CN112285840B - 一种可饱和吸收光纤准直器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可饱和吸收体的独特封装方式，使之与现在成熟的光纤无源器件的生产工艺相融合，构成一种具有可饱和吸收特性的光纤准直器，同时满足可饱和吸收体的散热要求。不仅具有稳定、简单的结构，还可以使其与其他光纤无源器件混合集成，促进光纤激光器尺寸小型化和结构简单化，同时降低系统的整体损耗约5%，并有效降低了系统成本，利于大规模生产和工业应用，促进了光纤激光系统的进步。

Description

一种可饱和吸收光纤准直器及其制作方法

技术领域

本发明涉及超快光纤激光器技术领域，特别涉及一种可饱和吸收体的集成化封装结构设计和器件制作方法，本发明所述一种可饱和吸收光纤准直器主要应用于制作混合型光纤无源器件，可以支持把可饱和吸收体与光纤隔离器、光纤波分复用器、光纤耦合器等光功能器件混合集成在同一个器件内而不带来明显的尺寸增加。同时，集成混合也减少了光信号在光纤与自由空间之间的耦合次数，有效降低了系统的损耗。

背景技术

光纤激光器作为一种特殊的固体激光器近年来凭借其出色的光学性能、先天的热管理优势和免维护等特点发展迅速，并且，其所需的光纤无源器件已经发展出一套成熟的生产工艺，这也大大降低了光纤激光器的成本，促进其广泛应用于各领域。

可饱和吸收体是一种广泛应用于激光调Q和锁模技术的光学无源器件。其基本特点是其对光信号的吸收率与辐照在其上的光信号的能量密度之间呈强烈的非线性关系，当辐照光能量密度较低时，吸收率较高，当辐照光能量密度达到或者超过其饱和阈值时，吸收率急剧下降而变的透明（被漂白）。由于可饱和吸收体具有这种独特属性，其可以被用做被动调Q开关，在激光谐振腔内造成有规律的开、闭状态，实现激光器的调Q和锁模。目前，这种被动锁模器件可以是超快光纤激光器产生皮秒甚至飞秒超快激光脉冲，在医学成像、微加工、高速摄影等领域有重要应用。

由于可饱和吸收体在被漂白前对光信号的吸收率很高，因此其本身具有严重的发热，封装以及使用时要充分考虑其散热涉及。

由于可饱和吸收体的漂白与辐照能量密度有关，因此在应用过程中，对辐照在其上的激光束截面直径有特殊要求，以满足特定的调Q和锁模效果，通常情况下要求光束直径比较小。

目前，光纤激光器中常见的可饱和吸收体封装方式主要有三种，第一种是直接把可饱和吸收体贴在光纤插针的端面上，配合反射膜做成可饱和吸收镜并配以散热单元，方法简单；另一种是第一种的变种，是把可饱和吸收镜放置于聚焦型准直器的后面以实现入射光斑的调整，其余封装等同第一种；第三种是把可饱和吸收体放置在两个光纤准直器之间，光信号从输入光纤输入经透镜准直后辐照到可饱和吸收体上，通过可饱和吸收体后被另一透镜聚焦耦合进入输出光纤，通常配合散热元件。三种方式都使可饱和吸收体作为单独器件存在，无法与现在成熟的光纤无源器件的生产工艺相融合。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种可饱和吸收体的独特封装方式，使之与现在成熟的光纤无源器件的生产工艺相融合，构成一种具有可饱和吸收特性的光纤准直器，同时满足可饱和吸收体的散热要求。不仅具有稳定、简单的结构，还可以使其与其他光纤无源器件混合集成，促进光纤激光器尺寸小型化和结构简单化，同时降低系统的整体损耗，并有效降低其成本，利于大规模生产和工业应用。

