CN114167544B - 一种基于纳米薄膜的光纤剥离器及其制造方法 - Google Patents

一种基于纳米薄膜的光纤剥离器及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于纳米薄膜的光纤剥离器及其制造方法，其结构部分包括，双包层光纤，所述双包层光纤的预设段涂覆层和外包层被剥除并裸露内包层，其特征在于：所述预设段的内包层表面圆周沉积有纳米薄膜，所述纳米薄膜至少包括一层用于吸收泵浦光达到衰减目的的消光层。本发明利用沉积设置纳米薄膜的方式对泵浦光进行消光操作达到剥离的效果，同时可选用多组间隔设置的消光层和导光层来达到减少单一消光层功率负载的目的。解决了现有技术中光纤剥离器局部温度过高影响器件稳定性、需要较长的剥离长度以及被腐蚀后的光纤机械性能变差易发生断裂的问题。

Description

一种基于纳米薄膜的光纤剥离器及其制造方法
技术领域
本发明应用于光纤激光器领域，具体是一种基于纳米薄膜的光纤剥离器及其制造方法。
背景技术
光纤激光器由于其结构紧凑、能量密度高、光束质量、性能稳定等优点别广泛应用于工业制造、通信传感、医疗器械、国防安全领域，因此高功率光纤激光器件得到了飞速的发展的，包层泵浦是光纤激光器实现高功率输出的一项关键技术。然而，在双包层光纤激光器中因为其结构的特殊性不可避免地含有残余抽运光、放大自发辐射和因非理想熔接、光纤弯曲等因素泄漏的信号光会极大的影响激光输出的稳定性，因此如何将包层的非信号光进行剥离是研究人员一直在寻求解决的问题。
目前对于泵浦光剥离技术主要有以下几种：
基于折射效应进行剥离，例如专利CN 205509224 U、CN 204631286 U、CN210517314 U等，这些方法通过利用导光胶的高射率，在光纤内包层外侧连续或者非连续地进行涂敷，将包层光折射出光纤包层之外，其剥离效果与折射率差值相关。但是大量的泵浦光从导光胶的散热性能较低，造成局部温度过高，影响器件的稳定性。
基于金属吸收效应进行剥离，例如在Applied Optics53.12(2014):2611-2615.这篇论文中利用金属对包层光的吸收特性，衰减包层光，将软质金属薄片与内包层表面紧贴来实现。材料的吸收率、表面接触率以及热衰减能力是影响剥离的重要因素，因此需要较长的剥离长度才能有效剥除。
基于破坏内包层表面结构物理进行剥离，例如专利CN 212366412 U、CN107508123A等，通过化学腐蚀等方法破坏原本平滑的光纤包层表面，使包层光在包层与空气界面处发生散射或折射，产生包层光衰减。这个过程中会使用到有毒化学试剂，而且被腐蚀后的光纤机械性能变差，易发生断裂。
实用新型专利CN201521090415.9，通过在内包层外侧周面镀一层高折射率材料或者多层折射率依次升高的材料将包层光导出导空气中。通过理论证明该专利公开的方法是不可行存在原理错误的，在末层材料与空气界面会再次发生全反射，包层光并未如专利公开文本中所述的出射到空气中。其[0026],[0027]中所述的均为错误信息，其无法实现增透的功能，更不可能使包层光溢出。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种基于纳米薄膜的光纤剥离器及其制造方法。
为解决上述技术问题，本发明的一种基于纳米薄膜的光纤剥离器，其包括，双包层光纤，所述双包层光纤的预设段涂覆层和外包层被剥除并裸露内包层，所述预设段的内包层表面圆周沉积有纳米薄膜，所述纳米薄膜至少包括一层用于吸收泵浦光达到衰减目的的消光层；所述纳米薄膜的消光层数量大于一，且各消光层间对应设有用于将光从一个消光层传输至另一消光层来减少单一消光层功率负载的导光层。
作为一种可能的实施方式，进一步的，所述预设段长度为1CM-20CM。
作为一种可能的实施方式，进一步的，所述消光层与导光层总厚度为1nm-1000nm。
作为一种可能的实施方式，进一步的，所述纳米薄膜总厚度为1nm-10um。
