CN112987199A - 一种高功率激光合束及激光合束的生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及激光器生产制造技术领域，具体而言，涉及一种高功率激光合束及激光合束的生产方法。高功率激光合束包括传能光纤和多根输入信号臂；输入信号臂的一端为斜锥形，且具有至少一个拼接面。多根输入信号臂通过拼接面进行拼接，形成锥形的拼接端，拼接端与传能光纤的一端连接。激光合束的生产方法为：将输入信号臂的一端进行加工成斜锥形，将多根输入信号臂进行拼接，形成锥形的拼接端，将拼接端与传能光纤的一端连接。本发明不需要进行加热拉锥处理，不会改变输入信号臂原有的形态，进而不会改变激光的发散角，最终实现提高合束后的激光输出光束的质量；增加输入信号臂和输出传能光纤的包层光剥除处理提高了器件抗回光能力。
Description
技术领域
本发明涉及激光器生产制造技术领域，具体而言，涉及一种高功率激光合束及激光合束的生产方法。
背景技术
激光功率合束器属于高功率光纤无源器件，主要用于高功率光纤激光器合束实现更高功率的多模输出，一般由于大于5000W及万瓦以上多模光纤激光器。随着激光工业加工工业的发展和工艺技术的提高，高功率的光纤激光器的需求日益增加，突破激光功率合束技术，是实现更高功率合束输出的关键条件。
目前的激光功率合束一般采用套管拉锥的方式实现，采用低折射率的石英管套在光纤紧靠的光纤束外侧，将套好的光纤束整体拉锥，让纤芯变细，低折射率的石英管作为外包层将拉锥外溢的光束缚住，然后经过切割端面后，熔接输出光纤，将多根纤芯传输激光的信号光纤耦合到一根纤芯较大的传能光纤中。
目前现有的用低折射率的石英管作为外包层套管拉锥的方法在加热拉锥的过程中会将输入的信号激光的发散角变大，使得耦合输出传能光纤后，传输的激光的发散角较大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高功率激光合束及激光合束的生产方法，其不会增加传输的激光的发散角。
本发明的实施例是这样实现的：
第一方面，本发明提供一种高功率激光合束，包括传能光纤和多根输入信号臂；
所述输入信号臂的一端为斜锥形，且具有至少一个拼接面；
多根所述输入信号臂通过拼接面进行拼接，形成锥形的拼接端，所述拼接端与所述传能光纤的一端连接。
在可选的实施方式中，所有的所述输入信号臂的纤芯的外接圆的直径小于所述传能光纤的芯径。
第二方面，本发明提供一种激光合束的生产方法，将输入信号臂的一端进行加工成斜锥形，将多根所述输入信号臂进行拼接，形成锥形的拼接端，将所述拼接端与传能光纤的一端连接。
在可选的实施方式中，多根所述输入信号臂拼接时，通过粘接进行固定。
在可选的实施方式中，所述输入信号臂上靠近拼接端的裸纤侧面进行包层光剥除处理。
在可选的实施方式中，所述拼接端与所述传能光纤之间的连接方式为熔接。
在可选的实施方式中，在进行熔接前，对所述传能光纤上与所述拼接端进行熔接的一端进行部分包层光剥除处理。
在可选的实施方式中，在熔接后，将所述输入信号臂与所述传能光纤的包层光剥除处理的位置进行封装。
在可选的实施方式中，在对所述输入信号臂进行拼接前，对加工后的部分进行强酸清洗。
在可选的实施方式中，所述拼接端的端部平齐。
本发明实施例的有益效果是：
通过对信号臂光纤进行加工，成斜锥形拼接面，通过拼接面将多根输入信号臂进行连接，再与传能光纤进行连接，形成高功率激光合束。
本发明不需要进行加热拉锥处理，不会改变输入信号臂原有的形态，进而不会改变激光的发散角，最终实现提高合束后的激光输出光束的质量。
本发明在输入信号臂和输出传能光纤都做了包层光剥除处理，提高了器件抗回光能力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本发明实施例提供的高功率激光合束的输入光纤信号臂的侧视图；
