CN112612085B - 一种高功率的光纤准直器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高功率的光纤准直器，包括套管、光纤头和准直透镜，光纤头前端设置有扩束光纤，扩束光纤的出光端面与准直透镜间无间隙超紧密连接在一起；将扩束光纤设置在光纤头前端，可以对光纤头内的高功率光束进行扩束，使得高功率光信号分散，同时也使发热相较现有技术更加均匀的分布在光纤头的出光端面；由于准直透镜与光纤头无间隙超紧密连接在一起，因此可以消除两者之间的空气间隙，减少了高功率光对端面的损伤，从而增强了高功率光纤准直器的高抗光损伤能力。
Description
技术领域
本发明涉及光纤准直器技术领域，更具体地说，涉及一种高功率的光纤准直器。
背景技术
光纤准直器主要由光纤头、透镜和套管等组成，其中光纤头有镀制耐减反射膜。高功率激光的光纤端面的功率密度很高，由于光纤头和透镜间存在空气间隙，因此如果光纤头端面处存在缺陷不良或者划痕、表面粘有粉尘颗粒等，都会使光纤头局部温度过高，而用于光纤胶合的热固化胶导热性比较差，这样就会导致光纤头局部温度过高，同时热量无法散发，造成光纤的热固化胶被炭化，炭化后挥发类似油状的物质，由于光电现象作用会附着在光纤端面，使光纤端面温度不断升高，光纤端面温度不断升高又造成光纤头更深处固化胶的炭化，这样不断循环导致光纤准直器被烧坏，最终导致整体光纤通信系统无法正常工作。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种高功率的光纤准直器。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
构造一种高功率的光纤准直器，包括套管、光纤头和准直透镜，其中，所述光纤头前端熔接设置有扩束光纤，所述光纤头和准直透镜的端面都经过高光抛光处理，所述扩束光纤的出光端面与所述准直透镜之间无间隙超紧密连接在一起。
优选的，所述套管的内壁呈两段式阶梯状，具体为小内径段和大内径段两段，所述光纤头固定在所述套管的小内径段上并向大内径段伸出，所述准直透镜固定在所述套管的大内径段上并与其匹配；所述光纤头与所述套管的大内径段间形成有空腔，所述套管外壁上设置有与所述空腔连通的第一注胶孔；所述光纤头与所述准直透镜间注满有过渡胶。
优选的，所述套管外壁上还设置有与所述空腔连通的排气孔，所述排气孔设置在所述空腔靠近所述套管的小内径段的一端上，所述第一注胶孔设置在所述空腔靠近所述准直透镜的一端上；所述排气孔和所述第一注胶孔分别设置在所述套管的两侧。
优选的，所述光纤头的出光端面和所述准直透镜的入光端面均通过超光滑加工进行抛光处理，且其上通过离子束溅射工艺镀有减反射膜。
优选的，所述光纤头的出光端面与准直透镜的入射端面光胶连接形成一体，所述准直透镜远离所述光纤头的一端设置有用于调节光传输的凹透镜；所述凹透镜与所述准直透镜间填满过渡胶，所述套管上设置有用于向所述凹透镜与所述准直透镜间注胶的第二注胶孔。
优选的，所述准直透镜的出光端面与所述凹透镜的入光端面均通过超光滑加工进行抛光处理，且其上通过离子束溅射工艺镀有减反射膜。
优选的，所述光纤头包括毛细管，和固定在所述毛细管内的单模光纤；所述单模光纤的出光端熔接与所述扩束光纤熔接；所述扩束光纤的出光端面与所述光纤头的出射端面齐平，并与所述准直透镜对应端面平行设置。
优选的，所述扩束光纤具体为无芯光纤或多模光纤。
优选的，所述光纤头的出射端面为度斜端面。
优选的，所述过渡胶折射率位于所述准直透镜的折射率和所述光纤的折射率之间。
本发明的有益效果在于：在普通单模光纤前端熔接扩束光纤，将扩束光纤设置在光纤头前端，可以对光纤中的高功率激光进行无过渡的能量扩散，扩散到到整个扩束光纤中，使得高功率光能量分散开，减少高功率光束对光纤头出射端面可能造成的损伤；由于准直透镜与光纤头非间隙连接，因此可以消除两者之间的空气间隙，避免了内部胶的挥发到透光面，减少了高功率光对端面的损伤，从而增强了高功率光纤准直器的高抗光损伤能力。
