CN115128740B - 一种信号合束器、激光器及信号合束器的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种信号合束器、激光器及信号合束器的制作方法，其中信号合束器包括信号光纤束、玻璃套管和输出光纤，信号光纤束的第一侧套在玻璃套管中，玻璃套管与信号光纤束一同进行熔融拉锥，信号光纤束与输出光纤熔接，还包括陪衬光纤，陪衬光纤的两侧分别与所述信号光纤束的另一侧和所述玻璃套管固定连接，用于在该信号合束器拉锥和封装时实现信号光纤束与玻璃套管的相对固定。本发明在信号合束器拉锥和封装时可以实现信号光纤与玻璃套管的相对固定，减少热胀冷缩引入的形变量造成的二者之间的相对位移，并在整体封装到合束器盒体后同步固定，能够进一步降低合束器断纤的隐患。
Description
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，尤其涉及一种信号合束器、激光器及信号合束器的制作方法。
背景技术
随着光纤激光器的快速发展，单模组激光器输出功率得到不断提升，但是随之而来的是泵浦合束器和有源光纤等关键部件的要求越发苛刻，需承受高功率泵浦耦合并解决有源光纤泵浦过程中的横向模式不稳、输出功率提升带来的非线性效应等问题。通过信号合束器可以有效解决该类问题。
为了提高合束激光输出的光束质量和激光亮度，其核心在于信号合束器输出亮度的提升，同时避免光纤束拉锥和封装过程引入的变量。在N*1信号合束器制作过程中，N越小对应拉锥比越小；目前比较常见的信号合束器类型有：3*1、4*1、7*1、19*1等，对于高亮度信号合束器而言，信号光纤输入数量越少，在同等输出光纤条件下，拉锥比越小，进而合束输出亮度更高。
在实现本发明过程中，发明人发现现有技术中至少存在以下问题：合束器拉锥过程中信号光纤包层处理工艺导致的缺陷、拉锥过程中火温稳定性及热场梯度分布带来的影响会导致该类合束器存在一定断纤隐患，尤其是非对称N*1信号合束器拉锥后封装易断。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的目的在于提出一种信号合束器、激光器及信号合束器的制作方法，以解决非对称N*1信号合束器拉锥后封装易断的问题。
为达到上述目的，本发明的第一方面提供了一种信号合束器，包括信号光纤束、玻璃套管和输出光纤，所述信号光纤束的第一侧套在所述玻璃套管中，所述玻璃套管与所述信号光纤束一同进行熔融拉锥，所述信号光纤束与所述输出光纤熔接，还包括陪衬光纤，所述陪衬光纤的两侧分别与所述信号光纤束的另一侧和所述玻璃套管固定连接，用于在该信号合束器拉锥和封装时实现所述信号光纤束与所述玻璃套管的相对固定。
根据本发明第一方面的实施例的信号合束器，在信号光纤束拉锥熔接前在玻璃套管外壁设置陪衬光纤，在玻璃套管的外面的信号光纤束能够与陪衬光纤固定，在信号合束器拉锥时可以实现信号光纤与玻璃套管的相对固定，减少诸如高低温冲击带来热胀冷缩引入的形变量造成的二者之间的相对位移，并在整体封装到合束器盒体后同步固定，能够进一步降低合束器断纤的隐患。
根据本发明的一个实施例，所述陪衬光纤的数量为两根，所述陪衬光纤沿所述玻璃套管的轴线方向对称固定，所述陪衬光纤的第一段固定设置在所述玻璃套管的外壁上，所述陪衬光纤的第二段与所述信号光纤束的另一侧固定。
根据本发明的一个实施例，所述信号光纤束包括多根信号光纤，所述信号光纤的第一段剥离了信号光纤涂覆层，所述信号光纤的第二段留有所述信号光纤涂覆层，所述信号光纤的第二段与所述陪衬光纤胶接。
