CN118068487A - 一种泵浦光纤免预处理的泵浦与信号合束器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种泵浦光纤免预处理的泵浦与信号合束器，包括信号光纤、空心光纤、输出光纤以及N根泵浦注入光纤，将N根泵浦注入光纤围绕空心光纤均匀排列，并束拉锥后形成光纤束；空心光纤的包层直径与各泵浦注入光纤的包层直径相等；信号光纤腐蚀处理，使直径由大至小依次为原始区、过渡区和平直区，其中信号光纤平直区包层的直径与光纤束平直区空心光纤的内径相等；信号光纤需要从空心光纤的一侧插入，再次通过加热源加热与光纤束形成一个整体；输出光纤包层直径与光纤束平直区的直径相等。本发明无需对泵浦光纤进行预处理，简化了合束器的制备工艺流程，同时当信号光纤与输出光纤的纤芯参数相同时，能有效实现信号光的高传输耦合效率。
Description
技术领域
本发明属于光电子学器件领域，更具体地涉及一种泵浦光纤免预处理的泵浦与信号合束器及其制备方法。
背景技术
高功率光纤泵浦与信号合束器是全光纤化激光器的核心器件之一，在激光器中主要负责泵浦光注入和信号光传输，它的光学性能直接影响了激光器的输出总功率和光束质量。根据泵浦耦合方式的不同，可以将合束器分为侧面泵浦和端面泵浦两种。侧面泵浦技术指泵浦光从双包层信号光纤的侧面耦合进包层中，其优点为在制备过程中无需将信号光纤截断，避免信号光纤熔接对芯时造成的损耗，较易实现高效率的信号光传输。同时，其缺点也比较明显，侧面泵浦型合束器的泵浦臂很难扩展到两个臂以上，其数量是由制备泵浦臂的排列形式决定，并且泵浦光耦合进双包层光纤后光束发散角较大，容易导致输出光纤涂层发热，在系统中存在热效应问题。端面泵浦型合束器主要指泵浦光从截断的泵浦光纤端面耦合进双包层光纤的内包层中，相较于侧面泵浦型合束器其输出泵浦光具有较小的发散角、对双包层输出光纤的涂层产生较小的热效应。目前，泵浦与信号合束器的制备工艺较为繁琐，输入、输出信号光纤纤芯的模场适配是端面泵浦型合束器需要解决的主要问题之一。在专利申请号为:202211659898.4中，提出了采用泵浦注入光纤与玻璃管并束拉锥，信号光纤经处理后插入玻璃管内再与输出光纤熔接的技术，可以有效解决输入、输出信号光纤的模场适配问题，减小信号插入损耗，但玻璃管在制备的过程中易断裂，合束器的制备难度大、良品率低，当泵浦注入光纤和信号光纤的直径不满足约束关系时，光纤束的不均匀排列会产生并束难题，信号光难以实现高效率的传输耦合，并且信号光纤和光纤束间仅通过渗透的残余热量熔接，熔接强度较弱，合束器的抗压能力较差。
发明内容
本发明主要解决的问题为：在泵浦与信号合束器的制备过程中，玻璃管易断裂的问题，泵浦注入光纤与信号光纤包层直径不匹配引起的光纤束不均匀排列问题，信号光纤在参与光纤束熔融拉锥过程中产生纤芯形变问题，这些问题将导致泵浦光与信号光难以实现高效率的传输耦合、信号光的光束质量退化等。泵浦与信号合束器复杂繁琐的制备工艺也导致了样品制备良品率低的问题。
本发明中提出了一种泵浦光纤免预处理的泵浦与信号合束器的制备方法可以解决上述问题。其采用的具体技术方案如下：
一种泵浦光纤免预处理的泵浦与信号合束器，包括信号光纤、空心光纤、输出光纤以及N根泵浦注入光纤，其特点在于：将N根泵浦注入光纤围绕空心光纤均匀排列组成光纤束，通过夹具扭转并束拉锥形成光纤束；空心光纤的包层直径与各泵浦注入光纤的包层直径相等；信号光纤需要进行腐蚀处理，直径由大至小依次为原始区、过渡区和平直区，其中信号光纤平直区包层的直径与光纤束平直区空心光纤的内径相等；信号光纤需要从空心光纤的一侧插入，再次通过加热源加热与光纤束形成一个整体；输出光纤包层直径与光纤束平直区的直径相等。
所述信号光纤一般需要经过腐蚀处理，其中腐蚀后的信号光纤包括原始区、过渡区域以及平直区。平直区的包层直径与光纤束锥腰平直区处的空心光纤的内径相等或略小。
所述的输出光纤为双包层大模场光纤。
所述泵浦光纤，也可称为泵浦注入光纤，在泵浦与信号合束器的制备中，泵浦光纤无需经过预腐蚀或者预拉锥等工艺处理。
