CN113422282A - 一种全光纤自成像激光合束器的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全光纤自成像激光合束器的制备方法，该方法首先利用套管将尾纤束排列成正方形阵列，并保持固定的相邻尾纤中心距，之后将尾纤方阵中的所有尾纤的输入子光束偏振方向调整至相同，接着利用切割装置对尾纤方阵和方形波导进行切割，最后将尾纤束阵列与方形波导进行边‑边对齐熔接。本发明提供的全光纤自成像激光合束器的制备方法，能够实现N×N根尾纤的精准方阵排列和偏振共轴，并能够准确控制方形波导长度，使得N×N路激光能够在全光纤结构内实现自成像相干合成，利用本发明公开的全光纤自成像合束器的制备方法可以解决专利CN112290371B中方形波导合束器制备面临的问题，也为其他全光纤装置的制备提供参考。
Description
技术领域
本发明属于激光器领域，尤其涉及一种全光纤自成像激光合束器的制备方法。
背景技术
专利CN112290371B《一种基于方形光纤合束器的激光合束系统》提出了一种基于自成像的全光纤相干合成合束器，该合束器包括：多根尾纤、玻璃管和方形波导，多根尾纤为光源输入光纤，多根尾纤放置在玻璃管内且排布为正方形阵列，方形波导的纤芯截面划分为与多根尾纤排布阵列一致的多个方形子区域阵列，多根尾纤与方形波导垂直连接，且每根尾纤的纤芯中心与其所对应的方形波导纤芯截面的方形子区域中心重合，除此之外方形波导的长度需满足光波导自成像要求，多根尾纤的输出激光为同一方向的线偏振光。
在制备上述专利提出的方形光纤合束器时，需要解决以下难题：1）需要精准控制多路激光子束在方形波导的注入点位置，使多根尾纤（尾纤数量为N×N）呈正方点阵排列且相邻尾纤中心距为b/N，b为方形波导的纤芯方边边长；2）需要所有子束输出激光为同一方向的线偏振光；3）方形波导的长度需满足光波导共点自成像要求，且长度精度需在数十微米内；4）光纤束与方形波导需要边-边对齐连接。
因此，为了解决上述方形波导合束器制备过程中存在的问题，本专利提出了一种全光纤自成像激光合束器的制备方法。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种全光纤自成像激光合束器的制备方法，所述方法能够实现N×N根尾纤的精准方阵排列和偏振共轴，并能够准确控制方形波导长度，使得N×N路激光能够在全光纤结构内实现自成像相干合成。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：一种全光纤自成像激光合束器的制备方法，所述的方法包括：
S1：利用套管将尾纤束排列成N×N的正方形尾纤束阵列，并对尾纤进行缩径，保证相邻尾纤的中心距为b/N，其中b为方形波导的纤芯方边边长；
S2：利用显微成像结合功率探测或者功率探测的方法调整N×N根尾纤，使各尾纤输出的激光子光束偏振方向相同，将所有尾纤的输出激光子光束偏振方向调整相同后对尾纤阵列进行熔烧，将N×N根尾纤和套管烧成一体；
S3：利用切割装置对步骤S2的烧成一体的尾纤和套管进行切割使尾纤端部齐平，并对方形波导进行切割，使方形波导的长度满足能够实现N×N路激光子束自成像相干合束需要的长度；
S4：将步骤S3切割后的尾纤阵列与方形波导一端进行边-边对齐熔接，熔接时尾纤束组成的方形阵列的外切正方形的边与方形波导的纤芯的方边对齐；
S5：将方形波导另一端面与端帽熔接。
优选的，所述步骤S1中通过包层缩径或者拉锥的方法实现尾纤缩径。
优选的，所述步骤S1中的套管其内腔横截面形状为方形、花瓣形、多孔形和圆形中任意一种。
所述步骤S2中尾纤的类型为保偏光纤，步骤S2中利用显微成像结合功率探测的方法调整N×N根尾纤的操作为：
S21：搭建调整尾纤输出子光束偏振方向的调整光路；