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，下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，下面描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，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是本发明第一实施例的光纤高功率准直器的剖视图；
图2是本发明第二实施例的光纤高功率的直器的剖视图；
图3是本发明第三实施例的光纤高功率的直器的剖视图；
图4是高功率的光纤准直器的超光滑抛光和传统抛光后出射端面粗糙度对比示意图；
图5是高功率的光纤准直器的离子束溅射镀膜和传统镀膜后出射端面的RL(回波损耗)变化对比示意图。
图中1-套管、2-光纤头、21-毛细管、22-单模光纤、3-准直透镜、11-空腔、4-过渡胶、23-扩束光纤、12-第一注胶孔、13-排气孔、14-第二注胶孔、5-凹透镜。
具体实施方式
为了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技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明提供了一种高功率的光纤准直器，参阅图1至图3，包括套管1、光纤头2和准直透镜3，光纤头2前端设置有扩束光纤23，在所述光纤头2和准直透镜3的端面都经过了高光抛光处理，扩束光纤23的出光端面与准直透镜3之间无间隙超紧密连接在一起，这里面无间隙超紧密的含义是两个连接面分子之间的物质过渡，无气态分子介入；在普通单模光纤前端熔接扩束光纤23，将扩束光纤23设置在光纤头2前端，可以对光纤中的高功率激光进行无过渡的能量扩散，扩散到到整个扩束光纤23中，使得高功率光能量分散开，减少高功率光束对光纤头2出射端面可能造成的损伤，同时也使光功率相较现有技术更加均匀的分布在光纤头的出光端面；由于准直透镜3与光纤头2无间隙超紧密连接，因此可以消除两者之间的空气间隙，避免了内部胶的挥发到透光面，减少了高功率光对端面的损伤，从而增强了高功率光纤准直器的高抗光损伤能力。应为断面经过超光高光处理，超紧密连接达到通光面更少的能量聚集，最优的效果就是光束渐变过度并扩散到准直透镜中。
本发明的第一实施例如图1所示，套管1的内壁呈两段式阶梯状，具体为小内径段和大内径段两段，光纤头2固定在套管1的小内径段上并向大内径段伸出，准直透镜3固定在套管1的大内径段上并与其匹配；即准直透镜3的外径与套管1大内径段内径匹配，光纤头2与准直透镜3之间及与套管1的大内径段间形成有空腔11，在套管1外壁上设置有与空腔11连通的第一注胶孔12；光纤头2与准直透镜3间注满有过渡胶4；在所述光纤头2和准直透镜3的端面都经过了高光抛光处理，同时通过过渡胶4填充使得光通过过渡胶再一次扩束传输到准直透镜后汇聚，在装配光纤准直器时，先将光纤头2插入套管1的一端并通过热固化胶固定在套管1内，然后通过第一注胶孔12注入足量的过渡胶4，再将准直透镜3插入套管1的另一端，并调节光纤头2和准直透镜3的相对位置和相对角度，同时将空腔11内多余的过渡胶4从第一注胶孔12挤出，注意光纤头2和准直透镜3与过渡胶之间无气泡融合匹配在一起，再将准直透镜3通过热固化胶固定在套管1内，并封闭第一注胶孔12，完成装配；通过设置第一注胶孔12，方便了过渡胶4填充准直透镜3与光纤头2的间隙。
