CN109765663A - 一种双头激光传输光缆及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种双头激光传输光缆及其制作方法，该激光传输光缆包括：桥接光纤的一端为双头激光传输光缆的输入端，桥接光纤的另一端与模场适配器的一端连接，模场适配器的另一端与传能光纤连接，桥接光纤的数值孔径位于输入传能光纤和输出传能光纤之间，或，桥接光纤的纤芯直径位于输入传能光纤和输出传能光纤之间。本发明通过在双头激光传输光缆的输入端引入桥接光纤和模场适配器，来改善光束质量和光斑形状，同时提高了光斑稳定性。

Description

一种双头激光传输光缆及其制作方法

技术领域

本发明实施例涉及光纤激光器技术领域，尤其涉及一种双头激光传输光缆及其制作方法。

背景技术

光纤激光器具有效率高、体积小、良好的热管理和易于维护等优势，近些年在工业领域有着快速发展，并逐渐开始取代部分传统的激光器。

高功率光纤激光器通常采用高能传输光缆作为高功率激光的输出传导介质，通常是采用直接熔接的方法与光纤激光器内部器件进行连接。

但是由于传输光缆是直接面向切割、焊接、清洗等应用，其处于的环境恶劣度要远高于激光器本身，因此也是光纤激光器最容易损坏的器件之一，而激光传输光缆一旦损坏，激光器就要面临一个长时间停工维修的状态。

而采用空间光耦合器的激光器，由激光器输出光缆接入光耦合器，经过透镜进行准直耦合变换后，再由双头激光传输光缆输出。

这样一旦双头激光传输光缆损坏，可以采用备用光缆进行快速更换，同时通过选用不同类型的双头激光传输光缆，也可以在一定程度上改变输出模式，实现不同的应用。同时在某些特殊应用中，希望同一台激光器能输出多路光，通过程序控制其中某一路或者某几路光输出，其余光路不输出，此时就会用到分光器，分光器的激光传输光缆同样也是采用双头激光传输光缆。

采用双头激光传输光缆作为激光传输介质具有一定优势，但存在一个最大的问题，因为不论是光耦合器还是分光器，都是采用空间透镜变换将激光器输出的光耦合进入双头激光传输光缆，这会使得光束质量产生较为严重的劣化，激光输出光斑形状难以控制。

甚至当通过外力改变双头激光传输光缆的弯曲时，输出光斑形状也会随之发生改变。而这些非常不利于双头激光传输光缆在激光加工时的使用。

发明内容

针对上述问题，本发明实施例提供一种双头激光传输光缆及其制作方法。

第一方面，本发明实施例提供一种双头激光传输光缆，包括：双头光纤跳线、输入传能光纤、桥接光纤、模场适配器和输出传能光纤，其中：

所述桥接光纤的一端为双头激光传输光缆的输入端，所述桥接光纤的另一端与所述模场适配器的一端连接，所述模场适配器的另一端与所述输入传能光纤的一端连接，所述输入传能光纤的另一端通过所述双头光纤跳线与所述输出传能光纤连接，所述桥接光纤的数值孔径位于所述输入传能光纤和所述输出传能光纤之间，所述桥接光纤的纤芯直径位于所述输入传能光纤和所述输出传能光纤之间。

第二方面，本发明实施例提供一种双头激光传输光缆的制作方法，包括：

在桥接光纤的一端制作剥模器；

将所述桥接光纤的另一端与模场适配器的一端连接；

在输出传能光纤的一端剥除涂覆，并熔接所述模场适配器的另一端，所述桥接光纤的数值孔径位于输入传能光纤和所述输出传能光纤之间，所述桥接光纤的纤芯直径位于所述输入传能光纤和所述输出传能光纤之间。

本发明实施例提供的一种双头激光传输光缆及其制作方法，通过在双头激光传输光缆的输入端引入桥接光纤和模场适配器，来改善光束质量和光斑形状，同时提高了光斑稳定性。由于桥接光纤数值孔径或纤芯直径均不能超过输入传能光纤和输出传能光纤，而模场适配器的作用是降低基模损耗，使得当激光通过桥接跳线进入输入传能光纤，尽可能提高基模被激发的占比，同时，进一步调高激发模式的稳定度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中常规的双头高能传输光缆的结构示意图；

图2为本发明实施例中一种双头激光传输光缆的结构示意图；

图3为本发明实施例中双头激光传输光缆在空间光耦合器中的使用示意图；

图4为传统100/360双头高能传输跳线的输出光斑示意图；

图5为传统50/360双头高能传输跳线的输出光斑示意图；

图6为桥接有25/400跳线和模场适配器的100/360双头高能传输跳线的输出光斑示意图；

图7为桥接有25/400跳线和模场适配器的50/360双头高能传输跳线的输出光斑示意图；

图8为本发明又一实施例提供的一种双头激光传输光缆的制作方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为现有技术中常规的双头高能传输光缆的结构示意图，如图1所示，传统的双头激光传输光缆是用于激光的传输与输出，其中的一头熔接有端帽作为输出端，另外一头采用光纤熔接的方式与激光器直接相连。101表示双头光纤跳线，102表示输入传能光纤，103表示剥模器，104表示端帽，105表示裸纤。