所述调整光路包括：N×N路偏振光源、旋转器、待调整的N×N根尾纤、套管、照明光源、分光镜、显微镜、检偏器和光谱仪；其中N×N路偏振光源作为N×N根尾纤的入射光，其激光波长各不相同；旋转器有多个，分别安装在每根尾纤上；套管用于规范N×N根尾纤形成方阵排布；照明光源位于管套外侧，用于照明尾纤束；分光镜位于尾纤束输出激光的光路上；显微镜位于分光镜反射光光路上；检偏器和光谱仪均位于分光镜透射光光路上，且沿光传播方向光谱仪位于检偏器后方；
S22：开启照明光源，在显微镜下观察每一根尾纤端面的应力区方位，并转动尾纤上的旋转器进行调整，使所有尾纤的应力区方向粗略对齐；
S23：关闭照明光源，开启N×N路偏振激光光源，在光谱仪上探测N×N根待调整尾纤的功率强弱，调节各尾纤上的旋转器使光谱仪上各激光波段的功率均达到最大。
优选的，所述步骤S2中尾纤为非保偏光纤，步骤S2步骤中利用功率探测的方法调整N×N根尾纤的操作为：
S21'：将N×N根尾纤分别与激光光源光纤连接，在N×N根尾纤方阵后端设置检偏器和功率计，保持尾纤与激光光源光纤连接的状态，转动尾纤使尾纤方阵输出的激光通过检偏器后的功率值最高；
S22'：之后依次对每一根尾纤都进行步骤S21'的操作，使尾纤方阵每一根尾纤的输出激光通过检偏器后的功率值均达到最大，则所有尾纤输出的激光子光束的偏振轴均与检偏器方向一致，实现N×N路子束偏振同向。
优选的，所述步骤S3中的切割装置包括：位移平台和切割刀；位移平台和切割刀上均安装有光纤夹持工装，且位移平台和切割刀上的光纤夹持工装位于同一轴线上，所述切割装置的位移精度为小于5μm。
优选的，所述步骤S3对方形波导进行切割的步骤包括：
S31：将方形波导固定在切割装置上，方形波导一端由切割刀夹持工装固定，另一端装载在位移平台夹持工装上，调整夹持工装使方形波导处于拉直状态；
S32：利用切割刀进行方形波导第一次切割，得到方形波导第一个切割端面；
S33：释放切割刀上的光纤夹持工装，控制位移平台向切割刀方向移动距离L，将方形波导自由端再次拉直并夹持在切割刀夹持工装上之后，利用切割刀进行第二次切割，得到长度为L的方形波导，上述L=M*L1，L1为方形波导的自成像长度，M可为任意正整数。
优选的，所述步骤S4中尾纤阵列和方形波导一端进行边-边对齐熔接的方法为：
在对尾纤阵列和方形波导进行熔接连接时，在尾纤阵列输入端注入N×N路激光子束，实时监测方形波导输出端面的光斑形态或者中心位置的激光强度，整体转动尾纤阵列或者方形波导，直到方形波导输出端面的光斑处于相干主瓣最强或中心位置激光强度最大的状态，实现尾纤阵列和方形波导的方边对齐。
优选的，所述步骤S4中采用显微镜进行尾纤阵列和方形波导的熔接。
优选的，所述显微镜可以对尾纤阵列和方形波导进行端面成像或者侧面成像。
本发明的有益效果是：本发明提供了一种的全光纤自成像激光合束器的制备方法，该制备方法能够实现N×N根尾纤的精准的方阵排列和偏振共轴，并能够准确控制方形波导长度，使得N×N路激光能够在全光纤结构内实现自成像相干合成，同时激光亮度提升近N×N倍，利用本发明公开的全光纤自成像合束器的制备方法可以解决专利CN112290371B中方形波导合束器制备面临的问题，也为其他全光纤装置的制备提供参考。
附图说明
图1为全光纤自成像激光合束器结构示意图；
图2为本发明实施例中方形套管的横截面示意图；
图3为本发明实施例中花瓣形套管的横截面示意图；
图4为本发明实施例中多孔套管的横截面示意图；
图5为本发明实施例中圆形套管的横截面示意图；
图6为本发明实施例中尾纤阵列输出子光束的偏振轴对齐时的横截面示意图；
图7为本发明实施例中尾纤阵列输出子光束的偏振轴对齐，且对齐方向不同于图6的横截面示意图；
图8为本发明实施例中当尾纤为保偏光纤时，尾纤阵列输出子光束偏振方向调整光路的结构示意图；
图9为方形波导进行切割的过程示意图；
图中：1.尾纤 2.套管 3.方形波导 4.端帽 5.旋转器 6.照明光源 7.分光镜 8.显微镜 9.检偏器 10.光谱仪 11.N×N根尾纤 12.位移平台 13.切割刀。
具体实施方式
