CN109491016A - 一种光纤端帽及其制作方法 - Google Patents

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苏鹏
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Abstract

本发明提供了一种光纤端帽及其制作方法，光纤端帽包括：双包层光纤；无芯光纤，由纯石英制成，所述无芯光纤的一端与所述双包层光纤的一端熔接；石英管，套设于所述无芯光纤上，所述无芯光纤与所述石英管熔缩；其中，所述无芯光纤的一端位于所述石英管外，所述石英管的另一端与所述无芯光纤的另一端平齐，本发明中石英管与无芯光纤熔缩，增大了激光从光纤输出的面积，极大地减小了输出面上的激光功率密度，使得更高功率的激光传输成为可能，同时熔缩面不需要直接面对热源，提高了光纤与石英管的熔缩质量。

Description

一种光纤端帽及其制作方法
技术领域
本发明涉及光纤技术领域，尤其涉及一种光纤端帽及其制作方法。
背景技术
近几年来，大功率光纤激光器成为激光领域关注的焦点，由于具有高光功率密度、较好的光束质量、使用方便、灵活等特点，已经广泛应用于工业加工、医疗器械、国防等领域。高功率激光器配备高功率传能光缆，其传输光束质量优、光功率密度大，通过传能光缆可以将激光进行传输到需要的地方，使得激光应用变得更加灵活。
近年来，光纤激光器的输出功率不断提升，对激光能量传输也提出了新的要求，由于光纤芯径很小，传输高功率激光时容易在光纤出射端面形成很高的功率密度，任何细小的端面污染和加工缺陷都可能引起光纤端面的损伤。常见的解决的方法是在光纤端面上熔接大直径的石英端帽。光纤端帽实际是在光纤的输出面熔接的一个较大的石英块，同时在石英块输出面进行增透膜处理，实现大功率光纤激光的安全输出。由于石英块和光纤在尺寸上的巨大差异，二者的熔接一直是研制光纤端帽的一个难题。
传统的光纤端帽制备工艺是将光纤与一段石英块熔接在一起，由于石英块和光纤在尺寸上的巨大差异，二者的熔接一直是研制光纤端帽的一个难题，熔接过程很容易导致光纤与石英块端面熔接不均匀以及缺陷。由于光纤纤芯面积小，从而光在光纤与石英块接触面上的光功率密度非常高，而熔接工艺方面的不完善通常会导致微小缺陷，从而带来损耗，甚至因此产生大量的热量而发生损坏。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种光纤端帽，通过将双包层光纤与无芯光纤熔接，再将石英管套设于无芯光纤上，使石英管的内壁与无芯光纤的外壁熔缩，增大了激光从光纤输出的面积，极大地减小了输出面上的激光功率密度，同时熔缩面不需要直接面对热源，提高了光纤与石英管的熔缩质量，解决了现有技术中由于石英块和光纤在尺寸上的巨大差异造成的难以熔接的难题。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种光纤端帽，包括：
双包层光纤；
无芯光纤，由纯石英制成，所述无芯光纤的一端与所述双包层光纤的一端熔接；
石英管，套设于所述无芯光纤上，所述无芯光纤与所述石英管熔缩；
其中，所述无芯光纤的一端位于所述石英管外，所述石英管上与所述双包层光纤靠近的一端与所述无芯光纤的一端之间的轴向距离Lw满足所述石英管的另一端与所述无芯光纤的另一端平齐，所述石英管的总长度L满足L＝(Dp-Dc)/(2tanβ)-Lw，其中，Dc为所述双包层光纤的纤芯直径，Dp为所述光纤端帽输出端的光斑直径，Dw为所述无芯光纤的直径，Di为所述石英管的内径，传播常数n1，n2分别为所述双包层光纤的纤芯折射率和内包层折射率。
