CN110441856B - 一种保偏光纤泵浦合束器及其制作装置与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及纤维激光器领域，具体为一种保偏光纤泵浦合束器及其制作装置和方法，其包括了作为信号输入通道的保偏光纤1、泵浦光纤2，输出光纤，其特征在于：还包括保偏光纤转接纤4，保偏光纤转接纤4通过其模式匹配段3与作为信号输入通道的保偏光纤1进行模式匹配，模式匹配段3一端的纤芯直径与保偏光纤1的纤芯直径相同，数根泵浦光纤2在熔接后的保偏光纤1外部均匀布置。本发明可以解决现有泵浦合束器功率低、应力孔容易损坏，加工时污染环境的问题。

Description

一种保偏光纤泵浦合束器及其制作装置与方法
技术领域
本发明涉及纤维激光器领域，具体是一种保偏光纤泵浦合束器及其制作装置与方法。
背景技术
目前，由光纤器件、光纤、LD元件组成的全光纤激光器已经被广泛运用于各类激光加工、医疗等行业，用户对于大功率激光器的需求也与日俱增。通常而言，激光器的激光是由泵浦光转化而来的，如果泵浦通道过小，那就无法得到高功率激光，而单位面积的石英在传输激光的过程中，存在阈值，所以泵浦光纤及纤芯面积越大，所能传输的功率也就越高。
现有技术中，对于非保偏光纤作为纤芯的泵浦光纤合束器，制作成大功率的较为常见，而保偏光纤激光器由于其保偏特性，因而具有更好的应用价值，但由于其存在应力孔，故加工难度较大。通常的保偏光纤泵浦合束器的合束端，采用等径光纤的结构(即泵浦光纤直径与保偏光纤相同，或利用腐蚀方法使两者直径相同)，当保偏光纤直径超过泵浦光纤较多(例如保偏光纤直径大于两倍的泵浦光纤直径时)，加工中容易腐蚀过度造成应力孔损坏而导致其不再具有保偏特性。因此这种结构通常可以制作的保偏光纤直径不超过250μm，同时腐蚀加工的方法还需要利用真空抽气，将石英套管与光纤之间的空气排出，并使用氢氟酸腐蚀光纤，氢氟酸属于强腐蚀化学品，对人体有危害。因而需要寻找一种新型的大功率保偏光纤泵浦合束器的结构及其加工方法，使其便于加工，工艺更加的环保。
发明内容
本发明为解决现有技术中，应力孔容易损坏、加工时污染环境、功率存在瓶颈的问题，提出了一种新型的保偏泵浦合束器及其生产设备与制造方法。
一种保偏光纤泵浦合束器包括了作为信号输入通道的保偏光纤1、泵浦光纤2，输出光纤，其特征在于：还包括保偏光纤转接纤4，所述保偏光纤转接纤4设置在作为信号输入通道的保偏光纤1与输出光纤之间，保偏光纤转接纤4通过其模式匹配段3与作为信号输入通道的保偏光纤1进行模式匹配，所述模式匹配段3为保偏光纤转接纤4端部的锥形体，所述锥形体与信号输入通道的保偏光纤1的连接端的直径与作为信号输入通道的保偏光纤1纤芯的直径相同，多根的泵浦光纤2在模式匹配后的保偏光纤1、模式匹配段3及保偏光纤转接纤4外部均匀布置。
所述的保偏光纤泵浦合束器，其特征在于：所述泵浦光纤2的数量为六根。
一种用于生产所述保偏光纤泵浦合束器的装置，其特征在于：包括了二氧化碳光纤熔接设备、保偏光纤夹具5、光纤束夹具7、拉锥设备左侧夹具13、胶水固化系统8、加热源9、切割垫板10、拉锥设备右侧夹具11、端面观测系统12、切割刀14；二氧化碳光纤熔接设备用于加热拉伸保偏光纤转接纤4使其形成模式匹配段3并与作为信号输入通道的保偏光纤1进行模式匹配，保偏光纤夹具5夹持匹配后的保偏光纤1，光纤束夹具7夹持由保偏光纤1与泵浦光纤2组成的光纤束6一端，拉锥设备右侧夹具11夹持保偏光纤转接纤4与泵浦光纤2组成的光纤束6的另一端；光纤束夹具7固定于由高精度导轨与支架组成的拉锥设备左侧夹具13上，通过移动拉锥设备左侧夹具13将保偏光纤泵浦合束器拉紧，端面观测系统12用于观察光纤束端面情况，加热源9、切割垫板10、切割刀14放置于光纤合束器周边，用于加热和切割光纤合束器，胶水固化系统8用于注入和固化胶水。
