CN110989073B - 一种高能激光光纤束及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光纤技术领域，具体涉及一种高能激光光纤束及其制作方法，由光纤、封装结构、端面固定结构三部分组成，光纤由内到外由纤芯、包层和透明涂覆层三层结构紧密贴合构成；封装结构包括导热硅脂和光纤束保护层两部分，导热硅脂均匀填充在多束光纤的间隙中，光纤束保护层包裹在导热硅脂外部；端面固定结构包括光纤束输入端的紫外固化胶封装面和光纤束输出端的微孔玻璃板。本发明的光纤束内部填充的导热硅脂可以减少光纤受到的应力作用，减少光纤传输损耗。此外，导热硅脂和光纤束保护层作为导热结构进行光纤束散热。输出端的微孔玻璃板解决高温下紫外固化胶定位失效的问题，在高温下进行光纤定位。

Description

一种高能激光光纤束及其制作方法

技术领域

本发明属于光纤技术领域，具体涉及一种高能激光光纤束及其制作方法。

背景技术

光纤激光器是一种光束质量好、稳定性高，高效率的新型激光器，作为第三代激光技术的代表，已经广泛应用在工业、医疗、国防等领域。随着应用工艺的发展，对光纤激光器输出功率要求越来越高。光纤束是光纤激光器的重要组成部分，它的性能影响着光纤激光器的功率指标。目前现有的光纤束在散热以及端面防尘的性能上表现较差，导致了光纤束因为灰尘堆积以及光泄露等原因导致光纤束升温烧毁，这样一来为了传输器件的安全性能考虑，光纤束所能传输的激光功率受到了限制。

中国专利CN101546012A所述的光纤束在进行光纤定位的时候采取的方式是使用紫外固化胶填充光纤之间的空隙来达到精确定位。这种光纤束采用的紫外固化胶导热性能较差，激光在光纤传输过程中由于光的回传、泄露产生的热量无法传导出去，造成光纤束升温。紫外固化胶的耐热温度极限一般在150度左右，而通常来讲，几百毫瓦的光泄露就会导致光纤涂覆层近百度的升温，这种情况在光纤束两端进行光耦合的时候容易发生，在这种情况下紫外固化胶达到软化温度从而失去固定作用，光纤束中输出端的光纤位置发生变化，光纤会相互窜动而产生纤差、余长不稳定，导致激光传输情况发生变化，因此这种光纤束的结构限定了激光的传输功率。

发明内容

为了克服现有光纤束中的不足，本发明的目的在于提供一种高能激光光纤束，可以解决上述光纤束中存在的缺陷。在保证光纤的相对固定位置不发生变化的前提下，解决光纤束因为端面灰尘堆积产生的升温问题，以及光纤之间相互应力而产生的传输损耗问题，提高光纤束所传输的激光功率。

一种高能激光光纤束，由光纤2、封装结构、端面固定结构三部分组成，光纤2由内到外由纤芯21、包层22和透明涂覆层23三层结构紧密贴合构成；封装结构包括导热硅脂4和光纤束保护层3两部分，导热硅脂4均匀填充在多束光纤的间隙中，光纤束保护层3包裹在导热硅脂4外部；端面固定结构包括光纤束输入端的紫外固化胶封装面5和光纤束输出端的微孔玻璃板1。

