CN213210530U - 一种光纤阵列模块及具有其的激光器 - Google Patents

一种光纤阵列模块及具有其的激光器 Download PDF

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Abstract

本实用新型提供了一种光纤阵列模块及具有其的激光器，所述光纤阵列模块包括若干光纤、盖板以及设置有固定槽的基板，所述若干光纤固定于盖板与固定槽之间，所述光纤与固定槽以及盖板之间填充有第一折射率胶以实现固定，所述光纤外侧具有第二折射率层或者高反射层，所述第一折射率N1取值范围为N1＞1.45，第二折射率N2的取值范围为1.3≤N2≤1.47，本实用新型解决了光纤胶层发热及烧毁问题，该光纤阵列模块可应用于高功率光纤激光器的激光传输。

Description

一种光纤阵列模块及具有其的激光器
技术领域
本实用新型涉及光纤阵列模块以及包含其的激光器，尤其是一种具有低折射率层的光纤阵列模块以及包含其的光纤激光器。
背景技术
光纤阵列模块作为光纤激光器和工作目标的连接部件，其输入端与光纤激光器连接，输出端经过光学透镜系统整形后照射到工作目标上，目前常见的光纤阵列模块的主要结构为：将光纤放置在周期的玻璃或者V型槽基板上，压上盖板后固化灌封胶而成。通常为保证后续端面研磨效果，灌封胶通常选择粘接力强，硬度高的胶水，而硬度高的胶水一般为高折射率胶水(例如折射率为1.57)。由于灌封胶相对于光纤包层为光密介质，故光纤包层激光可泄露至灌封胶并被吸收，进而出现温度升高甚至烧毁等情况，因此限制了光纤阵列模块在高功率场合的应用，因此目前仅存在单通道传输激光功率为毫瓦或瓦级的光纤阵列模块。此外，在高功率激光应用中，由于功率越高，包层泄露激光功率越多，第一折射率胶温度越高；同时相邻通道间存在热串扰，温升高达单通道温升的几十倍；由于高温会在光纤周围产生热应力，光纤纤芯受到应力产生的挤压后，纤芯折射率所产生的变化会导致更多纤芯激光泄露至包层，温度继续升高；如此恶性循环，直至发生灾难性后果，甚至光纤阵列烧毁。
中国专利CN 202929240 U公开了一种金属化封装光纤密排模块，将光纤金属化后固定在V型槽上，这种方法虽然解决了激光泄露导致的高温问题，但是金属化封装结构操作难度较大，成本高，并且金属层的厚度均匀性不一致会影响光纤位置精度。
实用新型内容
为了解决上述问题，本实用新型的主要目的在于提供一种光纤阵列模块，可以解决光纤胶层发热及烧毁问题，并应用于高功率光纤激光器的激光传输。
本实用新型的技术方案如下：
一种光纤阵列模块，包括若干光纤、盖板以及设置有固定槽的基板，所述若干光纤固定于盖板与固定槽之间，所述光纤与固定槽以及盖板之间填充有第一折射率胶以实现固定，所述光纤外侧具有第二折射率层或者高反射层，所述第一折射率N1取值范围为N1＞1.45，第二折射率N2的取值范围为1.3≤N2≤1.47。
所述光纤外侧的第二折射率层具体为：光纤外侧涂覆的具有第二折射率的胶，和/或者为光纤本体具有第二折射率的包层，和/或者为光纤外侧的具有第二折射率的膜层。
所述光纤包括至少两层包层，其最外层包层具有所述的第二折射率，所述第二折射率具体为1.4＜N2＜1.47。
所述光纤自内而外依次为纤芯，第一包层，第二包层以及涂覆层，其直径分别取值为：第一包层直径D1的范围为14um≤D1≤130um, 第二层包层直径D2范围为50um≤D2≤250um，涂覆层直径D3范围为 130um≤D3≤600um。