本发明的第二实施例如图2所示，第二实施例为第一实施例的改进，与第一实施例相同之处不再赘述，不同之处在于，套管1外壁上还设置有与空腔11连通的排气孔13，排气孔13设置在靠近套管1的小内径段的一端上，第一注胶孔12设置在靠近准直透镜3的一端上；排气孔13和第一注胶孔12分别设置在套管1的两侧；通过设置排气孔13，可以采用另一种方式装配准直器，具体的，先将光纤头2插入套管1的一端并通过热固化胶固定在套管1内，然后将准直透镜3外周涂满热固化胶插入套管1的另一端，再调节光纤头2和准直透镜3的相对位置和相对角度，通过夹具固定住；再通过第一注胶孔12注入过渡胶4，注入过渡胶4时，通过排气孔13将空腔11内的空气排出，在排气孔13不再排出空气而是开始排出过渡胶4时停止注入过渡胶4，再微调准直透镜3达到准直光束的设定指标，然后紫外光固化准直透镜3，最后封闭第一注胶孔12和排气孔13，完成装配；相较于前述的装配方法，不需要通过准直透镜3的插入来挤出多余的过渡胶4，使得调节光纤头2和准直透镜3的相对位置和相对角度时更加方便。
本发明的第三实施例如图3所示，光纤头2的出光端面与准直透镜3的入射端面光胶连接形成一体，准直透镜3远离光纤头2的一端设置有用于调节光传输的凹透镜5；凹透镜5与准直透镜3间填满过渡胶4，套管1上设置有用于向凹透镜5与准直透镜3间注胶的第二注胶孔14；装配光纤准直器时，先将光纤头2与准直透镜3光胶连接形成一体，并将其从套管1的一端插入套管1内，通过热固化胶使其固定在套管1内，然后通过第二注胶孔14注入足量的过渡胶4，再将凹透镜5插入套管1的另一端，调节凹透镜5和准直透镜3的相对位置和相对角度，同时将套管1内多余的过渡胶4从第二注胶孔14挤出，再将准直透镜3通过热固化胶固定在套管1内，并封闭第二注胶孔14，完成装配；通过调整凹透镜5和准直透镜3的相对位置，来调节光信号的传输，使准直透镜6的出射光信号通过凹透镜5聚焦并输入到另一光纤。以上，光胶连接需要端面高光抛光处理，平行度小于10”。
以上图1、图2和图3所示的方案，光纤头2包括毛细管21，和固定在毛细管21内的单模光纤22；单模光纤22的出光端与扩束光纤23熔接；扩束光纤23的出光端面与光纤头2的出射端面齐平，并与准直透镜3对应端面平行设置；将单模光纤出光端与无芯光纤熔接在一起，可以对单模光纤内的高功率光束进行扩束，使得高功率光能量分散，扩束光纤23的出光端面与光纤头2的出射端面齐平，现有技术中高功率光信号集中在光纤头2的出光端面某一点，本发明将高功率光信号分散至光纤头2的出光端面大部，同时也使发热相较现有技术更加均匀的分布在光纤头2的出光端面，增强了高功率光纤准直器的高抗光损伤能力。
以上图1、图2和图3所示的方案，扩束光纤23具体为无芯光纤或多模光纤。
以上图1、图2和图3所示的方案，过渡胶4折射率位于准直透镜3的折射率和光纤的折射率间。
以上图1、图2和图3所示的方案，还可以在通光面均通过离子束溅射工艺镀有减反射膜，同时光纤头2和准直透镜3的向对面设置成8度角，以增加透光率和减少反射干扰；通过激光器可以测量减反射膜的抗激光损伤阈值，测量方法为对准直器激光器输出不同功率的、持续时长5min的连续激光，激光的波长为1064nm，通过监控准直器的RL(回波损耗)变化判断其抗激光损伤阈值的性能，传统镀膜的准直器与离子束溅射镀膜的准直器的抗激光损伤阈值的性能对比测量结果如图5所示，其中A1、A2、A3为传统镀膜的准直器，B1、B2、B3为离子束溅射镀膜的准直器；传统镀膜的准直器在激光器功率4W/CM2时回波损耗RL约为20dB,说明产品已经被激光损伤，离子束溅射工艺的准直器在该激光器功率为10W/CM2时回波损耗RL几乎没有变化,说明抗高功率激光损伤阈值已经达到了10W/CM2，完全满足光纤准直器抗高功率损伤阈值的要求；因此可以降低出射端面的温度，防止靠近出射端面的固化胶的炭化；新工艺镀膜材料为氧化铪和二氧化硅，镀膜时，主离子源对靶材进行轰击，溅射出靶材的分子沉积到产品上以形成薄膜，采用离子束溅射工艺镀膜有效的增强了减反射膜抗高功率激光损伤阈值能力。
