CN115113335B - 中波和长波红外集成型光纤合束器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了中波和长波红外集成型光纤合束器及其制备方法，所述光纤合束器由m根中波红外光纤和n根长波红外光纤紧密堆积并熔融拉锥而成，包括1个锥形输出端和m+n个分散排布的圆形输入端，其中m≥3、n≥3；中波和长波红外光纤由内向外依次为硫系玻璃纤芯、硫系玻璃内包层和聚合物外包层；中波红外光纤的纤芯材料的化学组成为GeaAsbS1‑a‑b，a＝0～0.1,b＝0.24～0.4，其内包层材料的化学组成为GecAsdS1‑c‑d，c＝0～0.1,d＝0.22～0.39；长波红外光纤的纤芯材料的化学组成为GeeAsfSegTe1‑e‑f‑g，e＝0.1～0.15,f＝0.2～0.3,g＝0.35～0.4，其内包层材料的化学组成为GehAsiSejTe1‑h‑i‑j，h＝0.1～0.15,i＝0.2～0.3,j＝0.37～0.42。所述光纤合束器可将多个低功率的中波红外激光器和长波红外激光器的输出激光进行合束，可应用于红外激光对抗领域。在工作过程中，相邻光纤间无明显激光串扰，合束效率高。
Description
技术领域
本发明属于红外光纤材料和器件领域，涉及一种可同时工作在3～5μm中波红外波段和 8～12μm长波红外波段的集成型光纤合束器，具体为中波和长波红外集成型光纤合束器及其制备方法。
背景技术
在国防安全领域，大部分红外激光对抗装备工作在3～5μm中波红外波段和8～12μm长波红外波段，因为这两个波段是大气的高透明窗口，激光在这两个波段内能够实现几公里到几十公里的远距离传输。中波红外激光光源主要有量子级联激光器(QCL)、光纤激光器、气体激光器、激活离子掺杂固体激光器和光学参量振荡器(OPO)；长波红外激光光源主要有 QCL、OPO和气体激光器。与其它激光器相比，QCL通过电-光转换实现激光输出，具有电光转换效率高、重量轻、结构紧凑等优点，是目前所有中波和长波红外激光器中唯一能够满足整个3～5μm和8～12μm波段的小型可实用激光器。
目前实验室报道的近单模、连续输出的QCL的输出功率已超过8瓦，商用的QCL最高功率达到了4～5瓦。为了进一步提高基于QCL的激光光源的输出功率，研究人员提出并尝试了激光合束技术，即通过多个激光器的输出光束合成来实现单个激光器无法达到的高功率水平。激光合束技术主要包括光谱合束技术、相干合束技术和光纤合束技术。尽管光谱合束技术和相干合束技术可在不牺牲激光输出光束质量的同时，将多个激光器输出的激光合束，但是，这两类合束技术通常用到各类自由空间光学元件(譬如反射镜、光栅和透镜)，因此，在使用时对环境的温度和振动等扰动比较敏感，且其封装复杂、设计较笨重。另一方面，光纤合束技术是通过将多根光纤经过拉锥实现合束，这样可以实现结构紧凑、鲁棒性好的高功率光纤器件。光纤合束器作为一种无源器件，由于没有额外能量输入，其光束质量不会获得提高，因此，光纤合束技术主要被用于对光束质量要求不高的激光合束场景。
与光纤激光器不同，QCL采用的是空间光输出模式，其输出发散角大，光谱合束技术和相干合束技术难以实现有效的激光功率耦合。因此，通过光纤耦合输出激光、继而通过光纤合束的技术方案把多个QCL的功率叠加起来实现更高功率的激光输出，是最适合QCL提升功率的技术路线。目前，美国海军已研制出用于中波红外QCL激光合束的光纤合束器。
随着红外探测器技术和红外激光技术的进步，新一代红外激光对抗装备不再单一地工作在3～5μm或8～12μm波段，而是同时兼顾这两个波段。因此，现阶段迫切需要可同时工作在3～5μm中波红外波段和8～12μm长波红外波段的光纤合束器，然而目前尚未见可同时工作在这两个波段的光纤合束器产品或研究报道，这种光纤合束器研制的主要难点在于如何找到粘温特性匹配的中波红外光纤材料和长波红外光纤材料，并将它们在相同温度下进行可控拉锥。
发明内容
解决的技术问题：针对现有技术中存在的难以获得可同时工作在3～5μm中波红外波段和 8～12μm长波红外波段的光纤合束器，克服构建粘温特性匹配的中波红外光纤和长波红外光纤材料的难点，并实现在相同温度条件下进行可控拉锥，本发明提供了中波和长波红外集成型光纤合束器及其制备方法。