所述生产保偏光纤泵浦合束器的装置，其特征在于：所述光纤束夹具7为薄壁金属管、陶瓷套管。
所述生产保偏光纤泵浦合束器的装置，其特征在于：所述加热源9为二氧化碳激光器、石墨丝。
所述生产保偏光纤泵浦合束器的装置，其特征在于：所述端面观测系统12的放大倍数为十倍以上。
所述生产保偏光纤泵浦合束器的装置，其特征在于：所述固化胶水为紫外固化胶水、低流动性热固化胶水。
一种制作所述保偏光纤泵浦合束器的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：保偏光纤转接及模式匹配；
在作为信号输入通道的保偏光纤1与输出光纤之间接续一段纤芯直径尺寸略大的保偏光纤转接纤4，采用纤芯加热扩散及辅助拉伸方法对保偏光纤转接纤4的一端拉伸，产生一个锥形部分作为模式匹配段3，并保证拉伸端的保偏光纤转接纤4的纤芯直径与作为信号输入通道的保偏光纤1的纤芯直径相同，随后将模式匹配段3与作为信号输入通道的保偏光纤1进行模式匹配；
步骤二：工装夹具对轴；
将数根泵浦光纤2围绕在匹配后的保偏光纤周围形成一个光纤束6，并利用胶水固定外圈的泵浦光纤2于光纤束夹具7上，使其夹持所形成光纤束6，完成后，位于外圈光纤中央的保偏光纤处于较为松动的状态，梳理光纤束6并使其端面排列整齐并对准一个端面观测系统12，利用马达驱动夹持作为信号输入通道的保偏光纤1的保偏光纤夹具5使其绕自身轴线缓慢旋转，调整中间的保偏光纤与周围的泵浦光纤的位置，达到预期的角度位置后，再利用针筒将高流动性的胶水注入保偏光纤与外圈光纤的缝隙中，进行固化，固化的同时，拉锥设备左侧夹具13保持光纤束的张力；
步骤三：微熔融加热；
将光纤束6的一端固定于拉锥设备右侧夹具11，另一端通过光纤束夹具7固定于拉锥设备左侧夹具13，利用加热源9对光纤束6进行加热，加热程度恰好使光纤束达到软化温度并相互粘连在一起，加热过程中控制加热温度不会过高而导致光纤过度软化下垂，并通过拉锥设备左侧夹具13对光纤施加轻微的张力，使其保持绷直状态；
步骤四：熔锥切割；
加热源9对已经粘连的光纤束6进行往复扫描加热，使各光纤之间深度熔融，加热的同时利用拉锥设备将光纤束加热的区域拉细呈锥形，切割刀14随后对含有保偏光纤的光纤束6进行切割，同时以光纤纤芯为圆心，在切割点对称位置放置一个切割垫板10作为支撑。
本发明的有益效果在于：
本发明相较于现有技术由于方法上采用了熔锥拉伸的方式，而不使用腐蚀的方法，可以有效的保护保偏光纤的应力孔不被破坏，并省去了石英管及抽真空系统便于加工，不需要使用氢氟酸等强腐蚀化学品，使得工艺更环保。产品的保偏光纤尺寸可以覆盖400μm及更粗的尺寸，使其可以承载更高的泵浦功率。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
图1.整体结构图；
图2.保偏光纤转接及模式匹配；
图3.工装夹具对轴；
图4.光纤束端面细节；
图5.微熔融加热；
图6.熔锥切割；
图中：1、保偏光纤，2、泵浦光纤；3、模式匹配段，4、保偏光纤转接纤，5、保偏光纤夹具，6、光纤束，7、光纤束夹具，8、胶水固化系统，9、加热源，10、切割垫板，11、拉锥设备右侧夹具，12、端面观测系统，13、拉锥设备左侧夹具，14、切割刀。
具体实施方式
本发明为解决现有技术无法实现大尺寸保偏光纤泵浦合束器，应力孔容易损坏，加工时污染环境的问题，提出了一种新型的保偏泵浦合束器及其生产设备与制造方法。
