CN109387904B - 一种光纤激光合束器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学器件技术领域，提供了一种光纤激光合束器及其制造方法，光纤激光合束器包括多条输入光纤和一条输出光纤，多条输入光纤和一条输出光纤通过渐变折射率透镜连接，渐变折射率透镜为柱状，包括一输入平面和一输出平面以及连接于二者之间的侧面，多条输入光纤平行且与输入平面免拉锥垂直熔接，输出光纤与所述输入光纤平行且与输出平面垂直熔接。将输入光纤和输出光纤通过渐变折射率透镜连接，输入光纤中的光经过渐变折射率透镜后可聚焦在输出光纤中。不需要将光纤进行腐蚀拉锥，避免光纤包层表面不平滑进而产生损耗的问题，结构紧凑，体积小，光束质量高；减少了复杂的工艺步骤，降低了加工难度和工艺要求，产品良率得以明显提高。

Description

一种光纤激光合束器及其制造方法

技术领域

本发明属于光学器件技术领域，更具体地说，是涉及一种光纤激光合束器及其制造方法。

背景技术

光纤激光器具有光束质量好，体积小巧，质量轻，寿命长，工作稳定等优点，在诸如远距离通讯、机械加工、激光打标、医疗等行业中都有广泛的应用。随着光纤激光器的应用领域日益广泛，对于光纤激光器的输出功率的要求达到了千瓦甚至万瓦的级别。

目前单根光纤的输出效率在千瓦级别，但由于热损伤等物理机制的限制和出于安全性的考虑，为了获得更高的激光输出，常用的加工方法是通过激光合束器与单根光纤的熔接处理，将多个功率单元合为一束输出。传统的光纤激光合束器一般都需要对光纤进行腐蚀，拉锥等处理，再与输出光纤进行熔接处理，但在腐蚀的过程中，容易造成光纤包层表面不平滑，进而产生损耗，而且传统激光合束器制作过程较为繁复，工艺要求较高，传统方法容易导致成品率低等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光纤激光合束器，以解决现有技术中激光合束器良率低、工艺要求高的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种光纤激光合束器，包括多条输入光纤和一条输出光纤，所述多条输入光纤和一条输出光纤通过渐变折射率透镜连接，所述渐变折射率透镜为柱状，包括一输入平面和一输出平面以及连接于所述输入平面和输出平面之间的侧面，所述多条输入光纤平行且与所述输入平面免拉锥垂直熔接，所述输出光纤与所述输入光纤平行且与所述输出平面垂直熔接。

进一步地，任一条所述输入光纤和与其相邻的输入光纤的外表面相熔接，多条所述输入光纤并排紧密地合为输入光纤束。

进一步地，所述输出光纤的中心轴线与所述输入光纤束的中心轴线共线。

进一步地，所述渐变折射率透镜的折射率呈放射状分布，其折射率由中心向外逐渐增大，所述输出光纤和输入光纤束的中心轴线经过所述渐变折射率透镜的折射率中心，使所述输入光纤束输入的光聚焦至所述输出光纤。