一种泵浦光纤免预处理的泵浦与信号合束器的制备方法，其特征在于：该制备方法包括如下步骤：
S1：首先将泵浦注入光纤和空心光纤的涂覆层进行一段区域的窗口剥除，将N根泵浦注入光纤与一根空心光纤通过指定的夹具进行扭转并束，并束处理后，空心光纤被泵浦注入光纤均匀围绕，其中N≥3；
S2：将S1中形成的光纤束进行熔融拉锥处理，形成上锥区、平直区以及下锥区，其中，熔融拉锥后光纤束平直区的直径与输出光纤的包层直径相等。将熔融拉锥后的光纤束在平直区截断，测量出空心光纤的内径。
S3：将信号光纤进行腐蚀处理，腐蚀后形成原始直径区、过渡区以及平直区。其中平直区的包层直径与S2测得空心光纤的内径相等或略小。
S4：重复S1的步骤，重新采用N根泵浦注入光纤和一根空心光纤进行并束熔融拉锥处理。拉锥完成后，将腐蚀后的信号光纤从空心光纤的一侧插入，使得腐蚀后信号光纤的平直区穿过光纤束锥腰的平直区。再次对光纤束的锥区进行加热处理，使得空心光纤略微塌缩与信号光纤形成一个整体。
S5：将S4所得光纤束在其平直区截断，再与输出光纤进行熔接形成泵浦与信号合束器。
所述S2：具体是将S1中形成的光纤束进行熔融拉锥处理后，其锥腰截面轮廓为圆形，信号光纤的纤芯处于空心光纤的正中心，周围均匀、紧密环绕着N根泵浦光纤。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1.采用带有低折射率涂覆层的空心光纤，可以保证其参与光纤束的扭转并束拉锥的过程中，空心光纤不易受力断裂，提高了光纤束的抗压能力和可弯曲性，同时也降低了泵浦与信号合束器制备的难度。
2.空心光纤的低折射率涂覆层可以将光纤束中的回返光约束在其中，避免光溢出导致的涂层发热问题。
3.泵浦光纤无需经过拉锥或腐蚀等预处理，不仅简化了泵浦与信号合束器制备的工艺流程，降低了信号与泵浦合束器的制备难度，而且减少了因预拉锥引起的光纤直径起伏较大，光纤并束时产生的排列错误，提升了泵浦与信号合束器的制备效率和良品率。
4.采用包层直径相等的空心光纤与泵浦注入光纤排列组成光纤束，可以有效解决泵浦注入光纤包层直径与信号光纤包层直径不一致导致的无法均匀排列的问题。
5.信号光纤通过腐蚀处理只改变其包层的直径尺寸，不改变纤芯的几何尺寸和折射率分布，因此不会影响信号光的传输。依据测得光纤束锥腰平直区处空心光纤的内径大小，计算出信号光纤需要腐蚀的包层尺寸，可以保证信号光纤与光纤束熔合后其纤芯正好处于空心光纤(即整个光纤束)的中心位置，实现信号光的高传输耦合效率及高光束质量。
6.泵浦注入光纤与空心光纤并束拉锥后，将腐蚀完成的信号光纤插入空心光纤内，可以避免光纤束熔融拉锥过程中信号光纤纤芯产生形变问题，可以实现超低损耗的信号光传输，提高输出光的光束质量。同时信号光纤没有经过高温长时间加热，因此信号光在传输过程中不发生任何模场扩张。
7.信号光纤插入空心光纤后，将其通过加热源对光纤束锥区的再次加热处理可以提高信号光纤与空心光纤的熔接强度，避免了信号光纤与空心光纤连接处的断裂或脱落，进一步增强了泵浦与信号合束器的整体稳定性和耐用性。
8.本发明采用空心光纤代替信号光纤参与光纤束并束拉锥的技术手段，解决玻璃管易断裂的问题，而且增强了信号光纤与光纤束的熔接强度，提高了合束器的抗压能力。
9.本发明采用相同直径的泵浦光纤与空心光纤并束拉锥的技术手段，可以解决泵浦光纤与信号光纤包层直径不匹配时光纤束的不均匀排列问题，简化了泵浦与信号合束器制备的工艺流程，降低了信号与泵浦合束器的制备难度，提升了泵浦与信号合束器的制备效率和良品率，也避免了信号光纤在参与光纤束熔融拉锥过程中产生纤芯形变问题，当信号注入光纤与输出光纤的纤芯参数相同时，本发明描述方法研制的泵浦与信号合束器能有效实现信号光的高传输耦合效率。
附图说明
图1是本发明的一种泵浦光纤免预处理的泵浦与信号合束器的结构示意图；
图2是经过腐蚀处理后的信号光纤结构示意图，其中包括原始带有涂覆层(21)，原始直径区(22)，处于原始区与平直区中间的过渡区域(23)，腐蚀后的平直区(24)；