根据本发明的一个实施例，所述信号光纤束为非对称结构光纤排布。
根据本发明的一个实施例，所述玻璃套管具有第一锥形部分，所述第一锥形部分的外径沿光束入射方向逐渐减小。
根据本发明的一个实施例，所述输出光纤的第一段保留了输出光纤涂覆层，所述输出光纤的第二段剥离了输出光纤涂覆层露出包层，所述包层具有第二锥形部分，所述第二锥形部分的外径沿光束入射方向逐步增大。
根据本发明的一个实施例，所述第二锥形部分由飞秒激光刻蚀形成。
根据本发明的一个实施例，在所述输出光纤的第二段上的包层内具有若干折射率渐变部，所述折射率渐变部的第一端为所述包层的表面，所述折射率渐变部的第二端与纤芯接触，在所述折射率渐变部第一端上具有毛化区。
本发明的第二方面提供了一种激光器，包括根据第一方面所述的信号合束器。
本发明的第三方面提供了如第一方面所述的一种信号合束器的制作方法，包括以下步骤：
获取信号光纤束和输出光纤，去除所述信号光纤束的熔接区域的涂覆层；
将所述信号光纤束插入玻璃套管中，在所述玻璃套管的外壁设置陪衬光纤，所述陪衬光纤与露在玻璃套管外面的所述信号光纤束胶接；
将整个所述玻璃套管与所述信号光纤束一同进行熔融拉锥，最后与所述输出光纤进行熔接；
在所述输出光纤的第一段保留输出光纤涂覆层，在所述输出光纤的第二段剥离所述输出光纤涂覆层露出包层，利用飞秒激光刻蚀所述包层，缩小所述包层的外径，利用飞秒激光辐照所述包层，在所述包层内部形成折射率渐变部，在所述折射率渐变部的表面毛化形成毛化区。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。其中：
图1是本发明一实施例提出的信号合束器的结构示意图。
图2是本发明一实施例提出的信号合束器区域划分的结构示意图。
图3是本发明一实施例提出的信号合束器制作方法的流程图。
附图标记说明：
1-输出光纤涂覆层，2-毛化区，3-折射率渐变部，4-第二锥形部分，5-第二腰区，6-纤芯，7-第一腰区，8-信号光纤，9-第一锥形部分，10-刻蚀区，11-陪衬光纤，12-信号光纤涂覆层，13-粘胶处，14-拉锥区，15-输出光纤，16-玻璃套管。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
图1是本发明一实施例提出的信号合束器的结构示意图。
结合图1、图2，本发明实施例的第一个方面，提出了一种信号合束器，包括信号光纤束、陪衬光纤11、玻璃套管16和输出光纤15，信号光纤束的第一侧套在玻璃套管16中，玻璃套管16与信号光纤束一同进行熔融拉锥，信号光纤束与输出光纤15熔接，陪衬光纤11的两侧分别与信号光纤束的另一侧和玻璃套管16固定连接，用于在该信号合束器拉锥和封装时实现信号光纤束与玻璃套管16的相对固定。
信号合束器主要作用是进行光束合成，提高输出功率。信号光纤束中的纤芯和包层的直径都会随着拉锥的比例等比例减少。玻璃套管16在拉锥后起到了包层的作用。比较容易断纤的位置在玻璃套管的里面，拉锥结束的位置因为热场和应力原因容易断纤。
信号光纤束是位置E与位置K之间的部分。陪衬光纤11是位置H到位置K之间的部分。 输出光纤15是位置A与位置E之间的部分。玻璃套管16是位置E与位置I之间的部分。拉锥区14是位置F与位置G之间的区域。