优选地，所述双包层光纤的包层直径与所述无芯光纤的直径之间满足Dw≥Ds，其中Ds为所述双包层光纤的包层直径。
优选地，所述石英管包括同轴设置的中空圆台段和中空圆柱段，所述中空圆台段的细端靠近所述无芯光纤的一端，所述中空圆台段的粗端与所述中空圆柱段的一端连接，所述中空圆柱段的另一端与所述石英管的一端平齐。
优选地，所述中空圆台段的细端外径Dts满足：10Dw＞Dts＞2Dw，所述中空圆台段的粗端外径与所述中空圆柱段的外径相同。
优选地，所述中空圆柱段的外径Dys满足：Dys＞3Dp。
优选地，所述中空圆柱段的内径和所述中空圆台段的内径均为Di，满足：Di-Dw＜500μm。
本发明还提供了一种光纤端帽的制作方法，所述方法包括：
在无芯光纤的一端熔接双包层光纤；
将石英管套设于所述无芯光纤上，使所述无芯光纤的一端位于所述石英管外，所述石英管靠近所述双包层光纤的一端与所述无芯光纤的一端之间的轴向距离Lw满足 所述石英管的另一端与所述无芯光纤的另一端平齐，形成端帽输出端面，所述石英管的总长度L满足L＝(Dp-Dc)/(2tanβ)-Lw，其中，Dc为所述双包层光纤的纤芯直径，Dp为所述光纤端帽输出端的光斑直径，Dw为所述无芯光纤的直径，Di为所述石英管的内径，传播常数n1，n2分别为所述双包层光纤的纤芯折射率和内包层折射率；
将所述石英管与所述无芯光纤熔缩，并在所述端帽输出端面镀上增透膜。
优选地，所述将所述石英管与所述无芯光纤熔缩的步骤具体为：
首先将夹具夹持在所述石英管的一端，且固定所述无芯光纤与所述石英管的相对位置；
采用热源对所述石英管的另一端进行高温熔缩，往复移动热源，对所述石英管进行加热，热源移动速度为20-90mm/min，加热温度为1900-2300℃，同时所述石英管和所述双包层光纤以及所述无芯光纤以15-90rad/min转速同步旋转，熔缩完成后，停止加热；
再将夹具夹持在石英管已完成熔缩区域，最后采用热源对所述石英管未完成熔缩的区域进行熔缩，熔缩完成后，停止加热。
优选地，所述热源为氢氧焰或CO2激光。
优选地，所述将所述石英管与所述无芯光纤熔缩的步骤具体为：
采用夹具将所述石英管的一端或两端夹持，且固定所述无芯光纤与所述石英管的相对位置；
将加热炉套设在所述石英管外，所述加热炉与所述石英管之间的周向间隙充满保护气体，所述保护气体为惰性气体；
启动加热炉对所述石英管中段进行高温熔缩，加热温度为1900-2300℃，直至所述石英管的中段与所述无芯光纤熔合完成，停止加热；
再将夹具夹持在所述石英管上已熔缩完成的区域，对所述石英管未熔缩的部分进行熔缩，加热温度为1900-2300℃，使所述无芯光纤与所述石英管熔合后停止加热。
本发明的有益效果：
本发明将双包层光纤与无芯光纤熔接，再将无芯光纤与石英管熔缩在一起，首先利用光纤之间熔接的成熟工艺和方法，实现双包层光纤与无芯光纤的高质量熔接。光从双包层光纤进入无芯光纤后，首先会发生能量扩展，即其光功率密度下降。更重要的，双包层光纤与无芯光纤熔接制作端帽时，需要先将两者熔接，使得激光先在无芯光纤进行扩展。无芯光纤采用纯石英，其折射率与石英管相同。从而当激光进入无芯光纤后，再进一步扩展到石英管中。当光扩展到达无芯光纤表面时，其即将进入到石英管中，此时，无芯光纤侧面与石英管内壁的熔缩质量将影响到光的传输损耗并产生热效应。由于光到达无芯光纤侧面时，其能量场已经扩展到了整个无芯光纤横截面，即其在横截面的光功率密度相比于双包层光纤的光功率密度已经下降很多，因而无芯光纤侧面的光功率密度也较低，可以有效避免光在无芯光纤侧面产生强的热效应。进一步的，由于无芯光纤侧面面积远大于其端面面积，因而，其侧面输出的激光功率密度远小于端面输出时的激光功率密度，从而可有效避免激光对熔接困难。并且由于采用熔缩的方法将无芯光纤与石英管熔合在一起，其热源先经石英管再传到无芯光纤，熔接面无需直接面对热源，这样能够使熔接面的温度场更为均匀，从而提高了熔接质量。
