CN115291330A - 一种基于多芯光纤的高光束质量合束器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光纤器件领域，提供了一种基于多芯光纤的高光束质量合束器及其制造方法，所述基于多芯光纤的高光束质量合束器包括前后熔接的拉锥光纤束和多芯光纤，所述拉锥光纤束包括拉锥的石英套管，所述石英套管内部设有若干根输入光纤；所述多芯光纤包括包层，所述包层内部设有与输入光纤一一对应的纤芯，所述纤芯的直径沿长度方向线性变小。本发明中多芯光纤的拉锥比实现了理论上的最小值，有效优化了合束器输出光束的质量，解决了现有合束器输出光束质量差的问题。

Description

一种基于多芯光纤的高光束质量合束器及其制造方法

技术领域

本发明属于光纤器件领域，尤其涉及一种基于多芯光纤的高光束质量合束器及其制造方法。

背景技术

高效率、高光束质量的大功率掺镱（Yb）光纤激光器在工业加工、新能源领域、军事国防等领域有着广泛的应用。但受限于热效应、非线性效应和模式不稳定等因素的影响，光纤激光器的输出功率难以进一步提升。基于高功率光纤合束器，将多路激光合成输出是解决这一瓶颈的有效方法，这种方法对相位控制的要求较低，而且易于实现紧凑的全光纤激光系统，更加稳定可靠。

高功率光纤合束器的一个重要指标是其输出的合束激光的光束质量，无论采用缠绕法还是套管法制作合束器都需要经过拉锥，使光纤束包层的外接圆直径小于输出光纤纤芯直径，保证激光低损耗传输。根据光纤绝热拉锥理论，在同种输入光纤的情况下，锥区长度和拉锥比（这里，我们定义拉锥比=拉锥前纤芯直径/拉锥后纤芯直径）是影响合束器光束质量的主要因素，而拉锥比又与输入光纤的包层直径相关，在输出光纤纤芯尺寸确定的情况下，输入包层直径越小，拉锥比越小，光束质量劣化越小。而大拉锥比很容易使得纤芯光泄露至包层，形成包层多模，影响合束激光的光束质量。因此，通常通过腐蚀输入包层，尽可能减小拉锥比来减小合束器对输入激光光束质量的影响。理论上，将包层完全腐蚀掉，可以获得最小拉锥比，但是在实际生产过程中，一方面难以精准控制腐蚀量；另一方面光纤尺寸腐蚀得越小，意味着操作难度越大，因此即使存在一个工艺可实现的最小值，拉锥比也无法实现理论最小值。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种基于多芯光纤的高光束质量合束器及其制造方法，解决了现有光纤合束器输出光束质量差的问题。

本发明采用如下技术方案：

一方面，所述基于多芯光纤的高光束质量合束器包括前后熔接的拉锥光纤束和多芯光纤，所述拉锥光纤束包括拉锥的石英套管，所述石英套管内部设有若干根输入光纤；所述多芯光纤包括包层，所述包层内部设有与输入光纤一一对应的纤芯，所述纤芯的直径沿长度方向线性变小。