同样的，本发明中通过光纤头与透镜间增加过渡胶或者直接光胶结合的方案，使得准直器内部的胶挥发物不会造成通光面的污染，避免了光纤头和透镜平面端的通光面因为胶挥发物污染而导致的激光损伤阈值降低。
以上图1和2所示的方案，还可以对光纤头2的出光端面与准直透镜3的入光端面进行超光滑抛光处理；以上图3所示的方案，还可以对光纤头2和准直透镜3的光胶键合面进行超光滑抛光处理，同时也可以在准直透镜3的出光端面与凹透镜4的入光端面进行超光滑抛光处理；通过原子力显微镜和轮廓仪可以测量抛光后出射端面11的粗糙度，采用传统工艺抛光和采用新工艺抛光的对比测量结果图4所示，传统工艺抛光后的出射端面11粗糙度Ra在0.9-1.0nm之间，而使用超光滑工艺抛光后粗糙度Ra在0.3-0.4nm之间；因此采取超光滑工艺，加工出来的产品粗糙度得到改善，满足光纤准直器的抗损伤阈值要求。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (9)
1.一种高功率的光纤准直器，包括套管(1)、光纤头(2)和准直透镜(3)，其特征在于，所述光纤头(2)前端熔接有扩束光纤(23)，所述光纤头(2) 和准直透镜(3)的端面都经过高光抛光处理，所述扩束光纤(23)的出光端面与所述准直透镜(3)端面之间无间隙超紧密连接在一起；
所述套管(1)的内壁呈两段式阶梯状，具体为小内径段和大内径段两段，所述光纤头(2)固定在所述套管(1)的小内径段上并向大内径段伸出，所述准直透镜(3)固定在所述套管(1)的大内径段上并与其匹配；所述光纤头(2)与所述套管(1)的大内径段间形成有空腔(11)，所述套管(1)外壁上设置有与所述空腔(11)连通的第一注胶孔(12)；所述光纤头(2)与所述准直透镜(3)间注满有过渡胶(4)。
2.根据权利要求1所述的高功率的光纤准直器，其特征在于，所述套管(1)外壁上还设置有与所述空腔(11)连通的排气孔(13)，所述排气孔(13)设置在所述空腔(11)靠近所述套管(1)的小内径段的一端上，所述第一注胶孔(12)设置在所述空腔(11)靠近所述准直透镜(3)的一端上；所述排气孔(13)和所述第一注胶孔(12)分别设置在所述套管(1)的两侧。
3.根据权利要求1所述的高功率的光纤准直器，其特征在于，所述光纤头(2)的出光端面和所述准直透镜(3)的入光端面均通过超光滑加工进行抛光处理，且其上通过离子束溅射工艺镀有减反射膜。
4.根据权利要求1所述的高功率的光纤准直器，其特征在于，所述光纤头(2)的出光端面与准直透镜(3)的入射端面光胶连接形成一体，所述准直透镜(3)远离所述光纤头(2)的一端设置有用于调节光传输的凹透镜(5)；所述凹透镜(5)与所述准直透镜(3)间填满过渡胶(4)，所述套管(1)上设置有用于向所述凹透镜(5)与所述准直透镜(3)间注胶的第二注胶孔(14)。
5.根据权利要求4所述的高功率的光纤准直器，其特征在于，所述准直透镜(3)的出光端面与所述凹透镜(5)的入光端面均通过超光滑加工进行抛光处理，且其上通过离子束溅射工艺镀有减反射膜。
6.根据权利要求1所述的高功率的光纤准直器，其特征在于，所述光纤头(2)包括毛细管(21)，和固定在所述毛细管(21)内的单模光纤(22)；所述单模光纤(22)的出光端与所述扩束光纤(23)熔接；所述扩束光纤(23)的出光端面与所述光纤头(2)的出射端面齐平，并与所述准直透镜(3)对应端面平行设置。
7.根据权利要求2或6所述的高功率的光纤准直器，其特征在于，所述扩束光纤(23)具体为无芯光纤或多模光纤。
8.根据权利要求1所述的高功率的光纤准直器，其特征在于，所述光纤头(2)的出射端面为8度斜端面。
9.根据权利要求2所述的高功率的光纤准直器，其特征在于，所述过渡胶(4)折射率位于所述准直透镜(3)的折射率和所述光纤的折射率之间。
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