而双头激光传输光缆在实现激光的传输与输出的功能外，还需要搭配分光器和耦合器实现高功率激光的耦合，因此双头激光传输光缆分为两端：一头用于耦合，称之为输入端，也称之为耦合端；一头用于输出，称之为输出端。

对于标准双头光纤跳线来说，一般通过调节分光器或者耦合器中的空间光路使其达到较高的激光耦合效率，现有技术已经可以很好的做到这一点。

但是由于双头激光传输光缆一般采用较大芯径的光纤，通过该方法，很难控制其传输模式。也就是当通过激光器本身直接输出的激光能量以基模为主，当其经过空间透镜变换后，耦合进入大芯径光纤纤芯中时，很容易就产生横向偏移，虽然此时仍然可以达到很高的激光耦合效率，但是由于横向偏移会激励出许多高阶模，使得光束质量恶化。

同时这种激励很容易受到环境扰动，使得激励的模式发生变化，从而使得激光输出光斑的能量分布或者形状随之环境的扰动而变化。

针对该问题，本发明实施例提出一种双头激光传输光缆，图2为本发明实施例中一种双头激光传输光缆的结构示意图，如图2所示，该双头激光传输光缆的结构包括：双头光纤跳线201、输入传能光纤202、桥接光纤203、模场适配器204和输出传能光纤205，其中：

所述桥接光纤的一端为双头激光传输光缆的输入端，所述桥接光纤的另一端与所述模场适配器的一端连接，所述模场适配器的另一端与所述输入传能光纤的一端连接，所述输入传能光纤的另一端通过所述双头光纤跳线与所述输出传能光纤连接，所述桥接光纤的数值孔径位于所述输入传能光纤和所述输出传能光纤之间，或，所述桥接光纤的纤芯直径位于所述输入传能光纤和所述输出传能光纤之间。

具体地，该双头激光传输光缆的输入端为桥接光纤的一端，桥接光纤中集成有剥模器，剥模器是一种能促使包层模转换成辐射模，通常用折射率等于或大于光纤包层折射率的材料构成的器件。选用的桥接光纤的标准在于：桥接光纤数值孔径和纤芯直径的均位于传能光纤和输出光纤之间。

桥接光纤的具体选用需要与实际使用结合，一般来说，纤芯越小，光束质量和光斑形状越好，但是调节准直——耦合光路时难度越大，因此实际选择中应该从这两方面折中选择。

桥接光纤的另一端与模场适配器的一端连接，该模场适配器的选用标准是：模场适配器由两种光纤构成，一种与桥接光纤一致，另外一种与输出光纤一致。将两种光纤结合，通过拉锥，腐蚀，熔接三种工艺制作模场适配器。模场适配器为能够降低与普通单模光纤熔接损耗同时抑制高阶模激发的光纤器件。

然后模场适配器的另一端通过输入传能光纤与双头光纤跳线的输入端连接，双头光纤跳线的输出端与输出传能光纤连接。

需要说明的是，传能光纤具有高功率激光传输能力、大芯径、良好的柔韧性、较高的强度、低传输损耗和高透光率等优良性能，可用于制造光纤激光器，光纤传感器，以及应用于光谱测量，激光焊接、建筑装饰、照明，激光医疗等领域。石英传能光纤有石英包层型和塑料包层型两类。石英包层传能光纤能够传输较高的激光功率，具有良好的抗光学损伤能力、较低的衰减和较高的光透过率。

下面具体解释通过桥接光纤和模场适配器是的输出的激光更加稳定的理论基础：

当输入光纤通过透镜变换后，有输入光纤耦合进入输出光纤时，根据模场交叠积分公式(1)，

其中，E_in表示输入光纤的某一模式的电场分布，E_couple表示耦合光纤对应模式的电场分布，η表示耦合效率，其值在0到1之间，η越接近与1时，与该对应的模式的耦合效率越高，输出光斑的稳定性也就越高；当η越接近于0时，与该对应的模式耦合效率越低，大部分能量就会耦合到其他模式上(一般往更高阶模式耦合)，输出光斑的稳定性也就越低。同时因为桥接光纤模场直径接近输入光纤，在耦合调节过程中，一旦出现横向偏移，即偏芯的情况，双头跳线的输出功率(或输出效率)就会迅速下降而被激光功率计检测到。而对于普通的双头跳线，纤芯模场较大，即使产生了横向偏移，也不会造成明显耦合效率下降，但此时横向偏移会造成明显光斑形状与光束质量的恶化。因此采用桥接光纤可以优化耦合过程中造成的横向偏移量。

