一種熔點(diǎn)拉錐型光纖功率合束器及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光纖激光器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種熔點(diǎn)拉錐型光纖功率合束器及其制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]光纖激光器是繼傳統(tǒng)固體激光器和氣體激光器后的新一代新型固體激光器，具有轉(zhuǎn)換效率高、光束質(zhì)量好、結(jié)構(gòu)緊湊、易散熱、工作穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)和國防領(lǐng)域。目前，IPG公司已經(jīng)報(bào)道了輸出功率達(dá)到1kW的單模光纖激光器。然而，受光纖非線性效應(yīng)及光學(xué)熱損傷等機(jī)制的限制，單根光纖激光器的輸出功率不可能無限提升。為了獲得更大的光纖激光輸出，對多個(gè)中等功率的光纖激光進(jìn)行合束是一種有效手段。對光纖激光的合成主要分為相干合成和非相干合成兩種方式。相干合成是采用相位控制技術(shù)，使得輸出各路激光在遠(yuǎn)場發(fā)生相干疊加，合成后的遠(yuǎn)場功率密度正比于激光器路數(shù)的平方，能夠?qū)崿F(xiàn)非常高的能量集中度。但是相干合成要求參與合成的各光束具有相同的光譜分布，同時(shí)還要求各光束之間具有確定的相位關(guān)系。對于相位控制的要求也非?？量蹋墉h(huán)境擾動(dòng)的影響很大，目前還很難用于實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中。事實(shí)上，由于相位噪聲的存在，各個(gè)激光器之間不能自發(fā)地實(shí)現(xiàn)相位鎖定；同時(shí)，由于光波長較短，實(shí)現(xiàn)光束的精確相位控制也很難實(shí)現(xiàn)。相比而言，非相干合成方案不需要進(jìn)行相位控制，對環(huán)境要求較小。非相干合成主要包括光譜合成、自適應(yīng)光學(xué)元件合成和熔融拉錐光纖耦合器合成等方案。相比于空間結(jié)構(gòu)的非相干光束合成方案，全光纖結(jié)構(gòu)的光纖合束器具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、使用靈活等優(yōu)點(diǎn)，能夠避免空間光路調(diào)節(jié)，其功率的提升僅受限于光纖合束器本身。應(yīng)用光纖合束器合束已經(jīng)成為大功率光纖激光輸出的有效選擇方案。但是傳統(tǒng)的光纖合束器一般采用多模單包層光纖將多個(gè)栗浦源耦合為一束輸出，用于提高輸出功率，但輸出光束質(zhì)量較差，不適合用于將多個(gè)光纖激光器合束輸出。一些新型的光纖功率合束器結(jié)構(gòu)，如中國專利信號(hào)光合束器及其制作方法(公開號(hào)CN 101866032A)，提出將多根輸出光纖通過高溫熔融拉錐合成一束并與輸出光纖熔接的方式制作信號(hào)光合束器，可以有效提升輸出功率，但輸出光束質(zhì)量較差。發(fā)明專利光纖功率合束器及其制備方法(公開號(hào)CN 102116902A)，提出將輸出的雙包層光纖內(nèi)包層腐蝕后再進(jìn)行熔融拉錐，可以有效提高纖芯占空比，但無法完全解決纖芯占空比不高的問題，且內(nèi)包層腐蝕操作麻煩，對光纖也有一定損傷。發(fā)明專利高光束質(zhì)量信號(hào)光光纖合束器及其制作方法(公開號(hào)CN 102778739A)，提出利用纖芯轉(zhuǎn)接部使多個(gè)光纖與輸出光纖熔接，實(shí)現(xiàn)信號(hào)光在熔接處的理論占空比達(dá)到I，提升輸出激光光束質(zhì)量，但發(fā)明中提到的纖芯轉(zhuǎn)接部在實(shí)驗(yàn)上還是需要采用到化學(xué)腐蝕或者加熱擴(kuò)芯等方式來實(shí)現(xiàn)，同樣存在前文提到的一些問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是:基于傳統(tǒng)熔融拉錐光纖束制作的光纖合束器無法實(shí)現(xiàn)高的纖芯占空比，從而使得輸出信號(hào)光光束質(zhì)量變差。為此，本發(fā)明提出一種全新結(jié)構(gòu)的熔點(diǎn)拉錐型光纖功率合束器及其制作方法。
[0004]—種恪點(diǎn)拉錐型光纖功率合束器，其特征在于:由輸入信號(hào)光纖100、恪融光纖束110、拉錐過渡區(qū)光纖束120、拉錐均勻區(qū)130、熔接點(diǎn)140、拉錐均勻區(qū)輸出光纖220、拉錐過渡區(qū)輸出光纖210和輸出雙包層光纖200組成。