本发明提供一种具有可饱和吸收特性的光纤准直器，包括光纤、玻璃毛细管、散热型金属套管、金属套管A、套管B、可饱和吸收体和透镜，所述光纤和玻璃毛细管嵌套组装，构成光纤玻璃插针；所述光纤玻璃插针通过所述散热型金属套管以及金属套管A与可饱和吸收体组装，构成可饱和吸收光纤插针，所述散热型金属套管起到支撑作用，同时兼具散热功能；所述可饱和吸收光纤插针通过套管B与透镜组装，经过光学调试后构成具有可饱和吸收特性的光纤准直器。

进一步地，所述光纤可以为各种型号的光纤，与所述透镜匹配即可。

进一步地，所述散热型金属套管由金属铜材料制得，其散热片尺寸和数量根据实际应用环境的光功率密度和散热需求确定。

进一步地，所述金属套管A与所述散热型金属套管材质保持一致。

进一步地，所述套管B的材质，可以为金属也可以为非金属，如果此可饱和吸收光纤准直器与其他金属部件采用焊接的工艺组装，则套管B采用金属材质；如果此可饱和吸收光纤准直器与其他非金属部件采用粘接的工艺组装，则套管B可以采用陶瓷、玻璃等非金属组件，充分考虑热膨胀系数匹配性。

进一步地，所述光纤玻璃插针的端面可以为与其轴线呈一定角度的斜面，以降低光纤端面的菲涅尔反射，避免对其他系统造成影响；如果系统对菲涅尔反射并不敏感，插针端面可以与其轴线垂直。

进一步地，所述透镜的长度需要根据可饱和吸收体的厚度以及透镜本身的焦距严格测算，以使可饱和吸收体和透镜之间的空气隙宽度处于合理的范围，使其不至于影响光学参数。

进一步地，所述光学调试，主要是使光纤的研磨端面落在透镜的焦面附近，以得到好的准直效果。针对不同的工作距离要求，需要进行调整，具体方法是将光纤可饱和吸收插针插入透镜组件的开口端，然后把组合件放置在多维光学调整架上，并放置反射镜在透镜出口处，反射镜距离透镜出口的距离L和准直器要求的工作距离WD之间满足以下要求L=WD/2，在光纤内通入特定波长的光信号，调整多维光学调整架以及光纤可饱和吸收组件与透镜之间的距离，使光信号被反射镜反射后再次反向耦合进入光纤的耦合效率最高。

本发明还提供一种可饱和吸收光纤准直器的制作方法，包括以下步骤：

S1，将一段光纤的其中一端剥掉约15mm涂覆层，并擦拭干净备用，在玻璃毛细管内充满热固化胶水，把剥掉涂覆层的光纤插入玻璃毛细管内，加热使胶水固化，并把端面研磨成垂直于插针中心轴的平面或者与插针中心轴成一定角度的斜面，然后抛光，可优化的端面可以镀增透膜以提高光信号的透过率。

S2，将金属套管A和散热型金属套管组装压接，构成散热型金属套管组件。

S3，将可饱和吸收体组装到金属套管A的中心孔，采用热固化胶水粘接，烘烤固化，构成散热型可饱和吸收体组件。

S4，将光纤玻璃插针插入散热型可饱和吸收体组件的开口端，注意如果插针端面是斜面，要旋转插针使插针端面与可饱和吸收体端面平行，插针端面与可饱和吸收体端面接触，但相互之间无压力，在玻璃毛细管外侧壁与散热型金属套管内侧壁之间注入热固化胶水，加热固化，构成光纤可饱和吸收插针。

S5，将透镜嵌套在套管B内，透镜曲面（或者GRIN lens输出面）露出套管，透镜侧壁和套管B内壁之间注入热固化胶水，加热固化，构成透镜组件。

S6，将光纤可饱和吸收插针插入透镜组件的另外一个端，然后把组合件安装在多维光学调整架上，并放置反射镜在透镜出口处，反射镜距离透镜出口的距离L和准直器被要求的工作距离WD之间满足L=WD/2的关系，在光纤内通入特定波长的光信号，调整多维光学调整架以及光纤可饱和吸收组件与透镜之间的距离，使光信号被反射镜反射后再次反向耦合进入光纤的耦合效率最高，然后用紫外固化胶水固定光纤可饱和吸收组件和透镜组件的相对位置，紫外线照射固化后从调整架上取下，此处紫外固化胶水仅作为临时固定用。