作为一种可能的实施方式，进一步的，所述消光层包括Ge、Al、Fe、Ti、Ag、Au、Zn、Zr、Mg、Cu、Hf、Ba、Ni、Ho、Sn、Ce、Si、Ti、Ge、Cr、Al、V、In、P、Sb及其亚氧化物、InAs、ZnSe或ITO。
作为一种可能的实施方式，进一步的，所述导光层包括Ta2O5、TiO2、ZrO2、ZnO、Al2O3、MgF2、Ho2O3、SiOP、SiO2、Sb2O3、Nd2O3、HfO2、Y2O3、PrF3、NdF3、Na3AlF6、MgO、LaF3、LuF3、Al2O3、BaF2、CaF2、LiF或HoF3。
一种基于纳米薄膜的光纤剥离器制造方法，其包括如下步骤：
选取双包层光纤的预设段长度；
利用化学腐蚀或机械剥除将双包层光纤的预设段的涂覆层和外包层剥离，暴露该段光纤的内包层并进行清洁；
进行纳米薄膜的消光层选材操作；
将清洁后的光纤暴露在外，采用电子束蒸发、离子束辅助沉积、等离子体溅射、磁控溅射或者原子层沉积中至少一种物理或化学沉积方法，在内包层外侧均匀沉积消光层；
判断预设所需消光层数量是否大于一，若是，则在各消光层之间沉积设置导光层后完成制造，若否，则完成制造。
作为一种可能的实施方式，进一步的，所述进行纳米薄膜的消光层选材操作的步骤具体包括：
设薄膜材料的光学常数为N1＝n-ik，k为消光系数，得出电场强度为E0的电磁波在所述薄膜材料中的传输过程为
Figure GDA0003741028130000031
其中，d为在该材料中的行进距离，
Figure GDA0003741028130000032
为行进至某距离时的电场强度；
求得
Figure GDA0003741028130000033
用于表示电磁波的光强度在传输过程中以指数关系衰减，其中
Figure GDA0003741028130000034
为吸收系数；
假设薄膜材料为四分之一光学厚度，则光线从内包层入射时的反射率为
Figure GDA0003741028130000041
当消光系数k＝0时薄膜无吸收，当折射率n＝0时，R＝100％，也无吸收，则将n·k乘积用于衡量纳米薄膜的消光层的吸收量；
利用n·k乘积对应计算选取纳米薄膜的消光层适用材料。
本发明采用以上技术方案，具有以下有益效果：
本发明利用沉积设置纳米薄膜的方式对泵浦光进行消光操作达到剥离的效果，同时可选用多组间隔设置的消光层和导光层来达到减少单一消光层功率负载的目的。解决了现有技术中光纤剥离器局部温度过高影响器件稳定性、需要较长的剥离长度以及被腐蚀后的光纤机械性能变差易发生断裂的问题。
附图说明
下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步详细的说明：
图1为本发明单膜状态结构轴向视图；
图2为本发明单膜状态结构径向视图；
图3为本发明多膜状态结构轴向视图；
图4为本发明多膜状态结构径向视图；
图5为本发明实施例1泵浦光的透过率与吸收率随入射角度的变化示意图；
图6为本发明实施例2泵浦光的透过率与吸收率随入射角度的变化示意图；
图7为本发明双膜状态结构轴向视图；
图8为本发明实施例3泵浦光的透过率与吸收率随入射角度的变化示意图；
图9为本发明膜系表、实验结果表。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。
双包层光纤激光器是由同心的纤芯、内包层、外包层组成，纤芯、内包层和外包层有同心的圆截面结构；纤芯具有很大的折射率，用来传输信号光；内包层具有和普通光纤纤芯相同的材料，折射率处于纤芯和外包层之间，它用来传输泵浦光，以折线的方式反复穿过纤芯并被掺杂离子吸收；外包层折射率最低。
由Snell定律知
Figure GDA0003741028130000051
可知当传输角度θ0大于θC时，泵浦光在内包层与外包层交界面发生全反射，将泵浦光限制于内包层之内。
