CN111633326B

CN111633326B - 一种用于双包层光纤与石英波导耦合器的熔接装置

Info

Publication number: CN111633326B
Application number: CN202010515675.5A
Authority: CN
Inventors: 李佳峻; 李伟; 李琼
Original assignee: Phase Optics Beijing Technology Co ltd
Current assignee: Phase Optics Beijing Technology Co ltd
Priority date: 2020-06-09
Filing date: 2020-06-09
Publication date: 2021-11-09
Anticipated expiration: 2040-06-09
Also published as: CN111633326A

Abstract

涉及大功率光纤激光器技术领域，提供了一种用于双包层光纤与石英波导耦合器的熔接装置。主旨在于解决双包层光纤各部分折射率不一致，其吸收光产生热膨胀就会不一致，熔接会产生应力的技术问题。其主要方案为使双包层光纤和石英波导的距离为1um；通过反射镜使激光以较角度10⁰照射进入W反射镜，形成“点状‑一环‑二环”光斑，并射入反射聚焦镜；通过调节反射聚焦镜与W反射镜之间的距离和角度使得中心亮度最高的点状光斑覆盖纤芯中心的高亮区域；一环光斑覆盖低亮区域；二环光斑覆盖双包层光纤的内包层，实现激光光斑照射双包层光纤和石英波导呈熔融状态，使光纤向石英波导推进1um，熔接完成。

Description

一种用于双包层光纤与石英波导耦合器的熔接装置

技术领域

本专利涉及一种用于双包层光纤与石英波导耦合器的熔接装置，具体说是一种石英波导耦合器与双包层光纤进行高精度激光对芯熔接装置，保证种子激光与泵浦光高效地耦合进入纤芯和包层。涉及大功率光纤激光器技术领域。

背景技术

随着大功率固体激光器，尤其是光纤激光器的发展，依赖进口的光纤耦合器受限于国外产品的耐受功率，为进一步提高光纤激光器的功率，降低成本，采用石英波导耦合器替代光纤耦合器可使光纤激光器结构更简单，功率提升更有潜力，因此实现石英波导耦合器与双包层光纤的精准对芯熔接意义重大。另外，激光在光纤输入、输出端与空气交接的界面处由于功率密度过大很容易造成光纤的损毁，而采用口径较大的石英波导与双包层光纤端面进行熔接，使其界面处的功率密度大为降低，从而极大增加光纤所承载的功率，提高光纤激光器大功率运转的稳定性和可靠性。同时，区别于传统的光纤端帽与一般传能光纤熔接不同的是，石英波导耦合器要求其轴线要与双包层光纤纤芯的轴线对齐，以保证泵浦光进入包层，而种子激光高效精准的进入纤芯，因此采用了与双包层光纤结构和折射率特性相匹配的W形光斑，可以实现无应力、低损耗、模式匹配的熔接效果。也为进一步研制更大功率的光纤激光器提供支撑。

现在常用的光纤和石英波导的熔接方式采用氢氧焰（火焰）、电极放电以及灯丝等，这些方法是以热辐射和传导方式对光纤和石英波导进行加热进行熔接，仅适合于小口径石英波导或通信类光纤间的熔接。采用CO2激光器，由于石英波导和光纤对于10.06um波长激光具有强吸收，因此可看作体加热的方式进行石英波导和光纤的熔接，具有较好的熔接效果，如型号为藤仓FSM-100系列最大能够熔接直径为500-1000um的光纤，而目前商业化的二氧化碳熔接机暂时只有型号为藤仓一的熔接机，该熔接机的加热方式是采用CO2激光器进行辐照加热，最大能够处理的光纤或端帽直径也只有2mm。而且采用的是高斯聚焦光斑，在光纤与石英波导熔接部位产生的热梯度和应力较大。

现有技术中因为双包层光纤的纤芯掺杂，使得纤芯中心处因为掺杂导致纤芯中心位置光纤强度较大，且因为双包层光纤内包层强度与纤芯强度有较大差异在通过激光照射时，由于光纤各部分折射率不一致，其吸收光产生热膨胀就会不一致，从而产生应力。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提供的一种结构紧凑、熔接效率高、熔接效果好，可实现大口径石英波导耦合器与双包层光纤对芯熔接的高精度激光熔接。