[0005]優(yōu)選的，所述輸入信號(hào)光纖和輸出雙包層光纖的包層折射率相等。
[0006]優(yōu)選的，所述輸入信號(hào)光纖的光纖信號(hào)激光，是單包層光纖的纖芯激光、雙包層光纖的纖芯信號(hào)激光、嚴(yán)格的單模激光、接近單模運(yùn)轉(zhuǎn)的少模激光中的任一種激光。
[0007]優(yōu)選的，在用于非相干合束時(shí)，輸出雙包層光纖纖芯支持的光纖模式數(shù)目不小于單根輸入信號(hào)光纖纖芯模式數(shù)和輸入光纖數(shù)的乘積。
[0008]優(yōu)選的，在用于相干合成時(shí)，輸出雙包層光纖的數(shù)目不小于單根輸入信號(hào)光纖纖芯模式數(shù)。
[0009]優(yōu)選的，所述熔融光纖束110、拉錐過渡區(qū)光纖束120、拉錐均勻區(qū)130、熔接點(diǎn)140、拉錐均勻區(qū)輸出光纖220、拉錐過渡區(qū)輸出光纖210包裹在一層低折射率玻璃管300中。
[0010]—種熔點(diǎn)拉錐型光纖功率合束器的制造方法，其特征在于，制作過程包括:
[0011]第一步，將所有用于輸入的信號(hào)光纖去除一段涂覆層，并對處理后的包層進(jìn)行徹底清潔；
[0012]第二步，將輸入信號(hào)光纖進(jìn)行緊密排列，形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的組束形狀，然后將組束光纖兩端分別插入夾具中，并使組束光纖之間存在一定的作用力；
[0013]第三步，將夾具放置到拉錐機(jī)拉伸臺(tái)上，施加一定拉力拉直光纖束，然后加熱信號(hào)光纖束達(dá)到熔融狀態(tài)并施加一定的拉力，使得各個(gè)信號(hào)光纖相互融合形成規(guī)則的圓形結(jié)構(gòu)，同時(shí)直徑逐漸減小，拉錐到與輸出光纖包層直徑相等或者略小時(shí)停止；
[0014]第四步，測量拉錐后的信號(hào)光纖束的直徑和形狀，在直徑等于輸出光纖包層直徑的位置處進(jìn)行切割，同時(shí)對輸出雙包層光纖進(jìn)行去除涂覆層、清潔和切割處理，然后將二者用熔接機(jī)進(jìn)行熔接；
[0015]第五步，將熔接完成后的輸入輸出光纖重新放置到拉錐機(jī)拉伸臺(tái)上，對熔接點(diǎn)附近區(qū)域進(jìn)行二次拉錐，拉錐使得輸入光纖束和輸出光纖的所有纖芯模式都截止，光纖中只有包層模式進(jìn)行傳輸時(shí)停止。
[0016]優(yōu)選的，在所述的第二步中，通過施加扭轉(zhuǎn)方式使得組束光纖之間存在一定的作用力。
[0017]—種熔點(diǎn)拉錐型光纖功率合束器的制造方法，其特征在于，采用低折射率玻璃管進(jìn)行信號(hào)光纖組束拉錐，制作過程包括:
[0018]第一步，分別對兩根完全相同低折射率玻璃管進(jìn)行拉錐，使得第一根玻璃管錐腰區(qū)域的內(nèi)徑與所要采用的所有信號(hào)光纖緊密排列時(shí)的外徑相一致，第二根玻璃管錐腰區(qū)域的內(nèi)徑與輸出光纖包層直徑相一致；
[0019]第二步，將所有用于輸入的信號(hào)光纖去除一段涂覆層，并對處理后的包層進(jìn)行徹底清潔，然后將所有輸入信號(hào)光纖插入第一根拉錐后的低折射率玻璃管，使得光纖在玻璃管內(nèi)緊密排列；
[0020]第三步，將玻璃管連同玻璃管內(nèi)的光纖束放置到拉錐機(jī)拉伸臺(tái)上，加熱玻璃管及光纖束達(dá)到熔融狀態(tài)并施加一定的拉力，使得各個(gè)信號(hào)光纖相互融合形成規(guī)則的圓形結(jié)構(gòu)，同時(shí)直徑逐漸減小，拉錐到包層直徑比輸出光纖包層直徑略小時(shí)停止，在錐腰位置處將玻璃管連同光纖束進(jìn)行切割；
[0021]第四步，對輸出雙包層光纖進(jìn)行去除涂覆層、清潔和切割處理，然后將其插入第二根拉錐后的玻璃管中，放置到拉錐機(jī)上進(jìn)行拉錐，拉錐到包層直徑與輸入光纖包層直徑相等時(shí)停止，在錐腰位置處將玻璃管連同光纖進(jìn)行切割；
[0022]第五步，將切割好的輸入光纖束和輸出光纖用光纖熔接機(jī)進(jìn)行熔接，然后將熔接完成后的輸入輸出光纖重新放置到拉錐機(jī)拉伸臺(tái)上，對熔接點(diǎn)附近區(qū)域進(jìn)行二次拉錐，拉錐使得輸入光纖束和輸出光纖的所有纖芯模式都截止，光纖中只有包層模式進(jìn)行傳輸時(shí)停止。