附图说明
图1为根据本发明实施例的一种光纤端帽的结构示意图一。
图2为根据本发明实施例的一种光纤端帽的结构示意图二。
图3为根据本发明实施例中采用氢氧焰对石英管与无芯光纤进行熔缩的示意图。
图4为根据本发明实施例的采用加热炉对石英管与无芯光纤进行熔缩的示意图
附图标记：
1-双包层光纤；2-无芯光纤；3-石英管；4-中空圆台段；5-中空圆柱段；6-氢氧焰，7-夹具；8-加热炉。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
下面首先结合附图具体描述根据本发明实施例的一种光纤端帽。
请参阅图1和图2，根据本发明实施例的一种光纤端帽，包括双包层光纤1、无芯光纤2和石英管3。
具体的，无芯光纤2的一端与双包层光纤1的一端熔接，石英管3套设于无芯光纤2上，无芯光纤2与石英管3熔缩，无芯光纤2采用纯石英，其折射率与石英管3相同，从而当激光进入无芯光纤2后，再进一步扩展到石英管3中。由于无芯光纤2与石英端帽的接触面为无芯光纤2的侧面，无芯光纤2侧面积远大于其端面面积，因而增大了激光从无芯光纤2输出时的表面积，减小了光纤表面的激光功率密度。同时，无芯光纤2与石英端帽经熔缩形成，热源不直接接触两者熔接面，从而使得熔缩质量更高。
为避免无芯光纤2与双包层光纤1的熔接点处激光引发的热效应等问题，要求无芯光纤2与双包层光纤1熔接点处于石英管3外，以使其熔接点处产生的光泄露、发散等导致的热效应能够被快速发散，避免熔接点处温度的积累，因此，无芯光纤2的一端位于石英管3外。
由于双包层光纤1中的光进入无芯光纤2后将扩散，若光扩展至无芯光纤2侧面，则其将在侧面发生一定的散射等损耗，为此，无芯光纤2在石英管3输入端外的长度不能过长，即至少在光到达无芯光纤2侧面时，无芯光纤2外侧应被石英管3所包围。因此，石英管3上与双包层光纤1靠近的一端与无芯光纤2的一端之间的轴向距离Lw满足石英管3的另一端与无芯光纤2的另一端平齐，石英管3的总长度L满足L＝(Dp-Dc)/(2tanβ)-Lw，其中，Dc为双包层光纤1的纤芯直径，Dp为光纤端帽输出端的光斑直径，Dw为无芯光纤2的直径，Di为石英管3的内径，传播常数n1，n2分别为双包层光纤1的纤芯折射率和内包层折射率。
优选地，根据本发明的一个实施例，采用比双包层光纤1直径更大的无芯光纤2，使得传输光先经无芯光纤2，能量发生扩展，有效降低了其光功率密度，从而使光从无芯光纤2向石英管3扩展时，其通过无芯光纤2侧面的光功率密度只具有较低的水平，减小无芯光纤2外壁与石英管3内壁的形貌不理想或杂质引起的光损耗以及热效应。因而，较大的无芯光纤2直径将有利于使无芯光纤2中传输的光功率密度下降到较低的水平，因而无芯光纤2的直径Dw应大于或等于双包层光纤1的直径Ds。
优选地，根据本发明的一个实施例，石英管3包括同轴设置的中空圆台段4和中空圆柱段5，中空圆台段4的细端靠近无芯光纤2的一端，中空圆台段4的粗端与中空圆柱段5的一端连接，中空圆柱段5的另一端与石英管3的一端平齐。由于传输时，光是从无芯光纤向外扩展到石英管的，在两者的接触面上，存在由于表面质量和熔缩质量引起的能量散耗。由于光功率密度是随着其能量的扩展而减小的，因而这种散耗在靠近无芯光纤2的一端最为严重，为了有效散热，本实施例采用中空圆台段4，以增强其散热效果。为便于夹持和制备，中空圆台段4后端为中空圆柱段5。