当所述光纤外侧具有第二折射率层时，所述具有第二折射率的膜层具体为多层介质膜；当所述光纤外侧具有高反射层时，所述高反射层具体为高反射膜，包括金膜，或者银膜，或者铝膜，或者多层介质膜的一种或者多种。
所述基板上的固定槽为与光纤匹配的周期排布，固定槽的形状具体为V型槽、或圆形槽。所述V型固定槽之间设置有次级V型槽，用于导入第一折射率胶。
所述盖板上方设置有硅片，用于平衡光纤上下两侧应力。
所述光纤阵列模块还包括金属外壳，用于容置包括有光纤、盖板以及设置有固定槽的基板的结合体。
一种激光器，包含所述的光纤阵列模块以及用于产生激光的光纤激光器，光纤激光器的光纤输出作为所述光纤阵列模块的输入。
本实用新型具有以下优点：本实用新型设计的光纤阵列模块，在光纤外增加了第二折射率层或者高反射膜，保证光纤外包层残余激光不会泄露到高折射率胶中，降低了对激光功率的敏感性，提高了单路光纤可传输的激光功率，实现了在几万甚至几十万瓦激光功率中的应用，并且保证了高的光纤位置精度(≤0.5um)。
附图说明
图1为本实用新型的光纤阵列模块的结构示意图。
图2为本实用新型的光纤阵列模块侧视及光路传输原理示意。
图3为光纤结构示意。
图4为光纤阵列模块的一个实施例。
图5为光纤阵列模块的一个实施例。
附图标号说明：1-光纤，2-盖板，3-基板，4-固定槽，5-第一折射率胶，6-第二折射率层，601-低折射率胶，7-光纤包层，701-第一包层，702-第二包层，8-纤芯，9-涂覆层，10-高反射膜，11-次级V 型槽，12-缓冲片，13-金属外壳。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都应当属于本实用新型保护的范围。
本实用新型所提出的一种光纤阵列模块，包括若干光纤1、盖板 2以及设置有固定槽的基板3，所述若干光纤固定于盖板与固定槽之间，所述光纤与固定槽以及盖板之间填充有第一折射率胶5以实现固定，所述光纤外侧具有第二折射率层6，所述第一折射率N1取值范围为N1＞1.45，第二折射率N2的取值范围为：1.3≤N2≤1.47。优选的，所述第二折射率N2的取值范围为1.33≤N2≤1.45。
所述第一折射率胶作为灌封胶，用于光纤与固定槽之间的固定。
所述光纤外侧的第二折射率层具体包括以下几种可选的实施例：
1)第二折射率层为光纤外侧涂覆的具有第二折射率的胶；
2)光纤本体具有第二折射率的包层；
3)光纤外侧的具有第二折射率的膜层。
以下结合附图对上述实施例进行说明：
如图1所示，所述光纤1固定于盖板2与基板3的固定槽4之间，所述光纤1外侧具有第二折射率层6，可选的，第二折射率层6为光纤包层外侧涂覆的具有第二折射率的胶。为了固定光纤、盖板与固定槽，在所述固定槽的前后端面灌入第一折射率胶。由于第一折射率胶相对于所述具有第二折射率层的胶具有较高的折射率，此处将第一折射率胶定义为高折射率胶，将具有第二折射率层的胶定义为低折射率胶。可选的，所述低折射率胶优选耐温＞200℃的光纤涂覆胶水，所述低折射率胶的折射率(即以低折射率胶为实施例的第二折射率)优选为1.33≤N2≤1.43，进一步的，低折射率胶的折射率优选取值为1.36 ≤N2≤1.4；进一步的，低折射率胶的折射率优选取值为1.36≤N2≤ 1.38；进一步的，低折射率胶的折射率优选取值为1.36≤N2≤1.37。
