CN113219588B - 一种光纤合束器的制作方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明适用于光纤激光器领域，提供一种光纤合束器的制作方法及装置，本发明方法首先对每根输入光纤单独拉锥，然后再对其进行组束，相比起先组束后一起拉锥的方法，拉锥后光纤的尺寸可以精确控制，避免多根组束光纤一起拉锥导致的尺寸和模场不可精确控制的缺点，可以精确控制拉锥后的光纤尺寸以及模场分布和模式耦合，也非常方便后续对光纤组束区的切割以及其与合束输出光纤的熔接；另外，本制作方法在组束裸纤周围沉积石英层时，裸纤部分不需要接触套管或夹具，大大降低了被污染的风险，而直接沉积的石英层同样具有高的洁净度。

Description

一种光纤合束器的制作方法及装置

技术领域

本发明属于光纤激光器领域，尤其涉及一种光纤合束器的制作方法及装置。

背景技术

相比于固体激光器，光纤激光器有着激光效率高、易于热管理、光束质量好、小巧轻便、环境稳定性好等优势，近年来得到了飞速发展，被广泛应用于材料加工、航天航空、军事国防、生物医疗等领域。光纤合束器作为高功率光纤激光器的核心器件之一，直接决定光纤激光器能否实现全光纤化，同时对其泵浦光耦合效率、输出激光光束质量、激光系统稳定性等参数有着重要影响，因此高耦合效率高功率光纤合束器是获得高功率光纤激光器的前提和强有力的光纤器件支撑，已成为当今光纤激光领域研究的热点和关键问题。

按照泵浦方式分类，目前高功率光纤合束器主要分为端面泵浦和侧面泵浦两种，由于侧面泵浦技术的系统结构一般比较复杂复杂、加工精度要求高、耦合效率低、不易于封装保存，不利于大功率的光纤激光输出和批量商业化，因此在高功率光纤激光器的生产中，端面泵浦方式成为主流应用。

目前端面泵浦光纤合束器的制作主要包括：组束、拉锥、切割和熔接四个步骤。

具体的，需要先将全部输入光纤中部的涂覆层剥除一段，形成“窗口”，然后通过夹具固定输入光纤两端，使其按照中心对称的形状排列，形成光纤束，并要尽可能始终保持光纤水平和排列形状不变；然后使输入光纤束的剥除涂覆层的“窗口”区域贴合在一起，接着在热源加热下，对熔融合束的光纤束拉锥，最后将拉锥后的光纤束在特定的位置处切断后与输出光纤熔接。

目前的操作相对简单，光纤排列标准，同轴性好，但是也存在一些缺点，比如将输入光纤插入夹具时，剥除了涂覆的裸纤很容易被污染，在使用时形成高温，甚至烧毁合束器；热源移动速度与组束光纤向两侧被拉伸的速度不匹配，造成拉锥区域受热不均匀；加热过程中，不同光纤中的应力分布不均匀导致弯曲程度不同，引入额外损耗。另外，剥除涂覆层的“窗口”区域也不能简单且准确的贴合在一起，给后续熔融拉锥造成难度。总之，目前光纤合束器制备方法相对比较复杂，而且制作的光纤合束器成品率有待提高。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种光纤合束器的制作方法及装置，旨在解决现有光纤合束器制作工艺复杂、成品率不高的技术问题。

一方面，所述光纤合束器的制作方法包括下述步骤：

步骤S1、将需要合束的全部输入光纤一端的涂覆层剥除干净，对剥除涂覆层后的裸纤进行清洗；

步骤S2、分别对每根裸纤进行单独拉锥至合适直径和长度，按照圆形中心对称结构将全部输入光纤排列好并用石英套管固定，将固定好的光纤组束的拉锥裸纤部分再次清洗；

步骤S3、用环形夹具将石英套管固定住，将拉锥后高洁净度的光纤组束拉锥裸纤穿过石英玻璃反应管，且拉锥裸纤插入至圆盘夹具对应的小孔中，通过调节保证环形夹具、石英套管、光纤组束、石英玻璃反应管以及圆盘夹具的中心轴线在同一水平线上，其中圆盘夹具上的小孔排布与输入光纤的排布一致；