这样当采用桥接光纤替代输出光纤作为耦合输入端时，采用的桥接光纤的模场接近激光输入端光纤的模场直径，这样可以保证最小的模场失配，换而言之，即保证耦合输出光纤的模场分布尽可能与输入光纤的模场分布一致。

因为根据实际使用的不同需求，实际输出光纤往往与输入光纤、桥接光纤的类型均不同，一般来说输出光纤模场直径较大，此时如果直接采用熔接的方式与桥接光纤熔接，同样可以根据交叠积分公式发现，此时依旧会发生较大的模式能量损耗，当前模式损耗的能量会耦合到更高阶的模式上，从而造成光束质量的恶化。因此采用模场适配器，使得在桥接光纤和输出光纤直接产生一个过渡，使得单模损耗变小，从而保证输出激光的光束质量不恶化。

本发明实施例通过在双头激光传输光缆的输入端引入桥接光纤和模场适配器来改善光束质量和光斑形状，同时提高光斑稳定性。

其中桥接光纤数值孔径或者纤芯直径均不超过传能光纤，此处的传能光纤包括输入传能光纤和输出传能光纤。

而模场适配器的作用是降低基模损耗，使得当激光通过桥接跳线进入输入传能光纤时，尽可能提高基模被激发的占比，同时进一步提高激发模式的稳定度。

在上述实施例的基础上，优选地，所述双头激光传输光缆的输入端集成一个包层光滤除器。

由于耦合过程中，不可避免的会产生包层光的激发，包层激光过多会对激光传输系统造成较大的隐患，并且不论是标准双头光纤跳线还是本发明提出的新型双头激光传输光缆，都会在输入端引入包层光，因此一般都会在双头激光传输光缆的输入端集成一个包层光滤除器。

在上述实施例的基础上，优选地，所述模场适配器由所述桥接光纤与所述输出传能光纤制作而成，所述模场适配器集成有剥模器。

前面提到过，模场适配器是由两种光纤制作而成，一种为传能类型的光纤，另外一种为桥接类型的光纤，通过这两种光纤进行拉锥、腐蚀、熔接三种工艺制作而成。

在上述实施例的基础上，优选地，所述双头激光传输光缆的输入端熔接端帽206。

具体地，双头激光传输光缆的输入端熔接端帽。

在上述实施例的基础上，优选地，所述双头激光传输光缆的输出端为所述输出传能光纤的另一端，所述输出传能光纤的另一端熔接端帽。

在上述实施例的基础上，优选地，所述双头激光传输光缆的输出端为所述输出传能光纤的另一端，所述输出传能光纤的另一端熔接无芯光纤。

双头激光传输光缆的输出端可以熔接端帽，也可以直接输出激光，还可以熔接无芯光纤。

图3为本发明实施例中双头激光传输光缆在空间光耦合器中的使用示意图，如图3所示，其中，301为双头激光传输光缆的输入端，302为双头激光传输光缆的输出端，303为光耦合器，304为准直-耦合光路，305为激光器输入端，306为激光传输方向。

将本发明实施例中的双头激光传输光缆的输入端接入光耦合器303，通过调节准直—耦合光路304，从该激光传输光缆的输出端测试激光的最佳耦合效率，光斑形状，光束质量与光斑稳定度，并与标准双头激光传输光缆在光耦合器中的效果对比。

图4为传统100/360双头高能传输跳线的输出光斑示意图，如图4所示，在该实例中，采用标准双头激光传输光缆11时，当双头激光传输光缆纤芯直径为100微米时，输出的光斑形状。

图5为传统50/360双头高能传输跳线的输出光斑示意图，如图5所示，当双头激光传输光缆纤芯直径为50微米时，输出光斑。从图4和图5中可以看出，光斑中的模式以高阶模为主，且能量分布无规律，同时光束质量较差，并且光斑会随着环境中外力的扰动而变化。

图6为桥接有25/400跳线和模场适配器的100/360双头高能传输跳线的输出光斑示意图，当采用本专利提到的新型传能跳线时，当传能跳线的纤芯直径为100微米时，输出光斑展示与图6中。