为了清楚的说明上述光纤、高折射率胶和低折射率胶的位置关系，如图2所示的光纤阵列模块侧视图，低折射率胶601均匀涂于光纤包层外侧，高折射率胶(即第一折射率胶5)填充于所述盖板2与光纤 1之间，以及具有固定槽的基板3与光纤1之间。由于光纤1周围有一层低折射率胶601，以保证光纤外包层残余激光不会泄露到高折射率胶中，降低了对激光功率的敏感性，提高了单路光纤可传输的激光功率，图2中箭头方向为激光在光纤内传播路径的示意。并且本方案仍采用高折射率胶作为灌封胶，也可以保证后续光纤端面研磨效果。
需要说明的是，由于侧视图的视角原因，图2未能体现出固定槽的形状。
优选的，所述低折射率胶601的厚度d为150um≤d≤400um，进一步的，厚度d的取值为200um≤d≤300um，进一步的，厚度d 的取值为230um≤d≤270um，因为低折射率胶过薄容易出现漏光而导致温度高，而低折射率胶过厚则导致灌封胶的减少，光纤研磨过程中无法固定牢靠，容易出现损伤或崩裂的问题。因此低折射率胶601 的涂敷厚度和均匀性对本实用新型光纤阵列模块的性能有着直接的影响。
可选的，所述光纤外侧的第二折射率层具体为光纤最外侧且具有第二折射率的包层。优选的，所述光纤为圆形截面，且具有至少两层包层，其最外层包层具有所述的第二折射率，所述第二折射率优选取值为1.4＜N1＜1.47，进一步的，所述第二折射率优选取值为1.42≤ N2≤1.46；进一步，所述第二折射率优选取值为1.43≤N2≤1.45。
需要说明的是，一般光纤结构自内向外依次包括纤芯，包层以及涂覆层，本领域中广义上也将涂覆层认为是包层，本实用新型所指的“最外层包层”为狭义上的光纤的包层结构，不包括涂覆层。
如图3所示的实施例，所述光纤1为双包层光纤，自内而外依次为：纤芯8，第一包层701，第二包层702，所述的第二包层具有所述的第二折射率。可选的，所述第二包层外侧还包括涂敷层9，所述涂覆层的折射率取值范围为1.3～1.4，具体的，涂覆层采用含氟丙烯酸酯材料。
可选的，所述第一包层为纯石英材料；第二包层为具有第二折射率的多组分玻璃材料。
所述光纤的包层直径分别为：第一包层701直径为 14um<D1<130um,第二包层702包层直径为50um<D2<250.um，涂敷层9直径为130um<D3<600..um，
优选的，第一包层701直径100um<D1<110um，第二层包层702 直径125um<D2<135um，涂敷层9直径240um<D3<250um。
需要说明的是，第二包层的厚度过薄容易出现激光漏光而导致灌封胶温度高，而第二包层的厚度过厚则导致灌封胶用量的减少，光纤研磨过程中无法固定牢靠，容易出现损伤或崩裂的问题。
可选的，所述光纤外侧的第二折射率层具体为具有第二折射率的膜层。所述光纤包括至少一层包层7，该光纤自内而外依次为：芯层 8，包层7以及具有第二折射率的膜层，所述具有第二折射率的膜层具体为多层介质膜。
以下为本实用新型所提出的一种光纤阵列模块的一种实施例，包括若干光纤1、盖板2以及设置有固定槽的基板3，所述若干光纤固定于盖板与固定槽之间，所述光纤与固定槽以及盖板之间填充有第一折射率胶以实现固定，所述光纤外侧具有高反射层，所述高反射层具体为镀于光纤包层外的高反射膜。
具体的，如图4所示，所述光纤包括至少一层包层7，该光纤自内而外依次为：芯层8，包层7以及高反射膜10，所述高反射膜包括金膜，或者银膜，或者铝膜，或者多层介质膜的一种或者多种。
在此种实施例中，所述光纤可采用常见的单包层+涂敷层的光纤，待涂覆层剥除后，将光纤放置于镀膜机内，旋转光纤保证光纤周围镀一层多层介质膜层或者高反射膜。由于镀膜为分子溅射至靶材上，而且镀膜机内部可实时监控膜层厚度，通常膜层厚度精度可以保证在 1nm以内，所以镀膜厚度完全可以保证光纤的位置精度在±2um以内。