所述光纤2靠近光纤束输出端一侧由纤芯21、包层22构成，该侧光纤插入微孔玻璃板1的微孔中，通过软化并进行气体加压使得微孔玻璃板1与光纤2粘合在一起。

所述导热硅脂4为膏状、较低的稠度、导热性能良好的导热硅脂。

所述光纤束保护层3的材质为散热性能良好的材料。

所述微孔玻璃板1的材质为含铅玻璃，且其硬度较小，软化温度为500度。

所述微孔玻璃板1与光纤2在粘合一起后均进行表面抛光处理。

一种高能激光光纤束的制作方法，包括以下步骤：

(1)根据玻璃板的需求配制材料进行熔制，并放在玻璃板圆形模具进行玻璃成型；

(2)利用激光对玻璃板按微孔玻璃板规格进行打孔操作；

(3)将光纤输出端插入微孔玻璃板中，放在加热炉里进行微孔玻璃板的软化，在微孔板熔融状态下通过惰性气体加压使得微孔玻璃板与光纤表面完全粘合，再降温冷却；

(4)在光纤之间填充导热硅脂，并用紫外固化胶作为光纤束保护层，在输入端利用紫外固化胶封装固定光纤的位置；

(5)对输出端的玻璃板和光纤表面进行抛光处理。

本发明的有益效果在于：

(1)光纤束内部填充的导热硅脂可以减少光纤受到的应力作用，减少光纤传输损耗。此外，导热硅脂和光纤束保护层作为导热结构进行光纤束散热。

(2)输出端的微孔玻璃板解决高温下紫外固化胶定位失效的问题，在高温下进行光纤定位。此外，光滑的玻璃板便于清理灰尘，解决了灰尘堆积导致散热效果不佳的问题。

(3)输出端抛光后的光纤端面平整，保证了光输出的方向一致性。

附图说明

图1为本发明实例提供的光纤束的整体结构示意图；

图2为光纤束剖面示意图；

图3为光纤束输出端微孔玻璃板面示意图；

图4为光纤结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

图中：1—微孔玻璃板；2—传输光纤，21-光纤纤芯，22-光纤包层，23-光纤涂覆层；3—光纤束保护层；4—导热硅脂；5-紫外固化胶封装面；6-激光器。

本发明涉及光纤激光器技术领域，提供了一种高能激光光纤束。该光纤束包含三部分：光纤、封装结构、端面固定结构。光纤包含纤芯、包层和透明涂覆层。封装结构包括填充在光纤束内部的非固化导热介质和光纤束保护层，其中导热介质具有减小光纤之间应力的作用，减少光纤的传输损耗。同时，导热介质还可以快速将传输过程中产生的热量快速散发出去。端面固定结构包括光纤束输入端的紫外固化胶封装端面和输出端含铅的微孔玻璃板，两者的共同作用是固定光纤，保证光纤之间的相对位置。此外，在需要进行激光输出的端面采用光滑的含铅玻璃板，其目的是便于清理灰尘，解决了传统的光纤束因为光纤之间空隙的灰尘而产生输出端散热效果变差的问题。此外，含铅玻璃板面软化温度较高，利用该玻璃板进行光纤固定，避免了传统的紫外固化胶固定方式因为固化胶达到软化温度而导致对光纤固定失效。这样保证了光纤之间的相对位置，避免成型后的光纤相互窜动而产生纤差、余长不稳定。采用该光纤束可以大幅度提高激光功率输出能力，提高散热能力，不会损伤光纤束，实现长时间稳定工作。

一种高能激光光纤束，包括传输光纤、封装结构和端面固定结构。其中：所述传输光纤分为两部分，第一部分包含纤芯、包层、涂覆层，第二部分仅包含纤芯和包层，光纤的第二部分作为输出端插入微孔玻璃板。所述的光纤束的封装结构，包括导热介质和光纤束保护层，非固体导热介质用来减少光纤之间的相互应力，减少光纤传输损耗，此外其另一作用为传输过程中产生的热量散发。光纤束保护层具有散热以及防止光纤受损伤的作用。所述端面固定结构，即输入端的紫外固化胶封装面与输出端的圆形微孔玻璃板，紫外固化胶封装面是固定光纤在输入端分布的相对位置，微孔玻璃板的作用是：(1)保证光纤束中的光纤输出端相对位置。(2)解决光纤束光纤之间的空隙灰尘堆积产生的局部温度过高的问题。

所述导热结构的导热介质为膏状、较低的稠度、导热性能良好的导热硅脂。

所述导热结构的光纤束保护层为散热性能良好的材料。

端面固定结构的方式如下：将光纤输出端(不包含涂覆层的部分)插入微孔玻璃板的微孔中，放在加热炉里进行玻璃板的软化并进行气体加压使得玻璃板与光纤粘合在一起，冷却后即可固定光纤。

所述端面固定结构的输出端采用玻璃板材质为含铅玻璃，其硬度较小，软化温度在500度左右。该玻璃板的软化过程中温度远小于光纤的软化温度，不会影响光纤的性能。

对输出端固定后的微孔玻璃板和光纤表面进行抛光处理，减少光纤传输损耗，保证光纤束多路输出的方向一致性，提高光纤输出端的输出效率。

所述玻璃材料配置过程中氧化铅的比例决定了玻璃板硬度、熔制温度和折射率等性能，可以根据需要进行微孔玻璃板的制作。

本发明提出一种高能激光光纤束，包括传输光纤、封装结构和端面固定结构三部分。其中：所述的传输光纤，在输出端微孔玻璃板的部分不包含涂覆层，与光纤束其余包含涂覆层的部分存在差异。在光纤端所述的封装结构，包括导热介质(膏状导热硅脂)和光纤束保护层，主要作用是减少应力，保护光纤以及导热。所述端面固定结构，即输出端圆形微孔玻璃板，光纤输出部分插入该玻璃板的微孔中，起到定位作用，保证光纤束中的光纤在输出端的相对位置。