本实施例中，信号光纤束排布结构可以是对称结构，也可以是非对称结构。对称结构的信号光纤束排布规律如下：中心有一根信号光纤，相邻外圈有若干根信号光纤，相邻外圈的任一信号光纤截面沿中心旋转一个角度后，与初始的信号光纤截面重合即旋转对称。不满足旋转对称的信号光纤束排布结构为非对称结构。例如，中心1根光纤，外圈是4根或6根光纤，这种是对称结构。如果中心1个光纤，外圈光纤数量不足4根或6根，是非对称结构。
在信号光纤束排布结构为非对称结构的情形下，陪衬光纤的数量可以是多根，将其补充到非对称排布的信号光纤束中，使非对称排布的信号光纤束形成对称排布。当信号光纤束排布结构为对称结构时，信号光纤束的外圈可以与玻璃套管16的内壁贴合，相对位移空间小。而当信号光纤束排布结构为非对称结构时，信号光纤束中的信号光纤数量较少，信号光纤与玻璃套管16的内壁存在较大的自由空间。因此非对称结构光纤排布比对称结构光纤排布更容易产生断纤，非对称结构光纤排布变为对称光纤排布后，稳定性会变高，不易断纤。
在一个实施方式中，信号合束器中的信号光纤是小拉锥比的。拉锥比是信号光纤拉锥后的截面面积与初始信号光纤截面面积的比值。例如可以将拉锥比小于0.5划为小拉锥比的范围。小拉锥比主要是为了高亮度输出。考虑到输入输出光纤的匹配，小拉锥比的情况下，玻璃套管内的光纤束就会非常细，光纤越细越容易断纤。因此陪衬光纤在拉锥和封装时实现信号光纤与玻璃套管的相对固定减少二者之间的相对位移，起到类似于骨折夹板的作用，降低断纤隐患。
在一个实施方式中，陪衬光纤11的数量为两根，陪衬光纤11沿玻璃套管16的轴线方向对称固定。这里的对称是轴对称，即一根陪衬光纤11沿玻璃套管的轴线对折后，与另外一根陪衬光纤完全重合。陪衬光纤11的第一段（位置H与位置I之间的部分）设置在玻璃套管16的外壁。可选地，陪衬光纤11的第一段是粘接在玻璃套管16的外壁的。陪衬光纤11的第二段（位置I与位置K之间的部分）与信号光纤束固定。两根陪衬光纤的作用类似于担架，可以提高玻璃套管、信号光纤与合束器封装的牢固性。两根陪衬光纤这种结构不仅可以应用到信号合束器，还可以应用到正向合束器和反向合束器当中。
在一个实施方式中，信号光纤束包括多根信号光纤8，信号光纤8的第一段（位置E与位置J之间的部分）剥离了信号光纤涂覆层12，信号光纤8的第二段（位置J与位置K之间的部分）留有信号光纤涂覆层12，信号光纤8的第二段与陪衬光纤11在粘胶处13胶接。粘胶处13中，多根信号光纤8是相互胶接的，两根陪衬光纤11胶接在信号光纤束的最外壁。可选地，胶水选用紫外胶。
根据本发明第一方面的实施例的信号合束器，在信号光纤束拉锥熔接前在玻璃套管外壁设置陪衬光纤，在玻璃套管外面的信号光纤束能够与陪衬光纤固定，在信号合束器拉锥时可以实现信号光纤与玻璃套管的相对固定，减少诸如高低温冲击带来热胀冷缩引入的形变量造成的二者之间的相对位移，并在整体封装到合束器盒体后同步固定，能够进一步降低合束器断纤的隐患。
在一些实施例中，结合图1-图2，玻璃套管16具有在位置F与位置G之间纵向延伸的第一锥形部分9，第一锥形部分9的外径沿光束入射方向逐渐减小。光束入射方向为从右往左。第一锥形部分9所在区段是拉锥区14。第一锥形部分9的左边还连接有第一腰区7（位置E与位置F之间的部分）。第一腰区7的内径应当小于或等于输出光纤15的纤芯6的外径。在第一腰区7的左边连接有输出光纤15。输出光纤15的第一段（位置A与位置B之间的部分）保留了输出光纤涂覆层1，输出光纤15的第二段（位置B与位置E之间的部分）剥离了输出光纤涂覆层1露出包层，包层具有在位置C与位置D之间纵向延伸的第二锥形部分4（位置C与位置D之间的部分），第二锥形部分4的外径沿光束入射方向逐步增大。第二锥形部分4的右边连接有第二腰区5（位置D与位置E之间的部分），第二腰区5与第一腰区7是熔接在一起的。
