CN115373069B - 一种夹心式光纤端帽及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种夹心式光纤端帽及制备方法，该端帽包括纤芯、第一套管、第二套管、第三套管，所述纤芯为双包层光纤；所述第一套管的横切面为凸n角星型，同轴套设于双包层光纤上；所述第二套管的横切面为凹n角星型，第二套管的凹n角星与第一套管的凸n角星相嵌合；所述第三套管同轴套设于第二套管上。本发明从双包层光纤传输过来的光将在第一套管无芯光纤区域首先发生扩展，再进一步扩展到端帽区域。从小纤芯到无芯光纤的第一套管传输，掺杂的稀土离子将损耗能量进行补偿，再从第一套管到第二套管、第三套管，将产生的热被掺杂的二氧化钛良好的传到表层，降低了输出端面的光功率密度大幅度降低耦合回纤芯的回光。

Description

一种夹心式光纤端帽及制备方法
技术领域
本发明属于光学元件技术领域，具体涉及一种夹心式光纤端帽及制备方法。
背景技术
光纤激光器是对所有以光纤为增益介质的激光器的统称，它通过在光纤基质材料中掺杂不同元素的稀土离子获得与之对应的激光输出。目前比较常用的稀土离子有镱(Yb)，铒(Er)，铥(Tm)，钬(Ho)，钕(Nd)等。光纤激光器的研究可以追溯到上个世纪六十年代，从第一代固体激光器诞生后不久，人们便着眼光纤激光器的研究工作。1961 年，Snitzer 和 Koester 等人在光纤激光器领域进行了开创性的工作，他们在一根掺钕玻璃波导中进行实验并观察到了激光现象，随后提出了光纤激光器的构思。在接下来的很长一段时间里，由于光纤损耗太大等原因，光纤激光器的发展较为缓慢。
大功率光纤激光器的出现是伴随着光纤技术和半导体技术的进步而发展起来的。在之后的十年间，大功率光纤激光器的平均输出功率记录被不断刷新。随着光纤激光器输出功率的不断提升，各种限制因素的影响也不断出现。作为大功率光纤激光器的一个重要限制因素，光损伤是提升输出功率必须解决的一个问题。为了减少光纤模式的数目以保持良好的输出激光光束质量，大功率光纤激光器采用的光纤纤芯直径一般都在数十微米量级，纤芯中光功率密度很高，这在光纤端面很容易损伤，造成损伤的原因主要是纤芯的功率密度太高，使得局部光能量过强，造成材料破坏。同时，由于输出端面存在很强的菲涅尔反射，由此带来的回光也将对系统带来很大的威胁。因而在大功率光纤激光器和放大器中，光纤端面的处理是光纤激光器应用中的一个重要环节，目前解决这一问题的主要方法是采用大功率光纤端帽，通过光纤端帽降低输出端面的光功率密度来提高端面光损伤阈值和抑制回光。
现有技术如中国授权发明专利CN109031527B公开了一种高功率光纤端帽及其制造方法，该光纤端帽包括同轴设置的双包层光纤、无芯光纤和石英棒，石英棒包括依次同轴连接的第一圆柱段、圆台段和第二圆柱段，第一圆柱段的直径小于第二圆柱段的直径，双包层光纤与无芯光纤的一端熔接，无芯光纤的另一端与第一圆柱段的一端熔接，无芯光纤的包层直径大于或等于双包层光纤的直径，无芯光纤的包层直径小于或等于第一圆柱段的直径。但是该专利散热效果差、承载功率低，限制了其进一步发展。
因此，一种夹心式光纤端帽及制备方法亟待提出。
发明内容
为解决现有技术存在的缺陷，本发明提供一种夹心式光纤端帽及制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：
本发明提供一种夹心式光纤端帽，包括纤芯、第一套管、第二套管、第三套管，所述纤芯为双包层光纤；所述第一套管的横切面为凸n角星型，每个角的顶点到轴心的距离为1-2mm，轴心为空心结构，第一套管同轴套设于双包层光纤上；所述第二套管的横切面为凹n角星型，每个角的顶点到轴心的距离为1-2mm，第二套管同轴套设于第一套管上，第二套管的凹n角星与第一套管的凸n角星相嵌合，其中，n≥3；所述第三套管同轴套设于第二套管上；
