CN110596812B - 防止光纤焊点过热的结构及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种防止光纤焊点过热的结构及其制作方法，该防止光纤焊点过热的结构包括光纤焊点及其两侧或一侧剥除了涂覆层的裸纤，所述裸纤的包层具有至少一个分层，且各分层的表面具有毛化结构。本发明通过处理光纤焊点周围的包层结构使得包层杂散光泄露出光纤波导，有效减弱了因耦合损耗等因素引起的光纤发热，解决了焊点过热的问题。本发明具有结构简单，便于集成，可承受阈值功率高的特点。
Description
技术领域
本发明涉及光纤激光器或光纤放大器领域，具体指一种防止光纤焊点过热的结构及其制作方法。
背景技术
高功率激光器凭借其能量高、光束质量好、转换效率高、热效应低等特点，在激光加工、医疗保健、军事武器、精密测量等众多领域有广泛的应用。随着各应用领域的快速发展，同时对激光技术也提出了新的挑战。
在高功率光纤激光器迅速发展的过程中，单根光纤导光功率的提高对光纤之间的熔接工艺也提出了更高的要求。在熔接光纤的处理过程中，涂覆层切口处边界条件的变化导致光波泄漏在很小的区域，随着激光功率的不断提高，损耗引起的热效应也随之增加。这种损耗成为高功率光纤激光器焊点发热问题的一个因素。光纤涂覆层一般由丙烯酸酯或掺氟丙烯酸酯等有机聚合物组成，是整个光纤熔点最低部分。当涂覆层温度超过130℃就有可能烧毁。为了使光纤激光器长期稳定的工作，通常涂覆层温度小于80℃，尤其是焊点附近的涂覆层，由于波导结构突变使光波泄漏出包层，很容易造成局部高温而烧毁。光纤焊点普遍存在于光纤激光器及关键器件中，因此，防止焊点过热的工艺在高功率激光器领域有着重要的应用价值，是实现更高功率激光输出的制约因素之一。
常见的防止焊点过热的结构和方法有以下几种：
焊点涂覆加水冷：有源与无源光纤的焊点以及信号光在纤芯中传输的焊点均可采用此方法。
焊点悬空：泵浦光在包层传输时，光纤焊点不宜涂覆，涂覆后更易束缚包层的泵浦光，使得焊点更易发热，因此，将焊点清洁干净并悬空，能够有效降低焊点发热带来的热效应问题。
以上方法对环境洁净度要求高，适用于处理一些轻微发热的焊点。对于温度较高的焊点，上述方法处理效果并不理想。
CN106094111A公开了一种熔接光纤的处理方法，该方法包括：分别在第一原光纤段的表面和第二原光纤段的表面涂覆折射率大于第一光纤和第二光纤包层折射率的第一涂覆胶；在第一裸光纤段、熔接点及第二裸光纤段的表面涂覆折射率小于第一光纤和第二光纤包层折射率第二涂覆胶。该方法通过在光纤包层涂覆折射率胶，以此将熔接点处的包层光导出光纤波导，从而降低熔接点处的热沉积效应，提升熔接点的功率负载能力。但是，采用该方法处理的光纤熔接点，由于熔接点处包层光泄露到涂覆胶处，导致涂覆胶温度过高，而涂覆胶包裹在光纤上，因此，依然无法避免高功率下焊点过热的问题。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术的不足与缺陷，提供一种防止光纤焊点过热的结构及其制作方法，可以有效解决焊点过热的问题。
本发明提出的光纤焊点结构用来减弱由于波导结构突变导致模场不匹配引起损耗产生的热效应，防止焊点光纤过热。通过分层毛化处理光纤焊点两侧或一侧剥除了涂覆层的裸纤包层，使得包层杂散光泄露出光纤波导，减弱因耦合损耗等因素引起的光纤发热。光纤焊点两侧或一侧的裸纤的包层具有至少一个分层，且各分层的表面具有毛化结构。若裸纤的包层具有多个分层，则多个分层整体呈阶梯式分布。根据光纤焊点种类的不同，选择合适的分层深度与长度。当包层处理得当时，包层的杂散光全部漏出光纤波导，焊点发热的问题将大幅得到改善，从而促进更高功率激光器的诞生。