步骤S4、驱动石英套管和/或圆盘夹具转动，使得拉锥裸纤之间贴合，抽出石英玻璃反应管中空气和杂质气体并同时通入原料气体，使得原料气体充满石英玻璃反应管，继续保持通入原料气体，开启微波磁控管使得原料气体被电离成等离子体，高温的等离子体接触到温度相对较低的拉锥裸纤，以玻璃态沉积在拉锥裸纤周围，同时水平直线缓慢移动石英玻璃反应管，控制沉积长度；

步骤S5、对光纤组束的沉积部分进行切割保留合适长度；

步骤S6、将光纤组束的切割端面与无源合束光纤熔接，最后采用金属封装壳进行封装，得到光纤合束器。

进一步的，所述步骤S4具体包括：

圆盘夹具先扭转一定角度，使得拉锥裸纤朝向石英套管一端开始贴合；

抽出石英玻璃反应管中杂质气体并同时通入原料气体，使得原料气体充满石英玻璃反应管，继续保持通入原料气体，开启微波磁控管；

驱动石英套管和圆盘夹具同时匀速转动，且圆盘夹具转速快于石英套管，使得拉锥裸纤的接触点逐渐朝向圆盘夹具方向移动，同时水平直线缓慢移动石英玻璃反应管，使得原料气体被电离成等离子体，高温的等离子体接触到温度相对较低的拉锥裸纤，以玻璃态沉积在拉锥裸纤表面和之间间隙。

进一步的，所述步骤S5具体包括：

采用微米级厚度测量仪沿光纤组束方向对沉积部分进行直径测量，采点测量数据的数量不小于5个，计算采点测量数据是否在误差要求范围内，若不满足要求，则进一步对沉积部分进行腐蚀处理，经过一段时间腐蚀后，将其取出并采用超声清洗仪对腐蚀区进行彻底清洁，再次进行直径测量，直至满足要求；

然后截取保留合适长度。

进一步的，所述步骤S6中，金属封装壳的封装区覆盖全部裸纤区域，并在裸纤区域周围滴涂高折射率材料，然后再封装。

进一步的，步骤S1中，用超声清洗仪和高纯度酒精对剥除涂覆层后的裸纤进行清洗。

另一方面，所述光纤合束器的制作装置，包括调整架、反应管支架和夹具支架，所述调整架上安装环形夹具，所述环形夹具上安装有用于固定光纤组束的石英套管，所述反应管支架上安装有石英玻璃反应管，所述石英玻璃反应管外周设有微波谐振腔，所述微波谐振腔连接有微波磁控管，所述石英玻璃反应管还连接有气泵和原料气柜，所述夹具支架上有可转动的圆盘夹具，所述圆盘夹具上均匀开有多个小孔，所述环形夹具、石英套管、石英玻璃反应管以及圆盘夹具的中心轴线在同一水平线上。

进一步的，所述调整架包括前后调节机构、上下调节机构和俯仰调节机构。

进一步的，所述反应管支架包括水平轨道，所述水平轨道上安装有立架，所述立架定有夹紧件，所述夹紧件夹紧石英玻璃反应管。

进一步的，所述夹具支架顶部有旋转组件，所述圆盘夹具安装在所述旋转组件上。

进一步的，所述石英玻璃反应管整体为圆柱形，朝向环形夹具一端开口，朝向圆盘夹具一端向内形成一圈挡环。

本发明的有益效果是：首先，本制作方法对每根输入光纤单独拉锥，然后再对其进行组束，相比起先组束后一起拉锥的方法，拉锥后光纤的尺寸可以精确控制，避免多根组束光纤一起拉锥导致的尺寸和模场不可精确控制的缺点，可以精确控制拉锥后的光纤尺寸以及模场分布和模式耦合，也非常方便后续对光纤组束区的切割以及其与合束输出光纤的熔接；另外，本制作方法在组束裸纤周围沉积石英层时，裸纤部分不需要接触套管或夹具，大大降低了被污染的风险，而直接沉积的石英层同样具有高的洁净度。