进一步地，所述封装结构的导热介质为膏状、高导热、具有一定流动性的导热硅脂，保证了光纤束可以进行弯曲等操作，减少应力作用带来的影响，同时保证了光纤束的散热效果。

进一步地，所述封装结构的光纤束保护层以及输入端端面固定面均选用导热性良好的紫外固化胶，在保证光纤免受物理损伤的前提下可以进行光纤束内部热量的散发。

进一步地，所述端面固定结构的输出端玻璃板材质为含铅玻璃，可以根据光纤束所需要的传输功率，配制玻璃板原材料中氧化铅的比例来控制玻璃板的软化温度、硬度和折射率。制作过程中控制氧化铅的含量可以使得熔制温度相对较低，软化温度相对传统紫外固化胶提升了300度左右。玻璃板材质采用含铅玻璃代替石英玻璃，因为石英玻璃的材质和光纤主要材质相同，两者软化温度接近，软化石英玻璃板到熔融状态的情况下，光纤性能会遭到破坏。采用含铅玻璃可以使得微孔玻璃板软化与光纤粘合的过程中其温度不会损坏光纤，保证光纤优良的传输性能。同时含铅玻璃硬度较小，便于后续的研磨抛光。

进一步地，所述输出端的玻璃板为微型玻璃板，尺寸规格小，保证光纤束的尺寸保持在较小范围之内。

进一步地，本发明所述光纤束的一种制作方法包括以下步骤：

(1)玻璃板的熔制。根据玻璃板需求配制材料进行熔制，并放在玻璃板圆形模具进行玻璃成型。

(2)玻璃板的打孔。利用激光对玻璃板按微孔玻璃板规格进行打孔操作。

(3)输出端光纤的定位。将光纤输出端插入微孔玻璃板中，放在加热炉里进行微孔玻璃板的软化，在微孔板熔融状态下通过惰性气体加压使得微孔玻璃板与光纤表面完全粘合，降温冷却后即可起到固定光纤的作用。

(4)封装结构的制作。在光纤之间填充导热硅脂，并用紫外固化胶作为光纤束保护层，在输入端利用紫外固化胶封装固定光纤的位置。

(5)输出端端面的处理。位于输出端的玻璃板和光纤表面进行抛光处理。

本发明提供的高能激光光纤束，在光纤束的输入端采用了紫外固化胶进行封装，避免了输入端光纤位置发生窜动，以及防止导热介质溢出。光纤束内部填充的导热介质选用膏状的导热硅脂，由于该导热硅脂具有一定的流动性，减小了光纤之间由于挤压、缠绕而产生的的应力作用，光纤束的光纤传输损耗得到了极大地减小，提高了最终输出的激光能量。此外，激光在光纤的传输过程中，由于光的回传、泄露而产生的热量可以通过导热介质快速导出，并通过光纤束保护层发出去。传输过程中光纤束内部产生的热量较低，因此采用导热硅脂加导热性良好的紫外固化胶作为封装结构即可满足散热要求，还可以使得光纤束更加轻便，而且有较好的柔韧性。在光纤束输出端进行光传导，在光传导过程中因为损耗会产生热量传递给玻璃，但由于含铅微孔玻璃板的软化温度相对传统紫外固化胶提高了几百度，可以在更高的温度范围内保证光纤的位置不发生变化，可以保证更高功率的激光进行稳定传输。同时，插有光纤的微孔玻璃板经过抛光处理后光纤传输损耗减少，在输出端的光传导效率得到提高，平整的光纤输出端面保证了传输的光的角度方向一致性，保证了稳定的输出效果。因此，本发明提出的新型结构的光纤束在保证光纤位置、传输性能不发生变化的前提下，满足了激光传输过程中散热要求，避免了光纤束因为升温而被损坏，大幅度提高了所传输的激光功率上限。

参见图1和图2，本发明的高能激光光纤束，用于多路(不仅局限于图中光纤束七根光纤的传输)同时传输高功率激光，其包括微孔玻璃板1、多根传输光纤2、光纤束保护层3、导热硅脂4、紫外固化胶封装面5。参见图1在激光传输过程中，在光纤束的输入端激光器6发射的激光与光纤2进行耦合，激光开始在光纤束进行传输。光纤束内部的膏状导热硅脂4具有一定的流动性，填充在光纤束的空隙中，减少了光纤之间因为相互挤压、摩擦、缠绕而产生的应力作用，这样做的目的可以减少光纤传输过程中的能量损耗，减少了传输过程中产生的热量，提高传输的激光功率。此外，光纤束传输过程中产生的热量并不高，因此采用导热硅脂4作为导热介质、导热性良好紫外固化胶作为光纤束保护层3进行热量的传导，进行热量散失，并且以导热硅脂4和光纤束保护层3作为封装结构，可以使得光纤束更加轻便，而且有较好的柔韧性。