进一步地，所述渐变折射率透镜的材料为氧化物玻璃。

进一步地，所述一条输入光纤为单根光纤或者为由多根光纤组成的光纤束；所述一条输出光纤为单根光纤或者为由多根光纤组成的光纤束。

进一步地，所述输入光纤和/或输出光纤为单模光纤或多模光纤。

进一步地，所述输入光纤和/或输出光纤为单包层单芯光纤、单包层多芯光纤、多包层单芯光纤或多包层多芯光纤。

进一步地，所述输入光纤和/或输出光纤为保偏光纤、有源光纤或光子晶体光纤。

本发明的另一目的在于提供一种光纤激光合束器的制造方法，包括下述步骤：

将多条输入光纤通过熔融方法组成平行排布的输入光纤束，再将所述输入光纤束的端部切割或磨抛使所述多条输入光纤的端面齐平；

将所述多条输入光纤经过齐平处理的一端与渐变折射率透镜的输入平面垂直熔接；

将一条输出光纤与渐变折射率透镜的输出平面垂直熔接，形成所述光纤激光合束器。

本发明提供的光纤激光合束器与现有技术相比具有如下有益效果：将输入光纤和输出光纤通过渐变折射率透镜连接，形成光纤激光合束器，渐变折射率透镜的折射率呈渐变式分布，具有普通折射率不变的凸透镜的聚焦效果，输入光纤中的光经过渐变折射率透镜后可进行折射，并聚焦在输出光纤中。这样，采用了渐变折射率透镜后，不需要将输入光纤进行腐蚀和拉锥再与输出光纤结合，进而避免由于腐蚀拉锥导致的光纤包层表面不平滑进而产生损耗的问题，并且结构紧凑，体积小，光束质量高；减少了相应的复杂的工艺步骤，降低了加工难度和工艺要求，产品良率得以明显提高。对于生产厂家而言，降低成本、降低工艺要求和提高产品成品率具有重要的意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的光纤激光合束器的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的光纤激光合束器的输入光纤束的端面结构示意图；

图3为本发明实施例提供的光纤激光合束器的光路图；

图4为本发明实施例提供的光纤激光合束器的制造流程图。

其中，图中各附图标记：

10-输入光纤；20-输出光纤；30-渐变折射率透镜；

301-输入平面；302-输出平面；303-侧面。

具体实施方式

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。

需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接在另一个部件上或者间接在该另一个部件上。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。术语“第一”、“第二”仅用于便于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明技术特征的数量。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

为了说明本发明所述的技术方案，以下结合具体附图及实施例进行详细说明。

请一并参阅图1～3，本发明实施例提供的光纤激光合束器包括多条输入光纤10和一条输出光纤20，多条输入光纤10和一条输出光纤20通过渐变折射率透镜30连接，渐变折射率透镜30的整体形状为柱状，其前表面为平面，即输入平面301，后表面也为平面，即输出平面302，以便于输入光纤10和输出光纤20的熔接及光的传输，输入平面301和输出平面302之间的侧面303可以为圆柱形或者为棱柱形，优选为圆柱形，多条输入光纤10平行，并且紧密地排布成一束，与输入平面301免拉锥垂直熔接，输出光纤20与输入光纤10平行，与输出平面302免拉锥垂直熔接。输入光纤10的熔接端未进行拉锥处理，输出光纤20的熔接端也未进行拉锥处理，输入光纤10和输出光纤20均直接熔接在渐变折射率透镜30的表面。

本发明实施例将输入光纤10和输出光纤20通过渐变折射率透镜30连接，形成光纤激光合束器，渐变折射率透镜30的折射率呈渐变式分布，具有普通折射率不变的凸透镜的聚焦效果，输入光纤10中的光经过渐变折射率透镜30后可进行折射，并聚焦在输出光纤20中。这样，采用了渐变折射率透镜30后，不需要将输入光纤10进行腐蚀和拉锥再与输出光纤20结合，进而避免由于腐蚀拉锥导致的光纤包层表面不平滑进而产生损耗的问题，并且结构紧凑，体积小，光束质量高；减少了相应的复杂的工艺步骤，降低了加工难度和工艺要求，产品良率得以明显提高。对于生产厂家而言，降低成本、降低工艺要求和提高产品成品率具有重要的意义。

进一步地，上述多条输入光纤10可以通过熔接的方式合为一束，即任一条输入光纤10和与其相邻的一条或几条输入光纤10相熔接，多条输入光纤10的外表面彼此熔接形成紧密并排排布的输入光纤束。这样便于后续与渐变折射率透镜30的组装，也利于各组输入光纤10传输的光线一致。