具体地，中空圆台段4的细端外径Dts满足：10Dw＞Dts＞2Dw，中空圆台段4的粗端外径与中空圆柱段5的外径相同。中空圆柱段5的外径Dys满足：Dys＞3Dp。中空圆柱段5的内径和中空圆台段4的内径均为Di，满足：Di-Dw＜500μm。中空圆台段4的外径须适中，以达到有效散热的目的，同时其不可过小，以保证其结构的稳定性和制备质量。中空圆柱段5的外径须足够大，以避免光斑扩展而导致能量的损失，经模拟分析表明，外径Dys满足Dys＞3Dp时，其能量损失可在0.1％以下，保证了端帽的低损耗和低热耗。为了有效控制和保持熔缩后的端帽形状和对称性，保证熔缩的质量，中空圆柱段5的内径和中空圆台段4的内径不可过大，模拟结果显示，当Di-Dw＜500μm时，其热变形和畸变可小于1％，高质量熔缩较容易实现。
一种光纤端帽的制作方法，包括：
步骤S1：将双包层光纤1和无芯光纤2的一端剥去涂敷层，用酒精棉清洁裸光纤表面，并用切割刀将两种光纤端面切割整齐，双包层光纤1和无芯光纤2的裸光纤长度均为10-20mm，将双包层光纤1的一端与无芯光纤2的一端在熔接机中进行熔接，完成后，保留无芯光纤2的长度超过石英管3长度且有10-40mm的余量，将多余无芯光纤2截断，剥去无芯光纤2的涂敷层，用酒精棉或去离子水清洁裸光纤表面；
步骤S2：将石英管3套设于无芯光纤2上，使无芯光纤2的一端位于石英管3外，石英管3靠近双包层光纤1的一端与无芯光纤2的一端之间的轴向距离Lw满足将无芯光纤2的另一端超出石英管3的一端用光纤切割刀进行切除，使得无芯光纤2的另一端石英管3的另一端与平齐，形成端帽输出端面，石英管3的总长度L满足L＝(Dp-Dc)/(2tanβ)-Lw，其中，Dc为双包层光纤1的纤芯直径，Dp为光纤端帽输出端的光斑直径，Dw为无芯光纤2的直径，Di为石英管3的内径，传播常数n1，n2分别为双包层光纤1的纤芯折射率和内包层折射率；
步骤S3：将石英管3与无芯光纤2熔缩；
步骤S4：在端帽输出端面镀上增透膜。
优选地，根据本发明的一个实施例，如图3所示，上述步骤S3具体为：
S31：首先将夹具7夹持在石英管3的一端，且固定无芯光纤2与石英管3的相对位置；
S32：采用热源氢氧焰6或CO2激光对石英管3的另一端进行高温熔缩，往复移动热源，对石英管3进行加热，热源移动速度为20-90mm/min，加热温度为1900-2300℃，同时石英管3和双包层光纤1以及无芯光纤2以15-90rad/min转速同步旋转，熔缩完成后，停止加热；
S33：再将夹具7夹持在石英管3已完成熔缩区域，最后采用热源对石英管3未完成熔缩的区域进行熔缩，热源移动速度为20-90mm/min，加热温度为1900-2300℃，同时石英管3和双包层光纤1以及无芯光纤2以15-90rad/min转速同步旋转，熔缩完成后，停止加热。
优选地，根据本发明的一个实施例，如图4所示，上述步骤S3具体为：
S31：采用夹具7将石英管3的一端或两端夹持，且固定无芯光纤2与石英管3的相对位置；
S32：将加热炉8套设在石英管3外，加热炉8的加热区长度为3-5mm，加热炉8与石英管3之间的周向间隙充满保护气体，保护气体为惰性气体；
S33：启动加热炉8对石英管3中段进行高温熔缩，加热温度为1900-2300℃，直至石英管3的中段与无芯光纤2熔合完成，停止加热；
S34：再将夹具7夹持在石英管3上已熔缩完成的区域，对石英管3未熔缩的部分进行熔缩，加热温度为1900-2300℃，使无芯光纤2与石英管3熔合后停止加热。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种光纤端帽，其特征在于，包括：
双包层光纤；
无芯光纤，由纯石英制成，所述无芯光纤的一端与所述双包层光纤的一端熔接；
石英管，套设于所述无芯光纤上，所述无芯光纤与所述石英管熔缩；