本发明所述的一种高功率保偏泵浦光纤合束器，其结构如图2所示，包括了作为信号输入通道的保偏光纤1、泵浦光纤2、模式匹配段3、保偏光纤转接纤4，所述保偏光纤转接纤4的纤芯直径略大于作为信号输入通道的保偏光纤1的纤芯直径，模式匹配段3为对保偏光纤转接纤4的一段纤芯加热扩散及辅助拉伸后产生的锥形部分，模式匹配段3与作为信号输入通道的保偏光纤1连接的部分的纤芯直径与作为信号输入通道的保偏光纤1的纤芯直径相同，模式匹配段3与作为信号输入通道的保偏光纤1模式匹配，数根泵浦光纤2在熔接后的保偏光纤外部均匀布置。泵浦光纤2的数量可以根据需要的功率及保偏光纤与泵浦光纤直径的不同，选择不同的数量，如三根、四根、六根、八根等。
为了制作上述保偏光纤泵浦合束器，本发明还提出了一套相应的设备，该设备总体结构如图1所示，包括了二氧化碳光纤熔接设备、保偏光纤夹具5、光纤束夹具7、拉锥设备左侧夹具13、胶水固化系统8、加热源9、切割垫板10、拉锥设备右侧夹具11、端面观测系统12、切割刀14组成。
二氧化碳光纤熔接设备放置于系统外部用于加热拉伸保偏光纤转接纤4形成模式匹配段3并与作为信号输入通道的保偏光纤1模式匹配。
保偏光纤夹具5夹持匹配后的作为信号输入通道的保偏光纤1，拉锥设备右侧夹具11夹持保偏光纤转接纤4与泵浦光纤2组成的光纤束6，光纤束夹具7夹持作为信号输入通道的保偏光纤1与泵浦光纤2组成的光纤束，并安装于由高精度导轨与支架组成的拉锥设备左侧夹具13上，通过拉锥设备左侧夹具13将光纤合束器拉紧。光纤束夹具7可使用例如薄壁金属套管、陶瓷套管等结构制作。
端面观测系统12放置于拉锥设备右侧夹具11端的外侧，用于观察光纤束6端面的情况，端面观测系统12的放大倍数应大于10倍。
二氧化碳激光器或石墨丝做成的加热源9、切割垫板10、切割刀14放置于光纤合束器周边，用于加热和切割光纤合束器，胶水固化系统8用于注入和固化胶水，固化胶水可为紫外固化胶水或流动性较低的热固化胶水。
为了制作上述新型的高功率保偏泵浦光纤合束器本发明还提供了一种基于上述生产装置的新型制作方法，其包括了保偏光纤转接及模式匹配、工装夹具对轴、微熔融加热、熔锥切割四个部骤组成。
步骤一：保偏光纤转接及模式匹配
在保偏光纤泵浦合束器的作为信号输入通道的保偏光纤1上接续一段纤芯尺寸大于作为信号输入通道的保偏光纤1的保偏光纤转接纤4，采用纤芯加热扩散及辅助拉伸方法对保偏光纤转接纤4的一端拉伸，产生一个锥形部分，并保证拉伸端的保偏光纤转接纤4的纤芯直径与作为信号输入通道的保偏光纤1的纤芯直径相同，随后将拉伸段与作为信号输入通道的保偏光纤1进行模式匹配。
步骤二：工装夹具对轴
将数根(可以为三根、四根、六根、八根等)泵浦光纤2围绕在作为信号输入通道的保偏光纤1周围形成一个光纤束6，并使用特殊的光纤束夹具7(例如但不限于薄壁金属套管、陶瓷套管等)夹持所形成光纤束6(通常光纤束的长度为50～150mm)，利用胶水固定外圈的数根泵浦光纤(通常为了便于操作，可以采用紫外固化胶水或流动性较低的热固化胶水)，完成后，位于外圈光纤中央的保偏光纤处于较为松动的状态，如图3所示。梳理光纤束6并使其端面排列整齐并对准一个端面观测系统12(端面放大倍数应大于10倍)，观察保偏光纤与泵浦光纤的位置，如图4所示，利用马达驱动夹持保偏光纤的夹具使其绕自身轴线缓慢旋转，调整保偏光纤与周围泵浦光纤的位置，达到预期的角度位置后，再利针筒将用高流动性的胶水，注入保偏光纤与外圈六根光纤的缝隙中，进行固化，固化的同时，需要采用特殊夹具保持光纤束的张力，以免光纤束在固化后有光纤交叉等情况。夹具可以采用低熔点金属或带有胶泥夹具，在不损伤光纤的情况下，对光纤进行固定。