所述第一套管的内表层沉积有Er、Yb、Tm、Ho中的一种或多种稀土离子，所述稀土离子的浓度在2000-3000ppm；所述第二套管为含有二氧化钛的多孔玻璃烧结制备而成，烧结温度在600-800℃。
优选的，所述双包层光纤的纤芯内芯为12-30μm，所述双包层光纤的包层直径为400-450μm。
优选的，所述第三套管为纯度在99.99999%的石英套管。
优选的，所述第一套管的内表层沉积采用MCVD方法进行沉积。
优选的，所述第二套管由Ti(OC4H9)4经浸渍法水解得到TiO2后沉积到多孔玻璃内部，再经高温烧结、钻孔后制备而成。
优选的，所述双包层光纤的长度为Lf，所述第一套管的长度为L1，所述第二套管的长度为L2，所述第三套管的长度为L3，其中，Lf>L1>L2>L3，且所述双包层光纤、第一套管、第二套管、第三套管的任意相同的一端对齐。
本发明还提供一种夹心式光纤端帽的制备方法，包括以下步骤：
S1、第一套管制备：
S11、采用纯度为99.99999%二氧化硅放于井式炉中烧制熔融，然后取出倒于圆柱型模具中冷却成型；
S12、将步骤S11得到的产物对其轴心进行钻孔，孔直径为400-450μm，然后通过MVCD方法将Er、Yb、Tm、Ho中的一种或多种稀土离子沉积到其内表面；
S13、将步骤S12得到的产物的圆柱外部切割为凸型n角星备用；
S2、第二套管制备：
S21、将碳酸钠、硼酸钠、硅酸钠按质量比1~2.5：1~2.5：5~8的比例混合球磨，置于坩埚中搅拌均匀后放于井式炉中烧制熔融，烧至熔融后取出冰萃，冰萃完毕后再置于井式炉中烧至熔融，后取出倒于圆柱型模具中冷却成型；
S22、将步骤S21得到的产物置于硝酸溶液中清洗，清洗后通入氮气吹干；
S23、将步骤S22得到的产物置于Ti(OC4H9)4溶液中浸泡2-3h，浸泡完毕后取出烘干，将烘干后的产物切割为凹型n角星备用；
S3、端帽熔缩：
S31、将第一套管同轴套设于双包层光纤上，第二套管同轴套设于含有双包层光纤的第一套管上，任意一端对齐；然后将第一套管、第二套管对应的部分完全熔缩；
S32、将第三套管同轴套设于第二套管上，且将其与第一套管和第二套管对齐的相同一端对齐；将第三套管与步骤S31得到的产物进行熔缩，并得到最终产物夹心式光纤端帽。
本发明相较于现有技术，具有以下有益效果：
第一，经熔缩后，双包层光纤成为无芯光纤，从双包层光纤传输过来的光将在第一套管无芯光纤区域首先发生扩展，再进一步扩展到双包层光纤、第一套管、第二套管、第三套管构成的端帽区域。从小纤芯到无芯光纤的第一套管传输，此过程掺杂的稀土离子进一步将损耗能量进行补偿，再从第一套管到第二套管、第三套管，此过程中产生的热被掺杂的二氧化钛良好的传到表层，降低了输出端面的光功率密度大幅度降低耦合回纤芯的回光，可以更好地应用到实际光纤激光器设备使用配件当中。同时，本发明以n角星型进行嵌合可以有效增大第一套管与第二套管的接触面积，提高导热效率。
第二，本发明在以Ti(OC4H9)4，即Ti(OBu)4为原料，通过水解Ti(OBu)4+nH2O→Ti(OBu)4-n(OH)n+nHOBu；缩聚≡Ti-OH+HO-Ti≡→≡Ti-O-Ti≡+H2O；失醇缩聚≡Ti-OR+HO-Ti≡→≡Ti-O-Ti≡+ROH，制备得到的二氧化钛具有三维结构，能够稳定的附着在多孔玻璃内表面，对第二套管的散热性能有很大改善。
附图说明
图1是本发明一种夹心式光纤端帽的纵切面结构示意图；
图2是本发明一种夹心式光纤端帽的横切面结构示意图；
图3是本发明一种夹心式光纤端帽的测试示意图。