进一步的，所述输入光纤腐蚀后的部分位于石英套管的拉锥平直区。

进一步的，所述高光束质量合束器还包括与多芯光纤后端熔接的输出光纤。

进一步的，所述输入光纤设置在所述石英套管内部，中心位置为中心光纤，外围位置为外围光纤，中心光纤和外围光纤的直径相等。

进一步的，所述多芯光纤前端的纤芯间距大于前端纤芯直径，所述多芯光纤后端的纤芯间距等于后端纤芯直径。

另一方面，所述基于多芯光纤的高光束质量合束器的制造方法，所述方法基于所述基于多芯光纤的高光束质量合束器实现，所述方法包括下述步骤：

步骤S1、制备拉锥光纤束，所述拉锥光纤束外部为拉锥的石英套管，内部为输入光纤；

步骤S2、准备多芯光纤，所述多芯光纤的外部为包层，内部为与输入光纤一一对应的纤芯，纤芯的直径沿长度方向线性变小；

步骤S3、将拉锥光纤束与多芯光纤的前端进行熔接

进一步的，所述方法还包括：

步骤S4、将多芯光纤的后端与输出光纤熔接。

进一步的，所述步骤S1具体包括：

腐蚀输入光纤的外层，腐蚀后清洁；

对石英套管进行充分清洁，然后对石英套管进行拉锥；

将腐蚀后的输入光纤插入拉锥后的石英套管，且输入光纤的腐蚀部分穿过石英套管上的整个拉锥平直区，形成石英装配体；

对石英装配体进行微拉锥形成拉锥光纤束。

进一步的，所述步骤S3具体包括：

将光源尾纤和两端切割后的多芯光纤固定在五维调节平台上，光源尾纤的输出端面与多芯光纤的前端相对，多芯光纤的后端对准功率计；

打开光源，选择多芯光纤中的一根外围纤芯，通过五维调节平台调节其位置，使得功率计上的读数达到最大值，即认为当前外围光纤前端中心与光源尾纤的中心对准；

保持光源和多芯光纤的位置不变，在多芯光纤后端放置校准光纤，校准光纤上熔接一个包层光剥除器，校准光纤的输出端对准功率计，通过调整校准光纤，使得功率计上的读数达到最大值，即认为当前外围纤芯的后端中心与校准光纤的中心对准；

将多芯光纤和拉锥光纤束放入具有旋转对准功能的熔接机中，多芯光纤的前端中心与拉锥光纤束的后端中心对准，将光源耦合输入至拉锥光纤束的一根输入光纤中，旋转拉锥光纤束，使得功率计的读数达到最大值，即认为实现了多芯光纤和拉锥光纤束的对准；

操作熔接机将对准的多芯光纤和拉锥光纤束进行熔接。

进一步的，步骤S3还包括：

多芯光纤和拉锥光纤束熔接完成后，将剩余的输入光纤接入光源光路进行测试，每条输入光纤测试合格即视为合格熔接；

将多芯光纤后端与输出光纤进行熔接；

在两个熔接点处加装封装。

本发明的有益效果是：本发明提供了一种基于多芯光纤的高光束质量合束器及其制造方法，本发明消除了光纤束拉锥时，其内部输入光纤包层的影响，能够显著地减小输入光纤的拉锥比，达到理论最小值，从而保证合束激光的高光束质量。本发明中的多芯光纤通过腐蚀包层来降低拉锥比，因此只需要对多芯光纤的表面进行清洁即可，不需要像套管法一样对其内部的腐蚀光纤进行清洁，较为方便。本发明中拉锥光纤束上的输入光纤和多芯光纤上的纤芯能够便捷的对齐，从而拉锥光纤束和多芯光纤能够便捷的焊接在一起。

附图说明

图1是实施例一中本发明提供的高光束质量合束器的结构示意图。

图2是实施例一中本发明提供的多芯光纤的结构示意图和其两端面图。

图3是实施例一中本发明提供的的高光束质量合束器的制造步骤图。

图4是实施例二中本发明提供的高光束质量合束器的制造步骤图。

具体实施方式

为了使本发明专利目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

为了便于说明仅示出了与本发明实施例相关的部分。

实施例一

结合图1和图2所示，所述基于多芯光纤的高光束质量合束器包括前后熔接的拉锥光纤束1和多芯光纤2，所述拉锥光纤束1包括拉锥的石英套管11，所述石英套管11内部设有若干根输入光纤12；所述多芯光纤2包括包层21，所述包层21内部设有与输入光纤12一一对应的纤芯22，所述纤芯22的直径沿光纤轴向方向线性变小；所述高光束质量合束器还包括与多芯光纤2后端熔接的输出光纤3；所述输出光纤3为双包层多模光纤。光源发射多束激光，多束激光依次经过拉锥光线束和多芯光纤，并通过输出光纤合束输出。从而本基于多芯光纤的高光束质量合束器实现了高质量的输出合束激光。

另外，石英套管为掺氟石英管，折射率约为1.433。所述输入光纤设置在所述石英套管内部，中心位置为中心光纤，外围位置为外围光纤，中心光纤和外围光纤可以为同种光纤，也可以为不同种光纤，中心光纤和外围光纤的直径应该相等，当二者直径不等时，通过氢氟酸腐蚀腐蚀二者的包层，使二者的直径一致。外围光纤围绕中心光纤层层排列，若共排列n层，则从第二层开始，每层光纤数量按照6，12，18…6(n-1)的等差数列增加，输入光纤总数N=1+3n(n-1)，n=1,2,3…。假设石英套管内壁直径为d1，石英套管外壁直径为D1，拉锥光纤束横截面外接圆直径为d3，则d1=(d3+10)μm。将石英套管拉锥，然后将中心光纤和外围光纤穿入石英套管内形成石英装配体，采用氢氧焰拉锥机对石英装配体进行微拉锥，使石英套管与其内部的光纤形成拉锥光纤束，目的是使输入光纤和石英套管在高温下熔融粘合为一个整体，输入光纤直径基本不变。

