CN114400493B - 三包层光纤的包层光滤除结构和制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种三包层光纤的包层光滤除结构和制作方法，包含上盖和光纤底座，所述的底座包含前置杂散光滤除结构、扰模结构、后置杂散光滤除结构，所述的扰模结构具有跳转缺口，位于所述的光纤底座的中部，在扰模结构的线槽中盘绕着扰模光纤，所述的前置杂散光滤除结构的一端与所述的扰模结构内圈的扰模光纤一端相连并固定在所述的光纤底座上，另一端的光纤伸出所述的光纤底座前边，所述的后置杂散光滤除结构的一端与所述的扰模结构外圈的扰模光纤的一端相连并固定在所述的光纤底座上，另一端的光纤伸出所述的光纤底座的后边，所述的上盖覆盖在并固定所述的光纤底座上。本发明具有结构简单、滤除效果好，在保证光纤的机械性能同时实现输出光束质量的可控。
Description
技术领域
本发明属于激光技术领域，尤其涉及一种三包层三包层光纤的包层光滤除结构和制备方法。
背景技术
随着激光技术的发展，光纤激光器输出功率不断提高，对光纤链路上的各类器件压力相应增加，滤除不需要的包层光可以有效降低光纤涂覆层吸收导致的发热，减少激光空间输出后的大发散角的“杂散光”，增加整个激光链路的可靠性。另外，在激光器正常工作或应用加工过程中，会有部分激光沿原路反射回去作用于激光器内部的核心器件，当回返光的强度达到一定阈值时会导致激光器内部器件运行不稳定或受到不可逆的损坏。
为了降低损耗，通常高功率的光纤激光器的传能光纤采用三包层结构，其中纤芯和外包层为纯二氧化硅层，内包层为掺氟的低折射率层。理想的传能光纤折射率分布为完全的“阶跃型”，低折射率层的折射率分布也应当十分平坦。然而，实际使用中，此类光纤由于光纤制作采用的MCVD或PCVD多层沉积工艺。这一工艺导致内包层掺氟层折射率分布存在径向与轴向分布不均匀的情况，这使得纤芯传输中的部分大发散角的“杂散光”(通常包含信号光和未吸收的泵浦激光)进入掺氟层而不能进一步地进入外包层，这类“杂散光”在掺氟层直接传输。而当前的包层模滤除方案基本是在光纤的表面毛化或涂覆高折射率材料导出外包层光，故只能滤除出外包层的“杂散光”，无法去除掺氟内包层传输的“杂散光”。此类的光纤如Nufern的BD-S100/120/360-STN、BD-S150/170/360-STN、BD-S200/230/660-STN、BD-S600/660/720-STN等。在此类结构的光纤中，纤芯和外部直径比值往往较小，加之掺氟层厚度往往较薄，如果继续采用当前行业通用的技术方案，则需要先将整个光纤使用物理或者化学的方法先去除外包层的部分，将内部掺氟包层露出之后再进行包层光处理。这样的处理存在几个问题：首先，光纤的外包层厚度一般较厚，去除的难度很高、效率也太慢。其次，由于内包层厚度很薄，去除过程容易破坏内包层的波导结构。最后，处理完的光纤的直径很细，加上处理过程会在光纤的表面留下微裂纹，光纤的机械性能会显著下降，在实际的使用中造成一定的风险。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种三包层光纤的包层光滤除结构和制备方法，该光滤除结构具有结构简单、滤除效果好，在保证光纤的机械性能同时实现输出光束质量的可控。
本发明的技术解决方案如下：