技术方案：中波和长波红外集成型光纤合束器，所述光纤合束器由m根中波红外光纤和 n根长波红外光纤紧密堆积并熔融拉锥而成，包括1个锥形输出端和m+n个分散排布的圆形输入端，其中m≥3、n≥3；中波和长波红外光纤由内向外依次为硫系玻璃纤芯、硫系玻璃内包层和聚合物外包层；中波红外光纤的纤芯材料的化学组成为GeaAsbS1-a-b，a＝0～0.1,b＝0.24～0.4，其内包层材料的化学组成为GecAsdS1-c-d，c＝0～0.1,d＝0.22～0.39，中波红外光纤纤芯材料的折射率n1大于其内包层材料的折射率n2；长波红外光纤的纤芯材料的化学组成为 GeeAsfSegTe1-e-f-g，e＝0.1～0.15,f＝0.2～0.3,g＝0.35～0.4，其内包层材料的化学组成为 GehAsiSejTe1-h-i-j，h＝0.1～0.15,i＝0.2～0.3,j＝0.37～0.42，长波红外光纤纤芯材料的折射率n3大于其内包层材料的折射率n4。
优选的，所述聚合物外包层材料为聚醚酰亚胺或聚醚砜树脂。
优选的，中波红外光纤和长波红外光纤的纤芯直径均为100～200μm。
优选的，中波红外光纤和长波红外光纤的纤芯和内包层直径比为0.65～0.8。
以上任一所述中波和长波红外集成型光纤合束器的制备方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1，采用棒管法制备三层同轴结构的中波红外光纤和长波红外光纤；
步骤2，截取长度相同的m根中波红外光纤和n根长波红外光纤，将光纤一端长度为L 的部分放入有机溶剂中溶解掉该部分光纤的聚合物外包层，其中L≥5cm；
步骤3，将上述m+n根光纤的已溶解掉聚合物外包层的一端紧密堆积，然后插入内径、长度均匹配的硫系玻璃毛细管中，所述硫系玻璃毛细管的化学组成与中波红外光纤的内包层材料的化学组成相同；
步骤4，将硫系玻璃毛细管两端涂胶，使m+n根光纤与硫系玻璃毛细管粘结在一起，形成预制件；
步骤5，将预制件放入拉锥装置的气氛保护型管式加热炉中，使硫系玻璃毛细管的中部位于管式加热炉的高温区；
步骤6，启动管式加热炉，待炉温升至玻璃软化温度附近，对预制件进行拉锥，使锥腰的直径缩小为硫系玻璃毛细管直径的2/5～1/4，形成光纤合束器坯件；
步骤7，在光纤合束器坯件的锥腰中心处切断，获得具有m+n个输入端和1个输出端的光纤合束器；
步骤8，将光纤合束器铠装，然后对m+n个输入端和1个输出端进行抛光，即制得中波和长波红外集成型光纤合束器。
优选的，所述有机溶剂为二甲基乙酰胺或二氯甲烷。
优选的，硫系玻璃毛细管由以下方法制得：首先采用旋管法制备内外直径比为0.65～0.8 的硫系玻璃套管，然后将硫系玻璃套管在其玻璃软化温度附近拉制成硫系玻璃毛细管。
优选的，硫系玻璃毛细管的内径等于或大于m+n根去除外包层的光纤紧密堆积后形成的光纤束的外切圆直径。
本发明所述中波和长波红外集成型光纤合束器设计的思路及原理在于：基于国内外研究现状，中波红外光纤主要有氟化物玻璃光纤、碲酸盐玻璃光纤、硫化物玻璃光纤、硒化物玻璃光纤等，长波红外光纤主要有碲化物玻璃光纤、卤化物晶体光纤、空心光纤等。通过调研和对比上述各种光纤材料的热学和光学性能，可知中波红外硫化物玻璃和长波红外碲化物玻璃的粘温特性相对较接近，有望在相同温度下拉制成光纤和组合拉锥。通过研究具有不同化学组成的硫化物玻璃和碲化物玻璃的粘度-温度变化特性，探寻粘温特性相匹配的玻璃的化学组成范围，然后尝试玻璃拉丝和组合拉锥实验，结合实验结果对化学组成进行微调，最终确定可在相同温度下拉丝和组合拉锥的中波红外硫化物玻璃和长波红外碲化物玻璃的化学组成。然后，将最终确定的粘温特性匹配的中波红外硫化物玻璃和长波红外碲化物玻璃分别拉制成光纤，并将两种光纤组合拉锥后获得中波和长波红外集成型光纤合束器。该光纤合束器工作时，每个分散排布的输入端连接一个低功率的激光器，中波红外硫化物玻璃光纤连接3～5 μm激光器，长波红外碲化物玻璃光纤连接8～12μm激光器，所有光纤中传输的激光在输出端汇聚输出，达到中波红外激光和长波红外激光合束的目的。