另外，多芯光纤径向平面上纤芯排列结构与拉锥光纤束中输入光纤的排列结构一致，将纤芯直径大的一端称为前端，假设A1为多芯光纤前端两纤芯之间的距离，R1为多芯光纤前端的纤芯半径，A1＞2R1，需要注意的是，A1和R1的大小根据需要匹配的光纤束端面设计；将纤芯直径小的一端称为后端，假设A2为多芯光纤后端两纤芯之间的距离，R2为多芯光纤后端的纤芯半径，A2=2R2。由于多芯光纤的纤芯直径变化不大，可以认为绝大部分激光仍保持在纤芯中传输，因此只要保证多芯光纤纤芯区域完全限制在输出光纤纤芯区域内即可，将多芯光纤后端与输出光纤熔接起来，即完成了合束输出。

作为一种具体数据，输入光纤的纤芯/包层尺寸为20/130μm，纤芯数值孔径为0.08。输出光纤的纤芯/包层尺寸为50/70/360μm，纤芯数值孔径为0.22。石英套管的内径/外径尺寸为1000/1300μm。多芯光纤纤芯直径为20μm，纤芯数值孔径为0.08，包层直径为360μm。多芯光纤纤芯直径由20μm减小至16μm，即多芯光纤后端纤芯外接圆直径为48μm。用于在线熔接的光源为单模光源，光纤耦合输出，尾纤型号为Hi1060，芯包比为8/125。校准光纤芯包比为20/130，纤芯数值孔径为0.08。熔接机为具有手动旋转对准功能的FSM-100P+熔接机。

基于上述高光束质量合束器，结合图3所示，本实施例还提供了一种基于多芯光纤的高光束质量合束器的制造方法，过程如下：

步骤S1、制备拉锥光纤束，所述拉锥光纤束外部为拉锥的石英套管，内部为输入光纤。

本步骤首先腐蚀输入光纤的外层，腐蚀后清洁；对石英套管进行充分清洁，然后对石英套管进行拉锥；将腐蚀后的输入光纤插入拉锥后的石英套管，且输入光纤的腐蚀部分穿过石英套管上的整个拉锥平直区，形成石英装配体；最后对石英装配体进行微拉锥形成拉锥光纤束。

作为一种具体实例列举，具体工作步骤如下：

（1）采用氢氟酸将输入光纤的包层腐蚀至直径90μm，误差范围±3μm，腐蚀后超声清洁。（2）使用超声清洁器和无水乙醇对石英套管进行充分清洁2min。待乙醇风干后，采用氢氧焰拉锥机将外石英套管拉锥至280/365μm。（3）将共7根腐蚀后的输入光纤穿入拉锥后的石英套管中，输入光纤的腐蚀部分穿过石英套管上的整个拉锥平直区，形成石英装配体。（4）对石英装配体整体微拉锥，拉锥起始点位于石英套管拉锥平直区，将其拉锥至外径350μm，拉锥比为1.03，石英装配体进过微拉锥后形成拉锥光纤束。

步骤S2、准备多芯光纤，所述多芯光纤的外部为包层，内部为与输入光纤一一对应的纤芯，纤芯的直径沿长度方向线性变小。

纤芯之间的距离与光纤束横截面上输入光纤之间的距离一致，将多芯光纤的包层腐蚀至直径350μm。

步骤S3、将拉锥光纤束与多芯光纤的前端进行熔接。

本步骤，将光源尾纤和两端切割后的多芯光纤固定在五维调节平台上，光源尾纤的输出端面与多芯光纤的前端相对，多芯光纤的后端对准功率计；打开光源，选择多芯光纤中的一根外围纤芯，通过五维调节平台调节其位置，使得功率计上的读数达到最大值，即认为当前外围光纤前端中心与光源尾纤的中心对准；保持光源和多芯光纤的位置不变，在多芯光纤后端放置校准光纤，校准光纤上熔接一个包层光剥除器，校准光纤的输出端对准功率计，通过调整校准光纤，使得功率计上的读数达到最大值，即认为当前外围纤芯的后端中心与校准光纤的中心对准；将多芯光纤和拉锥光纤束放入具有旋转对准功能的熔接机中，多芯光纤的前端中心与拉锥光纤束的后端中心对准，将光源耦合输入至拉锥光纤束的一根输入光纤中，旋转拉锥光纤束，使得功率计的读数达到最大值，即认为实现了多芯光纤和拉锥光纤束的对准；操作熔接机将对准的多芯光纤和拉锥光纤束进行熔接。