一种三包层光纤的包层光滤除结构，其特点在于包含上盖和光纤底座，所述的底座包含前置杂散光滤除结构、扰模结构、后置杂散光滤除结构，所述的扰模结构具有跳转缺口，位于所述的光纤底座的中部，在扰模结构的线槽中盘绕着扰模光纤，所述的前置杂散光滤除结构的一端与所述的扰模结构内圈的扰模光纤一端相连并固定在所述的光纤底座上，另一端的光纤伸出所述的光纤底座前边，所述的后置杂散光滤除结构的一端与所述的扰模结构外圈的扰模光纤的一端相连并固定在所述的光纤底座上，另一端的光纤伸出所述的光纤底座的后边，所述的上盖覆盖在并固定所述的光纤底座上。
所述的三包层光纤的纤芯和外包层为纯二氧化硅层，内包层为掺氟的低折射率层，数值孔径为NA0.12-0.24。
所述的光纤底座呈一定直径的半圆状长壳体，光纤底座的截面直径范围：1～8cm；弯曲面角度范围为：90～180°，所述的光纤底座或由多段曲面组合形成的波浪结构。
上述三包层光纤的包层光滤除结构的制作方法，包括下列步骤：
1)采用化学腐蚀、激光或机械刻蚀等方式对光纤外包层进行处理，处理范围包括物理尺寸和表面结构，并使用毛细管对处理部分进行密闭封装；
2)根据掺氟层实际的折射率分布、输入端输入的光束质量测试结果进行软件模拟计算，以计算结果，选择扰模结构的光纤扰模的直径和光纤盘绕的圈数；
3)采用机械应力将一块金属弯曲呈立体扰模结构，或一定直径的半圆状长壳体，在金属表面刻蚀圆形或方形U型线槽，将经过处理的光纤经所述的U型线槽进行盘绕，其中光纤盘绕可通过跳转缺口实现光纤盘绕直径的可调：1.3～10cm，光纤盘绕圈数可选：2～15圈，使用导热硅脂铺平固定，
4)所述的上盖上制作表面散热格栅；
5)根据步骤1)模拟计算结果，确定所述的前置杂散光滤除结构、后置杂散光滤除结构的位置；
6)将所述的前置杂散光滤除结构与所述的扰模结构内圈的光纤一端相连并安装固定在所述的光纤底座，另一端的光纤伸出所述的光纤底座前边，将所述的后置杂散光滤除结构的一端与所述的扰模结构外圈光纤的一端相连并固定在所述的光纤底座上，另一端的光纤伸出所述的光纤底座的后边；
7)将所述的上盖覆盖在所述的光纤底座上并使用螺丝固定。
本发明的技术效果如下：
采用化学腐蚀、激光或机械刻蚀等方式对光纤外包层进行处理，处理范围包括物理尺寸及表面结构，并使用毛细管对处理部分进行密闭封装的作用：进行扰模前后的大发散角的“杂散光”滤除；大发散角的“杂散光”主要包括激光设备前向传输杂散光与后向的反射光；
采用机械应力弯曲立体扰模结构，或空间圆状体(固定直径)盘绕，通过其精密的绕纤机构控制光纤盘绕的弯曲强度，引起光纤的宏弯。这会显著增加模式之间的耦合以及大发散角的“杂散光”到辐射模的耦合，进一步提升杂散光的滤除效率。
上盖结构的作用是光纤固定、表面散热；
光纤盘绕底座结构：截面直径范围：1～8cm；弯曲面角度范围：90～180°；可以多段曲面组合形成波浪结构；
结构作用：大功率散热需求可通过实体底座水冷实现；
以上所有结构制作或安装于光纤盘绕底座上，最终形成本发明。
5.三包层光纤结构说明：
纤芯A和外包层C为纯二氧化硅层，内包层B为掺氟的低折射率层，数值孔径NA的范围：0.12-0.24。
本发明通过外力盘绕引起三包层光纤宏弯，增加模式之间的耦合以及大发散角的“杂散光”到辐射模的耦合，辐射模自纤芯传输进入包层，而后被后置杂散光滤除机构滤除。
本发明的技术效果
1.实现三包层光纤双向稳定的包层光高效滤除；
2.实现三包层光纤激光输出能量分布及光束质量可调；
3.实现三包层光纤包层光的高功率滤除与稳定散热；
附图说明
图1为本发明三包层光纤的包层光滤除结构总体结构示意图；
图2为本发明光纤盘扰模底座2结构示意图；