有益效果：(1)本发明中波和长波红外集成型光纤合束器可将多个低功率的中波红外激光器和长波红外激光器的输出激光进行合束，从而实现同时输出较高功率中波和长波红外激光的功能；(2)本发明中波和长波红外集成型光纤合束器在工作过程中，相邻光纤间无明显激光串扰，合束效率高；(3)所述光纤合束器的制备工艺简便，成品率高。
附图说明
图1是实施例1中波和长波红外集成型光纤合束器的结构示意图，图中M1、M2和M3为中波红外光纤的编号，L1、L2、L3和L4为长波红外光纤的编号；
图2是实施例1制备的中波和长波红外集成型光纤合束器的输出端光学照片。
具体实施方式
以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本发明的范围。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。
实施例1
本实施例中，中波和长波红外集成型光纤合束器由3根中波红外光纤和4根长波红外光纤紧密堆积并熔融拉锥而成；该光纤合束器具有1个锥形输出端和7个圆形输入端，如图1 所示；中波红外光纤的纤芯材料和包层材料的化学组成分别为As0.4S0.6(折射率n1＝2.414 @4μm)、As0.38S0.62(折射率n2＝2.387@4μm)，外包层材料为聚醚酰亚胺(PEI)；长波红外光纤的纤芯材料和包层材料的化学组成分别为Ge0.1As0.3Se0.38Te0.22(折射率n3＝2.872@10μm)、 Ge0.1As0.3Se0.4Te0.2(折射率n4＝2.845@10μm),外包层材料为PEI；两种光纤的尺寸相同，芯径、内包层直径和外包层直径分别为200μm、250μm和300μm。
本实施例中波和长波红外集成型光纤合束器的制备方法如下：
采用常规棒管法制备三层同轴结构的As0.4S0.6/As0.38S0.62/PEI中波红外光纤和Ge0.1As0.3Se0.38Te0.22/Ge0.1As0.3Se0.4Te0.2/PEI长波红外光纤，两种光纤的尺寸相同，芯径、内包层直径和外包层直径分别为200μm、250μm和300μm；截取长度均为50cm的3根中波红外光纤和4根长波红外光纤，将光纤一端长度为5cm的部分放入二甲基乙酰胺溶剂中溶解掉该部分光纤的PEI外包层；将7根光纤的已溶解掉PEI外包层的一端紧密堆积，然后插入内径为750μm、外径为1150μm、长度为5cm的As0.38S0.62硫系玻璃毛细管中(该毛细管制备工艺为：首先采用旋管法制备内外径分别为9.8mm和15mm的As0.38S0.62套管，然后将其在 300℃拉制成内外径分别为750μm和1150μm的毛细管)；将毛细管两端涂胶，使上述7根光纤与毛细管粘结在一起，形成预制件；将预制件放入拉锥装置的气氛保护型管式加热炉中，使硫系玻璃毛细管的中部位于管式加热炉的高温区；启动管式加热炉，待炉温升至305℃，对预制件进行拉锥，使锥腰的直径缩小为约288μm，形成光纤合束器坯件；在光纤合束器坯件的锥腰中心处切断，获得具有7个输入端和1个输出端的光纤合束器；将光纤合束器铠装，然后对其7个输入端和1个输出端进行抛光，即可。
光纤合束器的长度约52cm，7个输入端光纤的芯径为200μm，输出端光纤的芯径为188 μm，其中输出端光学照片如图2所示，输出端光纤的芯径是指图中7根光纤围成的光纤束直径，等于毛细管拉锥后的内径；QCL激光传输测试发现，相邻光纤间无明显激光串扰，合束效率达到～95％。
实施例2
本实施例中，中波和长波红外集成型光纤合束器由4根中波红外光纤和3根长波红外光纤紧密堆积并熔融拉锥而成；该光纤合束器具有1个锥形输出端和7个圆形输入端；中波红外光纤的纤芯材料和包层材料的化学组成分别为Ge0.1As0.24S0.66(折射率n1＝2.251@4μm)、 Ge0.1As0.22S0.68(折射率n2＝2.225@4μm)，外包层材料为聚醚砜树脂(PES)；长波红外光纤的纤芯材料和包层材料的化学组成分别为Ge0.15As0.2Se0.4Te0.25(折射率n3＝2.892@10μm)、 Ge0.15As0.2Se0.42Te0.23(折射率n4＝2.863@10μm),外包层材料为PES；两种光纤的尺寸相同，芯径、内包层直径和外包层直径分别为150μm、200μm和240μm。