作为一种具体实例列举，具体工作步骤如下：

（1）校正光源4功率，最大输出功率为20mW，将光源尾纤和多芯光纤的两端切割后固定在五维调节平台5上，切割角度保持在0°，五维调节平台在X、Y、Z方向上的最小调节精度均为2μm，光源尾纤和多芯光纤上所有端面所在平面的法向量与水平面保持平行，光源尾纤输出端面与多芯光纤前端相对，间隔0.5mm，多芯光纤后端对准功率计8。（2）打开光源，选择多芯光纤外围纤芯中的一根，通过五维调节平台调节其位置，使得功率计上读数达到最大值（保证对光损耗≤0.1dB），即认为当前外围光纤的前端中心与光源尾纤的中心对准了，此时，将功率计归零。（3）将多芯光纤一个外围纤芯与光源尾纤对准后，保持二者相对位置不变，在多芯光纤后端放置校准光纤，为防止信号光耦合进包层，影响功率计读数，将校准光纤的收光端拉锥至16/104μm，之后采用氢氟酸腐蚀校准光纤收光端的包层，将校准光纤收光端的包层直径腐蚀至20μm，腐蚀长度为10mm，在校准光纤输出端熔接一个包层光过滤器7，包层光过滤器用于滤除校准光纤包层中的包层光。通过五维调节平台调节标准光纤位置，使得功率计上读数达到最大值，即认为当前外围光纤的后端中心与校准光纤6的中心对准。（4）对准多芯光纤与校准光纤后，将多芯光纤与拉锥光纤束放入熔接机9，使用一个Hi1060光纤—20/130光纤模场适配器，将信号激光耦合进一根20/130输入光纤中，保证激光在20/130输入光纤中仍以基模形式传输，通过旋转拉锥光纤束，使得功率计读数达到最大值（保证对光损耗≤0.2dB），即认为实现了多芯光纤和拉锥光纤束对准。（5）关闭光源，熔接拉锥光纤束和多芯光纤。由于拉锥光纤束和多芯光纤的直径相等，且多芯光纤的纤芯和输入光纤的几何分布一致，因此在熔接机的包层对准模式下，输入光纤和多芯光纤的纤芯天然对准，只需要通过旋转将多芯光纤中的一个外围纤芯和一个外围光纤对准，即可实现多芯光纤中全部纤芯和全部输入光纤对准熔接。

步骤S4、将多芯光纤的后端与输出光纤熔接。

多芯光纤和拉锥光纤束熔接完成后，将剩余的输入光纤接入光源光路进行测试，每条输入光纤测试合格即视为合格熔接，保证插损小于0.1dB；然后将多芯光纤后端与输出光纤进行熔接，即与50/70/360双包层多模光纤熔接起来；最后在两个熔接点处加装封装，即完成了合束器的制备。

实施例二

结合图4所示，按照实施例一的方法将光纤束和多芯光纤熔接起来得到一个合格的半成品后，可以将其作为一个辅助熔接的标准件，将待熔接的拉锥光纤束、多芯光纤以及标准件端面切割好后分别放置于两台熔接机内，熔接机将自动实现中心纤芯对准，然后通过手动旋转端面和在线功率监测，保证外围纤芯对准熔接，还可以接入多个光源同时监测多路对光损耗，保证每个输入端口的对光损耗小于0.2dB，熔接后的插损小于0.2dB。