其中，所述无芯光纤的一端位于所述石英管外，所述石英管上与所述双包层光纤靠近的一端与所述无芯光纤的一端之间的轴向距离Lw满足所述石英管的另一端与所述无芯光纤的另一端平齐，所述石英管的总长度L满足L＝(Dp-Dc)/(2tanβ)-Lw，其中，Dc为所述双包层光纤的纤芯直径，Dp为所述光纤端帽输出端的光斑直径，Dw为所述无芯光纤的直径，Di为所述石英管的内径，传播常数n1，n2分别为所述双包层光纤的纤芯折射率和内包层折射率。
2.根据权利要求1所述的光纤端帽，其特征在于，所述双包层光纤的包层直径与所述无芯光纤的直径之间满足Dw≥Ds，其中Ds为所述双包层光纤的包层直径。
3.根据权利要求1所述的光纤端帽，其特征在于，所述石英管包括同轴设置的中空圆台段和中空圆柱段，所述中空圆台段的细端靠近所述无芯光纤的一端，所述中空圆台段的粗端与所述中空圆柱段的一端连接，所述中空圆柱段的另一端与所述石英管的一端平齐。
4.根据权利要求3所述的光纤端帽，其特征在于，所述中空圆台段的细端外径Dts满足：10Dw＞Dts＞2Dw，所述中空圆台段的粗端外径与所述中空圆柱段的外径相同。
5.根据权利要求3所述的光纤端帽，其特征在于，所述中空圆柱段的外径Dys满足：Dys＞3Dp。
6.根据权利要求3所述的光纤端帽，其特征在于，所述中空圆柱段的内径和所述中空圆台段的内径均为Di，满足：Di-Dw<500μm。
7.一种光纤端帽的制作方法，其特征在于，所述方法包括：
在无芯光纤的一端熔接双包层光纤；
将石英管套设于所述无芯光纤上，使所述无芯光纤的一端位于所述石英管外，所述石英管靠近所述双包层光纤的一端与所述无芯光纤的一端之间的轴向距离Lw满足 所述石英管的另一端与所述无芯光纤的另一端平齐，形成端帽输出端面，所述石英管的总长度L满足L＝(Dp-Dc)/(2tanβ)-Lw，其中，Dc为所述双包层光纤的纤芯直径，Dp为所述光纤端帽输出端的光斑直径，Dw为所述无芯光纤的直径，Di为所述石英管的内径，传播常数n1，n2分别为所述双包层光纤的纤芯折射率和内包层折射率；
将所述石英管与所述无芯光纤熔缩，并在所述端帽输出端面镀上增透膜。
8.根据权利要求7所述的光纤端帽的制作方法，其特征在于，所述将所述石英管与所述无芯光纤熔缩的步骤具体为：
首先将夹具夹持在所述石英管的一端，且固定所述无芯光纤与所述石英管的相对位置；
采用热源对所述石英管的另一端进行高温熔缩，往复移动热源，对所述石英管进行加热，热源移动速度为20-90mm/min，加热温度为1900-2300℃，同时所述石英管和所述双包层光纤以及所述无芯光纤以15-90rad/min转速同步旋转，熔缩完成后，停止加热；
再将夹具夹持在石英管已完成熔缩区域，最后采用热源对所述石英管未完成熔缩的区域进行熔缩，熔缩完成后，停止加热。
9.根据权利要求8所述的光纤端帽的制作方法，其特征在于，所述热源为氢氧焰或CO2激光。
10.根据权利要求7所述的光纤端帽的制作方法，其特征在于，所述将所述石英管与所述无芯光纤熔缩的步骤具体为：
采用夹具将所述石英管的一端或两端夹持，且固定所述无芯光纤与所述石英管的相对位置；
将加热炉套设在所述石英管外，所述加热炉与所述石英管之间的周向间隙充满保护气体，所述保护气体为惰性气体；
启动加热炉对所述石英管中段进行高温熔缩，加热温度为1900-2300℃，直至所述石英管的中段与所述无芯光纤熔合完成，停止加热；
再将夹具夹持在所述石英管上已熔缩完成的区域，对所述石英管未熔缩的部分进行熔缩，加热温度为1900-2300℃，使所述无芯光纤与所述石英管熔合后停止加热。
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