CN114865434A - 光纤一体化端帽及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光纤激光器件技术领域，具体为一种光纤一体化端帽及其制备方法。本发明提供的光纤一体化端帽包括：初始光纤段、光纤反向拉锥结构锥形过渡段、光纤反向拉锥结构均匀腰区段；是采用光纤拉锥机对光纤进行反向拉锥处理，形成包含锥形过渡段和均匀腰区段的具有更大纤芯直径和包层直径的光纤反向拉锥结构，再对反向拉锥结构进行不同参数的热致扩芯处理，最后从反向拉锥结构的均匀腰区段切割后端面镀抗反膜得到；本发明可以在传能光纤上直接制备得到无缝连接的端帽，极大提高了光纤端帽的集成兼容性，并且在降低光纤输出面光功率密度的同时保证良好的激光光束质量，可满足全光纤激光器及高能激光传输的应用需求。

Description

光纤一体化端帽及其制备方法

技术领域

本发明属于光纤激光器件技术领域，具体涉及一种光纤一体化端帽及其制备方法。

背景技术

高功率光纤激光器具有结构紧凑、转换效率高、光束质量好等优势，现已广泛应用于工业加工、国防军事、材料加工等领域。目前上千瓦和更高输出功率的光纤激光器通常采用的光纤为纤芯直径仅数十微米，使得其具有很高的纤芯能量密度，在光纤激光器高功率输出时光纤端面的污染及任意细小的缺陷都将导致光纤端面损伤，并且输出光纤的端面反射光也会对激光器性能造成严重影响。

对能量传输光纤输出端的保护是关系激光器安全及稳定工作的关键，目前主要使用光纤端帽作为高功率光纤激光器的输出端。常见的光纤端帽制备方法有：在光纤输出端熔接较大的石英块或者玻璃棒，达到扩束以降低功率密度，然而由于光纤与大尺寸端帽直径的巨大差异，难以实现两者的高质量熔接；在光纤输出端熔接多段无芯光纤，提高扩束直径，然而效果有限，并且激光在无芯光纤中自由传输后直接输出，降低了光纤激光输出准直性能；在熔接石英块或者无芯光纤后，在端帽的输出端额外设置透镜组，或者将端帽的输出端使用离子刻蚀等工艺精密加工为平滑曲面，从而在扩束的同时对出射激光进行准直，提高激光光束质量，然而这都使得光纤端帽制备较为复杂繁琐。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种结构简单、集成度高、输出激光光束质量好的光纤一体化端帽及其制备方法。

本发明提供的光纤一体化端帽，包括初始光纤段、光纤反向拉锥结构锥形过渡段、光纤反向拉锥结构均匀腰区段；是采用光纤拉锥机对光纤进行反向拉锥处理，形成包含锥形过渡段和均匀腰区段的具有更大纤芯直径和包层直径的光纤反向拉锥结构，再对所述反向拉锥结构进行不同参数的热致扩芯处理，最后从所述反向拉锥结构的均匀腰区段切割后端面镀抗反膜得到。