综上所述：本发明提供了一种基于多芯光纤的高光束质量合束器及其制造方法，本发明消除了光纤束拉锥时，其内部输入包层的影响，能够显著地减小输入光纤的拉锥比，达到理论最小值，从而保证合束激光的高光束质量。本发明中的多芯光纤通过腐蚀包层来降低拉锥比，因此只需要对多芯光纤的表面进行清洁即可，不需要对其进行内部清洁，较为方便。本发明中拉锥光纤束上的输入光纤和多芯光纤上的纤芯能够便捷的对齐，从而拉锥光纤束和多芯光纤能够便捷的焊接在一起。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于多芯光纤的高光束质量合束器，其特征在于，包括前后熔接的拉锥光纤束和多芯光纤，所述拉锥光纤束包括拉锥的石英套管，所述石英套管内部设有若干根输入光纤；所述多芯光纤包括包层，所述包层内部设有与输入光纤一一对应的纤芯，所述纤芯的直径沿长度方向线性变小。

2.根据权利要求1所述的基于多芯光纤的高光束质量合束器，其特征在于，所述输入光纤腐蚀后的部分位于石英套管的拉锥平直区。

3.根据权利要求1或2所述的基于多芯光纤的高光束质量合束器，其特征在于，所述高光束质量合束器还包括与多芯光纤后端熔接的输出光纤。

4.根据权利要求3所述的基于多芯光纤的高光束质量合束器，其特征在于，所述输入光纤设置在所述石英套管内部，中心位置为中心光纤，外围位置为外围光纤，中心光纤和外围光纤的直径相等。

5.根据权利要求4所述的基于多芯光纤的高光束质量合束器，其特征在于，所述多芯光纤前端的纤芯间距大于纤芯直径，所述多芯光纤后端的纤芯间距等于纤芯直径。

6.一种基于多芯光纤的高光束质量合束器的制造方法，其特征在于，所述方法基于权利要求1-5任意一项所述的基于多芯光纤的高光束质量合束器实现，所述方法包括下述步骤：

步骤S1、制备拉锥光纤束，所述拉锥光纤束外部为拉锥的石英套管，内部为输入光纤；

步骤S2、准备多芯光纤，所述多芯光纤的外部为包层，内部为与输入光纤一一对应的纤芯，纤芯的直径沿长度方向线性变小；

步骤S3、将拉锥光纤束与多芯光纤的前端进行熔接。

7.根据权利要求6所述的基于多芯光纤的高光束质量合束器的制造方法，其特征在于，所述方法还包括：

步骤S4、将多芯光纤的后端与输出光纤熔接。

8.根据权利要求7所述的基于多芯光纤的高光束质量合束器的制造方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：

腐蚀输入光纤的外层，腐蚀后清洁；

对石英套管进行充分清洁，然后对石英套管进行拉锥；

将腐蚀后的输入光纤插入拉锥后的石英套管，且输入光纤的腐蚀部分穿过石英套管上的整个拉锥平直区，形成石英装配体；

对石英装配体进行微拉锥形成拉锥光纤束。

9.根据权利要求8所述的基于多芯光纤的高光束质量合束器的制造方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：

将光源尾纤和两端切割后的多芯光纤固定在五维调节平台上，光源尾纤的输出端面与多芯光纤的前端相对，多芯光纤的后端对准功率计；

打开光源，选择多芯光纤中的一根外围纤芯，通过五维调节平台调节其位置，使得功率计上的读数达到最大值，即认为当前外围光纤前端中心与光源尾纤的中心对准；

保持光源和多芯光纤的位置不变，在多芯光纤后端放置校准光纤，校准光纤上熔接一个包层光剥除器，校准光纤的输出端对准功率计，通过调整校准光纤，使得功率计上的读数达到最大值，即认为当前外围纤芯的后端中心与校准光纤的中心对准；

将多芯光纤和拉锥光纤束放入具有旋转对准功能的熔接机中，多芯光纤的前端中心与拉锥光纤束的后端中心对准，将光源耦合输入至拉锥光纤束外围中的一根输入光纤中，旋转拉锥光纤束，使得功率计的读数达到最大值，即认为实现了多芯光纤和拉锥光纤束的对准；

操作熔接机将对准的多芯光纤和拉锥光纤束进行熔接。

10.根据权利要求9所述的基于多芯光纤的高光束质量合束器的制造方法，其特征在于，步骤S3还包括：

多芯光纤和拉锥光纤束熔接完成后，将剩余的输入光纤接入光源光路进行测试，每条输入光纤测试合格即视为合格熔接；

将多芯光纤后端与输出光纤进行熔接；

在两个熔接点处加装封装。

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