S7，在散热型金属套管的外壁和套管B的内壁之间注入热固化胶水，并加热固化，使光纤可饱和吸收组件和透镜组件有效结合，构成一种可饱和吸收光纤准直器。

本发明提供的技术方案带来的有益效果是：

（1）本发明通过巧妙的设计将可饱和吸收体的封装融入到光纤无源器件的基础器件-光纤准直器中，使可饱和吸收体可以跟光纤WDM、光纤隔离器、光纤耦合器等器件可以混合集成，并且不明显增加器件尺寸，利于超快光纤激光器尺寸小型化和结构简化。同时，混合集成使系统的整体损耗降低约5%（减少一次光信号从自由空间向光纤的耦合），使激光器性能得到提升。

（2）本发明有效兼顾了可饱和吸收体的散热要求，在集成封装的同时保持了散热结构，使支撑件和但热结构合二为一，提高了可饱和吸收体的寿命和工作稳定性，继而提高了光纤激光器的可靠性。

（3）本发明提供的结构和制作方法成本低、操作简单、可靠性高，利于器件的大批量生产和工业化应用，将有助于超快光纤激光器的发展。

附图说明

图1是本发明一种可饱和吸收光纤准直器的结构示意图，为剖面图。

图2是本发明一种可饱和吸收光纤准直器制作方法的光学调试示意图。

其中：1-金属套管A、2-可饱和吸收体、3-玻璃毛细管、4-光纤、5-散热型金属管、6-透镜、7-套管B、8-间距、9-反射镜、10-激光器、11-功率计、12-3dB耦合器。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明具体实施方式作进一步地描述。

参考图1，本发明的具体实施实例提供了一种可饱和吸收光纤准直器的结构，包括金属套管A1、可饱和吸收体2、玻璃毛细管3、光纤4、散热型金属管5、透镜6、套管B7。

参考图1，光纤4和玻璃毛细管3嵌套粘接构成光纤玻璃插针，本具体实施案例中，采用热固化胶水美国EPOXY TECHNOLOGY ING.提供的353ND胶水进行粘接。

参考图1，金属套管A1和散热型金属套管5构成散热型金属套管组件，二者之间的连接方式采用压接连接的方式。

参考图1，散热型金属套管组件、光纤玻璃插针和可饱和吸收体2共同构成光纤可饱和吸收插针组件，在玻璃毛细管3外侧壁和散热型金属套管5内侧壁之间注入353ND胶水进行粘接，利用毛细效应进行注胶。

参考图1，透镜6和套管B7构成透镜组件，在透镜6的外侧壁和套管B7的内侧壁之间注入353ND胶水进行粘接，利用毛细效应进行注胶。

参考图1，光纤可饱和吸收插针组件和透镜组件构成本发明一种可饱和吸收光纤准直器，散热型金属套管5和套管B7之间使用353ND胶水进行粘接。

本具体实施实例选择球面透镜作为透镜6，其材质为美国SCHOTT公司的N-SF11，球面曲率为1.42mm。

本具体实施案例中，光纤采用数值孔径为0.14，MFD@1550nm为10.5um的单模光纤，插针端面斜角α选择82度。

本发明的具体实施案例还提供了一种可饱和吸收光纤准直器的制作方法，包括以下步骤：

S1，将一段光纤4的其中一端剥掉约15mm涂覆层，并擦拭干净备用，在玻璃毛细管内充满353ND胶水，使用注胶机进行注胶，把剥掉涂覆层的光纤插入玻璃毛细管内，加热使胶水固化，并把端面研磨成与插针中心轴成一定82度角的斜面，然后抛光。