如图1-2所示，本发明提供了一种基于纳米薄膜200的光纤剥离器，双包层光纤，所述双包层光纤的预设段涂覆层和外包层被剥除并裸露内裹有纤芯101的内包层102，其特征在于：所述预设段的内包层102表面圆周沉积有纳米薄膜200，所述纳米薄膜200至少包括一层用于吸收泵浦光达到衰减目的的消光层201。
如图3所示，所述纳米薄膜200的消光层数量大于一，包括了消光层201和203，且各消光层间对应设有用于将光从一个消光层传输至另一消光层来减少单一消光层功率负载的导光层202。
作为一种可能的实施方式，进一步的，所述预设段长度为1CM-20CM。
作为一种可能的实施方式，进一步的，所述消光层201与导光层202厚度为1nm-1000nm。
作为一种可能的实施方式，进一步的，所述纳米薄膜200厚度为1nm-10um。
作为一种可能的实施方式，进一步的，所述消光层201包括Ge、Al、Fe、Ti、Ag、Au、Zn、Zr、Mg、Cu、Hf、Ba、Ni、Ho、Sn、Ce、Si、Ti、Ge、Cr、Al、V、In、P、Sb及其亚氧化物、InAs、ZnSe或ITO。
作为一种可能的实施方式，进一步的，所述导光层202包括Ta2O5、TiO2、ZrO2、ZnO、Al2O3、MgF2、Ho2O3、SiOP、SiO2、Sb2O3、Nd2O3、HfO2、Y2O3、PrF3、NdF3、Na3AlF6、MgO、LaF3、LuF3、Al2O3、BaF2、CaF2、LiF或HoF3。
一种基于纳米薄膜的光纤剥离器制造方法，其包括如下步骤：
选取双包层光纤的预设段长度；
利用化学腐蚀或机械剥除将双包层光纤的预设段的涂覆层和外包层剥离，暴露该段光纤的内包层并进行清洁；
进行纳米薄膜的消光层选材操作；
将清洁后的光纤暴露在外，采用电子束蒸发、离子束辅助沉积、等离子体溅射、磁控溅射或者原子层沉积中至少一种物理或化学沉积方法，在内包层外侧均匀沉积消光层；
判断预设所需消光层数量是否大于一，若是，则在各消光层之间沉积设置导光层后完成制造，若否，则完成制造。
作为一种可能的实施方式，进一步的，所述进行纳米薄膜的消光层选材操作的步骤具体包括：
设薄膜材料的光学常数为N1＝n-ik，k为消光系数，得出电场强度为E0的电磁波在所述薄膜材料中的传输过程为
Figure GDA0003741028130000071
其中，d为在该材料中的行进距离，
Figure GDA0003741028130000072
为行进至某距离时的电场强度；
求得
Figure GDA0003741028130000073
用于表示电磁波的光强度在传输过程中以指数关系衰减，其中
Figure GDA0003741028130000074
为吸收系数；
假设薄膜材料为四分之一光学厚度，则光线从内包层入射时的反射率为
Figure GDA0003741028130000075
当消光系数k＝0时薄膜无吸收，当折射率n＝0时，R＝100％，也无吸收，则将n·k乘积用于衡量纳米薄膜的消光层的吸收量；
利用n·k乘积对应计算选取纳米薄膜的消光层适用材料。
实施例1
采用LMA-GDF-25/250型号的双包层光纤维，外包层剥除长度10CM，采用离子束辅助沉积，在内包层外侧均匀沉积150nm的Si；
图1-2为结构图，图9表1为设计膜系，附图5是976nm的泵浦光的透过率与吸收率随入射角度的变化；在入射角度的范围内,泵浦光的平均单程透射率T＝0％,平均单程消光率A＝54.304％；泵浦光大于全反射临界角入射，在空气界面发生了全反射，透过率为0；因此在此临界角之后的入射光均需要Si材料的独特的消光性能对其进行衰减；
实施例2
采用的是LMA-GDF-10/125双包层光纤，外包层剥除长度为6CM，采用离子束辅助沉积，从内包层开始，由内向外依次沉积9nmTi，150nmSiO2,10nmTi；
图3-4为结构图，图9表2为设计膜系，附图6是976nm的泵浦光的透过率与吸收率随入射角度的变化。在入射角度的范围内,泵浦光的平均单程透射率T＝0％,平均单程消光率A＝61.592％；
实施例3