裸纤包层各分层深度与选用的处理方法和处理时间有关。根据焊点输入输出光纤种类的不同，可选用化学腐蚀、物理毛化等方法破坏裸纤包层，使包层光漏出光纤波导，从而减小因耦合损耗等因素引起的光纤发热问题。裸纤包层各分层的深度与长度，决定了焊点的通光性能与承受功率。若裸纤包层分层的深度太深，会把有效的传输光泄露出光纤，从而影响焊点的透过率，通光性能下降。若裸纤包层各分层的深度太浅，可能会导致无效光(因模场不匹配而耦合效率很低的传输光)泄露不出光纤，从而导致附近的涂覆层发热，随着功率升高，涂覆层越容易被烧坏，阻碍高功率激光器的发展。
另外，裸纤包层各分层的长度影响漏光的多少。当裸纤包层各分层的深度合适时，裸纤包层各分层的长度就决定了焊点的光学与机械性能。
裸纤包层各分层的光纤焊点出端温度Qout与滤出功率Pdump满足以下关系式：
Qout＝a/Pdump (1)
其中a表示滤出系数。
裸纤包层各分层的毛化长度L与滤出功率Pdump满足以下关系式：
Pdump＝Pc*e-aL (2)
其中Pc表示包层内传输的总功率，a表示滤出系数。
由(1)、(2)两式可以看出，一方面，裸纤包层各分层的长度越长，无效光泄露越多，焊点越不易发热从而可以承受更高功率的光传输。另一方面，裸纤包层各分层的长度过长，焊点易断，机械性能得不到有效保障。因此，针对不同的光纤焊点，应选择合适的分层的深度与长度。
结构设计方面，若在光纤焊点周围采用不分层的裸纤包层结构，为了泄露掉更多包层光，一般会将裸纤光纤包层的深度设计的很大，这就导致光纤极易折断，结构的可靠性会大大降低。本发明采用了分层的裸纤包层，使得包层无效光泄露出光纤波导而不影响有效光在波导内的传输。这种分层结构可以将包层光最大限度的滤除，同时可以保留光纤的韧性，从而保证结构的可靠性。本发明的结构和方法适用于所有波长的单包层和双包层光纤焊点。
本发明所述一种防止光纤焊点过热的结构包括：光纤焊点及其两侧或一侧剥除了涂覆层的裸纤，所述裸纤的包层具有至少一个分层，且各分层的表面具有毛化结构。
优选地，所述裸纤的包层具有多个分层，且所述多个分层整体呈阶梯式分布。
优选地，所述各个分层的深度占光纤最外层包层半径的5％-95％。
进一步地，所述各个分层的深度占光纤最外层包层半径的10％-80％。
进一步地，所述各个分层的深度占光纤最外层包层半径的10％-70％。
进一步地，所述各个分层的深度占光纤最外层包层半径的10％-35％。
优选地，所述光纤焊点任意一侧各分层的深度从焊点向远离焊点的方向依次减小。
优选地，所述光纤焊点两侧各分层同一对应层的深度占对应侧光纤最外层包层半径的百分比相等。
优选地，所述各个分层的长度L与滤出功率Pdump满足以下关系式：
Pdump＝Pc*e-aL
其中Pc表示包层内传输的总功率，a表示滤出系数。
优选地，所述光纤焊点两侧同一对应层的长度相等。
优选地，所述各分层表面的毛化结构的缺口形状为尖角、方形、或抛物线形中的任意一种或其任意组合。
优选地，所述防止光纤焊点过热的结构还包括用于封装的黑色盒子。
本发明所述一种防止光纤焊点过热的结构制作方法，包括以下步骤：
1)将焊点附近的光纤涂覆层剥除，将裸纤清洗干净；
2)对裸纤包层进行分层毛化处理；
3)将处理后的焊点及周围裸纤包层清洗干净。
优选地，所述分层毛化处理方式为多个分层毛化，且多个分层整体呈阶梯式分布。
优选地，所述分层毛化处理方式为单层毛化。
优选地，所述用于清洗的物质为酒精。