优选地，渐变折射率透镜30的折射率呈放射状分布，即折射率值由中心向周围有规律的逐渐变化，以形成透镜的聚焦效果。具体地，对于厚度一致的圆柱状渐变折射率透镜30，其折射率值由中心向周围逐渐增大，使其具有凸透镜的聚焦效果，能够将输入光纤10输入的光聚焦至输出光纤20。进而，该输出光纤20的中心轴线与输入光纤束的中心轴线共线，具体是在一条直线上，并且该中心轴线是垂直经过渐变折射率透镜30的折射率中心的，使得经过渐变折射率透镜30聚焦的光恰好聚焦在输出光纤20的纤芯中，以保证较高的耦合效率。该渐变折射率透镜30的材料优选为氧化物玻璃，其具有较高的透光率和耐高温性能，不易变形。

在本实施例中，一条输入光纤10可以为单根光纤或者为由多根光纤组成的光纤束，同样的，一条输出光纤20可以为单根光纤或者为由多根光纤组成的光纤束。在第一种实施例中，一条输入光纤10为一根光纤，一条输出光纤20也为一根光纤，即该合束器是由多根输入光纤10和一根输出光纤20以及渐变折射率透镜30组成，那么多根输入光纤10对应该一根输出光纤20，多根输入光纤10的光耦合至一根输出光纤20中。在第二种实施例中，一条输入光纤10是由多个子光纤组成的光纤束，一条输出光纤20也是由多个子光纤组成的光纤束，那么一条输入光纤10的光纤束和输出光纤20的一个子光纤对应，输入光纤10的光纤束和输出光纤20的子光纤一一对应进行光的耦合。在第三实施例中，一条输入光纤10是一根光纤，一条输出光纤20是由多根子光纤组成的光纤束，那么每根输入光纤10对应输出光纤20的一个子光纤。在第四实施例中，每条输入光纤10是由多个子光纤组成的光纤束，一条输出光纤20是一根光纤，那么多条输入光纤10的光纤束均对应该一根输出光纤20。为了简化结构，优选为第一种实施例结构。

在本实施例中，输入光纤10可以为单模光纤或多模光纤，输出光纤20可以为单模光纤或多模光纤。在一个合束器中，输入光纤10和输出光纤20可以同时选择单模光纤或多模光纤，也可以其中一个选择单模光纤，另一个选择多模光纤。

进一步地，输入光纤10可以为单包层单芯光纤、单包层多芯光纤、多包层单芯光纤或多包层多芯光纤。输出光纤20也可以有上述选择，并且，输入光纤10和输出光纤20可以选择上述相同种类或不同种类。

进一步地，输入光纤10和输出光纤20可以均为保偏光纤，还可以均为有源光纤，或者其中一个为有源光纤，还可以均为光子晶体光纤或者其中一个为光子晶体光纤。

参考图4，本发明实施例进一步提供一种光纤激光合束器的制造方法，包括下述步骤：

在步骤S101中，将多条输入光纤10通过熔融方法组成平行排布的输入光纤束，再将输入光纤束的端部切割或磨抛使所述多条输入光纤10的端面齐平；

在步骤S102中，将多条输入光纤10经过齐平处理的一端与渐变折射率透镜30的输入平面301垂直熔接；

在步骤S103中，将一条输出光纤20与渐变折射率透镜30的输出平面302垂直熔接，形成光纤激光合束器。

在本实施例中，将多条输入光纤10和一条输出光纤20分别熔接在渐变折射率透镜30的输入平面301和输出平面302的步骤不需限制其先后顺序，可以先熔接输入光纤10，也可以先熔接输出光纤20，也可以同时进行。

在上述步骤S102中，输入光纤10不需进行腐蚀和拉锥处理，直接与渐变折射率透镜30的输入平面301熔接，在上述步骤S103中，输出光纤20也不需进行腐蚀和拉锥处理，直接与渐变折射率透镜30的输出平面302熔接。

该渐变折射率透镜30的折射率通常为自中心向外呈放射状增大的分布状态，折射率中心的折射率最低，在熔接输入光纤10和输出光纤20时，优选输入光纤10的中心轴线和输出光纤20的中心轴线在一条直线上并且穿过折射率中心，使光能顺利耦合。