图3为本发明左视图；
图4为本发明三包层光纤折射率设计分布；
图5为本发明三包层光纤折射率测试分布；
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
请参阅图1、图2、图3，由图可见，本发明三包层光纤的包层光滤除结构，包含上盖1和光纤底座2，所述的底座2包含前置杂散光滤除结构2.1、扰模结构2.2、后置杂散光滤除结构2.3，所述的扰模结构2.2具有跳转缺口2.21，位于所述的光纤底座2的中部，扰模结构2.2的线槽中盘绕着扰模光纤，所述的前置杂散光滤除结构2.1的一端与所述的扰模结构2.2内圈的扰模光纤一端相连并固定在所述的光纤底座2上，另一端的光纤伸出所述的光纤底座2前边，所述的后置杂散光滤除结构2.3的一端与所述的扰模结构2.2外圈的扰模光纤的一端相连并固定在所述的光纤底座2上，另一端的光纤伸出所述的光纤底座2的后边，所述的上盖1覆盖在并固定所述的光纤底座2上。
上述三包层光纤的包层光滤除结构的制作方法，包括下列步骤：
1)采用化学腐蚀、激光或机械刻蚀等方式对光纤外包层进行处理，处理范围包括物理尺寸和表面结构，并使用毛细管对处理部分进行密闭封装；
2)根据掺氟层实际的折射率分布、输入端输入的光束质量测试结果进行软件模拟计算，以计算结果，选择扰模结构2.2的光纤扰模的直径和光纤盘绕的圈数；
3)采用机械应力将一块金属弯曲呈立体扰模结构，或一定直径的半圆状长壳体，在金属表面刻蚀圆形或方形U型线槽，将经过处理的光纤经所述的U型线槽进行盘绕，其中光纤盘绕可通过跳转缺口2.21实现光纤盘绕直径的可调：1.3～10cm，光纤盘绕圈数可选：2～15圈，使用导热硅脂铺平固定，所述的上盖1上制作表面散热格栅；
4)所述的上盖上制作表面散热格栅；
5)根据步骤1)模拟计算结果，确定所述的前置杂散光滤除结构2.1、后置杂散光滤除结构2.3的位置；
6)将所述的前置杂散光滤除结构2.1与所述的扰模结构2.2内圈的光纤一端相连并安装固定在所述的光纤底座2，另一端的光纤伸出所述的光纤底座2前边，将所述的后置杂散光滤除结构2.3的一端与所述的扰模结构2.2外圈光纤的一端相连并固定在所述的光纤底座2上，另一端的光纤伸出所述的光纤底座2的后边；
7)将所述的上盖1覆盖在所述的光纤底座2上并使用螺丝固定。
请参见图3、图4，图4为本发明三包层光纤折射率设计分布；图5为本发明三包层光纤折射率测试分布。实验表明，本发明具有结构简单、滤除效果好的特点，在保证光纤的机械性能同时实现输出光束质量的可控。
Claims (6)
1.一种三包层光纤的内包层光滤除结构，其特征在于包含上盖（1）和光纤底座（2），所述的光纤底座（2）包含前置杂散光滤除结构（2.1）、扰模结构（2.2）、后置杂散光滤除结构（2.3），所述的扰模结构（2.2）具有跳转缺口（2.21），位于所述的光纤底座（2）的中部，扰模结构（2.2）的线槽中盘绕着扰模光纤，所述的扰模光纤为三包层光纤，其中包括纤芯、内包层和外包层，所述的前置杂散光滤除结构（2.1）的一端与所述的扰模结构（2.2）内圈的扰模光纤一端相连并固定在所述的光纤底座（2）上，另一端的光纤伸出所述的光纤底座（2）前边，所述的后置杂散光滤除结构（2.3）的一端与所述的扰模结构（2.2）外圈的扰模光纤的一端相连并固定在所述的光纤底座（2）上，另一端的光纤伸出所述的光纤底座（2）的后边，所述的上盖（1）覆盖在所述的光纤底座（2）上并固定；