在一个示例中，输出光纤15的第二锥形部分4和第二腰区5 所在区域是刻蚀区10（位置C与位置E之间的部分）。刻蚀区10由飞秒激光刻蚀形成。相比传统工艺刻蚀，使用飞秒激光加工精度较高，易于实现光纤匹配，制作效率较高，加工后包层的机械强度较高，有利于包层光的剥除。
当信号合束器工作时，包层结构中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，这些包层光会恶化输出激光的光束质量，甚至损坏信号合束器。在一个示例中，在输出光纤15的第二段上的包层内具有若干折射率渐变部3，折射率渐变部3的第一端为包层的表面，折射率渐变部3的第二端与纤芯6接触，在折射率渐变部3第一端上具有毛化区2。在一个实施方式中，折射率渐变部3是通过飞秒激光辐照形成的。原理是利用飞秒激光的高脉冲能量实现折射率改性破坏包层的全内反射。折射率渐变部的折射率是要高于光纤包层折射率的，可以将包层光折射出光纤包层之外。毛化区就是正常的包层表面人为制造规则或不规则的凹凸纹理，使包层失去激光传导条件，当包层激光进入该区域后在表面处发生散射，从而实现剥除包层光的目的。因此，通过折射率渐变部和毛化区相结合，对包层光的剥除率更高。
基于上述目的，本发明实施例的第二方面提供一种激光器，该激光器包括如上述第一方面信号合束器。该激光器的其他各部分的结构请参考现有技术，本文不再赘述。激光器的实施例能够达到上述信号合束器实施例相同或者相类似的效果。
基于上述目的，本发明实施例的第三方面提供一种如第一方面所述的信号合束器的制作方法，结合图1-图3，该方法包括以下步骤：
步骤S102，获取信号光纤束和输出光纤15，去除信号光纤束的熔接区域的涂覆层。
步骤S104，将信号光纤束插入玻璃套管16中，在玻璃套管16的外壁设置陪衬光纤11，陪衬光纤11与露在玻璃套管16外面的信号光纤束胶接。
其中，陪衬光纤11的数量为两个，陪衬光纤11沿玻璃套管16的轴线方向对称固定。
步骤S106，将整个玻璃套管16与信号光纤束一同进行熔融拉锥，最后与输出光纤进行熔接。
由于在步骤S104中，信号光纤束、陪衬光纤和玻璃套管三者形成了固定的关系，因此本步骤中，当玻璃套管与信号光纤束一齐熔融拉锥时，信号光纤束与玻璃套管之间的相对位移得以减少，高低温冲击带来的热胀冷缩引入的形变量得以减少，信号光纤的断纤隐患得以降低。
步骤S108，在输出光纤15的第一段保留输出光纤涂覆层1，在输出光纤15的第二段剥离输出光纤涂覆层1露出包层，利用飞秒激光刻蚀包层，缩小包层的外径，利用飞秒激光辐照包层，在包层内部形成折射率渐变部3，在折射率渐变部3的表面毛化形成毛化区2。
其中，毛化区2可以通过采用毛化液或毛化膏等方式形成。
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。例如步骤S106和步骤S108的顺序可以调换，或者步骤S106和步骤S108可以同步执行。
以上可以看出，本发明实施例提供的信号合束器的制作方法，具有以下优点：
1. 输出光纤包层处理使用飞秒刻蚀，准确率高，易于实现光纤匹配；制作效率高，机械强度高。2.输出光纤 包层光处理采用飞秒光致折射率渐变加毛化处理，可以提高包层剥除率，同时机械强度高。3.信号光纤束封装使用担架式原理，玻璃套管外壁增加两根对称的陪衬光纤；提高玻璃套管、信号光纤与合束器封装的牢固性，减少形变量降低断纤隐患。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，术语“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (8)