S2，将金属套管A1和散热型金属套管5组装压接，采用压接机进行压接，构成散热型金属套管组件。

S3，将可饱和吸收体2组装到金属套管A1的中心孔，采用353ND胶水粘接，烘烤固化，构成散热型可饱和吸收体组件。

S4，将光纤玻璃插针插入散热型可饱和吸收体组件，注意旋转插针使插针端面与可饱和吸收体端面平行，插针端面与可饱和吸收体端面接触，但相互之间无压力，在玻璃毛细管3外侧壁与散热型金属套管5内侧壁之间利用毛细效应注入353ND胶水，加热固化，构成光纤可饱和吸收插针。

S5，将透镜6嵌套在套管B7内，透镜曲面端露出套管，透镜侧壁6和套管B7内侧壁之间注入353ND胶水，加热固化，构成透镜组件。

S6，将光纤可饱和吸收插针插入透镜组件的另外一端，然后把组合件放置在多维光学调整架上。参考图2，放置反射镜9在透镜出口处，距离透镜出口的距离L和准直器要求的工作距离WD之间满足L=WD/的关系，本具体实例中WD=5mm。光纤4通过熔接的方式与3dB耦合器12的单光纤端口相连， 3dB耦合器12的双纤端的其中一根光纤接入激光器10，另一根光纤接入功率计11。此时激光器10输出的光信号经过透镜后辐照到反射镜9上，经反射后又后项偶合到光纤内，此时功率计11可以探测到此反向偶合光信号。调整多维光学调整架以及光纤可饱和吸收组件与透镜之间的距离8，使光信号被反射镜反射后再次反向耦合进入光纤的耦合效率最高，然后用紫外固化胶水固定光纤可饱和吸收组件和透镜组件的相对位置，紫外线照射固化后从调整架上取下，此处紫外固化胶水仅作为临时固定用。

S7，在散热型金属套管5的外壁和套管B7的内壁之间注入353ND胶水，并加热固化，使光纤可饱和吸收组件和透镜组件有效结合，构成一种可饱和吸收光纤准直器。

对本具体实例进行测试,测试程序参考IEC 61300系列标准，距离准直器出口2.5mm处，光束直径为360um，M²为1.03，扣除可饱和吸收体的情况下，镜面反射后的反向耦合效率为96%，两只相同的参数的光纤可饱和吸收体之间相互耦合的耦合效率为95%。把此可饱和吸收光纤准直器与WDM混合集成做成带有可饱和吸收功能的光纤WDM，完全代替了系统之前光路中的可饱和吸收体器件和WDM器件，并使整体损耗降低了5%。

以上所述仅为本发明的一个较佳实例，用以更清晰的展示本发明，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，通过细节修改、等同替换、改进等方式所做的变形，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种可饱和吸收光纤准直器，其特征在于，包含光纤、玻璃毛细管、散热型金属套管、金属套管A、套管B、可饱和吸收体和透镜，所述光纤插入所述玻璃毛细管嵌套粘接构成光纤玻璃插针，所述金属套管A和可饱和吸收体嵌套粘接构成可饱和吸收体组件，所述光纤插针与所述可饱和吸收体组件通过所述散热型金属套管嵌套连接，其中所述光纤插针的光纤端面与所述可饱和吸收体紧密贴合但不产生相互压力，构成光纤可饱和吸收插针组件，所述光纤可饱和吸收插针组件与所述透镜通过所述套管B嵌套粘接，其中所述光纤可饱和吸收插针组件与所述透镜之间的距离按照高斯光束的透镜变换原理，针对具体所需的工作距离通过光学调试确定。