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明中提出的全光纤自成像激光合束器的制备方法主要针对如图1所示的全光纤自成像合束器进行，该合束器包括N×N根排列成正方形阵列的尾纤1，以及固定尾纤方形阵列的套管2，和与尾纤1方阵垂直熔接的方形波导3和端帽4，端帽4与方形波导3另一端熔接，用于实现激光扩束和高功率空间输送能力；上述方形波导纤芯的方边边长为b。
全光纤自成像激光合束器的制备方法包括以下步骤：
步骤1：利用套管将尾纤排列成N×N的正方形尾纤束阵列，并对尾纤进行缩径处理，使相邻尾纤的中心距为b/N，从而使N×N路子束激光注入位置符合自成像相干合成条件。
上述套管为石英玻璃或其他材料，具有高透过率且熔点与尾纤的熔点接近。
作为实施例，套管的内腔横截面形状可以为方形、花瓣形、多孔形或圆形中任意一种，图2~图5为这几种套管的横截面示意图，其中圆形套管仅适用于N=2的情况。
不同类型的套管对尾纤光纤的包层直径也有要求，尾纤光纤的包层直径满足以下关系式：
其中，a为尾纤光纤的包层直径，c为多孔形套管的小孔直径，ε为微米空隙余量，b为方形波导的方边边长。若在上述公式中等号条件成立，则该光纤可以直接作为尾纤使用；若上述公式在大于条件下成立，则该光纤需要进行化学腐蚀、机械研磨、激光烧蚀或熔融拉锥使光纤包层直径缩小到刚好满足上式等号关系时使用。
对于套管，也需要进行机械加工或加热拉锥等预处理使其内腔大小刚好能容纳N×N根光纤，方形套管预处理后的内腔边长须略大于b，花瓣形套管预处理后每一瓣的圆形包络直径须略大于b/N，多孔形套管预处理后相邻孔中心距须为b/N，圆形套管预处理后内腔直径须略大于1.21b。
多根尾纤不仅可以通过上述套管来保证方形阵列排布，而且还可以使用特定夹具将N×N根光纤排列成正方点阵熔接到方形波导上。
步骤2：利用显微成像结合功率探测的方法调整N×N根尾纤，使所有尾纤输出的激光子光束偏振方向相同，将所有尾纤的输出激光子光束偏振方向调整相同后对尾纤阵列进行熔烧，将N×N根尾纤和套管烧成一体，上述尾纤可以为保偏光纤或者非保偏光纤。
1）当尾纤为保偏光纤时，调整N×N根尾纤的输出子光束偏振方向相同的方法如下：
S21：搭建如图8所示的调整尾纤输出子光束偏振方向的光路；
所述光路包括两种光源，一是与待调整的N×N根尾纤11一一连接的N×N个不同波长的偏振光源，二是从套管外照明整个光纤束的普通照明光源6，除此之外，该光路还包括：旋转器5、N×N根尾纤11、套管2、分光镜7、显微镜8、检偏器9和光谱仪10；其中N×N路偏振光源的激光波长各不相同，作为N×N根尾纤11的入射光；旋转器5有N×N个，分别安装在每根尾纤上；套管2用于固定N×N根尾纤11使其组成方形阵列；照明光源6位于管套外侧，用于照明尾纤束；分光镜7位于尾纤束输出激光的光路上；显微镜8位于分光镜7反射光光路上；检偏器9和光谱仪10均位于分光镜7透射光光路上，且沿光传播方向光谱仪10位于检偏器9后方；
S22：开启照明光源6，在显微镜8下观察每一根尾纤端面的应力区方位，并转动尾纤上的旋转器5进行调整，使所有尾纤的应力区方向粗略对齐；
S23：关闭照明光源6，开启N×N路偏振激光光源，在光谱仪10上探测N×N路激光子光束的功率强弱，调节各尾纤上的旋转器5使光谱仪10上各激光波段的功率均达到最大，此时，固定N×N根尾纤11的输出子光束偏振方向相同。输出子光束偏振方向相同时的套管和尾纤的横截面示意图如图6和图7所示，两图分别展示了偏振方向处于两个方向的状态。
上述设置每个偏振光源的波长都不相同的目的在于：尾纤偏振状态调整过程中在光谱仪上可以观察到N×N个不同的尖峰，分别对应了N×N个不同波长的激光光源，那么就可以通过这N×N个尖峰的强弱来判断是哪一路尾纤的偏振轴方向不正确，这样就可以有针对性的对尾纤进行调整。若设置为所有光源的波长相同，那么光谱仪上就只有一个尖峰，这样是不能区分究竟是哪一根尾纤的偏振轴没有对齐，只能盲目的去试，大大增加了尾纤偏振轴对准的难度与工作量。