本发明为解决上述技术问题，采用以下技术方案：

本发明提供了一种W反射镜，包括圆形镜体，在圆形镜体圆心位置设置有内锥体，内锥体的侧面为内锥反射面，内锥体的顶点处设置有V形锥镜，V形锥镜包括反射面，内锥体底面周向上设置有环形平面，所述沿环形平面周向设置有与内锥反射面成a夹角的外锥反射面。

上述技术方案中，将纤芯划分为中心半径R的高硬区域，和除中心半径R外的低硬区域，所述V形锥镜的圆锥角β根据纤芯中心半径R确定，使得内锥反射面反射的光斑完全覆盖纤芯中心半径R的区域内。V形结构可以使中心光斑处亮度更高。

上述技术方案中，将纤芯划分为中心半径R的高硬区域，和除中心半径R外的低硬区域，所述内锥反射面产生的光环覆盖低硬区域。

上述技术方案中，所述外锥反射面反射的光斑完全覆盖双包层光纤的内包层。

上述技术方案中，所述外锥反射面为椭球面弧度结构，弧度范围为（30⁰-70⁰），采用椭球面弧度是为了让反射光向椭球面的另外一焦点会聚，既形成光强形如“W”形光斑，同时又起到会聚作用。

本发明在上述一种W反射镜的技术上，进一步的提供了双包层光纤与石英波导的熔接方法，其特征在于包括：

将纤芯划分为中心半径R的高亮度区域，和除中心半径R外的低亮度区域；

使双包层光纤和石英波导的距离为0.5-2um；

通过反射镜使激光以较角度5⁰-15⁰照射进入W反射镜，形成“点状-一环-二环”光斑，并射入反射聚焦镜；

通过调节反射聚焦镜与W反射镜之间的距离和角度使得中心亮度最高的点状光斑覆盖纤芯最中心的高亮度区域；一环光斑覆盖低亮度区域；二环光斑覆盖双包层光纤的内包层，实现激光光斑照射双包层光纤和石英波导呈熔融状态，使光纤向石英波导推进0.5-2um，熔接完成。

本发明还提供了一种采用W反射镜的双包层光纤与石英波导的熔接装置，其特征在于：沿CO2激光器出射的激光方向依次布置有两个反射镜、W形反射镜、反射聚焦镜，被熔接的石英波导固定于五维调节架上，被熔接的光纤通过V型光纤固定块固定在五维调节架上，通过垂直放置的两个CCD可以在计算机上监测光纤与石英波导的对芯熔接过程，CO2激光器发出的激光通过W形反射镜后成为形成“点状-一环-二环”光斑，“点状-一环-二环”光斑经反射聚焦镜聚焦在双包层光纤与石英波导处进行熔接。

上述技术方案中，所述的反射聚焦镜用于调节光斑大小和聚焦点位置。

值得注意的是光纤的规格型号都有严格的行业标准，常见的双包层光纤包括格的，其虽然尺寸规格虽有不同，但其光纤的纤芯与包层的尺寸比例是一致的，因此可以通过等比例调节“点状-一环-二环”光斑大小即可，通过改变反射聚焦镜聚与W形反射镜距离则可实现光斑大小调节。

因为本发明采用上述技术方案，因此具备以下有益效果：

（1）CO2激光作为加热光源保障了熔接处的清洁，而且聚焦光斑可进行大小和功率密度的调节，因此熔接光纤和石英波导的口径范围更大。

（2）W形光斑更具有加热的均匀性和更好的消除应力效果，熔接损耗更小，熔接质量更高。

（3）计算机控制和工艺优化训练，以及可视化界面，石英波导高精度熔接装置熔接效率高，智能化水平高。

（4）本发明熔接效率高、损耗低、应力小、对芯熔接误差小，可实现大模场双包层光纤与大口径石英波导的高精度熔接，应用于大功率光纤激光器的研发和生产。

（5）本发明采用可调的光斑对熔接部位进行较均匀加热，不仅可以熔接更大口径的石英波导和光纤，并且熔接过程中加热的均匀性和应力消除较好，可得到熔接损耗0.03dB以下的熔接效果。熔接石英波导与光纤口径可大幅度提高，如：石英波导口径30mm与光纤1mm之间的熔接，甚至可以更大口径间的熔接均有较好效果。