此外，参加图3，本发明提出的光纤束在其输出端的采用微孔玻璃板1进行光纤束的固定，微孔玻璃板1将光纤按照既定规格间距分开，此种排布方便各路的激光信号输出，防止产生光的串扰。微孔板的材质是含氧化铅玻璃，其软化温度阈值较高，吸收部分耦合过程中产生热量后依然可以保证光纤的固定，避免了输出端因耦合过程中温度升高导致光纤位置发生窜动而影响输出效果。此外微孔玻璃板和光纤经过抛光后，光滑的玻璃板面便于灰尘的清洁，避免了输出端面因为光纤之间灰尘堆积而导致散热效果变差，局部升温而损伤器件的问题。光纤端面的平整，可以使得多路激光输出的角度相同保证了光传输的方向性，此外光纤端面的平整性减少了光纤传输损耗，提高输出端光的耦合效率。通过上述光纤束结构中的不同部分的物理机制发挥作用，光纤束的传输功率就会得到大幅度提升。

进一步地，说明如上所述光纤束的制作方法。包括以下步骤：(1)玻璃板的熔制。首先根据玻璃板的折射率，硬度，软化温度要求控制氧化铅的比例来配制配合料，后续进行熔制(熔制过程中必须在氧化条件下进行，否则氧化铅易氧化成金属铅)，并放在模具进行成形。(2)微孔的制作。利用激光对输出端所需的微孔玻璃板按图3的玻璃板规格进行打孔操作。(3)输出端的光纤固定。将光纤2去除涂覆层的部分插入微孔玻璃板的微孔中，放在加热炉里进行玻璃板的软化，并后续进行气体加压。由于玻璃在微融状态下，会在液体表面液体张力的作用下发生塌陷，在这样一来将微孔玻璃板和光纤就黏合在一起，冷却后微孔玻璃板1就起到了对光纤的固定作用。(4)封装结构的制作。将光纤之间填充导热硅脂4，并采用紫外固化胶作为光纤束保护层3和输入端封装面5。(5)输出端的抛光处理。光纤束输入端的微孔玻璃板和光纤端面进行抛光处理。

此外，上述光纤束制作方法中的有关微孔玻璃板1的制作步骤(1)和(2)可以采用3D打印技术进行替代，经过检测非其定位精度常高。

以上所述仅为本发明的优选实施例，但是应该理解本发明并不局限于此。凡在本发明的原则内的任何修改，改进等，均应属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高能激光光纤束，由光纤(2)、封装结构、端面固定结构三部分组成，其特征在于：光纤(2)由内到外由纤芯(21)、包层(22)和透明涂覆层(23)三层结构紧密贴合构成；封装结构包括导热硅脂(4)和光纤束保护层(3)两部分，导热硅脂(4)均匀填充在多束光纤的间隙中，光纤束保护层(3)包裹在导热硅脂(4)外部；端面固定结构包括光纤束输入端的紫外固化胶封装面(5)和光纤束输出端的微孔玻璃板(1)；所述光纤(2)靠近光纤束输出端一侧由纤芯(21)、包层(22)构成，该侧光纤插入微孔玻璃板(1)的微孔中，通过软化并进行气体加压使得微孔玻璃板(1)与光纤(2)粘合在一起。

2.根据权利要求1所述的一种高能激光光纤束，其特征在于，所述导热硅脂(4)为膏状、较低的稠度、导热性能良好的导热硅脂。

3.根据权利要求1所述的一种高能激光光纤束，其特征在于，所述光纤束保护层(3)的材质为散热性能良好的材料。

4.根据权利要求1所述的一种高能激光光纤束，其特征在于，所述微孔玻璃板(1)的材质为含铅玻璃，且其硬度较小，软化温度为500度。

5.根据权利要求1所述的一种高能激光光纤束，其特征在于，所述微孔玻璃板(1)与光纤(2)在粘合一起后均进行表面抛光处理。

6.一种高能激光光纤束的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)根据玻璃板的需求配制材料进行熔制，并放在玻璃板圆形模具进行玻璃成型；

(2)利用激光对玻璃板按微孔玻璃板规格进行打孔操作；

(3)将光纤输出端插入微孔玻璃板中，放在加热炉里进行微孔玻璃板的软化，在微孔板熔融状态下通过惰性气体加压使得微孔玻璃板与光纤表面完全粘合，再降温冷却；

(4)在光纤之间填充导热硅脂，并用紫外固化胶作为光纤束保护层，在输入端利用紫外固化胶封装固定光纤的位置；

(5)对输出端的玻璃板和光纤表面进行抛光处理。

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