附图说明

图1是本发明实施例提供的光纤合束器的制作装置的结构图；

图2是本发明实施例提供的圆盘夹具的结构图；

图3是输入光纤组束的排布图；

图4是腐蚀示意图；

图5是光纤熔接示意图；

图6是石英玻璃反应管的结构图。

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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

图1示出了本发明实施例提供的光纤合束器的制作装置的结构，为了便于说明仅示出了与本发明实施例相关的部分。

如图1所示，本实施例提供的光纤合束器的制作装置，包括调整架1、反应管支架2和夹具支架3，调整架1上安装有环形夹具4，所述环形夹具4上安装有用于固定光纤组束的石英套管5，环形夹具4可驱动石英套管5转动，本实施例中，所述环形夹具通过旋转马达和光纤夹具制成。所述反应管支架2上安装有石英玻璃反应管6，所述石英玻璃反应管6外周设有微波谐振腔71，所述微波谐振腔71连接有微波磁控管72，所述石英玻璃反应管6还连接有气泵73和原料气柜74，所述夹具支架3上有可转动的圆盘夹具8，如图2所示，所述圆盘夹具8上均匀开有多个小孔81，所述环形夹具4、石英套管5、石英玻璃反应管6以及圆盘夹具8的中心轴线在同一水平线上。

本结构中，所述调整架1是三维调整架，可在水平方向的前后和上下高度调整，调整架具有前后调节机构、上下调节机构和俯仰调节机构，各调整方向均标有刻度，其中集成水平仪，保证光纤组束始终与水平线保持平行，移动的步进精度及距离通过中央计算机控制，最小步进精度为10μm。所述反应管支架2可驱动石英玻璃反应管前后移动，包括水平轨道21，所述水平轨道21上安装有立架22，所述立架22定有夹紧件23，所述夹紧件夹23紧石英玻璃反应管6。所述夹具支架3用于安装圆盘夹具，且驱动圆盘夹具转动，具体的，夹具支架3顶部有旋转组件31，所述圆盘夹具8安装在所述旋转组件31上。

所述石英玻璃反应管始终保持水平，反应管两端分别开有供拉锥裸纤通过的通道。为保证沉积均匀，反应管长度应远小于拉锥光纤的长度，比如反应管长度和拉锥光纤的长度比为1:10。

所述微波磁控管作为微波源，所述微波谐振腔可以产生稳定的电磁振荡输出，原料气体在微波作用下电离而形成的等离子体。

所述原料气柜向石英玻璃反应管中通入SiCl₄、GeCl₄、O₂等原料气体，气体流量及流速由中央计算机控制。

所述气泵用于排出反应管中的空气及杂质，排气速度通过计算机软件控制。

所述圆盘夹具用于夹住拉锥裸纤，小孔数量及分布与输入光纤数量及组束排布对应。小孔间距离不宜过大。

基于上述结构，本实施例提供的光纤合束器的制作方法如下：

步骤S1、将需要合束的全部输入光纤一端的涂覆层剥除干净，对剥除涂覆层后的裸纤进行清洗。

本实施例不限定需要合束的输入光纤，按圆中心对称结构排列，即以一根光纤为中心，其余光纤环绕其周围，假设环绕圈数为n，可计算其总的输入光纤数量N=1+3n（n+1）。

如图3所示输入光纤的一种排列方式，其中中央的输入光纤可以为输入泵浦光纤，也可以为输入信号光纤，当为输入泵浦光纤时，其结构为单包层结构，当为输入信号光纤时，其结构为双包层结构。除中央位置光纤外，其他外层环绕光纤均为输入泵浦光纤，均为单包层结构。作为一种选材列举，输入泵浦光纤采用纤芯/包层/涂覆层尺寸为200/220/320μm的单包层光纤，输入信号光纤采用纤芯/包层/涂覆层尺寸为20/400/530μm的双包层光纤。