优选地，所述分层毛化处理方法为化学腐蚀、物理毛化、或激光刻蚀中的任意一种。
适用本发明结构和方法的焊点种类包括但不限于拉锥光纤焊点，异径熔接焊点，异芯径焊点(同径异NA焊点与此类焊点类似)等。
本发明结构的有益技术效果如下：
(1)结构简单，采用本发明结构后焊点发热明显下降，封装后对使用环境要求程度不高；
(2)便于集成于光纤激光器或激光放大器内部，体积小；
(3)具有低损耗，可承受阈值功率高的特点。
附图说明
图1为防止拉锥光纤焊点过热的结构示意图。
图中：1为两光纤焊点；21为焊点左侧光纤纤芯；22为焊点左侧光纤包层；23为焊点左侧光纤涂覆层；31为焊点右侧光纤纤芯；32为焊点右侧光纤包层；33为焊点右侧光纤涂覆层；411为焊点左侧裸纤包层的分层1，d1为其深度，L1为其长度；421为焊点右侧裸纤包层的分层1′，d′1为其深度，L′1为其长度；412为焊点左侧裸纤包层的分层2，d2为其深度，L2为其长度；422为焊点右侧裸纤包层的分层2′，d′2为其深度，L′2为其长度；413为焊点左侧裸纤包层的分层3，d3为其深度，L3为其长度；423为焊点右侧裸纤包层的分层3′，其中d′3为其深度，L′3为其长度；5为封装盒体。
图2为防止异径异NA熔接焊点过热的结构示意图。
图中：1为两光纤焊点；21为焊点左侧光纤纤芯；22为焊点左侧光纤包层；23为焊点左侧光纤涂覆层；31为焊点右侧光纤纤芯；32为焊点右侧光纤内包层；33为焊点右侧光纤外包层；34为焊点右侧光纤涂覆层；411为焊点左侧裸纤包层的分层1，d1为其深度，L1为其长度；421为焊点右侧裸纤包层的分层1′，d′1为其深度，L′1为其长度；412为焊点左侧裸纤包层的分层2，d2为其深度，L2为其长度；422为焊点右侧裸纤包层的分层2′，d′2为其深度，L′2为其长度；5为封装盒体。
图3为防止异芯径熔接焊点过热的结构示意图。
图中：1为两光纤焊点；21为焊点左侧光纤纤芯；22为焊点左侧光纤包层；23为焊点左侧光纤涂覆层；31为焊点右侧光纤纤芯；32为焊点右侧光纤包层；33为焊点右侧光纤涂覆层；4为焊点左侧裸纤包层的分层1，d1为其深度，L1为其长度；5为封装盒体。
图1-3均为本发明结构沿光纤中心轴线所在平面(即光纤子午面)剖开的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
本发明提供了一种防止光纤焊点过热的结构，具体包括光纤焊点及其两侧或一侧剥除了涂覆层的裸纤，所述裸纤的包层具有至少一个分层，且各分层的表面具有毛化结构。
本发明的裸纤的包层可以具有多个分层，各个分层因毛化处理去除的包层深度不同而呈阶梯式分布。以图1为例，411为焊点左侧裸纤包层的分层1，其因毛化处理去除的包层深度为d1，即411所在面距离未处理包层表面的深度，也是分层1的深度。421为焊点右侧裸纤包层的分层1′，其与焊点左侧裸纤包层的分层1均为对应侧距离焊点最近的第一段分层，二者为同一对应层。421因毛化处理去除的包层深度为d′1，即421所在面距离未处理包层表面的深度，也是分层1′的深度。412为焊点左侧裸纤包层的分层2，其因毛化处理去除的包层深度为d2，即412所在面距离未处理包层表面的深度，也是分层2的深度。422为焊点右侧裸纤包层的分层2′，其与焊点左侧裸纤包层的分层2均为对应侧距离焊点较近的第二段分层，二者为同一对应层。422因毛化处理去除的包层深度为d′2，即422所在面距离未处理包层表面的深度，也是分层2′的深度。413为焊点左侧裸纤包层的分层3，其因毛化处理去除的包层深度为d3，即413所在面距离未处理包层表面的深度，也是分层3的深度。423为焊点右侧裸纤包层的分层3′，其与焊点左侧裸纤包层的分层3均为对应侧距离焊点最远的第三段分层，二者为同一对应层。423因毛化处理去除的包层深度为d′3，即423所在面距离未处理包层表面的深度，也是分层2′的深度。以上描述中，d1>d2>d3，d′1>d′2>d′3，即多个分层整体呈阶梯式分布，各分层的深度从焊点向远离焊点的方向依次减小。