本实施例中波和长波红外集成型光纤合束器的制备方法如下：
采用常规棒管法制备三层同轴结构的Ge0.1As0.24S0.66/Ge0.1As0.22S0.68/PES中波红外光纤和 Ge0.15As0.2Se0.4Te0.25/Ge0.15As0.2Se0.42Te0.23/PES长波红外光纤，两种光纤的尺寸相同，芯径、内包层直径和外包层直径分别为150μm、200μm和240μm；截取长度均为80cm的4根中波红外光纤和3根长波红外光纤，将光纤一端长度为8cm的部分放入二氯甲烷溶剂中溶解掉该部分光纤的PES外包层；将7根光纤的已溶解掉PES外包层的一端紧密堆积，然后插入内径为610μm、外径为820μm、长度为8cm的Ge0.1As0.22S0.68硫系玻璃毛细管中(该毛细管制备工艺为：首先采用旋管法制备内外径分别为11.2mm和15mm的Ge0.1As0.22S0.68套管，然后将其在330℃拉制成内外径分别为610μm和820μm的毛细管)；将毛细管两端涂胶，使上述 7根光纤与毛细管粘结在一起，形成预制件；将预制件放入拉锥装置的气氛保护型管式加热炉中，使硫系玻璃毛细管的中部位于管式加热炉的高温区；启动管式加热炉，待炉温升至 320℃，对预制件进行拉锥，使锥腰的直径缩小为约273μm，形成光纤合束器坯件；在光纤合束器坯件的锥腰中心处切断，获得具有7个输入端和1个输出端的光纤合束器；将光纤合束器铠装，然后对其7个输入端和1个输出端进行抛光，即可。
本实施例最终获得的中波和长波红外集成型光纤合束器的长度约80cm，7个输入端光纤的芯径为150μm，输出端光纤的芯径为200μm；QCL激光传输测试发现，相邻光纤间无明显激光串扰，合束效率达到～92％。
实施例3
本实施例中，中波和长波红外集成型光纤合束器由10根中波红外光纤和9根长波红外光纤紧密堆积并熔融拉锥而成；该光纤合束器具有1个锥形输出端和19个圆形输入端；中波红外光纤的纤芯材料和包层材料的化学组成分别为Ge0.08As0.29S0.63(折射率n1＝2.287)、 Ge0.08As0.27S0.65(折射率n2＝2.262)，外包层材料为聚醚酰亚胺(PEI)；长波红外光纤的纤芯材料和包层材料的化学组成分别为Ge0.12As0.27Se0.35Te0.26(折射率n3＝2.922)、Ge0.12As0.27Se0.37Te0.24(折射率n4＝2.893),外包层材料为PES；两种光纤的尺寸相同，芯径、内包层直径和外包层直径分别为100μm、154μm和185μm。
本实施例中波和长波红外集成型光纤合束器的制备方法如下：
采用常规棒管法制备三层同轴结构的Ge0.08As0.29S0.63/Ge0.08As0.27S0.65/PEI中波红外光纤和 Ge0.12As0.27Se0.35Te0.26/Ge0.12As0.27Se0.37Te0.24/PEI长波红外光纤，两种光纤的尺寸相同，芯径、内包层直径和外包层直径分别为100μm、154μm和185μm；截取长度均为100cm的10根中波红外光纤和9根长波红外光纤，将光纤一端长度为10cm的部分放入二氯甲烷溶剂中溶解掉该部分光纤的PEI外包层；将19根光纤的已溶解掉PEI外包层的一端紧密堆积，然后插入内径为780μm、外径为980μm、长度为10cm的Ge0.08As0.27S0.65硫系玻璃毛细管中(该毛细管制备工艺为：首先采用旋管法制备内外径分别为12mm和15mm的Ge0.08As0.27S0.65套管，然后将其在340℃拉制成内外径分别为780μm和980μm的毛细管)；将毛细管两端涂胶，使上述19根光纤与毛细管粘结在一起，形成预制件；将预制件放入拉锥装置的气氛保护型管式加热炉中，使硫系玻璃毛细管的中部位于管式加热炉的高温区；启动管式加热炉，待炉温升至330℃，对预制件进行拉锥，使锥腰的直径缩小为约392μm，形成光纤合束器坯件；在光纤合束器坯件的锥腰中心处切断，获得具有19个输入端和1个输出端的光纤合束器；将光纤合束器铠装，然后对其19个输入端和1个输出端进行抛光，即可。