其中所述光纤底座（2)为金属材料，其通过机械应力弯曲为立体扰模结构，通过控制光纤盘绕的弯曲强度，引起扰模光纤的宏弯，以将内包层中传输的杂散光导入外包层。
2.根据权利要求1所述的三包层光纤的内包层光滤除结构，其特征在于所述的三包层光纤的纤芯（A）和外包层（C）为纯二氧化硅层，内包层（B）为掺氟的低折射率层，数值孔径NA范围为0.12-0.24。
3.根据权利要求1或2所述的三包层光纤的内包层光滤除结构，其特征在于，所述的光纤底座（2）为呈一定直径的半圆状长壳体，光纤底座（2）的截面直径范围：1～8cm；弯曲面角度范围为：90～180°，或者所述的光纤底座（2）为多段曲面组合形成的波浪结构。
4.权利要求1所述的三包层光纤的内包层光滤除结构的制作方法，特征在于包括下列步骤：
1）采用化学腐蚀、激光或机械刻蚀等方式对光纤外包层进行处理，处理范围包括物理尺寸和表面结构，并使用毛细管对处理部分进行密闭封装；
2）根据掺氟的低折射率层实际的折射率分布、输入端输入的光束质量测试结果进行软件模拟计算，以计算结果，选择扰模结构（2.2）的光纤扰模的直径和光纤盘绕的圈数；
3）采用机械应力将一块金属弯曲成立体光纤底座（2），在金属表面刻蚀圆形、方形或U形线槽，将经过处理的光纤经所述线槽进行盘绕，所述机械应力弯曲成的立体光纤底座，通过控制光纤盘绕的弯曲强度，引起光纤的宏弯，以将内包层中传输的杂散光导入外包层，其中光纤盘绕可通过跳转缺口（2.21）实现光纤盘绕直径的可调：1.3～10cm，光纤盘绕圈数可选：2～15圈，使用导热硅脂铺平固定；
4）在所述的上盖上制作表面散热格栅；
5）根据步骤2）模拟计算结果，确定所述的前置杂散光滤除结构（2.1）、后置杂散光滤除结构（2.3）的位置；
6）将所述的前置杂散光滤除结构（2.1）与所述的扰模结构（2.2）内圈的光纤一端相连并安装固定在所述的光纤底座（2），另一端的光纤伸出所述的光纤底座（2）前边，将所述的后置杂散光滤除结构（2.3）的一端与所述的扰模结构（2.2）外圈光纤的一端相连并固定在所述的光纤底座（2）上，另一端的光纤伸出所述的光纤底座（2）的后边；
7）将所述的上盖（1）覆盖在所述的光纤底座（2）上并使用螺丝固定。
5.根据权利要求4所述的三包层光纤的内包层光滤除结构的制作方法，其特征在于所述的三包层光纤的纤芯（A）和外包层（C）为纯二氧化硅层，内包层（B）为掺氟的低折射率层，数值孔径NA范围为0.12-0.24。
6.根据权利要求4或5所述的三包层光纤的内包层光滤除结构的制作方法，其特征在于，所述的光纤底座（2）为呈一定直径的半圆状长壳体，光纤底座（2）的截面直径范围：1～8cm；弯曲面角度范围为：90～180°，或者所述的光纤底座（2）为多段曲面组合形成的波浪结构。
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| CN113126222A (zh) * | 2021-03-11 | 2021-07-16 | 武汉锐科光纤激光技术股份有限公司 | 一种非完全轨道约束式光纤盘及盘纤方法 |
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2022
- 2022-01-21 CN CN202311642922.8A patent/CN117526067A/zh active Pending
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