图2为图1的左侧端面形状示意图；
图3为图1的右侧端面形状示意图；
图4为本发明实施例提供的高功率激光合束的结构示意图；
图5为图4的A-A剖视图；
图6为本发明实施例提供的高功率激光合束中的输入信号臂进行合束前后的示意图；
图7为本发明实施例提供的高功率激光合束中进行合束时所使用的装置示意图；
图8为本发明实施例提供的激光合束的生产流程图。
图标：1-输入信号臂；2-纤芯；3-拼接面；4-熔接处；5-剥离段；6-传能光纤；7-夹具；8-光纤束。
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，所描述的实施例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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动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。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合图1-图7，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明提供一种高功率激光合束，如图1-图7所示，包括传能光纤6和多根输入信号臂1；输入信号臂1的一端为斜锥形，且具有至少一个拼接面3，多根输入信号臂1通过拼接面3进行拼接，形成锥形的拼接端，拼接端与传能光纤6的一端连接。
在本实施例中，输入信号臂1为多根，输入信号臂1经过加工处理后，形成拼接面3，多根输入信号臂1的一端通过拼接面3进行拼接后，形成锥形的拼接端，输入信号臂1的另一端不进行拼接。在将输入信号臂1拼接后，再将拼接端与传能光纤6再进行连接，最终形成高功率激光合束。
具体的，在本实施例中，输入信号臂1的纤芯2与传能光纤6的纤芯2进行匹配，以保证输入信号臂1的光信号能够传输到传能光纤6中。
更具体的，在可选的实施方式中，所有的输入信号臂1的纤芯2的外接圆的直径小于传能光纤6的芯径。
这样的设置，使得输入信号臂1中的输入光信号能够全部进入到传能光纤6的纤芯2中，实现光信号的完整传导。
本发明提供一种激光合束的生产方法，如图8所示，将输入信号臂1的一端进行加工成斜锥形，将多根输入信号臂1进行拼接，形成锥形的拼接端，将拼接端与传能光纤6的一端连接。
在本实施例中，将输入信号臂1的一端加工成斜锥形后，会形成一个与输入信号臂1的端面成一定夹角的拼接面3，拼接面3的数量根据输入信号臂1的数量进行设置，如当输入信号臂1的数量为2根时，拼接面3的数量为1个；当输入信号臂1的数量为3根时，拼接面3的数量为2个；当输入信号臂1的数量为更多根时，拼接面3的数量为3个或更多。
具体的，在本实施例中，每根输入信号臂1上的拼接面3的角度、宽度等可以是相同的，也可以是不相同的，其只要能够通过拼接面3形成锥形的拼接端即可。
在本实施例中，激光合束的方法可保持合束激光信号良好的光束发散角，可承受高功率不发热，合束后的光束可保持良好的光束质量。成品率高，也可以很好的控制器件的发热。同时，考虑到激光合束应用与万瓦级以上大功率激光器，在做激光激光加工时，会存在大功率的返回光进入激光合束系统中，本发明提出的激光合束的方法中，针对高功率加工时的回返光做了有效剥除，大大提高了高功率光纤激光器的可靠性。
在可选的实施方式中，多根输入信号臂1拼接时，通过粘接进行固定。
需要指出的是，输入信号臂1拼接后可以是通过粘接进行固定，也可以是通过其他的方式进行固定，其只要能够将拼接后的输入信号臂1进行固定，避免输入信号臂1散开，便于将合束后的输入信号臂1连接在传能光纤6上即可。
在可选的实施方式中，拼接面3的加工方法化学腐蚀。
