CN112363277A - 一种光纤合束结构及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种光纤合束结构，包括中心光纤、多根输入光纤和合束耦合装置；合束耦合装置由两个部件组成，两个部件的中心分别设有贯穿的半圆孔，两个贯穿的半圆孔合并形成贯穿合束耦合装置的通孔，所述通孔的尺寸与中心光纤的内包层尺寸相适应；合束耦合装置通过所述通孔套设在中心光纤中段的内包层外表面，并通过烧结的方式固定连接；多根输入光纤均与中心光纤平行设置，并围绕中心光纤一周紧密环绕，且多根输入光纤均与所述泵浦能量输入表面免拉锥垂直熔接。本发明还提出一种光纤合束结构的制作方法、激光器。本发明采用锥形的合束耦合装置，避免了直接将多根输入光纤拉锥造成的形状破坏，提高了光纤传输性能。

Description

一种光纤合束结构及其制作方法
技术领域
本发明涉及半导体激光技术领域，尤其涉及一种光纤合束结构及其制作方法。
背景技术
高功率光纤激光器因其革命性的优点，已在工业、医疗、军事等领域大规模应用，合束器作为光纤激光器的关键部件，对最终激光器的指标起着重要作用，随着应用端对激光器的指标要求越来越高，行业对更高技术指标的光纤合束器的追求一直没有停止。
光纤成束又是生产合束器的关键工艺，目前本行业内，通用做法是将多条光纤清洁后，用扭转法或石英套管法将光纤束缚成一束，再通过高温将光纤液化，液化后的光纤靠液体的表面张力效应自动吸合在一起成束。
这种方法的缺点是温度要达到光纤的熔点，光纤熔化后自动吸合成束，实际上这种流变会对光纤的形状造成极大破坏，光纤变得不再圆整，进而造成光纤传输性能的下降，这就是限制合束器指标进一步提高的主要原因。且传统做法光纤束要切割后再与输出单光纤熔接，熔点会增加损耗，也是劣器件指标的主要原因。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术中存在的技术问题，而提出的一种光纤合束结构及其制作方法，采用全新的光纤成束方法，避免了光纤的变形，提高了最终产品的性能。
一种光纤合束结构，包括：中心光纤、多根输入光纤和合束耦合装置；中心光纤中段的涂敷层和外包层剥除后露出中心光纤内包层的石英部分；所述合束耦合装置沿中心轴线设有贯穿的通孔，所述合束耦合装置通过所述通孔套设在所述中心光纤的内包层外表面；多根输入光纤围绕中心光纤设置，且上述多根输入光纤均与所述合束耦合装置的底面免拉锥垂直熔接；所述合束耦合装置的反射面与所述中心光纤轴线的夹角为锥角β；中心光纤中泵浦激光满足全反射的最大出射角对应的入射光线与中心光纤轴线的夹角为γ；输入光纤中泵浦激光满足全反射的最大出射角对应的出射光线与输入光纤轴线的夹角为α；锥角β小于或者等于(∠γ-∠α)/2。
进一步地，所述合束耦合装置由两个部件组成，两个部件相对的侧面分别设有贯穿的半圆孔，两个部件合拢后组成一个完整的圆台，即组成合束耦合装置，对应地，两个半圆孔合并形成贯穿所述合束耦合装置的通孔，所述通孔的尺寸与中心光纤的内包层尺寸相匹配；合束耦合装置通过所述通孔套设在中心光纤中段的内包层外表面。
进一步地，所述合束耦合装置与所述中心光纤中段的内包层外表面之间通过烧结的方式固定连接，且两个部件之间也通过烧结的方式固定连接。
进一步地，多根输入光纤围绕所述中心光纤一周紧密环绕设置。
进一步地，将所有输入光纤外表面和中心光纤内包层外表面熔接后组成输入光纤束。
进一步地，所述合束耦合装置的底面为泵浦能量输入表面；输入激光由所述输入光纤束经泵浦能量输入表面进入合束耦合装置中，经合束耦合装置耦合后进入中心光纤的纤芯。
进一步地，输入光纤的直径和中心光纤的半径之和小于或者等于所述合束耦合装置的底面半径。
进一步地，所述合束耦合装置的材料为石英。
本发明还提出一种光纤合束结构制作方法，包括：将多根输入光纤的对接端剥去涂敷层，再将露出的包层清洁干净，将中心光纤的中段对应位置剥去涂敷层和外包层，再将露出的内包层的石英清洁干净；利用夹具将两个半圆台通过对应的半圆孔套设在中心光纤中段的内包层上，并烧结连接；将多根输入光纤的对接端环绕中心光纤的中段平行且紧密布置；将布置好的多根输入光纤的对接端的端面与合束耦合装置的泵浦能量输入表面免拉锥垂直熔接。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：本发明采用锥形的合束耦合装置与中心光纤烧结连接，以将多根输入光纤的泵浦激光合束后耦合至中心光纤，避免了直接将多根输入光纤拉锥造成的形状破坏，提高了光纤的圆整度；中心光纤是完整的，信号通路损耗很小，提高了光纤传输性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1是本发明实施例中一种光纤合束结构的立体分解图；
