CN117111204B - 光纤、包层功率剥离器及光纤激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光纤、包层功率剥离器及光纤激光器，其中光纤包括纤芯和包覆于纤芯外侧的内包层，沿光纤的长度方向交替设置第一区段和第二区段。第一区段设置有耐温涂层，耐温涂层的最高耐受温度大于100℃，耐温涂层位于内包层外侧。第二区段上的内包层裸露，且内包层的外侧面具有用以破坏全反射条件的微结构。相比于现有技术，本发明的光纤、包层功率剥离器及光纤激光器能够提升自身的耐热性能，降低对冷却条件的要求。
Description
技术领域
本发明涉及光纤技术领域，特别是涉及一种光纤、包层功率剥离器及光纤激光器。
背景技术
光纤激光器中，包层功率剥离器用于将双包层光纤中内包层中残余的部分功率进行剥离。当前国际上主流的光纤涂层材料是采用丙烯酸酯聚合物材料，安全工作温度为80℃以下，相应的包层功率剥离器普遍通过两种方法实现：光学胶水涂覆法（参照公开号为US7349596B2的美国专利）或裸纤表面微结构处理（参照公开号为US10090631B2的美国专利）。前者是将光纤轴向局部区域聚合物涂覆层去除，在内包层表面采用高折射率胶水涂覆，破坏内包层外侧界面处的全反射条件；后者是在将聚合物涂覆层去除后，通过腐蚀、烧蚀等技术手段将内包层表面处理成非平整表面，同样达到破坏外侧面全反射条件的目的。
但是这两种基于聚合物涂层的方法都存在其局限性。光学胶水涂覆法在高功率光纤激光器领域使用越来越少，其缺陷主要在于胶水的透光性和耐热特性较差，难以承受百瓦甚至千瓦级别包层功率剥除，长时间工作状态下稳定性难以维持。而微结构处理方案无需使用胶水，采用密封结构加水冷设计，在功率承受水平和可靠性上较胶水方案得到极大改善，但微结构区域的包层光由于存在向各个方向和角度形成的朗伯散射，部分光不可避免会进入微结构区域两端的外沿涂覆层，造成该部分发热。同时，微结构区域密封壳体不可避免地要与光纤两侧未剥离的涂覆层接触，当壳体本身发热较为明显时也会因热传导致使这部分涂覆层升温导致烧毁的现象发生。因此，从根本上来看，基于聚合物涂层光纤制备的包层功率剥离器自身作为能量吸收和沉淀装置，不可避免的会因为材料吸收和导热等原因造成边缘聚合物材料或胶水牵连性发热，即使通常通过水浴等方法对其进行散热，但是在极限高功率下其温度仍然容易超过80℃引起涂层功能失效，造成激光泄漏进而致使激光器损毁。因此，基于传统聚合物涂层的光纤包层功率剥离器其瓶颈在于其涂层的耐热性能不足，不仅必需辅助散热方案，还限制了功率的进一步提升。
发明内容
本发明的目的是提供一种光纤、包层功率剥离器及光纤激光器，以提升其耐热性能，降低对冷却条件的要求。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明公开了一种光纤，用于设置在包层功率剥离器上，所述光纤包括纤芯和包覆于所述纤芯外侧的内包层，沿所述光纤的长度方向交替设置第一区段和第二区段；所述第一区段设置有耐温涂层，所述耐温涂层的最高耐受温度大于100℃，所述耐温涂层位于所述内包层外侧；所述第二区段上的所述内包层裸露，且所述内包层的外侧面具有用以破坏全反射条件的微结构。
优选地，所述耐温涂层包括多层。
优选地，所述耐温涂层与所述内包层之间设置间隔涂层。
优选地，所述耐温涂层的材质为聚酰亚胺或耐温金属。
本发明还公开了一种包层功率剥离器，包括上述的光纤，还包括封装壳，所述封装壳为金属材质；所述封装壳的两端分别与两个所述第一区段固定相连，两个所述第一区段之间的所述第二区段位于所述封装壳内侧。
优选地，所述封装壳的两端分别与两个所述第一区段直接接触式固定相连。
优选地，所述封装壳的外侧面设置有多个散热翅片。
优选地，所述包层功率剥离器还包括风扇，所述风扇安装于所述封装壳的外侧，以提高所述散热翅片附近的空气流速。
优选地，所述包层功率剥离器还包括温度传感器，所述温度传感器用于连接光纤激光器的控制器；所述温度传感器安装于所述封装壳上，以监测所述封装壳的温度并将温度信息传输至所述控制器；所述风扇为转速可调风扇，所述风扇用于连接所述控制器，以在所述控制器的控制下调节自身转速。
本发明还公开了一种光纤激光器，其特征在于，包括上述的包层功率剥离器。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明的光纤将丙烯酸酯聚合物涂层替换为耐温涂层，在相同冷却条件下热负载能力大幅提升，在相同功率条件下热处理方案大幅简化。涂层的极高耐热性能也使得光纤激光器的结构设计和环境适应性等大幅改善。本发明的包层功率剥离器采用上述具有耐温涂层的光纤，充分发扬了耐温涂层的优势，克服了工程应用下传统高功率包层功率剥离器持续工作时对液冷条件的刚性需求。本发明的光纤激光器采用了上述的包层功率剥离器，因而也具备与包层功率剥离器相应的技术效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例光纤在第一区段的横截面示意图的第一示例；
