400 μm(NA＝0.06/0.46)，6根泵浦纤采用220/242μm(NA＝0.22)的多模光纤。本发明采用套管法制作端面泵浦耦合器。直接将一根20/400的光纤和6根220/242的光纤进行紧密排布是一件非常困难的事，另外排布好的7更光纤拉锥后截面直径要小于输出光纤包层直径，信号光纤的纤芯顺应的将应20μm到小于10μm，这样在与后面信号光纤20/400μm(NA＝0.06/0.46)熔接时信号光将产生大的损耗和模式退化。
本发明基于套管的光纤端面泵浦耦合器的制作方法，其步骤如下：
S1：首先引入一段与信号光纤纤芯直径相同包层直径为130微米的双包层光纤作为过渡光纤。
即将1m左右的20/400μm(NA＝0.06/0.46)和0.5m左右的20/130μm(NA＝0.06)双包层光纤剥离涂覆层，切割、然后利用普通的熔接机进行熔接，因为两种光纤纤芯直径相同，纤芯中的信号光损耗非常小，熔接损耗一般都会低于0.01dB；
S2：对6根泵浦光纤进行预拉锥并将其在特定位置进行切割。
将220/242(NA＝0.22)的双包层光纤的涂覆层剥除4-5cm，用酒精棉将光纤包层上的剩物擦拭干净，放入光纤拉锥机中，通过设置拉锥机的特定参数对泵浦光纤进行拉锥，使得拉锥后的光纤锥腰直径在130μm左右，长度约2.5cm，左右两侧的过渡区长度约1.5cm(右侧光纤长度剩余较短，仅满足拉锥机固定光纤所需要的长度)。将拉锥好的泵浦光纤在右侧过渡区起始位置进行切割，切割位置直径不超过135μm；
S3：光纤束穿入七孔夹具。将步骤S1制作好的信号纤穿入中心孔，将步骤S2中制作号的 6根泵浦纤穿入七孔夹具外围的六个孔中，并将信号纤的涂覆层剥除4-5cm。用酒精将泵浦纤和信号纤的裸纤部分擦拭干净。利用七孔夹具提供的约束力来保证信号纤在光纤组束的中心位置，泵浦纤在其周围对称排布；
S4：拉锥玻璃管。
本发明在实例中采用的玻璃管的内外壁直径为1200/1500μm，将玻璃管放入酒精瓶中，然后将酒精瓶放入到超声波清洗机中进行清洗，将清洗后的玻璃管内壁进行残留酒精清除，采用吸气加热法。利用酒精棉擦拭玻璃管外壁，将其放入拉锥机中进行拉锥。设置拉锥机参数，得到玻璃管内壁的锥腰直径约为400μm，长度约为3cm，左右两侧过渡区长度约1.5cm；
S5：将步骤S3中做好的光纤组束穿入到拉锥好的玻璃管中，然后放置在拉锥机平台上进行拉锥，要求拉锥过程中控制拉锥光纤束的直径基本保持不变，拉锥作用仅保证7根光纤束在高温热源的作用下将光纤束熔紧不至于散开，保证信号纤纤芯的大小基本不变；七孔管可以很好的确保信号光纤在玻璃管中组束的时候处于中心位置。
S6：将步骤S5制作好的熔融光纤束在玻璃管外径485μm处进行切割，然后再与输出光纤20/400μm(NA＝0.06/0.46)的双包层光纤进行熔接，由此可以维持信号光纤的纤芯始终一致，完成端面泵浦耦合器的制作。
本发明的方法在一个具体应用实例中，结合图1-图7，其详细过程为：
参见图1所示，为20/400(NA＝0.06/0.46)光纤与20/130(NA＝0.06)熔接结构示意图；主要包括20/400(NA＝0.06/0.46)双包层光纤11，20/130(NA＝0.06)双包层光纤12，以及20/130 光纤与20/400光纤的熔接点13；其中111为20/400(NA＝0.06/0.46)双包层光纤涂覆层，112为 20/400(NA＝0.06/0.46)双包层光纤包层，121为20/130(NA＝0.06)双包层光纤涂覆层，122为 20/130(NA＝0.06)双包层光纤包层；