1.一种信号合束器，其特征在于，包括信号光纤束、玻璃套管（16）、输出光纤（15）和陪衬光纤（11），所述信号光纤束为非对称结构光纤排布，所述信号光纤束的一端套在所述玻璃套管（16）中，所述信号光纤束的另一端在所述玻璃套管（16）的外面，所述玻璃套管（16）与所述信号光纤束一同进行熔融拉锥，所述信号光纤束与所述输出光纤（15）熔接，所述陪衬光纤（11）的两端分别与所述信号光纤束的另一端和所述玻璃套管（16）固定连接，用于在该信号合束器拉锥和封装时实现所述信号光纤束与所述玻璃套管（16）的相对固定；
所述陪衬光纤（11）的一端具有与所述玻璃套管（16）相对固定的第一段，所述陪衬光纤（11）的第一段固定设置在所述玻璃套管（16）的外壁上，所述陪衬光纤的另一端具有与所述信号光纤束在所述玻璃套管外面的另一端相对固定的第二段；
所述信号光纤束包括多根信号光纤（8），所述信号光纤（8）的一端具有剥离信号光纤涂覆层（12）的第一段，所述信号光纤（8）的另一端具有留有所述信号光纤涂覆层（12）的第二段，所述信号光纤（8）的第二段与所述陪衬光纤（11）的第二段胶接。
2.根据权利要求1所述的信号合束器，其特征在于，所述陪衬光纤（11）的数量为两根，所述陪衬光纤（11）沿所述玻璃套管（16）的轴线方向对称固定。
3.根据权利要求1所述的信号合束器，其特征在于，所述玻璃套管（16）具有第一锥形部分（9），所述第一锥形部分（9）的外径沿光束入射方向逐渐减小。
4.根据权利要求1所述的信号合束器，其特征在于，所述输出光纤（15）的第一段保留了输出光纤涂覆层（1），所述输出光纤（15）的第二段剥离了输出光纤涂覆层（1）露出包层，所述包层具有第二锥形部分（4），所述第二锥形部分（4）的外径沿光束入射方向逐步增大。
5.根据权利要求4所述的信号合束器，其特征在于，所述第二锥形部分（4）由飞秒激光刻蚀形成。
6.根据权利要求4所述的信号合束器，其特征在于，在所述输出光纤（15）的第二段上的包层内具有若干折射率渐变部（3），所述折射率渐变部（3）的第一端为所述包层的表面，所述折射率渐变部（3）的第二端与纤芯（6）接触，在所述折射率渐变部（3）第一端上具有毛化区（2）。
7.一种激光器，其特征在于，包括根据权利要求1-6任意一项所述的信号合束器。
8.一种权利要求1-6任意一项所述的信号合束器的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：
获取信号光纤束和输出光纤（15），去除所述信号光纤束的熔接区域的涂覆层；
将所述信号光纤束插入玻璃套管（16）中，在所述玻璃套管（16）的外壁上设置陪衬光纤（11），所述陪衬光纤（11）与露在玻璃套管（16）外面的所述信号光纤束胶接；
将整个所述玻璃套管（16）与所述信号光纤束一同进行熔融拉锥，最后与所述输出光纤进行熔接；
在所述输出光纤（15）的第一段保留输出光纤涂覆层（1），在所述输出光纤（15）的第二段剥离所述输出光纤涂覆层（1）露出包层，利用飞秒激光刻蚀所述包层，缩小所述包层的外径，利用飞秒激光辐照所述包层，在所述包层内部形成折射率渐变部（3），在所述折射率渐变部（3）的表面毛化形成毛化区（2）。
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