（6）通过激光照射，由于光纤各部分折射率不一致，其吸收光产生热膨胀就会不一致，从而产生应力，所以针对每个区域及折射率分布情况采用不同强度的激光进行照射，并控制照射时间和强度，即可实现熔接区域的低应力或无应力。从而保证熔接点的强度和低损耗。

附图说明

图1为折射率分布曲线，其中，n（r）为代表折射率的轴，r为代表半径的轴，I（r）为代表光强；

图2、3为W形反射镜侧视图；

图4、5、6为W形反射镜各个方向示意图。

图7为熔接装置示意图。

附图标记说明

A1-C02激光器，A2-第一反射镜，A3-第二反射镜，A4-W形反射镜，A5-反射聚焦镜，A6-CDDX（X轴向方向），A7-CCDY（Y轴方向），A8-石英波导，A9-石英波导固定块，A10-V型光纤固定，A11-五维调节架（三维电动），A12-五维调节架（一维电动），A13-计算机，A14-双包层光纤，A 8’-石英波导的成像,A14’-双包层光纤的成像;

1-V形锥镜，1-1-V形锥镜的反射面，2-内锥体，2-1-内锥反射面，3-

环形平面，4-外锥反射面，5-点状-一环-二环光斑，5-1-点状斑，5-2-一环光斑，5-3-外环光斑，其中5-1-点状斑，5-2-一环光斑对应双包层光纤的纤芯，5-3-外环光斑对应双包层光纤的内包层。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

参见图1，沿CO2激光器A1出射的激光方向依次布置有第一反射镜A2、第二反射镜A3、锥形反射镜A4和反射聚焦镜A5，石英波导（也可称为端帽）A8固定于石英波导固定块A9，石英波导固定块固定于五维调节架（一维电动）A12上，光纤通过V型光纤固定块A10固定在五维调节架（三维电动）A11上，通过垂直放置的X轴方向CCD X6和Y轴方向CCDY7，可以在计算机A13上监测光纤与石英波导的对芯熔接过程。其中，通过锥形反射镜4后成为环形光斑，再通过五维调节架A11和A12可以使环形光斑聚焦在光纤与石英波导的中心处，光斑大小和激光功率可调。通过X方向、Y 方向CCD监测，计算机控制调节光纤和石英波导的相对位置，达到双包层光纤芯中心轴与石英波导中心轴重合，启动CO2激光器，调节反射聚焦镜，使环形光斑聚焦到光纤与波导的结合处，并按照设置好的程序进行熔接，熔接过程中参数和图像保存于计算机中。

值得注意的是五维调节架是非常成熟的技术，其主要是实现位置调节作用，其不作为本发明创新点，因此不再赘述。

本发明提供了一种W反射镜，包括圆形镜体，在圆形镜体圆心位置设置有内锥体，内锥体的侧面为内锥反射面，内锥体的顶点处设置有V形锥镜，V形锥镜包括反射面，内锥体底面周向上设置有环形平面，所述沿环形平面周向设置有与内锥反射面成夹角a的外锥反射面,对于外锥反射面可采用平面结构，通过改变夹角a的角度大小，可以实现光斑辐照到包层的光斑口径调节。

上述技术方案中，将纤芯划分为中心半径R的高硬区域，和除中心半径R外的低硬区域，所述V形锥镜的圆锥角β根据纤芯中心半径R确定，使得内锥反射面反射的光斑完全覆盖纤芯中心半径R的区域内。本领域技术人员应当得知，同理可以通过调节圆锥角β来实现对不同纤芯中心半径R的覆盖。