制作该结构的主要流程为：首先将双包层光纤11剥掉5cm左右的涂覆层，双包层光纤12 剥掉5cm左右的涂覆层，并用无水乙醇将两种类型光纤包层擦拭干净，确保包层无污染物；然后利用切割刀在距双包层光纤涂覆层111处的双包层光纤包层112切断，在距20/130双包层光纤涂覆层121处的双包层光纤包层122处切断，切割保证端面平整；最后利用熔接机设置适当的参数将两种类型的光纤进行熔接；结构13的熔接质量决定了制作的耦合器是否能承受高功率，故在制作该结构的时候控制该熔接点的损耗在0.01dB以下，并且对该结构进行测试。
参见图2所示，为220/242(NA＝0.22)多模光纤拉锥到130μm的结构示意图，主要包括 220/242(NA＝0.22)多模光纤2，锥区长度21，锥腰长度22，拉锥后腰区直径23；首先把220/242 (NA＝0.22)的多模光纤2剥掉5cm左右的涂覆层，用无水乙醇擦拭干净，确保包层表面无污染物；然后利用光纤拉锥机进行拉锥，设置相应参数，锥区长度21为1.5cm，腰区长度22为 2.5cm，腰区直径23为130μm，参数确保拉锥出的锥区长度21平缓，腰区直径23大小均匀。拉锥完成后，在腰区的尾端，右侧锥区长度21起始处进行切割，利用拉锥机自带的切割装置进行切割，切割完成后的左侧光纤作为后续泵浦纤使用。
参见图3，为本发明所用的七孔夹具的结构示意图。该七孔夹具3的中心孔31直径为 250μm，外围对称的六个孔32直径为400μm。该七孔夹具为后边光纤组束的制作提供一个约束力，可以保证穿过中心孔的信号纤在光纤组束的中间位置。
参见图4，为将拉锥切割好的泵浦纤和信号纤穿入七孔夹具后的结构示意图，主要包括20/400(NA＝0.06/0.46)光纤与20/130(NA＝0.06)熔接结构中20/130(NA＝0.06)信号纤12， 220/242(NA＝0.22)多模光纤拉锥到130μm的结构2，和中心孔为250μm外围六个孔为400μm 的七孔夹具3。首先将20/130(NA＝0.06)信号纤12的涂覆层剥除3-5cm，用无水乙醇将包层表面脏物擦拭干净，然后穿入到七孔夹具的中心孔31中。再将220/242(NA＝0.22)泵浦光纤拉锥到130μm的结构2穿入到七孔夹具周围的六个孔32中。信号纤和泵浦纤的包层都全部穿过七孔夹具，且信号纤的裸纤长度略长于泵浦纤，便于后期观察，然后用无水乙醇再次擦拭光纤，确保各个光纤包层无污染物存在。
参见图5，为内径1200μm的玻璃管拉锥到内径400μm的结构示意图。玻璃管5的内壁直径52为1200μm，外壁直径51为1500μm。对玻璃管5进行拉锥，首先用超声波清洗玻璃管5，然后利用吸气加热法清除玻璃管5内壁的残余酒精，用酒精棉擦拭玻璃管5的外壁，然后放入拉锥机中进行拉锥，设置拉锥机参数，使得拉锥后玻璃管5的锥区长度53为1.5cm，锥腰长度54为3cm，腰区内壁直径55约为400μm，拉锥参数要保证拉锥出的玻璃管锥区53平缓，腰区直径55大小均匀。
参见图6，为将图4中的结构穿到图5的玻璃管中的结构示意图，主要包括20/400(NA＝0.06/0.46)光纤与20/130(NA＝0.06)熔接结构中20/130(NA＝0.06)信号纤12，220/242 (NA＝0.22)泵浦光纤拉锥到130μm结2，中心孔为250μm外围六个孔为400μm的七孔夹具3，和内径1200μm的玻璃管拉锥到内径400μm的结构5。将擦拭干净的图4光纤组束穿入到图5拉锥完成的玻璃管中。需要注意的是，在光纤组束的穿入过程中，要保证信号纤的中心位置，穿入完成后将组束与玻璃管的整体拿到显微镜下观察，找到略长的信号纤，然后轻微旋转玻璃管，观察信号纤的相对位置，若不发生变化，则说明信号纤在中心位置。如不在中心位置，则需要重新将光纤组束穿入到玻璃管。将穿好光纤组束的玻璃管放置在耦合器制作平台上，通过设置拉锥系统的拉锥参数达到光纤束熔紧不至于散掉的效果，但整个拉锥过程中光纤束基本不拉锥，保证信号纤12大小基本不变。对二次拉锥完成的玻璃管5进行切割，切割位置在锥腰区长度54范围内。