采用的是LMA-GDF-30/250双包层光纤，外包层剥除长度为8CM，采用离子束辅助沉积，从内包层开始，由内向外依次沉积40nmTiO2，5nmAl
图7为为结构图，图9表3为设计膜系，附图8是976nm的泵浦光的透过率与吸收率随入射角度的变化。
在入射角度的范围内,泵浦光的平均单程透射率T＝0％,平均单程消光率A＝52.608％
上述实施例实验测量结果如图9表4所示。
以上所述为本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理和精神的情况下凡依本发明申请专利范围所做的均等变化、修改、替换和变型，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (8)

1.一种基于纳米薄膜的光纤剥离器，其包括，双包层光纤，所述双包层光纤的预设段涂覆层和外包层被剥除并裸露内包层，其特征在于：所述预设段的内包层表面圆周沉积有纳米薄膜，所述纳米薄膜至少包括一层用于吸收泵浦光达到衰减目的的消光层；所述纳米薄膜的消光层数量大于一，且各消光层间对应设有用于将光从一个消光层传输至另一消光层来减少单一消光层功率负载的导光层。
2.根据权利要求1所述的一种基于纳米薄膜的光纤剥离器，其特征在于：所述预设段长度为1CM-20CM。
3.根据权利要求1所述的一种基于纳米薄膜的光纤剥离器，其特征在于：所述消光层与导光层厚度为1nm-1000nm。
4.根据权利要求1所述的一种基于纳米薄膜的光纤剥离器，其特征在于：所述纳米薄膜总厚度为1nm-10um。
5.根据权利要求1所述的一种基于纳米薄膜的光纤剥离器，其特征在于：所述消光层包括Ge、Al、Fe、Ti、Ag、Au、Zn、Zr、Mg、Cu、Hf、Ba、Ni、Ho、Sn、Ce、Si、Ti、Ge、Cr、Al、V、In、P、Sb及其亚氧化物、InAs、ZnSe或ITO。
6.根据权利要求1所述的一种基于纳米薄膜的光纤剥离器，其特征在于：所述导光层包括Ta2O5、TiO2、ZrO2、ZnO、Al2O3、MgF2、Ho2O3、SiOP、SiO2、Sb2O3、Nd2O3、HfO2、Y2O3、PrF3、NdF3、Na3AlF6、MgO、LaF3、LuF3、Al2O3、BaF2、CaF2、LiF或HoF3。
7.一种基于纳米薄膜的光纤剥离器制造方法，其特征在于，其包括如下步骤：
选取双包层光纤的预设段长度；
利用化学腐蚀或机械剥除将双包层光纤的预设段的涂覆层和外包层剥离，暴露该段光纤的内包层并进行清洁；
进行纳米薄膜的消光层选材操作；
将清洁后的光纤暴露在外，采用电子束蒸发、离子束辅助沉积、等离子体溅射、磁控溅射或者原子层沉积中至少一种物理或化学沉积方法，在内包层外侧均匀沉积消光层；
判断预设所需消光层数量是否大于一，若是，则在各消光层之间沉积设置导光层后完成制造，若否，则完成制造。
8.根据权利要求7所述的一种基于纳米薄膜的光纤剥离器制造方法，其特征在于：所述进行纳米薄膜的消光层选材操作的步骤具体包括：
设薄膜材料的光学常数为N1＝n-ik，k为消光系数，得出电场强度为E0的电磁波在所述薄膜材料中的传输过程为
Figure FDA0003741028120000021
其中，d为在该材料中的行进距离，
Figure FDA0003741028120000022
为行进至某距离时的电场强度；
求得
Figure FDA0003741028120000023
用于表示电磁波的光强度在传输过程中以指数关系衰减，其中
Figure FDA0003741028120000024
为吸收系数；
假设薄膜材料为四分之一光学厚度，则光线从内包层入射时的反射率为
Figure FDA0003741028120000025
当消光系数k＝0时薄膜无吸收，当折射率n＝0时，R＝100％，也无吸收，则将n·k乘积用于衡量纳米薄膜的消光层的吸收量；
利用n·k乘积对应计算选取纳米薄膜的消光层适用材料。
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