本实施例最终获得的中波和长波红外集成型光纤合束器的长度约98cm，19个输入端光纤的芯径为100μm，输出端光纤的芯径为308μm；QCL激光传输测试发现，相邻光纤间无明显激光串扰，合束效率达到～90％。
Claims (8)
1.中波和长波红外集成型光纤合束器，其特征在于，所述光纤合束器由m根中波红外光纤和n根长波红外光纤紧密堆积并熔融拉锥而成，包括1个锥形输出端和m+n个分散排布的圆形输入端，其中m≥3、n≥3；中波和长波红外光纤由内向外依次为硫系玻璃纤芯、硫系玻璃内包层和聚合物外包层；中波红外光纤的纤芯材料的化学组成为GeaAsbS1-a-b，a=0~0.1,b=0.24~0.4，其内包层材料的化学组成为GecAsdS1-c-d，c=0~0.1, d=0.22~0.39，中波红外光纤纤芯材料的折射率n1大于其内包层材料的折射率n2；长波红外光纤的纤芯材料的化学组成为GeeAsfSegTe1-e-f-g，e=0.1~0.15, f=0.2~0.3, g=0.35~0.4，其内包层材料的化学组成为GehAsiSejTe1-h-i-j，h=0.1~0.15, i=0.2~0.3, j=0.37~0.42，长波红外光纤纤芯材料的折射率n3大于其内包层材料的折射率n4。
2.根据权利要求1所述的中波和长波红外集成型光纤合束器，其特征在于，所述聚合物外包层材料为聚醚酰亚胺或聚醚砜树脂。
3.根据权利要求1所述的中波和长波红外集成型光纤合束器，其特征在于，中波红外光纤和长波红外光纤的纤芯直径均为100~200 μm。
4.根据权利要求1所述的中波和长波红外集成型光纤合束器，其特征在于，中波红外光纤和长波红外光纤的纤芯和内包层直径比为0.65~0.8。
5.权利要求1-4任一所述中波和长波红外集成型光纤合束器的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1，采用棒管法制备三层同轴结构的中波红外光纤和长波红外光纤；
步骤2，截取长度相同的m根中波红外光纤和n根长波红外光纤，将光纤一端长度为L的部分放入有机溶剂中溶解掉聚合物外包层，其中L≥5 cm；
步骤3，将上述m+n根光纤的已溶解掉聚合物外包层的一端紧密堆积，然后插入内径、长度均匹配的硫系玻璃毛细管中，所述硫系玻璃毛细管的化学组成与中波红外光纤的内包层材料的化学组成相同；
步骤4，将硫系玻璃毛细管两端涂胶，使m+n根光纤与硫系玻璃毛细管粘结在一起，形成预制件；
步骤5，将预制件放入拉锥装置的气氛保护型管式加热炉中，使硫系玻璃毛细管的中部位于管式加热炉的高温区；
步骤6，启动管式加热炉，待炉温升至玻璃软化温度附近，对预制件进行拉锥，使锥腰的直径缩小为硫系玻璃毛细管外径的2/5~1/4，形成光纤合束器坯件；
步骤7，在光纤合束器坯件的锥腰中心处切断，获得具有m+n个输入端和1个输出端的光纤合束器；
步骤8，将光纤合束器铠装，然后对m+n个输入端和1个输出端进行抛光，即制得中波和长波红外集成型光纤合束器。
6.根据权利要求5所述的中波和长波红外集成型光纤合束器的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂为二甲基乙酰胺或二氯甲烷。
7.根据权利要求5所述的中波和长波红外集成型光纤合束器的制备方法，其特征在于，硫系玻璃毛细管由以下方法制得：首先采用旋管法制备内外直径比为0.65~0.8的硫系玻璃套管，然后将硫系玻璃套管在其玻璃软化温度附近拉制成硫系玻璃毛细管。
8.根据权利要求5所述的中波和长波红外集成型光纤合束器的制备方法，其特征在于，硫系玻璃毛细管的内径等于或大于m+n根去除外包层的光纤紧密堆积后形成的光纤束的外切圆直径。
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