将全部输入光纤一端的涂覆层剥除干净，在剥除过程中需注意保持剥除分界线的平整光滑，避免切口处的涂覆层产生毛刺断层，用超声清洗仪和高纯度酒精对剥除后的裸纤进行清洗，保证涂覆残留物和灰尘被完全清除。

步骤S2、分别对每根裸纤进行单独拉锥至合适直径和长度，按照圆形中心对称结构将全部输入光纤排列好并用石英套管固定，将固定好的光纤组束的拉锥裸纤部分再次清洗。

本步骤分别对每根裸纤进行单独拉锥，将内包层直径为220μm 的光纤拉锥至133.3μm，拉锥后的直径为133.3μm，拉锥长度为10cm，按照圆形中心对称结构将7根输入光纤排列好后，用石英套管固定好光纤组束，将固定好的光纤组束的拉锥裸纤部分再次放入超声清洗仪中清洗30-60s。

步骤S3、用环形夹具将石英套管固定住，将拉锥后高洁净度的光纤组束拉锥裸纤穿过石英玻璃反应管，且拉锥裸纤插入至圆盘夹具对应的小孔中，通过调节保证环形夹具、石英套管、光纤组束、石英玻璃反应管以及圆盘夹具的中心轴线在同一水平线上，其中圆盘夹具上的小孔排布与输入光纤的排布一致。

石英套管用环形夹具固定，拉锥裸纤穿过石英玻璃反应管，且通过圆盘夹具固定，通过调节调整架，包括前后调节、左右调节和俯仰调节，保证环形夹具、石英套管、光纤组束以及石英玻璃反应管、圆盘夹具的中心轴线在同一水平线上。

步骤S4、驱动石英套管和/或圆盘夹具转动，使得拉锥裸纤之间贴合，抽出石英玻璃反应管中空气和杂质气体并同时通入原料气体，使得原料气体充满石英玻璃反应管，继续保持通入原料气体，开启微波磁控管使得原料气体被电离成等离子体，高温的等离子体接触到温度相对较低的拉锥裸纤，以玻璃态沉积在拉锥裸纤周围，同时水平直线缓慢移动石英玻璃反应管和圆盘夹具，控制沉积长度。

本步骤需要将拉锥裸纤进行贴合，便于后续沉积石英层，比如可以控制圆盘夹具转动一定圈数或角度即可。然后先通过气泵抽出石英玻璃反应管中空气和杂质气体，同时也开启气柜引入通入原料气体，最后排气完毕后再开启微波磁控管，原料气体在微波作用下电离而形成的等离子体，能量大大增加并发生反应，温度较低的石英光纤裸纤吸收这些物质反应后释放的能量，依靠该能量，反应物来不及形成晶体排序，将以玻璃态沉积在石英光纤周围，沉积层为纯石英层，折射率与输入光纤包层折射率一致。由于在沉积过程中，需要持续通过原料气体，石英玻璃反应管内部气压大于外部气压，原料气体会外溢，保证外部其他不会进入石英玻璃反应管污染沉积层。

为了保证沉积均匀度，在沉积过程中石英套管和圆盘夹可同时转动，使得拉锥裸纤在石英玻璃反应管内匀速转动，提高均匀度。由于石英玻璃反应管的长度是远小于拉锥裸纤长度，因此还需要在沉积过程中缓慢移动石英玻璃反应管，可控制沉积长度。通过控制原料气体流量和进料速度控制沉积速度和厚度。

步骤S5、对光纤组束的沉积部分进行切割保留合适长度。

沉积完成后，采用微米级厚度测量仪沿光纤组束方向对沉积后裸纤进行直径测量，采点测量数据的数量不小于5个，采点测量数据绘成折线图，并同步计算采点测量数据是否在误差要求范围内，误差要求范围为400±5μm。若不满足要求，则进一步对沉积后的裸纤进行腐蚀处理，腐蚀装置如图4所示，装有氢氟酸的容器（可用耐腐蚀的塑料如PET、PVC塑料等制成，容器透明，容器上刻度精度为1mm）固定在底部滑轨上，将光纤组束竖直加载至调整支架上，使沉积区竖直浸没入氢氟酸中，浸入氢氟酸中的光纤组束长度同样通过中央计算机控制，浸没长度与沉积长度一致。通过控制氢氟酸浓度，腐蚀速度可以被量化，从而精确控制腐蚀量。