参见图7，为本发明耦合器结构示意完整图；主要包括耦合器端面示意图a，输出光纤 20/400(NA＝0.06/0.46)双包层光纤6，中心孔为250μm外围六个孔为400μm的七孔夹具3， 220/242(NA＝0.22)泵浦光纤拉锥到130μm结2，20/400(NA＝0.06/0.46)光纤与20/130(NA＝0.06)熔接结构1和内径1200μm的玻璃管拉锥到内径400μm的结构5，其中输出光纤6包括光纤涂覆层62，光纤包层61。首先将输出光纤20/400(NA＝0.06/0.46)的双包层光纤 6剥去涂覆层62并且擦拭干净，确保光纤包层61无污染物，用切割刀在距涂覆层62外2cm 处切断，保证切割端面质量良好。将其与图6结构中切割后光纤熔锥束进行熔接，利用熔接机设置相应的参数将光纤熔锥束与输出光纤20/400(NA＝0.06/0.46)光纤6熔接得到完整的耦合器，熔接过程保证光纤束与输出光纤纤芯对准。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于套管的光纤端面泵浦耦合器的制作方法，其特征在于，步骤如下：
S1：引入一段与信号光纤纤芯直径相同包层直径为130微米的双包层光纤作为过渡光纤；
S2：对6根泵浦光纤进行预拉锥并将其在特定位置进行切割；
S3：光纤束穿入七孔夹具；
S4：拉锥玻璃管；
S5：将步骤S3中做好的光纤组束穿入到拉锥好的玻璃管中，然后放置在拉锥机平台上进行拉锥；
S6：将步骤S5制作好的熔融光纤束在玻璃管外径处进行切割，然后再与输出光纤的双包层光纤进行熔接。
2.根据权利要求1所述的基于套管的光纤端面泵浦耦合器的制作方法，其特征在于，所述步骤S1中，将20/400μm(NA＝0.06/0.46)和0.5m左右的20/130μm(NA＝0.06)双包层光纤剥离涂覆层，切割、然后利用普通的熔接机进行熔接。
3.根据权利要求2所述的基于套管的光纤端面泵浦耦合器的制作方法，其特征在于，所述步骤S2中，将220/242(NA＝0.22)的双包层光纤的涂覆层剥除4-5cm，用酒精棉将光纤包层上的剩物擦拭干净，放入光纤拉锥机中，通过设置拉锥机对泵浦光纤进行拉锥，将拉锥好的泵浦光纤在右侧过渡区起始位置进行切割。
4.根据权利要求1或2或3所述的基于套管的光纤端面泵浦耦合器的制作方法，其特征在于，所述步骤S3中，将步骤S1制作好的信号纤穿入中心孔，将步骤S2中制作号的6根泵浦纤穿入七孔夹具外围的六个孔中，并将信号纤的涂覆层剥除；利用七孔夹具提供的约束力来保证信号纤在光纤组束的中心位置，泵浦纤在其周围对称排布。
5.根据权利要求1或2或3所述的基于套管的光纤端面泵浦耦合器的制作方法，其特征在于，所述步骤S4中，采用的玻璃管的内外壁直径为1200/1500μm，将玻璃管放入酒精瓶中，然后将酒精瓶放入到超声波清洗机中进行清洗，将清洗后的玻璃管内壁进行残留酒精清除，利用酒精棉擦拭玻璃管外壁，将其放入拉锥机中进行拉锥。
6.根据权利要求1或2或3所述的基于套管的光纤端面泵浦耦合器的制作方法，其特征在于，所述步骤S5中，在拉锥过程中控制拉锥光纤束的直径基本保持不变，保证信号纤纤芯的大小基本不变。
7.根据权利要求1或2或3所述的基于套管的光纤端面泵浦耦合器的制作方法，其特征在于，所述步骤S6中，将步骤S5制作好的熔融光纤束在玻璃管外径处进行切割，然后再与输出光纤20/400μm(NA＝0.06/0.46)的双包层光纤进行熔接，维持信号光纤的纤芯始终一致，完成端面泵浦耦合器的制作。
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