图2为本发明实施例光纤在第一区段的横截面示意图的第二示例；
图3为本发明实施例光纤在第一区段的横截面示意图的第三示例；
图4为图1中光纤的纵截面示意图；
图5为图2中光纤的纵截面示意图；
图6为图3中光纤的纵截面示意图；
图7为本发明实施例包层功率剥离器的示意图；
图8为第一半壳的示意图的第一示例；
图9为第一半壳与光纤的组合示意图的第一示例；
图10为封装壳与光纤的组合示意图的第一示例；
图11为第一半壳与光纤的组合示意图的第二示例；
图12为封装壳与光纤的组合示意图的第二示例；
图13为封装壳与光纤的组合示意图的第三示例。
附图标记说明：1-纤芯；2-内包层；3-耐温涂层；4-掺氟石英层；5-微结构；6-封装壳；7-散热翅片；8-风扇。
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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种光纤、包层功率剥离器及光纤激光器，以提升其耐热性能，降低对冷却条件的要求。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的说明。
参照图1~图6，本实施例提供一种光纤，包括纤芯1和包覆于纤芯1外侧的内包层2，沿光纤的长度方向交替设置第一区段和第二区段。第一区段设置有耐温涂层3，耐温涂层3的最高耐受温度大于100℃，耐温涂层3位于内包层2外侧。第二区段上的内包层2裸露，且内包层2的外侧面具有用以破坏全反射条件的微结构5。
常用的丙烯酸酯聚合物涂层的最高耐受温度仅80℃左右，超过80℃则会引起丙烯酸酯聚合物涂层功能失效。本实施例将丙烯酸酯聚合物涂层替换为耐温涂层3，在相同冷却条件下热负载能力大幅提升，在相同功率条件下热处理方案大幅简化。涂层的极高耐热性能也使得光纤激光器的结构设计和环境适应性等大幅改善。
上述的耐温涂层3可以是一层，也可以是多层。内包层2和与其相邻的耐温涂层3之间可以设置间隔涂层。耐温涂层3为多层时，相邻的耐温涂层3之间也可以设置间隔涂层。
图1、图4提供的示例中，耐温涂层3为一层，且直接接触内包层2。
图2、图5提供的示例中，耐温涂层3为一层，耐温涂层3与内包层2之间的掺氟石英层4作为间隔涂层。
图3、图6提供的示例中，耐温涂层3为两层，分别为位于内侧的第一耐温涂层和位于外侧的第二耐温涂层，第一耐温涂层与第二耐温涂层直接接触，第一耐温涂层与内包层2之间的掺氟石英层4作为间隔涂层。
可以理解的是，纤芯1、内包层2、间隔涂层和耐温涂层3的横截面外轮廓可以是圆形，也可以是其它形状。
作为一种可能的示例，耐温涂层3的材质为聚酰亚胺或耐温金属，耐温金属可以是铝、铜、金或银。
在制备上述第二区段时，需对内包层2外侧的材料进行去除。对于聚酰亚胺，可以通过机械方法进行去除。对于金属或合金等材料，通常需要通过化学方法，选用对涂层具有腐蚀功能的溶液或气体进行处理。对于典型的金属铝耐温涂层，通常需要采用氢氧化钠溶液进行浸泡，通过化学方法对光纤表面铝涂层进行腐蚀。对于掺氟石英层4，可采用氢氟酸腐蚀液去除。对于微结构5，可以通过腐蚀、烧蚀等技术手段对内包层2进行处理得到。
参照图7~图13，本实施例还提供一种包层功率剥离器，包括上述的光纤，还包括封装壳6，封装壳6为金属材质。封装壳6的两端分别与两个第一区段固定相连，两个第一区段之间的第二区段位于封装壳6内侧。
由于本实施例的包层功率剥离器包括上述的光纤，因而也具备光纤的上述优点，此处不再赘述。另外，现有技术中，内包层2上的微结构5通常采用液冷的冷却方式，冷却液中的杂质会污染光纤，造成局部发热，且随着杂质持续堆积，最终导致器件烧毁，减短器件的使用寿命。本实施例通过使用金属材质的封装壳6进行封装，一方面利用了金属优异的导热性能，将热量迅速向外传导，另一方面可对内侧的光纤进行保护，避免光纤受到污染。对于封装壳6的材质，本领域技术人员可以根据实际需要灵活选择，例如铝、铜或银。
作为一种可能的示例，本实施例中，封装壳6内表面具有黑色粗糙区域。微结构5表面产生的朗伯散射在到达黑色粗糙区域时会被大比例吸收，封装壳6的温度因此迅速提升。