图中：1、双包层光纤； 2、第一套管；3、第二套管；4、第三套管；5、二氧化钛； 6、稀土离子。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1至图2所示，本发明提供一种夹心式光纤端帽，包括纤芯、第一套管2、第二套管3、第三套管4，纤芯为双包层光纤1；第一套管2的横切面为凸6角星型，每个角的顶点到轴心的距离为1-2mm，可根据实际情况选择1 mm 、1.5 mm 或2mm，轴心为空心结构，第一套管2同轴套设于双包层光纤1上；所述第二套管3的横切面为凹6角星型，每个角的顶点到轴心的距离为1-2mm，可根据实际情况选择1 mm 、1.5 mm 或2mm，第二套管3同轴套设于第一套管2上，第二套管3的凹6角星与第一套管的凸6角星相嵌合；第三套管4同轴套设于第二套管3上。
双包层光纤1的纤芯内芯为12-30μm，可根据实际情况选择12μm、20μm 或30μm，所述双包层光纤的包层直径为400-450μm，可根据实际情况选择400μm 、430μm 或450μm。
第一套管2的内表层采用MCVD方法沉积有Er、Yb、Tm、Ho中的一种或多种稀土离子6，具体可根据实际情况选择，所述稀土离子6的浓度在2000-3000ppm，可根据实际情况选择2000 ppm 、2500 ppm 或3000ppm。
第二套管3为含有二氧化钛5的多孔玻璃烧结制备而成，烧结温度在600-800℃，可根据实际情况选择600℃、700℃或800℃。第二套管3由Ti(OR)4经浸渍法水解得到TiO2后沉积到多孔玻璃内部，再经高温烧结、钻孔后制备而成。
第三套管4为纯度在99.99999%的石英套管。
所述双包层光纤的长度为Lf，所述第一套管的长度为L1，所述第二套管的长度为L2，所述第三套管的长度为L3，其中，Lf>L1>L2>L3，且所述双包层光纤、第一套管、第二套管、第三套管的任意相同的一端对齐。
实施例1
本实施例提供一种夹心式光纤端帽的制备方法，包括以下步骤：
S1、第一套管2制备：
S11、采用二氧化硅100g放于井式炉中烧制熔融，然后取出倒于圆柱型模具中冷却成型；
S12、将步骤S11得到的产物对其轴心进行钻孔，孔直径为400μm，然后通过MVCD方法将Er、Yb稀土离子6沉积到其内表面；
S13、将步骤S12得到的产物的圆柱外部切割为凸型6角星型（如图2所示）备用，每个角的顶点到轴心的距离为2mm；
S2、第二套管3制备：
S21、将碳酸钠、硼酸钠、硅酸钠按质量比2：2：5混合球磨，置于坩埚中搅拌均匀后放于井式炉中烧制熔融，烧至熔融后取出冰萃，冰萃完毕后再置于井式炉中烧至熔融，后取出倒于圆柱型模具中冷却成型；
S22、将步骤S21得到的产物置于硝酸溶液中清洗，清洗后通入氮气吹干；
S23、将步骤S22得到的产物置于Ti(OC4H9)4溶液中浸泡3h，浸泡完毕后取出烘干，将烘干后的产物切割为凹型6角星型（如图2所示）备用，每个角的顶点到轴心的距离为2mm；
S3、端帽熔缩：
S31、将第一套管2同轴套设于双包层光纤1上，第二套管3同轴套设于含有双包层光纤1的第一套管2上，将如图1所示的右端对齐；然后将第一套管2对应部分内的空气孔、第二套管3对应的部分完全熔缩；
S32、将第三套管4同轴套设于第二套管3上，且将其右端与第一套管2和第二套管3右端对齐；将第三套管4与步骤S31得到的产物进行熔缩，并得到最终产物夹心式光纤端帽，标记为试样1。
实施例2
本实施例提供一种夹心式光纤端帽的制备方法，包括以下步骤：
S1、第一套管2制备：
S11、采用二氧化硅100g放于井式炉中烧制熔融，然后取出倒于圆柱型模具中冷却成型；
S12、将步骤S11得到的产物对其轴心进行钻孔，孔直径为450μm，然后通过MVCD方法将Tm、Ho稀土离子6沉积到其内表面；
S13、将步骤S12得到的产物的圆柱外部切割为凸型6角星型（如图2所示）备用，每个角的顶点到轴心的距离为1.5mm；
S2、第二套管3制备：