图3是经过模场匹配技术处理后的信号光纤结构示意图，其中包括原始带有涂覆层(31)，原始直径区(32)，处于原始区与平直区中间的过渡区域(33)，模场匹配技术处理后的平直区(34)
图4是环剥后的泵浦注入光纤均匀围绕在空心光纤周围的结构示意图；
图5(a)～(g)是N(以N＝6为例)根泵浦注入光纤围绕空心光纤均匀排列、扭转、熔融拉锥、插入信号光纤与光纤束锥区熔合、切割及与输出光纤熔接的制作过程示意图。
具体实施方式
为了更加清楚的说明本发明的制备技术和优点，以下均以结构为(6+1)×1的泵浦与信号合束器(即泵浦光纤数量N＝6的情况)为例，结合3个具体实施例，并参照附图，对本发明进一步的详细说明。
以下是本发明的三个实施例：
实施例1：
实施例1中泵浦与信号合束器的结构为(6+1)×1。其中，泵浦注入光纤11为220/242μm(NA＝0.22)的多模光纤。信号光纤14是纤芯/包层直径为20/250μm的双包层光纤，对应的数值孔径(NA)为0.07/0.46。输出光纤13是纤芯/包层直径为20/400μm的双包层光纤，对应的数值孔径(NA)为0.065/0.46。具体的制作步骤如下：
S1：参照图4首先将六根泵浦注入光纤11和一根空心光纤12的涂覆层进行一段区域的窗口剥除，剥除长度为35mm～40mm。空心光纤12的内外径分别为220μm±1μm/242μm±1μm。参照图5(b)将六根泵浦注入光纤11与一根空心光纤12(直径：220μm/242μm)通过指定的夹具进行扭转并束处理，并束处理后，空心光纤12被泵浦注入光纤11均匀围绕。
S2：参照图5(c)将S1中形成的光纤束18进行熔融拉锥，形成上锥区15、平直区16以及下锥区17。其中上锥区15长度大约为10mm±2mm，平直区16长度大约为6mm±2mm以及下锥区17长度大约为10mm±2mm。平直区16的直径大约为400μm±1μm。
S3：参照图5(d)将光纤束18在锥区的平直区16截断，截面如图5(d)19所示，测量出空心光纤12的内径。空心光纤12在锥腰处的内径大约为85μm±2μm。
S4：参照图2对信号光纤14(直径：20/250μm)进行腐蚀处理，腐蚀后形成原始直径区22、过渡区23以及平直区24。其中，原始直径区22长度约为10mm，过渡区23长度大约为10mm±2mm，平直区24的长度大约为50mm±5mm。平直区24的直径大约为84μm±2μm。
S5：参照图5(e)重复S1的步骤，重新采用六根泵浦光纤11和一根空心光纤12进行熔融拉锥处理形成光纤束18。拉锥完成后，将腐蚀完成的信号光纤14从空心光纤12的一侧插入，使得腐蚀后的信号光纤平直区24穿过光纤束锥腰的平直区16。再次对光纤束锥区进行加热处理，使得空心光纤12略微塌缩与信号光纤14形成一个整体。
S6：参照图5(f)将光纤束18在锥区的平直区16截断处理，截断后的光纤束平直区16的直径大约为400μm±1μm，截面如图5(f)20所示。
S7：参照图5(g)将光纤束锥区与输出光纤13进行熔接处理形成泵浦与信号合束器。
实施例1中所制备的合束器也可以应用在正向或者反向泵浦结构中，案列1中所制备的合束器的优势在于信号光纤20/250μm的纤芯直径几乎不受制备过程的影响，避免了光纤束拉锥时易产生的信号光纤纤芯形变问题，因此较容易实现高效率信号光传输，一般耦合效率＞97％。
实施例2：
实施例2中泵浦与信号合束器的结构为(6+1)×1。其中，泵浦注入光纤11为220/242μm(NA＝0.22)的多模光纤。信号光纤14是纤芯/包层直径为25/250μm的双包层光纤，对应的数值孔径(NA)为0.06/0.46。输出光纤13是纤芯/包层直径为25/400μm的双包层光纤，对应的数值孔径(NA)为0.06/0.46。具体的制作步骤如下：