步骤三：微熔融加热
将光纤束6的一端固定于拉锥设备右侧夹具11，另一端通过光纤束夹具7固定于拉锥设备左侧夹具13，拉锥设备左侧夹具13含有一个由步进电机驱动的高精度导轨，利用氢氧火焰(也可以采用二氧化碳激光器或石墨丝，作为热源)对光纤束6进行加热，加热程度恰好使光纤束达到软化温度并相互粘连在一起，为防止光纤在软化时，由于重力下垂，因此加热过程中严格控制加热温度，并对光纤施加轻微的张力，使其保持绷直状态，如图5所示。
步骤四：拉锥切割
如图6所示，加热源9对已经粘连的光纤束6进行往复扫描加热，使各光纤之间深度熔融，加热的同时利用拉锥设备将光纤束6加热的区域拉细呈锥形，切割装置(包括切割刀14与切割垫板10)随后对含有保偏光纤1的光纤束6进行切割，由于保偏光纤1其内部特有的应力体及周边石英材质都比较脆弱，故切割张力需要较切割同样尺寸的常规光纤降低15％～40％的张力，同时以光纤纤芯为圆心，在切割点对称位置放置一个切割垫板10，其作用为支撑光纤，防止被切割光纤过量变形，通常切割垫板10距离光纤束约50～200μm。
切割后从夹具上将光纤从夹具拿下，保偏光纤合束器制作完成。
下面通过具体实施例，进一步的说明本发明的内容：
本实施例中，使用Nufern公司的PLMA-GDF-20/400-M型光纤作为信号输入通道的保偏光纤1，MM-200/220-22A光纤作为泵浦光纤2，制作中，保偏光纤转接纤4采用PLMA-GDF-30/250(接续光纤长度为50～100mm)，采用二氧化碳光纤熔接设备，进行加热拉伸，在保偏光纤转接纤4的一端制作出长度为5-10mm的模式匹配段3，并与保偏光纤的作为信号输入通道的保偏光纤1相熔接；将经过接续的PLMA-GDF-30/250光纤，与六根泵浦光纤共同穿入内径为700μm的石英毛细管，利用放大倍数为20倍的端面观测系统12观察这七根光纤从石英毛细管穿出后(穿出毛细管的光纤约为40～90mm)的端面状态，调整并确保保偏光纤的作为信号输入通道的保偏光纤1位于六根泵浦光纤的几何中心；采用紫外固化胶水，先对光纤束外层的6根泵浦光纤进行固定，将保偏光纤的作为信号输入通道的保偏光纤1的一端固定在夹具上，由电机驱动其旋转，缓慢改变保偏光纤的作为信号输入通道的保偏光纤1在光纤束中的轴向角度，利用端面观测系统12确认应力孔位置与泵浦光纤间的切线位置对齐，如附图4中所示；(同理，在对泵浦耦合器有特殊需求时，也可以使用该方法将应力孔与泵浦光纤—保偏光纤光纤的连心线对齐)，随后使用低折射率的紫外光固化胶水，注入毛细管，待其充分填充保偏光纤与泵浦光纤的间隙后，进行固化；将完成该步骤的光纤束端面套入一个内径为700μm毛细管，并注入胶水固化，保持光纤束整体状态不发生扭曲，随后利用二氧化碳激光器对光纤束中，两个石英毛细管之间的光纤束进行微熔融加热，加热过程中确保光纤束具有一定的张力，光纤相互熔融但整体变形小于10μm(变形量可以通过侧面观察)，光纤相互熔融的长度约为3-8cm；随后采用氢氧火焰(氢气流量约为200～500ml/min，氧气流量为100～200ml/min)对光纤束进行深度熔融拉锥，拉伸长度约10-15mm，光纤束拉锥后最细部位的外接圆直径为300μm；采用光纤切割刀对光纤锥最细部位进行精确切割，切割时，保证被切割光纤有切割垫板保护，光纤锥由于切割刀的碰撞而产生的径向变形应小于200μm，完成切割后，利用线偏振1064nm光源，实测转接造成的光功率损耗小于4％；将切割端面与PLMA-GDF-20/400-M光纤进行熔接(该熔接步骤不涉及本专利保护范围，故不作说明)，完成高功率保偏光纤合束器的制作。