其中，所述初始光纤，可以为掺杂的有源光纤或者非掺杂的能量传输光纤。

其中，所述初始光纤，可以为单包层光纤，或者双包层光纤，或者为三层以上的多包层光纤。

其中，所述初始光纤，纤芯直径为10μm-200μm，包层直径为130μm-500μm。

其中，所述光纤反向拉锥处理倍率为1.1-4；所述光纤反向拉锥处理倍率定义为所述光纤反向拉锥结构均匀腰区段与所述初始光纤段的包层直径比。

其中，在对光纤进行反向拉锥处理后，进一步对所述反向拉锥结构进行热致扩芯处理，在不改变所述反向拉锥结构直径的基础上得到更大纤芯直径，从而增大光束出射面积。

其中，所述光纤反向拉锥结构锥形过渡段的光纤纤芯直径和包层直径随着靠近反向拉锥结构腰区是单调增大的。

其中，所述光纤反向拉锥结构均匀腰区段的端面上镀有抗反膜。

本发明还提供上述光纤一体化端帽的制备方法，具体步骤为：

（1）获取初始能量传输光纤，剥除一段光纤涂覆层，使用高纯酒精或者丙酮处理光纤表面；

（2）使用光纤拉锥机对步骤（1）处理得到的裸纤区域进行反向拉锥处理，得到包含锥形过渡段和均匀腰区段的光纤反向拉锥结构；

（3）对所述光纤反向拉锥结构进行热致扩芯处理；

（4）在所述光纤反向拉锥结构的腰区段进行切割，并在切割腰区端面上镀抗反膜。

其中，所述光纤反向拉锥处理倍率为1.1-4，所述光纤反向拉锥结构锥形过渡段的光纤纤芯直径和包层直径随着靠近反向拉锥结构腰区是单调增大的。

本发明在传能光纤上直接制备得到无缝连接的端帽，极大提高了光纤端帽的集成兼容性，并且在降低光纤输出面光功率密度的同时保证良好的激光光束质量，可满足全光纤激光器及高能激光传输的应用需求。

相比于现有技术，本发明采用光纤拉锥机直接对传能光纤进行反向拉锥处理，形成包含锥形过渡段和均匀腰区段的扩束光束结构，并进一步进行热致扩芯扩大出射光束面积，降低出射端面光束功率密度；另外，相比常用的石英或者无芯光纤端帽，由于这些结构不存在折射率差限制，光束在其中进行自由发散传播，本发明提供的光纤一体化端帽利用光纤的锥形过渡结构和光纤纤芯与包层之间存在的折射率差限制，使得扩束光束能保持良好的光束质量。

本发明的光纤一体化端帽的制备方法，流程简单，制备成本低，有利于形成实用化产品。

附图说明

图1为本发明实施例中一种光纤一体化端帽的结构示意图。

图2是本发明实施例中光纤一体化端帽输入光场（a）和输出光场（b）。

图3为本发明实施例中光纤一体化端帽输入端和输出端进行能量归一化后的光功率密度曲线。

图4为本发明实施例中一种光纤一体化端帽的制备方法流程图。

图中标号：1为光纤一体化端帽；11为初始光纤段；12为光纤反向拉锥结构锥形过渡段；13为光纤反向拉锥结构均匀腰区段；111为初始光纤段纤芯；112为光纤一体化端帽输入端端面；121为光纤锥形过渡段纤芯；131为光纤均匀腰区段纤芯；132为光纤一体化端帽输出端端面。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整地描述。

如图1所示为本发明实施例中一种光纤一体化端帽1的结构示意图。光纤一体化端帽1包括：初始光纤段11、光纤反向拉锥结构锥形过渡段12、光纤反向拉锥结构均匀腰区段13。其中，一体化端帽1的输入端端帽为112，输出端端面为132，初始光纤段纤芯为111，光纤锥形过渡段纤芯为121，光纤均匀腰区段纤芯为131。

具体地，上述光纤一体化端帽1可采用光纤拉锥机对光纤进行反向拉锥处理，形成包含锥形过渡段12和均匀腰区段13的具有更大纤芯直径和包层直径的光纤反向拉锥结构，再对所述反向拉锥结构进行不同参数的热致扩芯处理，最后从所述反向拉锥结构的均匀腰区段进行切割。光纤一体化端帽输出端端面132上镀有抗反膜。

其中，上述光纤反向拉锥结构的锥形过渡段的光纤纤芯直径和包层直径随着靠近反向拉锥结构腰区是单调增大的。

本实施例中，初始光纤11为无源的20/400双包层能量传输光纤，初始光纤段纤芯111直径为20μm，包层直径为400μm。

将初始光纤11剥除一段涂覆层，使用光纤拉锥机对初始光纤进行反向拉锥处理，达到光纤反向拉锥处理倍率为2，其中，反向拉锥处理倍率定义为所述反向拉锥结构腰区与初始光纤的包层直径比。可以理解的是，为了满足更高光纤一体化端帽的扩束要求，还可以进行更高反向拉锥倍率的处理。

进一步地，在对初始光纤11进行反向拉锥处理后，对所述反向拉锥结构进行热致扩芯处理，在不改变所述反向拉锥结构直径的基础上得到更大纤芯直径，从而增大光束出射面积。如图2所示是本发明实施例中光纤一体化端帽输入光场（a）和输出光场（b）。对比图2（a）和图2（b）可以发现，激光在经过光纤一体化端帽1后，一体化端帽输出端端面仍然保持良好的光场形态，而且光束面积得到了有效的增大，从而降低了输出端端面的光功率密度，扩束效果明显。