具体的，在本实施例中，通过切削的方式加工出拼接面3后，各个输入信号臂1再通过相应的拼接面3进行拼接，并在端部形成拼接端，再通过拼接端能够与传能光纤6进行连接，形成完整的高功率激光合束。
需要指出的是，拼接面3的加工方法可以是化学腐蚀，但其不仅仅局限于这一种方式，其只要能够在不影响输入信号臂1的性能的前提下，在输入信号臂1上形成拼接面3即可。
在可选的实施方式中，输入信号臂上靠近拼接端的侧臂上进行包层光剥除处理。
通过包层光剥除处理，可以有效的防止激光加工过程中的返回光烧毁信号纤的涂层。
在可选的实施方式中，拼接端与传能光纤6之间的连接方式为熔接。
通过熔接的方式将输入信号臂1的拼接端与传能光纤6进行连接后，能够保证光信号的正常传输。
需要指出的是，输入信号臂1的拼接端与传能光纤6之间的连接方式可以是熔接，但其不仅仅局限于熔接，其只要能够保证光信号传输性能的前提下，将输入信号臂1与传能光纤6进行连接即可。
在可选的实施方式中，在进行熔接前，对传能光纤6上与拼接端进行熔接的一端进行部分包层光剥除处理。
在本实施例中，对传能光纤6上与拼接端进行连接的一端，也进行包层光剥除处理，形成剥离段5，使得在将输入信号臂1与传能光纤6进行熔接后，能够便于对熔接处4进行统一处理，保证熔接处4的强度。
在可选的实施方式中，在熔接后，将输入信号臂1与传能光纤6的剥除处理部分进行封装。
具体的，对传能光纤6和输入信号臂1进行熔接后，将输入信号臂1上的包层光剥离的部分，以及传能光纤6上的包层光剥离的部分进行统一的封装，进而既能够保证光信号的正常传输，有能够保证输入信号臂1与传能光纤6之间的连接强度。
在可选的实施方式中，在对输入信号臂1进行拼接前，对加工后的部分进行强酸清洗。
容加工后的部分进行强酸清洗后，避免包层光剥离时的碎屑对光信号的传导产生影响，保证了光信号的稳定性和准确性。
在可选的实施方式中，拼接端的端部平齐。
由上述可以看出，本发明提供的高功率激光合束原理以及激光合束的生产原理为：
高功率激光合束包括合束的光纤束8和耦合输出的传能光纤6，将制作好的光纤束8与传能光纤6进行对准熔接，使得光纤束8的所有纤芯2光都可以进入传能光纤6的纤芯2中。其中，激光合束的光纤束8可以有2，3，4，5，7等N个输入信号臂1组成，输入信号臂1经过处理磨掉部分区域的外包层，使得输入信号臂1的纤芯2紧靠，纤芯2紧靠后的外轮廓圆直径小于传能光纤6的芯径，实现理论上无损耗耦合，同时每个输入信号在靠近斜锥区的附近做了包层光剥除处理，将回返光进入包层的部分做有效滤除，将制作好的光纤束8与输出传能光纤6熔接，为了保护传能光纤6进光端的涂覆层，在传能光纤6的熔接处4附近的裸纤做一段包层光剥除区域，使得熔接时进入包层或激发的大发散角的激光成分从剥离区域剥除，以防进入涂覆层发热损坏光纤。
具体的激光合束的制作方法为：
输入光纤束8由N根输入信号臂1(即双包层光纤)组成，激光在输入信号臂1的纤芯2内传输。
为了让N根输入信号臂1的纤芯2能够耦合到一根大芯径的传能光纤6中，N根输入信号臂1需纤芯2紧靠在一起，使得输入信号臂1的纤芯2轮廓面积小于输出传能光纤6的纤芯2，才可以将激光近无损耗的耦合进入传能光纤6。方案先将每一根输入信号臂1的一端去除合适长度的涂覆层后，将裸纤磨掉部分的包层，加工成斜锥形，将输入信号臂1的部分包层减少，最薄的包层厚度不小于2微米。然后在靠近锥形区的裸纤区域(即拼接端)采用化学刻蚀做适当长度的包层光剥除区，整个裸纤采用强酸清洗干净；再用光纤切割刀在锥形区域包层最薄的位置切割出光滑的端面。将每一根光纤用UV软胶固定在上下可调的夹具7上，如图7所示，在显微镜下将所有输入信号臂1的拼接面3进行紧靠，并将拼接端的端部调节到平齐的状态，用紧缩套管把所有的光纤紧靠在一起，用高粘度的UV胶粘接光纤的涂覆层区域，形成所有端面平齐在一个端面的光纤束8，之后在将光纤束8与传能光纤6进行熔接，得到最终的高功率激光合束。
传能光纤6处理：