作为一种可能的示例，本实施例中，封装壳6的两端分别与两个第一区段直接接触式固定相连。需要说明的是，现有技术中，光纤与封装壳6通常通过胶水粘接相连，并对胶水进行紫外线固化，但胶水的耐热性和导热性较差。耐温涂层的材料不同于聚合物材料（即上述胶水），在机械特性上远优于脆弱的聚合物材料，尤其是对于以金属材料制成的耐温涂层。因此，这种直接压紧接触的方法是简单且可靠的，不会对耐温涂层造成引起光学特性畸变的机械损伤。本实施例通过使封装壳6的两端分别与两个第一区段直接接触，提高了包层功率剥离器的耐热性和导热性。
具体的，封装壳6包括第一半壳和第二半壳，第一半壳和第二半壳分别位于光纤的两侧。第一半壳与第二半壳通过紧固件锁紧，以使第一半壳与第二半壳组成封装壳6。第一半壳和第二半壳的两端均设有与光纤外形匹配的凹槽，该凹槽与光纤的侧面紧密接触。
图10、图12提供的示例中，第一半壳和第二半壳均为半圆柱状，以组成圆柱状的封装壳6。
图13提供的示例中，第一半壳为半圆柱状，第二半壳为平板状。平板状的第二半壳厚度相对较小，能够减小封装壳6的整体厚度。平板状的第二半壳可以作为激光器冷板，采用水冷散热的方式。
封装壳6可以通过风冷的方式进行降温，也可以通过液冷等其它方式进行降温。本实施例中，封装壳6的外侧面设置有多个散热翅片7，以提高封装壳6的表面积，进而提高风冷或水冷效率。
图7~图10、图13提供的示例中，散热翅片7以光纤为中心呈放射状分布。
图11、图12提供的示例中，散热翅片7相互平行，且均垂直于光纤的延伸方向。
作为一种可能的示例，包层功率剥离器还包括风扇8，风扇8安装于封装壳6的外侧，以提高散热翅片7附近的空气流速。
当散热翅片7以光纤为中心呈放射状分布时，风扇8提供的气流平行于光纤的延伸方向流动。当散热翅片7相互平行且均垂直于光纤的延伸方向时，风扇8提供的气流垂直于光纤的延伸方向流动。
作为一种可能的示例，风扇8为转速可调风扇8，以根据实际需要调节气流流速。具体的，包层功率剥离器还包括温度传感器，温度传感器用于连接光纤激光器的控制器。温度传感器安装于封装壳6上，以监测封装壳6的温度并将温度信息传输至控制器。风扇8用于连接控制器，以在控制器的控制下调节自身转速。控制器内预设有封装壳6温度与风扇8转速的对应关系，控制器根据温度传感器输送的温度信息发出相应的转速控制信号，从而控制风扇8的转速。
本实施例还提供一种光纤激光器，包括上述的包层功率剥离器。由于本实施例的光纤激光器包括上述的包层功率剥离器，因而也具备包层功率剥离器的上述优点，此处不再赘述。
本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种光纤，用于设置在包层功率剥离器上，所述光纤包括纤芯和包覆于所述纤芯外侧的内包层，其特征在于，沿所述光纤的长度方向交替设置第一区段和第二区段，所述第二区段位于相邻两个所述第一区段之间，两个所述第一区段分别用于和封装壳的两端固定相连；所述第一区段设置有耐温涂层，所述耐温涂层的最高耐受温度大于100℃，所述耐温涂层位于所述内包层外侧；所述第二区段上的所述内包层裸露，且所述内包层的外侧面具有用以破坏全反射条件的微结构。
2.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述耐温涂层包括多层。
3.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述耐温涂层与所述内包层之间设置间隔涂层。
4.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述耐温涂层的材质为聚酰亚胺或耐温金属。
5.一种包层功率剥离器，其特征在于，包括如权利要求1~4任意一项所述的光纤，还包括封装壳，所述封装壳为金属材质；所述封装壳的两端分别与两个所述第一区段固定相连，两个所述第一区段之间的所述第二区段位于所述封装壳内侧。
6.根据权利要求5所述的包层功率剥离器，其特征在于，所述封装壳的两端分别与两个所述第一区段直接接触式固定相连。
7.根据权利要求5所述的包层功率剥离器，其特征在于，所述封装壳的外侧面设置有多个散热翅片。
8.根据权利要求7所述的包层功率剥离器，其特征在于，所述包层功率剥离器还包括风扇，所述风扇安装于所述封装壳的外侧，以提高所述散热翅片附近的空气流速。
9.根据权利要求8所述的包层功率剥离器，其特征在于，所述包层功率剥离器还包括温度传感器，所述温度传感器用于连接光纤激光器的控制器；所述温度传感器安装于所述封装壳上，以监测所述封装壳的温度并将温度信息传输至所述控制器；所述风扇为转速可调风扇，所述风扇用于连接所述控制器，以在所述控制器的控制下调节自身转速。
10.一种光纤激光器，其特征在于，包括如权利要求5~9任意一项所述的包层功率剥离器。
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