上述技术方案中，所述外锥反射面为椭球面弧度结构，弧度范围为30度-70度，采用椭球面弧度是为了让反射光向椭球面的另外一焦点会聚，既形成如图1中所示光强形如“W”形光斑，同时又起到会聚作用。

使双包层光纤和石英波导的距离为0.5-2um；

通过调节反射聚焦镜与W反射镜之间的距离和角度使得中心亮度最高的点状光斑覆盖纤芯最中心的高硬区域（高亮区域）；一环光斑覆盖低硬区域（低亮区域）；二环光斑覆盖双包层光纤的内包层，实现激光光斑照射双包层光纤和石英波导呈熔融状态，使光纤向石英波导推进0.5-2um，熔接完成。

本发明还提供了一种W反射镜的双包层光纤与石英波导的熔接装置，其特征在于：沿CO2激光器出射的激光方向依次布置有两个反射镜、W形反射镜、反射聚焦镜，被熔接的石英波导固定于五维调节架上，被熔接的光纤通过V型光纤固定块固定在五维调节架上，通过垂直放置的两个CCD可以在计算机上监测光纤与石英波导的对芯熔接过程，CO2激光器发出的激光通过W形反射镜后成为形成“点状-一环-二环”光斑，“点状-一环-二环”光斑经反射聚焦镜聚焦在双包层光纤与石英波导处进行熔接。

值得注意的是光纤的规格型号都有严格的行业标准，常见的双包层光纤包括20/400um和30/600um规格的，其虽然尺寸规格虽有不同，但其光纤的纤芯与包层的尺寸比例是一致的，因此可以通过等比例调节“点状-一环-二环”光斑大小即可，通过改变反射聚焦镜聚与W形反射镜距离则可实现光斑大小调节。

Claims

1.一种W反射镜，其特征在于，包括圆形镜体，在圆形镜体圆心位置设置有内锥体（2），内锥体（2）的侧面为内锥反射面（2-1），内锥体（2）的顶点处设置有V形锥镜（1），V形锥镜包括反射面（1-1），内锥体（2）底面周向上设置有环形平面（3），沿所述环形平面（3）周向设置有与内锥反射面（2-1）成a夹角的外锥反射面（4）；

将纤芯划分为中心半径R的高硬区域，和除中心半径R外的低硬区域，所述V形锥镜的圆锥角β根据纤芯中心半径R确定，使得V形锥镜反射的光斑完全覆盖纤芯中心半径R的高硬区域内；

所述内锥反射面（2-1）产生的光环覆盖低硬区域；

所述外锥反射面（4）反射的光斑完全覆盖双包层光纤的内包层。

2.根据权利要求1所述的一种W反射镜，其特征在于，所述外锥反射面（4）为椭球面弧度结构，弧度范围为30⁰-70⁰。

3.一种采用权利要求1所述的一种W反射镜的双包层光纤与石英波导的熔接方法，其特征在于包括：

将纤芯划分为中心半径R的高亮区域，和除中心半径R外的低亮区域；

使双包层光纤和石英波导的距离为0.5-2um；

通过反射镜使激光以角度5⁰-15⁰照射进入W反射镜，形成“点状-一环-二环”光斑，并射入反射聚焦镜；

通过调节反射聚焦镜与W反射镜之间的距离和角度使得中心亮度最高的点状光斑覆盖纤芯中心的高亮区域；一环光斑覆盖低亮区域；二环光斑覆盖双包层光纤的内包层，实现激光光斑照射双包层光纤和石英波导呈熔融状态；

使光纤向石英波导推进0.5-2um，熔接完成。

4.一种采用权利要求1所述的一种W反射镜的双包层光纤与石英波导的熔接装置，其特征在于：沿CO2激光器出射的激光方向依次布置反射镜、W形反射镜、反射聚焦镜，CO2激光器发出的激光通过W形反射镜后成为形成“点状-一环-二环”光斑，“点状-一环-二环”光斑经反射聚焦镜聚焦在双包层光纤与石英波导处进行熔接。

5.根据权利要求4所述的一种采用W反射镜的双包层光纤与石英波导的熔接装置，其特征在于：所述的反射聚焦镜用于调节光斑大小和聚焦点位置。