本发明裸纤包层的各个分层的深度占光纤最外层包层半径的5％-95％。光纤焊点两侧各分层同一对应层的深度占对应侧光纤最外层包层半径的百分比可以是相等的。以图1为例，d1占左侧光纤最外层包层半径的百分比与d′1占右侧光纤最外层包层半径的百分比是相等的；d2占左侧光纤最外层包层半径的百分比与d′2占右侧光纤最外层包层半径的百分比是相等的；d3占左侧光纤最外层包层半径的百分比与d′3占右侧光纤最外层包层半径的百分比是相等的。
本发明结构的光纤焊点两侧同一对应层的长度可以是相等的。各个分层的长度L与滤出功率Pdump满足以下关系式：
Pdump＝Pc*e-aL
其中Pc表示包层内传输的总功率，a表示滤出系数。
以图1为例，焊点左侧裸纤包层的分层1的长度为L1，焊点右侧裸纤包层的分层1′的长度为L′1。焊点左侧裸纤包层的分层2的长度为L2，焊点右侧裸纤包层的分层2′的长度为L′2。焊点左侧裸纤包层的分层3的长度为L3，焊点右侧裸纤包层的分层3′的长度为L′3。其中L1＝L′1，L2＝L′2，L3＝L′3。
本发明的裸纤的包层也可以具有一个分层。以图3为例，4为焊点左侧裸纤包层的分层1，其因毛化处理去除的包层深度为d1，该结构仅有一层毛化结构。
本发明各分层表面的毛化结构的缺口形状可为尖角、方形、或抛物线形中的任意一种或其任意组合，也可为其他不规则形状。
本发明的结构制作方法包括以下步骤：
1)将焊点附近的光纤涂覆层剥除，将裸纤清洗干净；
2)对裸纤包层进行分层毛化处理；
3)将处理后的焊点及周围裸纤包层清洗干净。
步骤1)中，本发明剥除涂覆层的方式为沿着光纤柱状表面整圈剥除。
步骤2)中，对裸纤分层毛化处理方式可以为多个分层毛化或单层毛化。若为多个分层毛化，则多个分层整体呈阶梯式分布。各个分层的毛化处理操作是沿着裸纤包层柱状表面整圈进行的。裸纤包层阶梯式分层及毛化处理方法包括但不限于化学腐蚀，物理毛化，激光刻蚀等。
适用本发明结构和方法的焊点种类包括但不限于拉锥光纤焊点，异径熔接焊点，异芯径焊点(同径异NA焊点与此类焊点类似)等。
实施例1：拉锥光纤焊点
如图1所示：
焊点左侧光纤纤芯/包层直径：30/250μm，NA：0.06/0.46。
焊点右侧光纤纤芯/包层直径：拉锥前50/400μm，NA：0.12/0.46；拉锥后包层约300μm。
将光纤焊点1超声清洗干净，通200W脉冲激光，测试焊点出端温度为68.7℃。将焊点1左右各5cm长的一圈光纤涂覆层23和33剥除，用酒精擦拭干净左侧裸纤包层22和右侧裸纤包层32，置于腐蚀条内。在焊点左侧裸纤包层的分层1(411)对应的包层位置处整圈均匀涂上腐蚀膏/液进行毛化处理；同样地，在焊点右侧裸纤包层的分层1′(421)对应的包层位置处整圈均匀涂上腐蚀膏/液进行毛化处理；静置60分钟后用清水冲掉腐蚀膏/液。在焊点左侧裸纤包层的分层2(412)对应的包层位置处整圈均匀涂上腐蚀膏/液进行毛化处理；同样地，在焊点右侧裸纤包层的分层2′(422)对应的包层位置处整圈均匀涂上腐蚀膏/液进行毛化处理；静置30分钟后用清水冲掉腐蚀膏/液。