S1：参照图4首先将六根泵浦注入光纤11和一根空心光纤12的涂覆层进行一段区域的窗口剥除，涂覆层的窗口剥除长度一般为35mm～40mm。空心光纤12的内外径分别为220μm±1μm/242μm±1μm。参照图5(b)将六根泵浦注入光纤11与一根空心光纤12(直径：220μm/242μm)通过指定的夹具进行并束处理，并束处理后空心光纤12被泵浦注入光纤11均匀围绕。
S2：参照图5(c)将S1中形成的光纤束18进行熔融拉锥处理，形成上锥区15、平直区16以及下锥区17。其中上锥区15长度大约为10mm±2mm，平直区16长度大约为6mm±2mm以及下锥区17长度大约为10mm±2mm。平直区16的直径大约为400μm±1μm。
S3：参照图5(d)将光纤束18在锥区的平直区16截断，截面如图5(d)19所示，测量出空心光纤12的内径。空心光纤12在锥腰处的内径大约为85μm±2μm。
S4：参照图2对信号光纤14(直径：25/250μm)进行腐蚀处理，腐蚀后形成原始直径区22、过渡区23以及平直区24。其中，原始直径区22长度约为10mm，过渡区23长度大约为10mm±2mm，平直区24的长度大约为50mm±5mm。平直区24的直径大约为84μm±2μm。
S5：参照图5(e)重复S1的步骤，重新采用六根泵浦注入光纤11和一根空心光纤12进行熔融拉锥处理形成光纤束18。拉锥完成后，将腐蚀完成的信号光纤14从空心光纤12的一侧插入，使得腐蚀后的光纤平直区24穿过光纤束锥腰的平直区16。再次对光纤束锥区进行加热处理，使得空心光纤12略微塌缩与信号光纤14形成一个整体。
S6：参照图5(f)将光纤束18在锥区的平直区16截断处理，截断后的光纤束平直区16的直径大约为400μm±1μm，截面如图5(f)20所示。
S7：参照图5(g)将光纤束锥区与输出光纤13进行熔接处理形成泵浦与信号合束器。
实施例2中所制备的合束器也可以应用在正向或者反向泵浦结构中，案列2中所制备的合束器的优势就是信号光纤25/250μm的纤芯直径几乎不受制备过程的影响，避免了光纤束拉锥时易产生的信号光纤纤芯形变问题，因此较容易实现高效率信号光传输，一般耦合效率＞97％。
实施例3：
实施例3中泵浦与信号合束器的结构为(6+1)×1。其中，泵浦注入光纤11为220/242μm(NA＝0.22)的多模光纤。信号光纤14是纤芯/包层直径为25/250μm的双包层光纤，对应的数值孔径(NA)为0.065/0.46。输出光纤13的纤芯/包层直径为20/400μm的双包层光纤，对应的数值孔径(NA)为0.065/0.46。具体的制作步骤如下：
S1：参照图4首先将六根泵浦注入光纤11和一根空心光纤12的涂覆层进行一段区域的窗口剥除，涂覆层的窗口剥除长度一般为35mm～40mm。空心光纤12的内外径分别为220μm±1μm/242μm±1μm。参照图5(b)将六根泵浦注入光纤11与一根空心光纤12(直径：220μm/242μm)通过指定的夹具进行并束处理，并束处理后，空心光纤12被泵浦注入光纤11均匀围绕。
S2：参照图5(c)将S1中形成的光纤束18进行熔融拉锥处理，形成上锥区15、平直区16以及下锥区17。其中上锥区15长度大约为10mm±2mm，平直区16长度大约为6mm±2mm以及下锥区17长度大约为10mm±2mm。平直区16的直径大约为400μm±1μm。
S3：参照图5(d)将光纤束18在锥区的平直区16截断，截面如图5(d)19所示，测量出空心光纤12的内径。空心光纤12在锥腰处的内径大约为85μm±2μm。
S4：参照图3采用模场匹配技术对信号光纤14(直径：25/250μm)进行预处理，预处理完成后形成原始直径区32、过渡区33以及平直区34。其中，原始直径区32长度约为10mm，过渡区33长度大约为6mm±2mm，平直区34的长度大约为50mm±5mm。平直区34的直径大约为84μm±2μm。
S5：参照图5(e)重复S1的步骤，重新采用六根泵浦注入光纤11和一根空心光纤12进行熔融拉锥处理形成光纤束18。拉锥完成后，将预处理完成的信号光纤14从空心光纤12的一侧插入，使得预处理后的信号光纤平直区34穿过光纤束锥腰的平直区16。再次对光纤束锥区进行加热处理，使得空心光纤12略微塌缩与信号光纤14形成一个整体。