S21、将碳酸钠、硼酸钠、硅酸钠按质量比1：2.5：8混合球磨，置于坩埚中搅拌均匀后放于井式炉中烧制熔融，烧至熔融后取出冰萃，冰萃完毕后再置于井式炉中烧至熔融，后取出倒于圆柱型模具中冷却成型；
S22、将步骤S21得到的产物置于硝酸溶液中清洗，清洗后通入氮气吹干；
S23、将步骤S22得到的产物置于Ti(OC4H9)4溶液中浸泡2.5h，浸泡完毕后取出烘干，将烘干后的产物切割为凹型6角星型（如图2所示）备用，每个角的顶点到轴心的距离为1.5mm；
S3、端帽熔缩：
S31、将第一套管2同轴套设于双包层光纤1上，第二套管3同轴套设于含有双包层光纤1的第一套管2上，将如图1所示的右端对齐；然后将第一套管2对应部分内的空气孔、第二套管3对应的部分完全熔缩；
S32、将第三套管4同轴套设于第二套管3上，且将其右端与第一套管2和第二套管3右端对齐；将第三套管4与步骤S31得到的产物进行熔缩，并得到最终产物夹心式光纤端帽，标记为试样2。
实施例3
本实施例还提供一种夹心式光纤端帽的制备方法，包括以下步骤：
S1、第一套管2制备：
S11、采用二氧化硅100g放于井式炉中烧制熔融，然后取出倒于圆柱型模具中冷却成型；
S12、将步骤S11得到的产物对其轴心进行钻孔，孔直径为425μm，然后通过MVCD方法将Er、Yb、Ho稀土离子6沉积到其内表面；
S13、将步骤S12得到的产物的圆柱外部切割为凸型6角星型（如图2所示）备用，每个角的顶点到轴心的距离为1mm；
S2、第二套管3制备：
S21、将碳酸钠、硼酸钠、硅酸钠按质量比2.5：1：6混合球磨，置于坩埚中搅拌均匀后放于井式炉中烧制熔融，烧至熔融后取出冰萃，冰萃完毕后再置于井式炉中烧至熔融，后取出倒于圆柱型模具中冷却成型；
S22、将步骤S21得到的产物置于硝酸溶液中清洗，清洗后通入氮气吹干；
S23、将步骤S22得到的产物置于Ti(OC4H9)4溶液中浸泡2h，浸泡完毕后取出烘干，将烘干后的产物切割为凹型6角星型（如图2所示）备用，每个角的顶点到轴心的距离为1mm；
S3、端帽熔缩：
S31、将第一套管2同轴套设于双包层光纤1上，第二套管3同轴套设于含有双包层光纤1的第一套管2上，将如图1所示的右端对齐；然后将第一套管2对应部分内的空气孔、第二套管3对应的部分完全熔缩；
S32、将第三套管4同轴套设于第二套管3上，且将其右端与第一套管2和第二套管3右端对齐；将第三套管4与步骤S31得到的产物进行熔缩，并得到最终产物夹心式光纤端帽，标记为试样3。
随机抽取市面上现有端帽、试样1、试样2、试样3，进行性能测试，以1064nm光源接入不同强度电流时输出的功率作为标定功率，使用此光源与光纤端帽熔接，测得光纤端帽的输出功率，输出功率/标定功率为其传输效率。我们用 1 路 1064nm 的激光器作为光源，先对 20/400µm 的光纤进行了光束质量的测试，以此作为基准。然后在此光纤后熔接玻璃锥棒光纤端帽，并对其进行光束质量的测试。通过对比熔接玻璃锥棒光纤端帽前后的光束质量，来验证玻璃锥棒光纤端帽的熔接效果。
结果见表1。
表1：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
取试样3进行测试，测试采用了简易夹具对光纤端帽进行了固定，未对光纤端帽进行主动制冷（环境温度为24℃），如图3所示横坐标为输入电流，左侧纵坐标为输出功率，右侧为相同电流达到特定功率时所产生的温度，实心点曲线为功率曲线，空心点曲线为温度曲线，当输出功率逐步增加时，夹心式端帽的温度变化幅度低，且维持在可以工作的温度范围内。在输出功率达到 3.01 kW 时，端帽温度为 39 ℃，即温升为 5℃/kW，可以发现当温度稳定在常规30~40℃时，端帽的承载功率在1.5~2.5 kW，具有更高的输出功率。因而可以判断一种双掺杂型夹心式高功率光纤端帽具有更大的高功率承载能力。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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 (7)