图7为桥接有25/400跳线和模场适配器的50/360双头高能传输跳线的输出光斑示意图，如图7所示，当传能跳线的纤芯直径为50微米时，输出光斑展示与图7中。

从图6和图7中，可以看到，光斑中的模式以基模为主，同时能量分布较为规律，光束质量较好，并且光斑不随环境的中外力的扰动而变化，说明改善较为明显。

图8为本发明又一实施例提供的一种双头激光传输光缆的制作方法的流程图，如图8所示，该方法包括：

S1，在桥接光纤的一端制作剥模器；

S2，将所述桥接光纤的另一端与模场适配器的一端连接；

S3，在输出传能光纤的一端剥除涂覆，并熔接所述模场适配器的另一端，所述桥接光纤的数值孔径位于所述输入传能光纤和输出传能光纤之间，或，所述桥接光纤的纤芯直径位于所述输入传能光纤和所述输出传能光纤之间。

本发明实施例中激光器输出光纤纤芯直径为25微米，包层直径为400微米，数值孔径为0.11，桥接光纤为纤芯直径为25微米，包层直径为400微米，数值孔径为0.11。

传能光纤为两种：第一种纤芯直径为100微米，包层直径为360微米，数值孔径为0.22，第二种纤芯直径为50微米，包层直径为360微米，数值孔径为0.22。

在输入传能光纤的一端剥除涂覆，熔接模场适配器。模场适配器一端的光纤类型与桥接光纤一致，另外一端与传能光纤一致。

在模场适配器的另外一端为集成有剥模器的桥接光纤，在桥接光纤的一端制作包层光滤除器，其制作方法包括化学腐蚀，激光刻蚀，得到集成有剥模器的模场适配器。

在上述实施例的基础上，还包括：

S4，在集成有剥模器的桥接光纤切割端面，并熔接端帽。套入机械壳体与铠装保护管，完成双头激光传输光缆的输入端制作。

S5，对传能光纤另外一端剥除涂覆并熔接端帽，套入机械壳体与铠装保护管，完成双头激光传输光缆的输出端的制作。

将该双头激光传输光缆的输入端接入光耦合器，通过调节准直—耦合系统，从该激光传输光缆的输出端测试激光的最佳耦合效率，光斑形状，光束质量与光斑稳定度，并与标准双头激光传输光缆在光耦合器中的效果对比。

本发明实施例提供的一种双头激光传输光缆制作方法，通过在双头激光传输光缆的输入端引入桥接光纤和模场适配器，来改善光束质量和光斑形状，同时提高了光斑稳定性。由于桥接光纤数值孔径或纤芯直径均不能超过输入传能光纤和输出传能光纤，而模场适配器的作用是降低基模损耗，使得当激光通过桥接跳线进入输入传能光纤，尽可能提高基模被激发的占比，同时，进一步调高激发模式的稳定度。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种双头激光传输光缆，其特征在于，包括：双头光纤跳线、输入传能光纤、桥接光纤、模场适配器和输出传能光纤，其中：

所述桥接光纤的一端为双头激光传输光缆的输入端，所述桥接光纤的另一端与所述模场适配器的一端连接，所述模场适配器的另一端与所述输入传能光纤的一端连接，所述输入传能光纤的另一端通过所述双头光纤跳线与所述输出传能光纤连接，所述桥接光纤的数值孔径位于所述输入传能光纤和所述输出传能光纤之间，或，所述桥接光纤的纤芯直径位于所述输入传能光纤和所述输出传能光纤之间。

2.根据权利要求1所述双头激光传输光缆，其特征在于，所述模场适配器由所述桥接光纤与所述输出传能光纤制作而成，所述模场适配器集成有剥模器。

3.根据权利要求1所述双头激光传输光缆，其特征在于，所述双头激光传输光缆的输入端熔接端帽。

4.根据权利要求1所述双头激光传输光缆，其特征在于，所述双头激光传输光缆的输出端为所述输出传能光纤的另一端，所述输出传能光纤的另一端熔接端帽。

5.根据权利要求1所述双头激光传输光缆，其特征在于，所述双头激光传输光缆的输出端为所述输出传能光纤的另一端，所述输出传能光纤的另一端熔接无芯光纤。

6.根据权利要求1所述双头激光传输光缆，其特征在于，所述双头激光传输光缆的输入端集成一个包层光滤除器。

7.一种双头激光传输光缆的制作方法，其特征在于，包括：

在桥接光纤的一端制作剥模器；

将所述桥接光纤的另一端与模场适配器的一端连接；

在输出传能光纤的一端剥除涂覆，并熔接所述模场适配器的另一端，所述桥接光纤的数值孔径位于输入传能光纤和所述输出传能光纤之间，或，所述桥接光纤的纤芯直径位于所述输入传能光纤和所述输出传能光纤之间。

8.根据权利要求7所述方法，其特征在于，所述模场适配器由所述桥接光纤与所述输出传能光纤通过拉锥、腐蚀和熔接三种工艺制作而成。

9.根据权利要求7所述方法，其特征在于，还包括：

在所述桥接光纤的一端切割端面，并熔接端帽，套入机械壳体与铠装保护管。