经过一段时间腐蚀后，将其取出并采用超声清洗仪对腐蚀区进行彻底清洁，再次沿光纤组束轴向方向对其进行直径测量，采点数量同样不小于5个，直至满足要求。

光纤组束进行充分清洁后，对其进行切割，截取保留合适长度。

步骤S6、将光纤组束的切割端面与无源合束光纤熔接，最后采用金属封装壳进行封装，得到光纤合束器。

光纤组束的切割端面与尺寸为20/400μm的无源合束光纤熔接，如图5所示，其中20/400μm合束光纤的纤芯和包层折射率分别为0.06和0.46。最后采用金属封装壳进行封装，封装区应包括全部裸纤区域，并在裸纤周围滴涂高折射率材料，将泄露至包层中的模式滤除，防止产生高温。

上述步骤S4是对裸纤沉积石英过程的描述。沉积过程的关键是在于保持裸纤紧密贴合，作为一种具体方案，上述步骤S4也描述了，首先转动圆盘夹具使得裸纤扭转，可使整个需要沉积石英的裸纤部分全部贴合，然后开始沉积石英，沉积过程中，石英套管和圆盘夹具同步旋转，保证均匀度，并且石英玻璃反应管也会沿着裸纤直线移动，实现沉积长度控制。这是一种可行方式，但是此方式也会存在一个问题，在沉积前裸纤需要沉积的部分已经全部贴合了，在沉积过程中，原料气体电离后形成的玻璃态石英只能沉积在裸纤束的整体表面，无法进入到裸纤之间间歇中，使得内部有气隙，一定程度上会影响合束器的质量。

因此作为一种优选沉积方式，首先圆盘夹具先扭转一定角度，使得拉锥裸纤朝向石英套管的一端先开始贴合，即图1中拉锥裸纤左端先贴合接触，而右端是张开的，此时开始抽出石英玻璃反应管中杂质气体并同时通入原料气体，使得原料气体充满石英玻璃反应管，继续保持通入原料气体，开启微波磁控管开始沉积石英，沉积的同时驱动石英套管和圆盘夹具匀速转动，且圆盘夹具转速快于石英套管，即两者有相对转速差，此时得拉锥裸纤贴合的接触点会逐渐向右侧移动，同时同步水平直线缓慢移动石英玻璃反应管，使得原料气体形成玻璃态沉积层沉积在拉锥裸拉表面和之间间隙。本方式中，首先只需裸纤一端贴合接触，然后通过转速差使得其他部分逐渐接触贴合，而非直接全部贴合，这样由于贴合接触点的右侧的裸纤是张开一定角度的，因此电离玻璃态石英可通过右侧的张开空间沉积到拉锥裸纤内部，因此此方式可解决合束器内部空隙问题，提高了产品质量。

另外，如图6所示，所述石英玻璃反应管6整体为圆柱形，朝向环形夹具一端开口，朝向圆盘夹具一端向内形成一圈挡环61。因为石英玻璃反应管需要超右侧移动，右侧开口较小，可以避免外部气体进入到反应管内部。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种光纤合束器的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括下述步骤：

步骤S1、将需要合束的全部输入光纤一端的涂覆层剥除干净，对剥除涂覆层后的裸纤进行清洗；

步骤S2、分别对每根裸纤进行单独拉锥至合适直径和长度，按照圆形中心对称结构将全部输入光纤排列好并用石英套管固定，将固定好的光纤组束的拉锥裸纤部分再次清洗；

步骤S3、用环形夹具将石英套管固定住，将拉锥后高洁净度的光纤组束拉锥裸纤穿过石英玻璃反应管，且拉锥裸纤插入至圆盘夹具对应的小孔中，通过调节保证环形夹具、石英套管、光纤组束、石英玻璃反应管以及圆盘夹具的中心轴线在同一水平线上，其中圆盘夹具上的小孔排布与输入光纤的排布一致；

