CN113937600A - 信号光纤耦合器及制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种信号光纤耦合器及制作方法，信号光纤耦合器包括：输出组件、接收组件和固定组件，其中，输出组件包括多根输出光纤，多根输出光纤在输出组件的一端形成输出构件，多根输出光纤传输的光信号通过输出构件输出，接收组件的轴心设有贯通接收组件的接收光纤，接收光纤的一端形成接收构件，接收构件与输出构件相对设置，接收组件通过接收构件接收光信号，固定组件用于将输出构件和接收构件固定并轴向对准，固定组件位于输出组件和接收组件的径向外侧。根据本发明的信号光纤耦合器，有利于在激光合束输出时，提高输出平均功率和重复频率，利于使基于激光时序合成技术光纤激光器实现小型化，提高时序合成光纤激光器的实用性。

Description

信号光纤耦合器及制作方法
技术领域
本发明涉及激光合成技术领域，尤其涉及一种信号光纤耦合器及制作方法。
背景技术
随着光纤激光器应用的展开，各领域对光纤激光器的各项指标提出更加苛刻的要求，其中光纤激光器输出激光输出平均功率和光束质量是各个领域关注的重点。无论是连续光纤激光器还是脉冲光纤激光器随着不断变化的市场需求不断刷新输出平均功率数据，但是随着输出平均功率的提高，其光束质量会发生畸变，激光合成技术有望在一定程度上解决上述问题。
时序合成技术是激光合成技术一种，激光时序合成是多个脉冲子光纤激光器，通过空间透镜或者通过定向光纤波导器件，按一定的时间顺序发射激光，实现激光在时序上合成。通过激光时序合成技术，合成激光纵向：有效的无限量提升平均功率；横向：提升整机的重复频率，使光纤激光器达到准连续或者连续功率叠加输出激光状态，同时保持输出较高光束质量激光。
在应用时序合成技术的激光耦合器的在现有技术中，往往存在系统结构复杂且不能够形成全光纤化结构，激光耦合输出光束质量较差且为葵型光斑，以及采用单光纤对单光纤的管线耦合，同时采用间接耦合方式，实际应用中会产生一定的功率损耗，等技术问题。
发明内容
本发明实施例提供一种信号光纤耦合器及制作方法，以提高单束光纤激光合成输出平均功率和重复频率，提高单束光纤激光合成输出激光的光束质量。
本发明实施例提供的信号光纤耦合器，包括：
输出组件，包括多根输出光纤，所述多根输出光纤在所述输出组件的一端形成输出构件，多根所述输出光纤传输的光信号通过所述输出构件输出；
接收组件，轴心设有贯通所述接收组件的接收光纤，所述接收光纤的一端形成接收构件，所述接收构件与输出构件相对设置，所述接收组件通过所述接收构件接收所述光信号；
固定组件，用于将所述输出构件和所述接收构件固定并轴向对准，所述固定组件位于所述输出组件和所述接收组件的径向外侧。
根据本发明实施例的信号光纤耦合器，有利于激光合束输出，提高输出平均功率和重复频率，同时以优化的空间结构设计有利于使基于激光时序合成技术光纤激光器实现小型化，提高激光时序合成技术光纤激光器的实用性。
根据本发明的一些实施例，多根所述输出光纤传输的所述光信号为不同时序的脉冲激光信号。
在本发明的一些实施例中，所述接收构件接收所述光信号后，将不同时序的脉冲激光信号进行合束。
根据本发明的一些实施例，所述输出光纤的在所述输出构件一端的端平面与径向的夹角为8°。
在本发明的一些实施例中，所述接收构件的接收面包括球面或椭球面，并且所述球面或所述椭球面的焦点。
根据本发明的一些实施例，在轴向方向上，所述固定组件包括对准构件和固定构件，所述对准构件设于所述固定组件轴向方向上的中部，所述固定构件位于所述固定组件轴向方向上的两端部，所述固定构件和所述对准构件。
在本发明的一些实施例中，所述对准构件为圆筒形，所述固定构件为圆锥筒形。
根据本发明的一些实施例，所述信号光纤耦合器还包括保护构件，所述保护构件位于所述固定组件的径向外侧。
本发明实施例提供的信号光纤耦合器制作方法，用于制作本发明的一些实施例所述的信号光纤耦合器，所述制作方法包括：
对多根输出光纤熔融拉锥，并根据预设角度切割形成所述输出构件；
对所述接收光纤的一端熔融烧球后形成所述接收构件；
将毛细石英玻璃管通过熔融拉锥，形成具有双向锥区结构的所述固定组件；