1.一种夹心式光纤端帽，其特征在于，包括纤芯、第一套管（2）、第二套管（3）、第三套管（4），所述纤芯为双包层光纤（1）；所述第一套管（2）的横切面为凸n角星型，每个角的顶点到轴心的距离为1-2mm，轴心为空心结构，第一套管（2）同轴套设于双包层光纤（1）上；所述第二套管（3）的横切面为凹n角星型，每个角的顶点到轴心的距离为1-2mm，第二套管（3）同轴套设于第一套管（2）上，第二套管（3）的凹n角星与第一套管（2）的凸n角星相嵌合，其中，n≥3；所述第三套管（4）同轴套设于第二套管（3）上；
所述第一套管（2）的内表层沉积有Er、Yb、Tm、Ho中的一种或多种稀土离子（6），所述稀土离子（6）的浓度在2000-3000ppm；所述第二套管（3）为含有二氧化钛的多孔玻璃烧结制备而成，烧结温度在600-800℃。
2.根据权利要求1所述的夹心式光纤端帽，其特征在于，所述双包层光纤（1）的纤芯内芯外径为12-30μm，所述双包层光纤的包层外直径为400-450μm。
3.根据权利要求1所述的夹心式光纤端帽，其特征在于，所述第三套管（4）为纯度在99.99999%的石英套管。
4.根据权利要求1所述的夹心式光纤端帽，其特征在于，所述第一套管（2）的内表层沉积采用MCVD方法进行沉积。
5.根据权利要求1所述的夹心式光纤端帽，其特征在于，所述第二套管（3）由Ti(OC4H9)4经浸渍法水解得到TiO2后沉积到多孔玻璃内部，再经高温烧结、钻孔后制备而成。
6.根据权利要求1所述的夹心式光纤端帽，其特征在于，所述双包层光纤（1）的长度为Lf，所述第一套管（2）的长度为L1，所述第二套管（3）的长度为L2，所述第三套管（4）的长度为L3，其中，Lf>L1>L2>L3，且所述双包层光纤（1）、第一套管（2）、第二套管（3）、第三套管（4）的任意相同的一端对齐。
7.一种如权利要求1-6任一所述的夹心式光纤端帽的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、第一套管制备：
S11、采用纯度为99.99999%二氧化硅放于井式炉中烧制熔融，然后取出倒于圆柱型模具中冷却成型；
S12、将步骤S11得到的产物对其轴心进行钻孔，孔直径为400-450μm，然后通过MVCD方法将Er、Yb、Tm、Ho中的一种或多种稀土离子沉积到其内表面；
S13、将步骤S12得到的产物的圆柱外部切割为凸型n角星备用；
S2、第二套管制备：
S21、将碳酸钠、硼酸钠、硅酸钠按质量比1~2.5：1~2.5：5~8的比例混合球磨，置于坩埚中搅拌均匀后放于井式炉中烧制熔融，烧至熔融后取出冰萃，冰萃完毕后再置于井式炉中烧至熔融，后取出倒于圆柱型模具中冷却成型；
S22、将步骤S21得到的产物置于硝酸溶液中清洗，清洗后通入氮气吹干；
S23、将步骤S22得到的产物置于Ti(OC4H9)4溶液中浸泡2-3h，浸泡完毕后取出烘干，将烘干后的产物切割为凹型n角星备用；
S3、端帽熔缩：
S31、将第一套管同轴套设于双包层光纤上，第二套管同轴套设于含有双包层光纤的第一套管上，任意一端对齐；然后将第一套管、第二套管对应的部分完全熔缩；
S32、将第三套管同轴套设于第二套管上，且将其与第一套管和第二套管对齐的相同一端对齐；将第三套管与步骤S31得到的产物进行熔缩，并得到最终产物夹心式光纤端帽。
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