耦合输出的传能光纤6在熔接前，先将涂覆层剥除，采用化学刻蚀或物理雕刻的方式(方法不限)在裸纤区域做一段包层光剥除，使得熔接时进入包层的激光被剥除掉。
将制作好的光纤束8和传能光纤6进行熔接，两端涂覆层的处用UV胶进行固定封装。
由上述可以看出，本发明中的输入信号臂1的纤芯2紧靠一起，不需要套管和加热拉锥，保持了输入信号臂1原有的形态，同时降低成本(低折射率的石英管较昂贵)和制作难度，因为套管拉锥的工艺需要的锥区较长，拉锥工艺较难控制，而且整束光纤束8的切割成品率较本发明专利的单根切割的方法也是偏低的。另外，本发明在每一个信号输入臂和输出传能光纤6都增加了包层光的剥除，大大提高了器件抗击返回光的能力。
本发明实施例的有益效果是：
通过对信号臂光纤进行加工，成斜锥形拼接面3，通过拼接面3将多根输入信号臂1进行连接，再与传能光纤6进行连接，形成高功率激光合束。
本发明不需要进行加热拉锥处理，不会改变输入信号臂1原有的形态，进而不会改变激光的发散角，最终实现提高合束后的激光输出光束的质量。
本发明在输入信号臂1和输出传能光纤6都做了包层光剥除处理，提高了器件抗回光能力。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高功率激光合束，其特征在于，包括传能光纤和多根输入信号臂；
所述输入信号臂的一端为斜锥形，且具有至少一个拼接面；
多根所述输入信号臂通过拼接面进行拼接，形成锥形的拼接端，所述拼接端与所述传能光纤的一端连接。
2.根据权利要求1所述的高功率激光合束，其特征在于，所有的所述输入信号臂的纤芯的外接圆的直径小于所述传能光纤的芯径。
3.一种激光合束的生产方法，其特征在于，将输入信号臂的一端进行加工成斜锥形，将多根所述输入信号臂进行拼接，形成锥形的拼接端，将所述拼接端与传能光纤的一端连接。
4.根据权利要求3所述的激光合束的生产方法，其特征在于，多根所述输入信号臂拼接时，通过粘接进行固定。
5.根据权利要求3所述的激光合束的生产方法，其特征在于，所述输入信号臂上靠近所述拼接端的裸纤侧面进行包层光剥除处理。
6.根据权利要求3所述的激光合束的生产方法，其特征在于，所述拼接端与所述传能光纤之间的连接方式为熔接。
7.根据权利要求6所述的激光合束的生产方法，其特征在于，在进行熔接前，对所述传能光纤上与所述拼接端进行熔接的一端进行部分包层光剥除处理。
8.根据权利要求7所述的激光合束的生产方法，其特征在于，在熔接后，将所述输入信号臂与所述传能光纤的包层光剥除处理的位置进行封装。
9.根据权利要求3所述的激光合束的生产方法，其特征在于，在对所述输入信号臂进行拼接前，对加工后的部分进行强酸清洗。
10.根据权利要求3所述的激光合束的生产方法，其特征在于，所述拼接端的端部平齐。
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2021
- 2021-03-02 CN CN202110232152.4A patent/CN112987199B/zh active Active
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Denomination of invention: A production method for high-power laser beam combining and laser beam combining Granted publication date: 20230505 Pledgee: Zhejiang Wenling Rural Commercial Bank Co.,Ltd. Pledgor: Zhejiang Thermal Stimulation Optical Technology Co.,Ltd. Registration number: Y2024330000001 |