在焊点左侧裸纤包层的分层3(413)对应的包层位置处整圈均匀涂上腐蚀膏/液进行毛化处理；同样地，在焊点右侧裸纤包层的分层3′(423)对应的包层位置处整圈均匀涂上腐蚀膏/液进行毛化处理；静置10分钟后用清水冲掉腐蚀膏/液。最后将焊点及其两侧裸纤包层用酒精清洗干净。这3组毛化后的分层整体呈阶梯式分布。焊点左侧裸纤包层的分层1的深度d1占左侧裸纤包层半径(125μm)的30％；同样地，焊点右侧裸纤包层的分层1′的深度d′1占右侧拉锥前裸纤包层半径(200μm)的30％。焊点左侧裸纤包层的分层2的深度d2占左侧裸纤包层半径(125μm)的20％；同样地，焊点右侧裸纤包层的分层2′的深度d′2占右侧拉锥前裸纤包层半径(200μm)的20％。焊点左侧裸纤包层的分层3的深度d3占左侧裸纤包层半径(125μm)的10％；同样地，焊点右侧裸纤包层的分层3′的深度d′3占右侧拉锥前裸纤包层半径(200μm)的10％。焊点左侧裸纤包层的分层1的长度L1为5mm；同样地，焊点右侧裸纤包层的分层1′的长度L′1为5mm。焊点左侧裸纤包层的分层2的长度L2为10mm；同样地，焊点右侧裸纤包层的分层2′的长度L′2为10mm。焊点左侧裸纤包层的分层3的长度L3为25mm；同样地，焊点右侧裸纤包层的分层3′的长度L′3为25mm。裸纤包层各分层表面的毛化结构缺口形状为尖角形的不规则结构。图中21为焊点左侧光纤纤芯，31为焊点右侧光纤纤芯。对经过包层处理后的焊点进行温度测试，同样通200W脉冲激光，测得焊点出端温度为34℃。可见，该结构能够显著改善焊点发热问题。处理后的焊点用黑色盒体5封装，避免泄露光对周围环境造成影响。
实施例2：异径异NA熔接焊点
如图2所示：
焊点左侧光纤纤芯/包层直径：50/400μm，NA：0.12/0.46。
焊点右侧光纤纤芯/内包层/外包层直径：100/120/360μm，NA：0.22。
给焊点通150W脉冲激光，测试焊点出端温度为61℃。将焊点1左右各4cm长的一圈光纤涂覆层23和34剥除，用酒精擦拭干净左侧裸纤包层22和右侧裸纤外包层33。使用切割刀对焊点左侧裸纤包层22的分层1(411)对应的一圈包层进行物理毛化处理；同样地，使用切割刀对焊点右侧裸纤外包层33的分层1′(421)对应的一圈外包层进行物理毛化处理。焊点左侧裸纤包层的分层1的深度d1占左侧裸纤包层半径(200μm)的25％；同样地，焊点右侧裸纤外包层的分层1′的深度d′1占右侧裸纤外包层半径(180μm)的25％。使用切割刀对焊点左侧的对裸纤包层的分层2(412)的一圈包层22进行表面粗糙化处理；同样地，使用切割刀对焊点左侧的对裸纤包层的分层2′(422)的一圈外包层33进行表面粗糙化处理。焊点左侧裸纤包层的分层2的深度d2占左侧裸纤包层半径(200μm)的15％；同样地，焊点右侧裸纤外包层的分层2′的深度d′2占右侧裸纤外包层半径(180μm)的15％。焊点左侧裸纤包层的分层1的长度L1为10mm；同样地，焊点右侧裸纤外包层的分层1′的长度L′1为10mm。焊点左侧裸纤包层的分层2的长度L2为20mm；同样地，焊点右侧裸纤外包层的分层2′的长度L′2为20mm。最后将焊点及两侧包层用酒精清洗干净。这两组毛化后的分层整体呈阶梯式分布。裸纤包层各分层表面的毛化结构缺口形状为方形结构。图中21为焊点左侧光纤纤芯，31为焊点右侧光纤纤芯，32为焊点右侧光纤内包层。对经过包层处理后的焊点进行温度测试，同样通150W脉冲激光，测得焊点出端温度为32℃。可见，该结构能够显著改善焊点发热问题。处理后的焊点用黑色盒体5封装，避免泄露光对周围环境造成影响。