2.根据权利要求1所述一种可饱和吸收光纤准直器，其特征在于，所述光纤为单模光纤、单模保偏光纤、多模光纤以及双保层光纤的一种。

3.根据权利要求1所述一种可饱和吸收光纤准直器，其特征在于，所述玻璃毛细管的截面内圆和外圆同心或者不同心。

4.根据权利要求1所述一种可饱和吸收光纤准直器，其特征在于，所述光纤和所述玻璃毛细管之间采用嵌套粘接，所述嵌套粘接为胶水粘接或激光焊接，然后进行端面研磨、抛光，构成光纤玻璃插针，光纤玻璃插针的端面垂直于插针中心轴的平面，或与光纤中心轴呈78-84°的斜面。

5.根据权利要求1所述一种可饱和吸收光纤准直器，其特征在于，所述散热型金属套管一端设有片状散热结构，散热型金属套管内径ID与所述玻璃毛细管的外径OD之间的关系是OD<ID<OD+0.5mm，可优化的，ID=OD+0.02mm。

6.根据权利要求1所述一种可饱和吸收光纤准直器，其特征在于，所述套管B的垂轴截面外形为圆形或者其他规则形状，内孔为圆形且内孔内径ID和所述散热型金属套管的外径之间的关系是OD<ID<OD+0.5mm，可优化的，散热型金属套管插入嵌套至套管B内部。

7.根据权利要求1所述一种可饱和吸收光纤准直器，其特征在于，所述金属套管A的内孔是圆孔或其他形状的孔，可饱和吸收体安装在金属套管A的内孔，金属套管A的截面外形为圆形，金属套管A的外径OD和所述散热型金属套管的内径ID之间的关系是OD-0.05mm<ID<OD+0.5mm，可优化的，ID=OD-0.01mm，二者之间的连接方案采用压接。

8.根据权利要求1所述一种可饱和吸收光纤准直器，其特征在于，所述透镜是单球透镜（C-lens）或者自聚焦透镜（GRIN lens），透镜的柱面外径OD和所述套管B的内径ID之间的关系是OD<ID<OD+0.5mm，可优化的，ID=OD+0.02mm。

9.一种可饱和吸收光纤准直器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，将一段光纤的其中一端剥掉15-20mm涂覆层，洗净后插入玻璃毛细管粘接固化，并把端面研磨成垂直于插针中心轴或者与插针中心轴成78-84°角的斜面，然后抛光，可优化的端面可以镀增透膜以提高光信号的透过率；

S2，将金属套管A和散热型金属套管组装压接或者粘接，构成散热型金属套管组件，可优化的，选择压接工艺以提高散热接触性；

S3，将可饱和吸收体组装到金属套管A的中心孔，固化，构成散热型可饱和吸收体组件；

S4，将光纤玻璃插针插入散热型可饱和吸收体组件，如果插针端面是斜面，要旋转插针使插针端面与可饱和吸收体端面平行，插针端面与可饱和吸收体之间的距离设定在0-0.5mm之间，固化，构成光纤可饱和吸收插针；

S5，将透镜嵌套在套管B内，单球透镜曲面或者自聚焦透镜输出面露出套管，固化，构成透镜组件；

S6，将光纤可饱和吸收插针插入透镜组件的开头端，然后把组合件放置在多维光学调整架上，并放置反射镜在透镜出口处，反射镜距离透镜出口的距离L和准直器要求的工作距离WD之间满足以下要求L=WD/2，在光纤内通入波长为1064nm的光信号，调整多维光学调整架以及光纤可饱和吸收组件与透镜之间的距离，使光信号从透镜输出辐照到反射镜上，被反射镜反射后再次反向耦合进入光纤的耦合效率≥100%-可饱和吸收体的吸收比例-0.5%，然后用紫外固化胶水固定光纤可饱和吸收组件和透镜组件的相对位置，紫外线照射固化后从调整架上取下；

S7，在散热型金属套管的外壁和套管B的内壁之间注入热固化胶水，并加热固化，使光纤可饱和吸收组件和透镜组件有效结合，构成一种可饱和吸收光纤准直器。

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