使所述输出构件和所述接收构件通过所述固定组件轴向对准并固定；
把所述固定组件装入保护构件，并在所述固定组件和所述保护构件之间的间隙充填紫外环氧树脂胶。
本发明实施例的信号光纤耦合器制作方法，以简便的制作方法，获得了有利于激光合束输出，提高输出平均功率和重复频率的信号光纤耦合器，同时以优化的空间结构设计的步骤有利于使基于激光时序合成技术光纤激光器实现小型化，提高激光时序合成技术光纤激光器的实用性。
根据本发明的一些实施例，在将多根输出光纤熔融拉锥之前，先通过飞秒激光进行刻蚀，将所述多根输出光纤的包层均匀消融；
在将所述接收光纤的一端熔融烧球后形成所述接收构件之前，先通过飞秒激光进行刻蚀，将所述接收光纤的包层均匀消融。
附图说明
图1为根据本发明实施例的信号光纤耦合器的结构示意图；
图2为根据本发明实施例的信号光纤耦合器的输出组件结构示意图；
图3为根据本发明实施例的信号光纤耦合器的输出组件中输出光纤的排列形式示意图；
图4为根据本发明实施例的信号光纤耦合器的球面纤芯接收组件结构示意图；
图5为根据本发明实施例的信号光纤耦合器的椭球面纤芯接收组件结构示意图；
图6为根据本发明实施例的信号光纤耦合器的固定组件结构示意图；
图7为根据本发明实施例的带有保护构件的信号光纤耦合器的结构示意图；
图8为根据本发明实施例的带有保护构件的信号光纤耦合器制作方法的流程示意图；
图9为根据本发明实施例的带有保护构件的信号光纤耦合器制作方法的补充流程示意图。
附图标记：
信号光纤耦合器100
输出组件1，输出光纤11，输出构件12，端平面13，光信号A，
接收组件2，接收光纤21，接收构件22，
固定组件3，对准构件31，固定构件32，低折射率胶水33
保护构件4，
涂覆层5。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明进行详细说明如后。
在应用时序合成技术的激光耦合器的相关技术中，往往存在系统结构复杂且不能够形成全光纤化结构，激光耦合输出光束质量较差且为葵型光斑，以及采用单光纤对单光纤的管线耦合，同时采用间接耦合方式，实际应用中会产生一定的功率损耗，等技术问题。
本发明旨在一定程度上解决上述技术问题，提出了一种信号光纤耦合器100及制作方法，以提高单束光纤激光合成输出平均功率和重复频率，提高单束光纤激光合成输出激光的光束质量。
本发明实施例提供的信号光纤耦合器100，如图1至图6所示，包括：输出组件1、接收组件2和固定组件3，其中，输出组件1包括多根输出光纤11，多根输出光纤11在输出组件1的一端形成输出构件12，多根输出光纤11传输的光信号A通过输出构件12输出，接收组件2的轴心设有贯通接收组件2的接收光纤21，接收光纤21的一端形成接收构件22，接收构件22与输出构件12相对设置，接收组件2通过接收构件22接收光信号A，固定组件3用于将输出构件12和接收构件22固定并轴向对准，固定组件3位于输出组件1和接收组件2的径向外侧。
根据本发明实施例的信号光纤耦合器100，有利于在激光合束输出时，提高输出平均功率和重复频率，同时以优化的空间结构设计有利于使基于激光时序合成技术光纤激光器实现小型化，提高激光时序合成技术光纤激光器的实用性。
根据本发明的一些实施例，多根输出光纤11传输的光信号A为不同时序的脉冲激光信号。通过使用不同时序的脉冲激光信号，利用时序合成技术来耦合并输出较高质量的激光束。
在本发明的一些实施例中，如图2和图3所示，接收构件22接收光信号后，将不同时序的脉冲激光信号进行合束。
根据本发明的一些实施例，如图2所示，输出光纤11的在输出构件12一端的端平面13与径向的夹角为8°。通过使端平面13与径向的夹角为8°，可以减少端面反射，提高激光输出效率。
在本发明的一些实施例中，如图4和图5所示，接收构件22的接收面包括球面或椭球面，并且球面或椭球面的焦点。
具体而言，球面或椭球面的接收构件22要吸收输出组件1的时序合成激光，所以利用球面聚光的特征，将平行空间输出的激光通过球面或者椭球面聚焦在焦点，该焦点位置在接收组件2的接收光纤21的位置，同时球面的曲率越大，或者球体或者椭球体直径越大，越有利于焦点位置在非球面的接收光纤21纤芯位置，这样直接解决激光因为聚焦问题在球体内部散射产生损耗的问题。