具体的，如图1所示，所述基板上的固定槽为与光纤匹配的周期排布，固定槽的形状具体为V型槽、或圆形槽。
优选的，如图5所示，所述V型固定槽4之间设置有次级V型槽11，用于导入第一折射率胶，该实施例便于第一折射率胶导入，同时增加粘接力。可选的，所述次级V型槽11的V型夹角小于所述 V型固定槽4，相邻的V型固定槽4之间可以设置单个次级V型槽 11，也可以为多个并列排列的次级V型槽组。
可选的，所述盖板2为玻璃，具有固定槽4的基板3为硅材质。
优选的，所述盖板2上方设置有缓冲片12，用于平衡光纤上下两侧应力，具体的，所述缓冲片为硅片。
所述的光纤阵列模块还包括金属外壳13，用于容置包括有光纤、盖板以及设置有固定槽的基板的结合体。所属金属外壳优选热导率高及硬度较高的材料，具体为铬铜，不锈钢，黄铜等，以保证长期形变稳定性。
一种激光器，包含本实用新型提出的光纤阵列模块以及用于产生激光的光纤激光器，所述光纤激光器的光纤输出作为所述光纤阵列模块的输入。
以上所述，仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光纤阵列模块，包括若干光纤、盖板以及设置有固定槽的基板，所述若干光纤固定于盖板与固定槽之间，其特征在于，所述光纤与固定槽以及盖板之间填充有第一折射率胶以实现固定，所述光纤外侧具有第二折射率层或者高反射层，所述第一折射率N1取值范围为N1＞1.45，第二折射率N2的取值范围为1.3≤N2≤1.47。
2.根据权利要求1所述的光纤阵列模块，其特征在于，所述光纤外侧的第二折射率层具体为：光纤外侧涂覆的具有第二折射率的胶，和/或者为光纤本体具有第二折射率的包层，和/或者为光纤外侧的具有第二折射率的膜层。
3.根据权利要求2所述的光纤阵列模块，其特征在于，所述光纤包括至少两层包层，其最外层包层具有所述的第二折射率，所述第二折射率具体为1.4＜N2＜1.47。
4.根据权利要求3所述的光纤阵列模块，其特征在于，所述光纤自内而外依次为纤芯，第一包层，第二包层以及涂覆层，其直径分别取值为：第一包层直径D1的范围为14um≤D1≤130um,第二层包层直径D2范围为50um≤D2≤250um，涂覆层直径D3范围为130um≤D3≤600um。
5.根据权利要求2所述的光纤阵列模块，其特征在于：当所述光纤外侧具有第二折射率层时，所述具有第二折射率的膜层具体为多层介质膜；当所述光纤外侧具有高反射层时，所述高反射层具体为高反射膜,包括金膜，或者银膜，或者铝膜，或者多层介质膜的一种或者多种。
6.根据权利要求1-5之一所述的光纤阵列模块，其特征在于，所述基板上的固定槽为与光纤匹配的周期排布，固定槽的形状具体为V型槽、或圆形槽。
7.根据权利要求6所述的光纤阵列模块，其特征在于，所述V型固定槽之间设置有次级V型槽，用于导入第一折射率胶。
8.根据权利要求6所述的光纤阵列模块，其特征在于，所述盖板上方设置有硅片，用于平衡光纤上下两侧应力。
9.根据权利要求6所述的光纤阵列模块，其特征在于，还包括金属外壳，用于容置包括有光纤、盖板以及设置有固定槽的基板的结合体。
10.一种激光器，包含如权利要求1-9所述的光纤阵列模块，其特征在于：还包括用于产生激光的光纤激光器，光纤激光器的光纤输出作为所述光纤阵列模块的输入。
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