2）当尾纤为非保偏光纤时，尾纤输出的激光子光束的偏振方向通过施加偏振控制器进行调控，或者通过在线对准熔接的方法进行偏振对轴调整，其中在线对准熔接的方法调整N×N根尾纤的输出子光束偏振方向的步骤如下：
S21'：将待调整的尾纤与激光光源光纤一一进行熔接，在N×N根尾纤方阵后端设置检偏器和功率计，保持尾纤与激光光源光纤的连接状态，转动尾纤使尾纤方阵输出的激光通过检偏器后的功率值最高；
S22'：之后依次对每一根尾纤都进行步骤S21'的操作，使尾纤方阵中每一根尾纤的输出激光通过检偏器后的功率值达到最大，则所有尾纤输出的激光子光束的偏振轴均与检偏器方向一致，实现N×N路子束偏振同向。
上述功率计可以用光谱仪，或者CCD探测器进行代替。
步骤3：利用切割装置对步骤S2中烧成一体的尾纤进行切割使尾纤端部齐平，并对方形波导进行切割，使方形波导的长度满足能够实现N×N路激光子束自成像相干合束需要的长度；
上述切割装置包括：位移平台12和切割刀13；位移平台12和切割刀13上均安装有光纤夹持工装，且位移平台12和切割刀13上的光纤夹持工装位于同一轴线上，所述切割装置的位移精度为小于5μm；切割刀13为机械切割刀或者激光切割刀。
方形波导切割的过程如图9所示，切割方法具体为：
首先，将方形波导固定在切割装置上，方形波导一端由切割刀13夹持工装固定，另一端装载在位移平台12夹持工装上；
其次，利用切割刀13进行方形波导第一次切割，得到方形波导第一个切割端面，对应图9中的切割点Ⅰ；
最后，释放切割刀13上的光纤夹持工装，控制位移平台12向切割刀13方向移动距离L，之后将方形波导在切割刀13一侧再进行拉紧夹持，利用切割刀13进行第二次切割，即图9中的切割点Ⅱ，得到长度为L的方形波导，上述L=M*L1，L1为方形波导的自成像长度，M可为任意正整数。
步骤4：将步骤S3切割后的尾纤束阵列与方形波导一端进行边-边对齐熔接，熔接时尾纤束组成的方形阵列的外切正方形的边与方形波导的纤芯的方边对齐；
边-边对齐熔接的可以采用显微镜成像的方法，将方形波导置于端面成像显微镜系统中，转动尾纤束或方形波导，通过显微镜观察使尾纤束中纤芯阵列的外切正方形方边与方形波导中纤芯的方边对齐；也可采用侧面显微成像分析尾纤束和方形波导各自方边的角度特征，转动两侧实现方边对齐。
还有一种边-边对齐熔接的方法是：在对尾纤阵列和方形波导进行熔接连接时，在尾纤阵列输入端注入N×N路激光子束，实时监测方形波导输出端面的光斑形态或者中心位置的激光强度，转动尾纤阵列或者方形波导，直到方形波导输出端面的光斑处于相干主瓣最强或中心位置激光强度最大的状态，实现尾纤阵列和方形波导的方边对齐。
步骤5：将步骤4中方形波导的另一端面与端帽熔接。
Claims (10)
1.一种全光纤自成像激光合束器的制备方法，其特征在于，所述的方法包括：
S1：利用套管将尾纤束排列成N×N的正方形尾纤束阵列，并对尾纤进行缩径，保证相邻尾纤的中心距为b/N，其中b为方形波导的纤芯方边边长；
S2：利用显微成像结合功率探测或者功率探测的方法调整N×N根尾纤，使所有尾纤输出的激光子光束偏振方向相同，将所有尾纤的输出激光子光束偏振方向调整相同后对尾纤阵列进行熔烧，将N×N根尾纤和套管烧成一体；
S3：利用切割装置对步骤S2中烧成一体的尾纤进行切割使尾纤端部齐平，并对方形波导进行切割，使方形波导的长度满足能够实现N×N路激光子束自成像相干合束需要的长度；
S4：将步骤S3切割后的尾纤阵列与方形波导一端进行边-边对齐熔接，熔接时尾纤束组成的方形阵列的外切正方形的边与方形波导的纤芯的方边对齐；
S5：将方形波导另一端面与端帽熔接。
2.根据权利要求1所述的全光纤自成像激光合束器的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中采用包层缩径或者拉锥的方法实现尾纤缩径。