图2是本发明实施例中一种光纤合束结构的结构图；
图3是本发明实施例中中心光纤和合束耦合装置的部分组装图；
图4是本发明实施例中中心光纤和合束耦合装置的安装示意图；
图5所示为本实施例中合束耦合装置的锥角计算原理示意图；
图6是本发明实施例中一种光纤合束结构制作方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述地实施例是本发明一部分实施例，而不是全部地实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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。
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
本发明的实施例提供了一种光纤合束结构，以行业内（6+1）×1结构的合束器为例进行具体说明。请参阅图1和图2，图1是本发明实施例中一种光纤合束结构的爆炸视图，图2是本发明实施例中一种光纤合束结构的结构图；本实施例提供的光纤合束结构包括：一根中心光纤1、合束耦合装置2和多根输入光纤3；中心光纤1为25/400（纤芯内径为25um，内包层直径为400um）双包层光纤，使用双包层光纤可阻止激光由内包层进入涂覆层，避免造成涂覆层过热损坏。将中心光纤1中段的涂敷层和外包层剥除后露出中心光纤1的内包层11的石英部分；输入光纤3为220/242（纤芯内径为220um，包层直径为242um）单包层普通光纤。
在一较佳实施例中，使用6根输入光纤3，本领域普通技术人员在实际使用时可以根据需求设置不同数量的输入光纤3，中心光纤1和输入光纤3也可根据需要使用其它尺寸的光纤。
所述合束耦合装置2由两个相同的部件（21和22）组成；两个部件为一个完整的圆台沿着中轴线切开后得到。两个部件（21和22）相对的侧面分别设有贯穿的半圆孔S，两个部件（21和22）合拢后组成一个完整的圆台，即组成合束耦合装置2，同时，相对应的半圆孔S合并形成与所述合束耦合装置2共轴线的圆形通孔。所述圆形通孔的内径与中心光纤1的内包层11的外径相匹配；合束耦合装置2通过所述圆形通孔套设在中心光纤1中段的内包层11外表面，并通过烧结的方式将两个部件依次固定在光纤1中段的内包层11外表面，且两个部件也通过烧结的方式固定在一起（如图3和图4），从而避免了熔接造成的中心光纤1结构变形，提高了中心光纤1的圆整度。
需要说明的是：合束耦合装置2并非只有圆台这一种形状，本领域技术人员在实际使用时，也可根据需求将合束耦合装置2设置为其它形状。
合束耦合装置2设有底面23（请参阅图4），输入光纤3的直径和中心光纤1的半径之和小于或者等于底面23半径。底面23为泵浦能量输入表面；多根输入光纤3均与中心光纤1平行设置，并围绕中心光纤1一周紧密环绕，且多根输入光纤3均与所述合束耦合装置2的底面23(即泵浦能量输入表面)免拉锥垂直熔接。
将所有输入光纤3外表面和中心光纤1内包层11外表面熔接，从而将中心光纤1和这些输入光纤3组合在一起形成输入光纤束（输入光纤束包括所有输入光纤3和中心光纤1）。
如图5所示为本实施例的合束耦合装置锥角计算原理示意图；每一输入光纤3传输的泵浦激光由所述输入光纤3进入合束耦合装置2中，经合束耦合装置2耦合后进入中心光纤1的纤芯，并与中心光纤1中传输的泵浦激光进行合束。
为了能让输入光纤3中的泵浦激光被合束耦合装置2合束耦合到中心光纤1中，需要对合束耦合装置2的锥角β进行设置；所述锥角β为所述合束耦合装置2的反射面与所述中心光纤1轴线的夹角；本发明实施例中，合束耦合装置2的锥角设置方法具体如下：
定义泵浦激光在中心光纤中的全反射临界角为θ，与临界角θ对应的入射光线与中心光纤轴线的夹角为γ，即中心光纤中泵浦激光满足全反射的最大出射角对应的入射光线与中心光纤轴线的夹角为γ；输入光纤中泵浦激光满足全反射的最大出射角对应的出射光线与输入光纤轴线的夹角为α；合束耦合装置的锥角为β；
如图5所示，锥角β计算原理如下：
因为：∠γ=∠5，∠β=∠1，∠5=∠1+∠4；
所以：∠γ=∠β+∠4；
又因为：∠3=∠4，∠3=∠2；所以：∠2=∠4；
在三角形ABC中，∠2=∠1+∠α；所以：∠4=∠β+∠α；
所以：∠γ=∠α+2∠β；因为：∠γ=90°-∠θ；
得到合束耦合装置2的锥角表达式为：∠β=(90°-∠α-∠θ)/2。
需保证从所述合束耦合装置中进入中心光纤的反射角均大于或者等于θ，以保证所有从所述合束耦合装置中进入中心光纤的激光都进入中心光纤1中，则锥角β的取值范围为：∠β≤(90°-∠α-∠θ)/2=∠β≤(∠γ-∠α)/2。
本发明实施例中，中心光纤的数值孔径NA=n1×sinγ=0.46，n1=1.45为中心光纤的折射率，得到：∠γ=arcsin (NA/1.45)=18.5°。