步骤S4、驱动石英套管和/或圆盘夹具转动，使得拉锥裸纤之间贴合，抽出石英玻璃反应管中空气和杂质气体并同时通入原料气体，使得原料气体充满石英玻璃反应管，继续保持通入原料气体，开启微波磁控管使得原料气体被电离成等离子体，高温的等离子体接触到温度相对较低的拉锥裸纤，以玻璃态沉积在拉锥裸纤周围，同时水平直线缓慢移动石英玻璃反应管，控制沉积长度；

步骤S5、对光纤组束的沉积部分进行切割保留合适长度；

步骤S6、将光纤组束的切割端面与无源合束光纤熔接，最后采用金属封装壳进行封装，得到光纤合束器。

2.如权利要求1所述光纤合束器的制作方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括：

圆盘夹具先扭转一定角度，使得拉锥裸纤朝向石英套管的一端开始贴合；

抽出石英玻璃反应管中杂质气体并同时通入原料气体，使得原料气体充满石英玻璃反应管，继续保持通入原料气体，开启微波磁控管；

驱动石英套管和圆盘夹具同时匀速转动，且圆盘夹具转速快于石英套管，使得拉锥裸纤的接触点逐渐朝向圆盘夹具方向移动，同时水平直线缓慢移动石英玻璃反应管，使得原料气体被电离成等离子体，高温的等离子体接触到温度相对较低的拉锥裸纤，以玻璃态沉积在拉锥裸纤表面和之间间隙。

3.如权利要求2所述光纤合束器的制作方法，其特征在于，所述步骤S5具体包括：

采用微米级厚度测量仪沿光纤组束方向对沉积部分进行直径测量，采点测量数据的数量不小于5个，计算采点测量数据是否在误差要求范围内，若不满足要求，则进一步对沉积部分进行腐蚀处理，经过一段时间腐蚀后，将其取出并采用超声清洗仪对腐蚀区进行彻底清洁，再次进行直径测量，直至满足要求；

然后截取保留合适长度。

4.如权利要求3所述光纤合束器的制作方法，其特征在于，所述步骤S6中，金属封装壳的封装区覆盖全部裸纤区域，并在裸纤区域周围滴涂高折射率材料，然后再封装。

5.如权利要求1所述光纤合束器的制作方法，其特征在于，步骤S1中，用超声清洗仪和高纯度酒精对剥除涂覆层后的裸纤进行清洗。

6.一种光纤合束器的制作装置，其特征在于，所述制作装置包括调整架、反应管支架和夹具支架，所述调整架上安装环形夹具，所述环形夹具上安装有用于固定光纤组束的石英套管，所述反应管支架上安装有石英玻璃反应管，所述石英玻璃反应管外周设有微波谐振腔，所述微波谐振腔连接有微波磁控管，所述石英玻璃反应管还连接有气泵和原料气柜，所述夹具支架上有可转动的圆盘夹具，所述圆盘夹具上均匀开有多个小孔，所述环形夹具、石英套管、石英玻璃反应管以及圆盘夹具的中心轴线在同一水平线上，光纤组束的拉锥裸纤穿过石英玻璃反应管，且拉锥裸纤插入至圆盘夹具对应的小孔中。

7.如权利要求6所述光纤合束器的制作装置，其特征在于，所述调整架包括前后调节机构、上下调节机构和俯仰调节机构。

8.如权利要求7所述光纤合束器的制作装置，其特征在于，所述夹具支架顶部有旋转组件，所述圆盘夹具安装在所述旋转组件上。

9.如权利要求6-8任一项所述光纤合束器的制作装置，其特征在于，所述石英玻璃反应管整体为圆柱形，朝向环形夹具一端开口，朝向圆盘夹具一端向内形成一圈挡环。

Images