3.根据权利要求1所述的全光纤自成像激光合束器的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中的套管，其内腔横截面形状为方形、花瓣形、多孔形和圆形中任意一种。
4.根据权利要求1所述的全光纤自成像激光合束器的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中尾纤的类型为保偏光纤，步骤S2中利用显微成像结合功率探测的方法调整N×N根尾纤的操作为：
S21：搭建调整尾纤输出子光束偏振方向的调整光路；
所述调整光路包括：N×N路偏振光源、旋转器、待调整的N×N根尾纤、套管、照明光源、分光镜、显微镜、检偏器和光谱仪；其中N×N路偏振光源作为N×N根尾纤的入射光，其激光波长各不相同；旋转器有多个，分别安装在每根尾纤上；套管用于规范N×N根尾纤形成方阵排布；照明光源位于管套外侧，用于照明尾纤束；分光镜位于尾纤束输出激光的光路上；显微镜位于分光镜反射光光路上；检偏器和光谱仪均位于分光镜透射光光路上，且沿光传播方向光谱仪位于检偏器后方；
S22：开启照明光源，在显微镜下观察每一根尾纤端面的应力区方位，并转动尾纤上的旋转器进行调整，使所有尾纤的应力区方向粗略对齐；
S23：关闭照明光源，开启N×N路偏振光源，在光谱仪上探测N×N路激光子束的功率，调节各尾纤上的旋转器使光谱仪上各激光波段的功率均达到最大。
5.根据权利要求1所述的全光纤自成像激光合束器的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中尾纤为非保偏光纤，步骤S2步骤中利用功率探测的方法调整N×N根尾纤的操作为：
S21'：将待调整的N×N根尾纤分别连接激光光源光纤，在N×N根尾纤方阵后端设置检偏器和功率计，保持尾纤与激光光源光纤的连接状态，转动尾纤使尾纤方阵输出的激光通过检偏器后的功率值最高；
S22'：之后依次对每一根尾纤都进行步骤S21'的操作，使尾纤方阵中每一根尾纤的输出激光通过检偏器后的功率值达到最大，则所有尾纤输出的激光子光束的偏振轴均与检偏器方向一致，实现N×N路子束偏振同向。
6.根据权利要求1所述的全光纤自成像激光合束器的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中的切割装置包括：位移平台和切割刀；位移平台和切割刀上均安装有光纤夹持工装，且位移平台和切割刀上的光纤夹持工装位于同一轴线上；所述切割装置的位移精度为小于5μm。
7.根据权利要求6所述的全光纤自成像激光合束器的制备方法，其特征在于，所述步骤S3对方形波导进行长度切割的步骤包括：
S31：将方形波导固定在切割装置上，方形波导一端由切割刀夹持工装固定，另一端装载在位移平台夹持工装上，调整夹持工装使方形波导处于拉直状态；
S32：利用切割刀进行方形波导第一次切割，得到方形波导第一个切割端面；
S33：释放切割刀上的光纤夹持工装，控制位移平台向切割刀方向移动距离L，将方形波导自由端再次拉直并夹持在切割刀夹持工装上之后，利用切割刀进行第二次切割，得到长度为L的方形波导，所述长度L=M*L1，L1为方形波导的自成像长度，M可为任意正整数。
8.根据权利要求1所述的全光纤自成像激光合束器的制备方法，其特征在于，所述步骤S4中尾纤阵列和方形波导一端进行边-边对齐熔接的方法为：
在尾纤阵列输入端注入N×N路激光子束，实时监测方形波导输出端面的光斑形态或者中心位置的激光强度，整体转动尾纤阵列或者方形波导，直到方形波导输出端面的光斑处于相干主瓣最强或中心位置激光强度最大的状态，实现尾纤阵列和方形波导的方边对齐。
9.根据权利要求1所述的全光纤自成像激光合束器的制备方法，其特征在于，所述步骤S4中采用显微镜进行尾纤阵列和方形波导的边-边对齐熔接。
10.根据权利要求9所述的全光纤自成像激光合束器的制备方法，其特征在于，所述显微镜对尾纤阵列和方形波导进行端面成像或者侧面成像。
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