经过测试合束器的偏振消光比衰减为1.5-3dB，保偏泵浦合束器成品信号光损耗为7％，平均泵浦耦合效率≥97％。本发明由于方法上采用了熔锥拉伸的方式，而不使用腐蚀的方法，可以有效的保护保偏光纤的应力孔不被破坏。同时对信号光纤与泵浦光纤尺寸无特殊要求，适用范围更广，并省去了石英管及抽真空系统便于加工，不需要使用氢氟酸等强腐蚀化学品，使得制作工艺更环保。
本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其他多种具体实施方式实施本发明，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。

Claims (1)

1.一种制作保偏光纤泵浦合束器的方法，所述保偏光纤泵浦合束器包括了作为信号输入通道的保偏光纤(1)、泵浦光纤(2)、输出光纤，其特征在于：还包括保偏光纤转接纤(4)，所述保偏光纤转接纤(4)设置在作为信号输入通道的保偏光纤(1)与输出光纤之间，保偏光纤转接纤(4)通过其模式匹配段(3)与作为信号输入通道的保偏光纤(1)进行模式匹配，所述模式匹配段(3)为保偏光纤转接纤(4)端部的锥形体，所述锥形体与信号输入通道的保偏光纤(1)的连接端的直径与作为信号输入通道的保偏光纤(1)纤芯的直径相同，多根的泵浦光纤(2)在模式匹配后的保偏光纤(1)、模式匹配段(3)及保偏光纤转接纤(4)外部均匀布置；其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：保偏光纤转接及模式匹配；
在作为信号输入通道的保偏光纤(1)与输出光纤之间接续一段纤芯直径尺寸略大的保偏光纤转接纤(4)，采用纤芯加热扩散及辅助拉伸方法对保偏光纤转接纤(4)的一端拉伸，产生一个锥形部分作为模式匹配段(3)，并保证拉伸端的保偏光纤转接纤(4)的纤芯直径与作为信号输入通道的保偏光纤(1)的纤芯直径相同，随后将模式匹配段(3)与作为信号输入通道的保偏光纤(1)进行模式匹配；
步骤二：工装夹具对轴；
将数根泵浦光纤(2)围绕在匹配后的保偏光纤周围形成一个光纤束(6)，并利用胶水固定外圈的泵浦光纤(2)于光纤束夹具(7)上，使其夹持所形成光纤束(6)，完成后，位于外圈光纤中央的保偏光纤处于较为松动的状态，梳理光纤束(6)并使其端面排列整齐并对准一个端面观测系统(12)，利用马达驱动夹持作为信号输入通道的保偏光纤(1)的保偏光纤夹具(5)使其绕自身轴线缓慢旋转，调整中间的保偏光纤与周围的泵浦光纤的位置，达到预期的角度位置后，再利用针筒将高流动性的胶水注入保偏光纤与外圈光纤的缝隙中，进行固化，固化的同时，拉锥设备左侧夹具(13)保持光纤束的张力；
步骤三：微熔融加热；
将光纤束(6)的一端固定于拉锥设备右侧夹具(11)，另一端通过光纤束夹具(7)固定于拉锥设备左侧夹具(13)，利用加热源(9)对光纤束(6)进行加热，加热程度恰好使光纤束达到软化温度并相互粘连在一起，加热过程中控制加热温度不会过高而导致光纤过度软化下垂，并通过拉锥设备左侧夹具(13)对光纤施加轻微的张力，使其保持绷直状态；
步骤四：熔锥切割；
加热源(9)对已经粘连的光纤束(6)进行往复扫描加热，使各光纤之间深度熔融，加热的同时利用拉锥设备将光纤束加热的区域拉细呈锥形，切割刀(14)随后对含有保偏光纤的光纤束(6)进行切割，同时以光纤纤芯为圆心，在切割点对称位置放置一个切割垫板(10)作为支撑。
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