[0023]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:通過再次拉錐熔錐光纖束和輸出光纖的熔接點(diǎn)，可以巧妙實(shí)現(xiàn)兩個(gè)目的，一是使得光纖束的纖芯尺寸進(jìn)一步減小，多芯超模截止而激發(fā)低階包層模式，二是將耦合進(jìn)輸出光纖包層的包層模式激光逐漸耦合回纖芯中。通過包層模式的過渡形式，實(shí)現(xiàn)在輸出光纖中高亮度信號(hào)光輸出。本發(fā)明在保證耦合效率和實(shí)現(xiàn)大功率輸出的同時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)高亮度的信號(hào)激光合束，對于高功率激光有著重要意義。
【附圖說明】
[0024]圖1為本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖2為本發(fā)明信號(hào)光纖束的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖3為本發(fā)明熔接點(diǎn)和輸出光纖的橫截面示意圖；
[0027]圖4為本發(fā)明制作基于熔接點(diǎn)拉錐法的全光纖高亮度信號(hào)光光纖合束器的總體流程圖；
[0028]圖5為采用低折射率玻璃管實(shí)施本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖6為采用低折射率玻璃管實(shí)施本發(fā)明的信號(hào)光纖束和輸出光纖橫截面示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030]圖1為本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)示意圖:整個(gè)合束器結(jié)構(gòu)由輸入光纖100、熔融光纖束110、拉錐過渡區(qū)光纖束120、拉錐均勻區(qū)130、熔接點(diǎn)140、拉錐均勻區(qū)輸出光纖220、拉錐過渡區(qū)輸出光纖210和輸出光纖200組成。其中拉錐過渡區(qū)光纖束120的長度SL1，拉錐均勻區(qū)輸入光纖130和輸出光纖220的長度為L，拉錐過渡區(qū)輸出光纖的長度SL2，在拉錐過程中通過控制LI和L2的長度來實(shí)現(xiàn)絕熱拉錐。輸入光纖100的包層和輸出光纖200的包層折射率相等。另外，輸入光纖涂覆層103和輸出光纖涂覆層203在合束器制作過程中都需要去除。絕熱拉錐的長度要求可參考中國專利:實(shí)現(xiàn)LPOl模場直徑低損耗變換的光纖模場適配器(公開號(hào) CN 102866462A)以及文獻(xiàn)[l]J.D.Love ,W.M.Henry，W.J.Stewart，R.J.Black,
S.Lacroix,F.Gonthier,Tapered single-mode fibres and devices.1.Adiabaticitycriteria, IEE PROCEEDINGS，138( 1991) 12.文獻(xiàn)[2]T.A.Birks，Y.W.Li，The shape offiber tapers,J.Lightwave Technol.，10(1992)432-438.
[0031]圖2為本發(fā)明信號(hào)光纖束的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖。在輸入信號(hào)光纖組束的位置上，信號(hào)光纖緊密排列，各自的纖芯和包層分別為101和102，此時(shí)信號(hào)激光104在每根信號(hào)光纖中獨(dú)立傳輸。通過加熱達(dá)到熔融狀態(tài)，輸入信號(hào)光纖束將逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐?guī)則的圓形包層，形成類似多芯光纖結(jié)構(gòu)，其纖芯和包層分別為111和112，此時(shí)信號(hào)激光114仍然在每根信號(hào)光纖中獨(dú)立傳輸。隨著拉錐比例的進(jìn)一步增大，纖芯112和包層122的直徑將等比例減小，由于相互耦合作用的增強(qiáng)，形成多芯光纖結(jié)構(gòu)，信號(hào)激光124在各個(gè)纖芯之間耦合傳輸。在拉錐均勻區(qū)，多芯光纖的纖芯131由于纖芯模式截止效應(yīng)而失去波導(dǎo)作用，信號(hào)激光134將在多芯光纖的包層132和空氣形成的波導(dǎo)里傳輸。
[0032]圖3為本發(fā)明熔接點(diǎn)和輸出光纖的橫截面示意圖。在熔接點(diǎn)處同時(shí)存在輸入信號(hào)光纖束纖芯141和輸出光纖纖芯145，并且都由于纖芯模式截止效應(yīng)而失去波導(dǎo)作用，信號(hào)激光144約束在包層142中傳輸。在輸出光纖的拉錐均勻區(qū)，輸出光纖纖芯221仍然不具有波導(dǎo)作用，信號(hào)激光224約束在包層2