实施例3：异芯径熔接焊点
如图3所示：
焊点左侧光纤纤芯/包层直径：25/250μm，NA：0.46。
焊点右侧光纤纤芯/包层直径：30/250μm，NA：0.46。
给焊点通500W脉冲激光，测试焊点出端温度为55℃。将焊点1左端1cm长的一圈光纤涂覆层23剥除，用酒精擦拭干净左侧裸纤包层22，使用激光对焊点左侧裸纤包层的分层1(4)对应的一圈包层22进行进行刻蚀处理，处理的焊点左侧裸纤包层的分层1的深度d1占左侧光纤包层半径(125μm)的60％。此实施例对焊点右侧光纤没有进行任何毛化处理。这里，焊点左侧裸纤包层的分层1的长度L1为8mm。焊点左侧裸纤包层的分层表面的毛化结构缺口形状为抛物线形规则结构。最后将焊点及两侧包层光纤用酒精清洗干净。图中21为焊点左侧光纤纤芯，31为焊点右侧光纤纤芯，32为焊点右侧光纤包层，33为焊点右侧光纤涂覆层。对经过包层处理后的焊点进行温度测试，同样通500W脉冲激光，测得焊点出端温度为27℃。可见，该结构能够显著改善焊点发热问题。处理后的焊点用黑色盒体5封装，避免泄露光对周围环境造成影响。同径异NA焊点过热的结构与图3结构类似，均为非对称地处理小芯径(小NA)一端的光纤包层，使得从大芯径(大NA)一端传输过来的光从小芯径(小NA)的裸纤包层漏出去，以此避免光纤发热。这里注意到，对发热不明显的焊点，裸纤包层分层数为1亦可解决焊点过热问题。
值得一提的是，这里的“左”、“右”只代表方向，并且只作为举例而并不限制本发明。裸纤包层分层处理的长度、时间、深度不受上述条件所限。
Claims (5)
1.一种防止光纤焊点过热的结构，包括：光纤焊点及其两侧或一侧剥除了涂覆层的裸纤，其特征在于，所述裸纤的包层具有多个分层，各分层的表面具有毛化结构，
且所述多个分层整体呈阶梯式分布，所述光纤焊点任意一侧各分层的深度从焊点向远离焊点的方向依次减小；
各个分层的深度占光纤最外层包层半径的5％-95％，且所述光纤焊点两侧各分层同一对应层的深度占对应侧光纤最外层包层半径的百分比相等；
所述各个分层的长度L与滤出功率Pdump满足以下关系式：
Pdump＝Pc*e-aL
其中Pc表示包层内传输的总功率，a表示滤出系数。
2.根据权利要求1所述的防止光纤焊点过热的结构，其特征在于，所述光纤焊点两侧同一对应层的长度相等。
3.根据权利要求1所述的防止光纤焊点过热的结构，其特征在于，所述各分层表面的毛化结构的缺口形状为尖角、方形、或抛物线形中的任意一种或其任意组合。
4.一种防止光纤焊点过热的结构制作方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)将焊点附近的光纤涂覆层剥除，将裸纤清洗干净；
2)对裸纤包层进行分层毛化处理，其中所述裸纤的包层具有多个分层，各分层的表面具有毛化结构，且所述多个分层整体呈阶梯式分布，所述光纤焊点任意一侧各分层的深度从焊点向远离焊点的方向依次减小；
各个分层的深度占光纤最外层包层半径的5％-95％，且所述光纤焊点两侧各分层同一对应层的深度占对应侧光纤最外层包层半径的百分比相等；
所述各个分层的长度L与滤出功率Pdump满足以下关系式：
Pdump＝Pc*e-aL
其中Pc表示包层内传输的总功率，a表示滤出系数；
3)将处理后的焊点及周围裸纤包层清洗干净。
5.根据权利要求4所述的防止光纤焊点过热的结构制作方法，其特征在于，所述分层毛化处理方法为化学腐蚀、物理毛化、或激光刻蚀中的任意一种。
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