S6：参照图5(f)将光纤束18在锥区的平直区16截断处理，截断后的光纤束平直区16的直径大约为400μm±1μm，截面如图5(f)20所示。
S7：参照图5(g)将光纤束锥区与输出光纤13进行熔接处理形成泵浦与信号合束器。
实施例3中所制备的合束器一般应用于反向泵浦结构中，实施例3中所制备的合束器的优势在于避免了泵浦注入光纤与信号光纤直径不匹配光纤束无法均匀排列的问题，并且采用空心光纤参与制备的方式既可以提高合束器的抗压能力和整体稳定性，又能保证信号光纤与光纤束熔合后其纤芯正好处于空心光纤(即整个光纤束)的中心位置，实现信号光较高的传输耦合效率，一般耦合效率＞97％。
以上所述的具体实施案例，是对本发明目的、技术方案和有益结果的进一步详细说明，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的技术人员来讲，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种泵浦光纤免预处理的泵浦与信号合束器，其特征在于：包括信号光纤(14)、空心光纤(12)、输出光纤(13)以及N根泵浦注入光纤(11)；所述信号光纤(14)的一端插入所述空心光纤(12)内，所述N根泵浦注入光纤(11)均匀围绕在所述空心光纤(12)周围，所述N根泵浦注入光纤(11)与空心光纤(12)并束拉锥形成的光纤束与所述输出光纤(13)相接，所述空心光纤(12)的包层直径与各泵浦注入光纤(11)的包层直径相等；所述信号光纤(14)经腐蚀处理，使直径由大至小依次为原始区、过渡区和平直区，其中信号光纤平直区包层的直径与光纤束平直区空心光纤的内径相等。
2.如权利要求1所述的泵浦与信号合束器，其特征在于：所述信号光纤的纤芯与输出光纤的纤芯直径相等；当信号光纤与输出光纤的纤芯不匹配时，采用模场匹配技术对信号光纤进行预处理。
3.如权利要求1或2所述的泵浦与信号合束器，其特征在于：所述空心光纤的壁厚<20μm±2μm。
4.如权利要求1所述的泵浦与信号合束器，其特征在于：所述的输出光纤为双包层大模场光纤。
5.如权利要求1所述的泵浦与信号合束器，其特征在于：所述信号光纤平直区的直径与泵浦光纤和空心光纤形成的光纤束平直区处的空心光纤内孔直径相等或略小。
6.如权利要求1所述的泵浦与信号合束器，其特征在于：N≥3。
7.一种泵浦光纤免预处理的泵浦与信号合束器的制备方法，其特征在于，该制备方法包括如下步骤：
S1：将泵浦注入光纤和空心光纤的涂覆层进行一段区域的窗口剥除，将N根泵浦注入光纤与一根空心光纤通过夹具进行扭转并束形成光纤束，并确保所述空心光纤被泵浦注入光纤均匀围绕；
S2:将所述光纤束进行熔融拉锥处理，形成上锥区、平直区以及下锥区，其中，熔融拉锥后光纤束平直区的直径与输出光纤的包层直径相等。将熔融拉锥后的光纤束在平直区截断，测量空心光纤的内径；
S3:将信号光纤进行腐蚀处理，形成原始直径区、过渡区以及平直区，使平直区的包层直径与步骤S2空心光纤的内径相等或略小；
S4：将腐蚀后的信号光纤从空心光纤的一侧插入，使信号光纤的平直区穿过光纤束锥腰的平直区，再次对光纤束的锥区进行加热处理，使得空心光纤略微塌缩与信号光纤形成一个整体。
S5：将光纤束平直区截断，再与输出光纤进行熔接形成泵浦与信号合束器。
8.如权利要求7所述的泵浦与信号合束器的制备方法，其特征在于，该制备方法包括如下步骤：所述S2：具体是将S1中形成的光纤束进行熔融拉锥处理后，其锥腰截面外轮廓为圆形，信号光纤的纤芯处于空心光纤的正中心，周围均匀紧密环绕着N根泵浦光纤。
9.如权利要求7所述的泵浦与信号合束器的制备方法，其特征在于，在所述步骤S3和S4之间，还包括重新采用N根泵浦注入光纤和空心光纤进行光纤并束熔融拉锥处理，以避免步骤S3测量空心光纤的内径尺寸对光纤束锥区造成损伤。
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