根据本发明的一些实施例，如图6所示，在轴向方向上，固定组件3包括对准构件31和固定构件32，对准构件31设于固定组件3轴向方向上的中部，固定构件32位于固定组件3轴向方向上的两端部，固定构件32和对准构件31。
在本发明的一些实施例中，如图6所示，对准构件31为圆筒形，固定构件32为圆锥筒形。通过固定组件3的固定构件32，使输出组件1和接收组件2自然固定并形成保护结构，并且通过对准构件31形成直通空间，较为精确的将输出构件12和接收构件22进行轴向对准。
根据本发明的一些实施例，如图7所示，信号光纤耦合器100还包括保护构件4，保护构件4位于固定组件3的径向外侧。值得说明的是，可以在固定组件3的径向外侧增设保护构件4，采用石英玻璃制成的保护构件4可以提高信号光纤耦合器100的强度的可靠性。
本发明实施例提供的信号光纤耦合器100制作方法，用于制作本发明的上述实施例的信号光纤耦合器100，制作方法包括：
S100：对多根输出光纤熔融拉锥，并根据预设角度切割形成输出构件；
S200：对接收光纤的一端熔融烧球后形成接收构件；
S300：将毛细石英玻璃管通过熔融拉锥，形成具有双向锥区结构的固定组件；
S400：使输出构件和接收构件通过固定组件轴向对准并固定；
S500：把固定组件装入保护构件，并在固定组件和保护构件之间的间隙充填紫外环氧树脂胶。
本发明实施例的信号光纤耦合器100制作方法，以简便的制作方法，获得了有利于在激光合束输出时，提高输出平均功率和重复频率的信号光纤耦合器100，同时以优化的空间结构设计的步骤有利于使基于激光时序合成技术光纤激光器实现小型化，提高激光时序合成技术光纤激光器的实用性。
根据本发明的一些实施例，在步骤S100前还包括：S050：通过飞秒激光进行刻蚀，将多根输出光纤的包层均匀消融；
在步骤S200前还包括：S150：通过飞秒激光进行刻蚀，将接收光纤的包层均匀消融。
为更进一步阐述本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行详细说明如后。
如图7所示一种信号光纤耦合器100，包括：信号光纤合束输出结构组(即为上述输出组件1)，球面或椭圆球面纤芯光纤接收结构组(即为上述接收组件2)，双向拉锥锥形毛细玻璃固定结构组(即为上述固定组件3)，光纤组合体模块保护结构组(即为上述保护构件4)。
信号光纤合束输出结构组由多根双包层信号光纤(即为上述输出光纤11)熔融拉锥切割形成输出结构体(即为上述输出构件12)；球面或椭圆球面纤芯光纤接收结构组由单根无源双包层信号光纤(即为上述接受光纤)经精密加工，纤芯熔融烧球后形成椭圆球面或者球面接收结构体(即为上述接收构件22)；双向拉锥锥形毛细玻璃固定结构组为了将输出结构体和接收结构体空间耦合精确对准固定；光纤组合体模块保护结构组在双向拉锥锥形毛细玻璃固定结构组外侧保护整体结构。
信号光纤合束输出结构组，如图2和图3所示，由多根信号光纤熔融拉锥切割形成信号激光耦合输出光模块，多根信号光纤纤芯包括纤芯，包层和涂覆层5，每根信号光纤均通过飞秒激光进行精密刻蚀，将包层均匀消融，再将多根光纤组束熔融拉锥切割8°，形成信号光纤束，切割后横截面如图3所示。所形成信号光纤合束输出结构组在熔融拉锥过程确保各个输入信号光纤纤芯不变形，切割后输出端面平整无毛刺，如图2所示。
球面或椭圆球面纤芯光纤接收结构组，由1根大芯径信号光纤经飞秒激光进行精密刻蚀，将包层均匀消融，将单独对信号光纤纤芯通过光纤均速旋转烧制成球面或者椭圆球面，如图4和图5所示。烧制完成的球面或者椭圆球面直径需要结合实际信号光纤合束输出结构组信号光纤纤芯位置和光纤纤芯直径，球面或椭圆球面纤芯光纤接收结构组所属光纤纤芯直径通过计算确定。