在上述方法中，一条输入光纤10和一条输出光纤20均可以采用单光纤形式，也可以采用光纤束的形式。具体结构如前文所述，此处不进行重复说明。

在一具体的实施例中，以输入光纤10为7根的信号光纤为例，其制备方法如下：

第一步，选择7根输入光纤10，其尺寸为纤芯直径20μm，包层直径400μm的双包层光纤，NA＝0.065。

第二步，使用夹具将7根输入光纤10熔融在一起，使得光纤截面排布规律，再将端面处理齐平。

第三步，选择渐变折射率透镜30，尺寸为0.25p。

第四步，使用熔接机将7根输入光纤10与渐变折射率透镜30的输入平面301熔接为一体。

第五步，使用熔接机将渐变折射率透镜30的输出平面302与输出光纤20熔接为一体。

在加工光纤激光合束器的过程中，除去了腐蚀光纤包层这一步骤以及拉锥步骤，提高了制造效率，生产出来的激光合束器体积轻便，缩短了制备时间并提高了生产效率。

可以理解，以上具体参数仅是一种实施例，本发明不局限于上述数据。本领域技术人员可以在上述原理的指导下制作不同结构和性能参数的光纤激光合束器。

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)

1.一种光纤激光合束器，其特征在于：包括多条输入光纤和一条输出光纤，所述多条输入光纤和一条输出光纤通过渐变折射率透镜连接，所述渐变折射率透镜为柱状，包括一输入平面和一输出平面以及连接于所述输入平面和输出平面之间的侧面，所述多条输入光纤平行且与所述输入平面免拉锥垂直熔接，所述输出光纤与所述输入光纤平行且与所述输出平面免拉锥垂直熔接；所述渐变折射率透镜的折射率呈放射状分布，所述输出光纤和输入光纤束的中心轴线经过所述渐变折射率透镜的折射率中心，使所述输入光纤束输入的光聚焦至所述输出光纤。

2.如权利要求1所述的光纤激光合束器，其特征在于：任一条所述输入光纤和与其相邻的输入光纤的外表面相熔接，多条所述输入光纤并排紧密地合为输入光纤束。

3.如权利要求2所述的光纤激光合束器，其特征在于：所述输出光纤的中心轴线与所述输入光纤束的中心轴线共线。

4.如权利要求3所述的光纤激光合束器，其特征在于：所述渐变折射率透镜的材料为氧化物玻璃。

5.如权利要求1所述的光纤激光合束器，其特征在于：一条所述输入光纤为单根光纤或者为由多根光纤组成的光纤束；一条所述输出光纤为单根光纤或者为由多根光纤组成的光纤束。

6.如权利要求1所述的光纤激光合束器，其特征在于：所述输入光纤和/或输出光纤为单模光纤或多模光纤。

7.如权利要求1所述的光纤激光合束器，其特征在于：所述输入光纤和/或输出光纤为单包层单芯光纤、单包层多芯光纤、多包层单芯光纤或多包层多芯光纤。

8.如权利要求1所述的光纤激光合束器，其特征在于：所述输入光纤和/或输出光纤为保偏光纤、有源光纤或光子晶体光纤。

9.一种光纤激光合束器的制造方法，其特征在于：包括下述步骤：

将多条输入光纤通过熔融方法组成平行排布的输入光纤束，再将所述输入光纤束的端部切割或磨抛使所述多条输入光纤的端面齐平；

将所述多条输入光纤经过齐平处理的一端与渐变折射率透镜的输入平面免拉锥垂直熔接；

将一条输出光纤与渐变折射率透镜的输出平面免拉锥垂直熔接，形成所述光纤激光合束器；其中，所述渐变折射率透镜的折射率呈放射状分布，所述输出光纤和输入光纤束的中心轴线经过所述渐变折射率透镜的折射率中心，使所述输入光纤束输入的光聚焦至所述输出光纤。

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