定义输入光纤的数值孔径为NA 1，则：NA 1=n2×sinα=0.22，n2 =1.45为输入光纤的折射率，得到∠α为：∠α=arcsin(NA 1/1.45)=8.73°。
综上，可以得到合束耦合装置的锥角β取值范围：∠β≤(18.5°-8.73°)/2=4.885°。
在一较佳实施例中，合束耦合装置2的锥角设置为4°。
请参考图6，图6是本发明实施例中一种光纤合束结构制作方法的流程图，具体包括如下步骤：
S101：将多根输入光纤3的对接端剥去涂敷层，再将露出的包层清洁干净，将中心光纤1的中段对应位置剥去涂敷层和外包层，再将中心光纤1露出的内包层11的石英清洁干净；在一较佳实施例中，采用酒精对内包层11进行彻底清洁。
S102：利用夹具将两个部件（21和22）通过中心的半圆孔套设在中心光纤1中段的内包层11上，并通过烧结连接，两个部件合拢组成合束耦合装置2。
S103：将多根输入光纤3的对接端环绕中心光纤1的中段平行且紧密布置。
S104：将布置好的多根输入光纤3的对接端的端面与合束耦合装置2的泵浦能量输入表面免拉锥垂直熔接，并将输入光纤3外表面和中心光纤1内包层11外表面熔接。
使用时，每一输入光纤3分别输入泵浦激光，多束泵浦激光经泵浦激光输入表面注入合束耦合装置2中，经合束耦合装置2合束后折射进入中心光纤1的内包层11，进而进入中心光纤1的纤芯传输，同时，输入光纤3环绕的中心光纤1中也传输激光。
本发明的有益效果是：本发明采用锥形的合束耦合装置与中心光纤烧结连接，以将多根输入光纤的泵浦激光合束后耦合至中心光纤，避免了直接将多根输入光纤拉锥造成的形状破坏，提高了光纤的圆整度；同时，中心光纤是完整的，信号通路损耗很小，提高了光纤传输性能。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制：尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种光纤合束结构，包括：中心光纤、多根输入光纤和合束耦合装置；其特征在于：中心光纤中段的涂敷层和外包层剥除后露出中心光纤内包层的石英部分；
所述合束耦合装置沿中心轴线设有贯穿的通孔，所述合束耦合装置通过所述通孔套设在所述中心光纤的内包层外表面；
多根输入光纤围绕中心光纤设置，且上述多根输入光纤均与所述合束耦合装置的底面免拉锥垂直熔接；
所述合束耦合装置的反射面与所述中心光纤轴线的夹角为锥角β；中心光纤中泵浦激光满足全反射的最大出射角对应的入射光线与中心光纤轴线的夹角为γ；输入光纤中泵浦激光满足全反射的最大出射角对应的出射光线与输入光纤轴线的夹角为α；锥角β小于或者等于(∠γ-∠α)/2。
2.如权利要求1所述的一种光纤合束结构，其特征在于：所述合束耦合装置由两个部件组成，两个部件相对的侧面分别设有贯穿的半圆孔，两个部件合拢后组成一个完整的圆台，即组成合束耦合装置，对应地，两个半圆孔合并形成贯穿所述合束耦合装置的通孔，所述通孔的尺寸与中心光纤的内包层尺寸相匹配；合束耦合装置通过所述通孔套设在中心光纤中段的内包层外表面。
3.如权利要求2所述的一种光纤合束结构，其特征在于：所述合束耦合装置与所述中心光纤中段的内包层外表面之间通过烧结的方式固定连接，且两个部件之间也通过烧结的方式固定连接。
4.如权利要求1所述的一种光纤合束结构，其特征在于：多根输入光纤围绕所述中心光纤一周紧密环绕设置。
5.如权利要求1所述的一种光纤合束结构，其特征在于：将所有输入光纤外表面和中心光纤内包层外表面熔接后组成输入光纤束。
6.如权利要求5所述的一种光纤合束结构，其特征在于：所述合束耦合装置的底面为泵浦能量输入表面；输入激光由所述输入光纤束经泵浦能量输入表面进入合束耦合装置中，经合束耦合装置耦合后进入中心光纤的纤芯。
7.如权利要求6所述的一种光纤合束结构，其特征在于：输入光纤的直径和中心光纤的半径之和小于或者等于所述合束耦合装置的底面半径。
8.如权利要求1-7任一项所述的一种光纤合束结构，其特征在于：所述合束耦合装置的材料为石英。
9.一种光纤合束结构制作方法，应用于如权利要求1-7任一项所述的一种半导体激光器中，其特征在于：所述一种光纤合束结构制作方法，具体包括：
将多根输入光纤的对接端剥去涂敷层，再将露出的包层清洁干净，将中心光纤的中段对应位置剥去涂敷层和外包层，再将露出的内包层的石英清洁干净；
利用夹具将两个半圆台通过对应的半圆孔套设在中心光纤中段的内包层上，并烧结连接；
将多根输入光纤的对接端环绕中心光纤的中段平行且紧密布置；
将布置好的多根输入光纤的对接端的端面与合束耦合装置的泵浦能量输入表面免拉锥垂直熔接。
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