如图3所示为上述实施例中光纤一体化端帽输入端112和输出端132进行能量归一化后的光功率密度曲线。从图3中可以看出，输入端光场能量非常集中，光功率密度曲线近似为高斯曲线分布，而在输出端的光功率密度得到了显著的减小，中心光功率密度降低了25倍。

其中，光纤一体化端帽的输出端端面132上镀有抗反膜。

如图4所示为上述实施例中光纤一体化端帽的制备方法的流程图，包括以下步骤：

（1）获取初始能量传输光纤，剥除一段光纤涂覆层，使用高纯酒精或者丙酮处理光纤表面；

（2）使用光纤拉锥机对步骤（1）处理得到的裸纤区域进行反向拉锥处理，得到包含锥形过渡段和均匀腰区段的光纤反向拉锥结构；

（3）对所述光纤反向拉锥结构进行热致扩芯处理；

（4）在所述光纤反向拉锥结构的腰区段进行切割，并在切割腰区端面上镀抗反膜。

本发明实施例中，采用光纤拉锥机直接对传能光纤进行反向拉锥处理，形成包含锥形过渡段和均匀腰区段的扩束光束结构，并进一步进行热致扩芯以扩大出射光束面积，使得光纤出射端面功率密度得到极大的降低，同时由于光纤的锥形过渡结构和光纤纤芯与包层折射率差限制，使得制备得到的光纤一体化端帽可以保持良好的光束质量。本发明实施例提出的光纤一体化端帽的制备方法流程简单，重复性高，便于实用化。

最后，以上所述仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光纤一体化端帽，其特征在于，包括：初始光纤段、光纤反向拉锥结构锥形过渡段、光纤反向拉锥结构均匀腰区段；所述光纤一体化端帽是采用光纤拉锥机对光纤进行反向拉锥处理，形成包含锥形过渡段和均匀腰区段的具有更大纤芯直径和包层直径的光纤反向拉锥结构，再对所述反向拉锥结构进行不同参数的热致扩芯处理，最后从所述反向拉锥结构的均匀腰区段切割后端面镀抗反膜得到。

2.根据权利要求1所述的光纤一体化端帽，其特征在于，所述光纤为掺杂的有源光纤或者非掺杂的能量传输光纤。

3.根据权利要求2所述的光纤一体化端帽，其特征在于，所述光纤为单包层光纤，或者双包层光纤，或者为三层以上的多包层光纤。

4.根据权利要求1或2所述的光纤一体化端帽，其特征在于，所述初始光纤段的纤芯直径为10μm-200μm，包层直径为130μm-500μm。

5.根据权利要求1所述的光纤一体化端帽，其特征在于，所述光纤反向拉锥处理倍率为1.1-4；所述光纤反向拉锥处理倍率定义为所述光纤反向拉锥结构均匀腰区段与所述初始光纤段的包层直径比。

6.根据权利要求1或5所述的光纤一体化端帽，其特征在于，在对光纤进行反向拉锥处理后，进一步对所述反向拉锥结构进行热致扩芯处理，在不改变所述反向拉锥结构直径的基础上得到更大纤芯直径，从而增大光束出射面积。

7.根据权利要求1所述的光纤一体化端帽，其特征在于，所述光纤反向拉锥结构锥形过渡段的光纤纤芯直径和包层直径随着靠近反向拉锥结构腰区是单调增大的。

8.根据权利要求1所述的光纤一体化端帽，其特征在于，所述光纤反向拉锥结构均匀腰区段的端面上镀有抗反膜。

9.一种如权利要求1-8之一所述的光纤一体化端帽的制备方法，其特征在于，具体步骤为：

（1）获取初始能量传输光纤，剥除一段光纤涂覆层，使用高纯酒精或者丙酮处理光纤表面；

（2）使用光纤拉锥机对步骤（1）处理得到的裸纤区域进行反向拉锥处理，得到包含锥形过渡段和均匀腰区段的光纤反向拉锥结构；

（3）对所述光纤反向拉锥结构进行热致扩芯处理；

（4）在所述光纤反向拉锥结构的腰区段进行切割，并在切割腰区端面上镀抗反膜。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述光纤反向拉锥处理倍率为1.1-4，所述光纤反向拉锥结构锥形过渡段的光纤纤芯直径和包层直径随着靠近反向拉锥结构腰区是单调增大的。

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