双向拉锥锥形毛细玻璃固定结构组，如图6和图7所示。应用掺氟毛细石英玻璃管通过熔融拉锥，其中左右锥区(即为上述固定构件32)根据输入输出信号光纤长度，尽可能的平缓，减少锥区坡度对信号光纤合束输出结构组和球面或椭圆球面纤芯光纤接收结构组的挤压应力。将信号光纤合束输出结构组和球面或椭圆球面纤芯光纤接收结构组自然地束缚在双向拉锥锥形毛细玻璃固定结构组，形成双向锥区结构。其中毛细玻璃管锥区的腰束位置(即为上述对准构件31)，腰束的直通空间可以精准的对准信号光纤合束输出结构组和球面或椭圆球面纤芯光纤接收结构组，如图1所示。由于球面或椭圆球面纤芯光纤接收结构组球体和椭球体与光纤是一体烧制而成，其衔接位置比较脆弱，同时容易产生热损耗叠加，在光纤合束输出结构组和球面或椭圆球面纤芯光纤接收结构组对准插管过程中极易断裂，所以在该过渡衔接区域点涂低折射率胶水33。提高该位置的耐受温度并满足较高的应力需求。
对准过程采用信号采集系统，如图7所示，完成对准程序后将双向拉锥锥形毛细玻璃固定结构组两端用紫外低折射率初步固定。其中掺氟毛细石英玻璃管内径700um-2000um，掺氟毛细石英玻璃管外径900um-2400um，掺氟毛细石英玻璃管熔融拉锥后形成中间腰束位置毛细玻璃管内径：≥180um。
通过精准加持固定系统将双向拉锥锥形毛细玻璃固定结构组插入到光纤组合体模块保护结构组，并通过紫外环氧树脂胶树脂胶固定光纤组合体模块保护结构组，纯石英毛细石英玻璃管内径：1100um-2700um，纯石英毛细石英玻璃管外径：1400um-3000um。最终研制完成信号光纤耦合器100。
通过具体实施方式的说明，应当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图示仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。

Claims (10)

1.一种信号光纤耦合器，其特征在于，包括：
输出组件，包括多根输出光纤，所述多根输出光纤在所述输出组件的一端形成输出构件，多根所述输出光纤传输的光信号通过所述输出构件输出；
接收组件，轴心设有贯通所述接收组件的接收光纤，所述接收光纤的一端形成接收构件，所述接收构件与输出构件相对设置，所述接收组件通过所述接收构件接收所述光信号；
固定组件，用于将所述输出构件和所述接收构件固定并轴向对准，所述固定组件位于所述输出组件和所述接收组件的径向外侧。
2.根据权利要求1所述的信号光纤耦合器，其特征在于，多根所述输出光纤传输的所述光信号为不同时序的脉冲激光信号。
3.根据权利要求2所述的信号光纤耦合器，其特征在于，所述接收构件接收所述光信号后，将不同时序的脉冲激光信号进行合束。
4.根据权利要求1所述的信号光纤耦合器，其特征在于，所述输出光纤的在所述输出构件一端的端平面与径向的夹角为8°。
5.根据权利要求1所述的信号光纤耦合器，其特征在于，所述接收构件的接收面包括球面或椭球面，并且所述球面或所述椭球面的焦点。
6.根据权利要求1所述的信号光纤耦合器，其特征在于，在轴向方向上，所述固定组件包括对准构件和固定构件，所述对准构件设于所述固定组件轴向方向上的中部，所述固定构件位于所述固定组件轴向方向上的两端部，所述固定构件和所述对准构件。
7.根据权利要求6所述的信号光纤耦合器，其特征在于，所述对准构件为圆筒形，所述固定构件为圆锥筒形。
8.根据权利要求1-7任一项所述的信号光纤耦合器，其特征在于，所述信号光纤耦合器还包括保护构件，所述保护构件位于所述固定组件的径向外侧。
9.一种信号光纤耦合器制作方法，其特征在于，所述制作方法用于制作如权利要求1-8的任一项权利要求所述的信号光纤耦合器，所述制作方法包括：
对多根输出光纤熔融拉锥，并根据预设角度切割形成所述输出构件；
对所述接收光纤的一端熔融烧球后形成所述接收构件；
将毛细石英玻璃管通过熔融拉锥，形成具有双向锥区结构的所述固定组件；
使所述输出构件和所述接收构件通过所述固定组件轴向对准并固定；
把所述固定组件装入保护构件，并在所述固定组件和所述保护构件之间的间隙充填紫外环氧树脂胶。
10.根据权利要求9所述的信号光纤耦合器制作方法，其特征在于，在将多根输出光纤熔融拉锥之前，先通过飞秒激光进行刻蚀，将所述多根输出光纤的包层均匀消融；
在将所述接收光纤的一端熔融烧球后形成所述接收构件之前，先通过飞秒激光进行刻蚀，将所述接收光纤的包层均匀消融。
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