CN109031527B - 一种高功率光纤端帽及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供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，本发明使激光先经无芯光纤后，能量发生扩展，在其输出端面与石英棒连接处光功率密度下降，通过选择合适的无芯光纤长度，可使激光从无芯光纤输出时，其输出光斑足够大，从而有效降低输出面上的光功率密度，同时，能量不会从无芯光纤侧面输出，避免能量的损失。
Description
技术领域
本发明涉及光纤激光器及激光传输系统，尤其涉及一种高功率光纤端帽及其制造方法。
背景技术
近几年来，大功率光纤激光器是激光领域关注的焦点，因其具有较大的光功率密度、较好的光束质量、使用简单等特点，广泛应用于工业加工、武器装备和医疗器械等方面。高功率激光器配备高功率传能光缆，通过传能光缆可以使激光变得更加灵活、可控，实现柔性化三维加工；同时其传输光束质量优、光功率密度大。由于高功率光纤激光器中采用的光纤通常是大模场面积的双包层光纤，纤芯直径仅为10μm-30μm，纤芯中光的功率密度很高，任何细小的端面污染和加工缺陷，都可能使得其局部电场加强，进而引起光纤端面的损伤。
在大功率光纤激光器和放大器中，光纤端面的处理设计是光纤激光器应用中必须要克服的一个问题。一种有效解决的方法是在光纤端面上熔接大直径的石英端帽。光纤端帽就是实现光纤端面保护的高功率光纤无源器件，通过对输出光纤的扩束降低输出端的光功率密度，从而保护光纤端面不受损坏。因此，研究光纤端帽的关键制作工艺，实现可承受高功率光纤端帽的制作对于光纤激光器和放大器的应用具有重要意义。
端帽是无纤芯、无涂覆层、不掺杂的纯熔融石英棒，按照可承受的功率不同，端帽可分为两种：1.无芯光纤端帽：端帽直径等于双包层光纤的内包层直径，这种端帽一般可承载数百瓦的功率。2.玻璃棒光纤端帽：端帽直径为双包层光纤内包层直径的数十倍，端帽的大直径端面可更好的降低激光功率密度，这种端帽可承载数千瓦以上的高功率。
高功率光纤激光端帽通常是将光纤与直径较大的石英锥棒熔接组成，然而，石英锥棒与光纤的尺寸差异较大，导致熔接时温度控制的困难，因而，熔接质量难以保证。同时，单模光纤的纤芯面积小，其输出面上的光功率密度大，极容易因为熔接点的微小缺陷而产生强的温升，进而导致端帽的损坏。采用锥形石英棒，将光纤与锥形石英棒的细端熔接的方法，可以在一定程度上解决这个问题，但因石英棒的细端直径仍远大于光纤直径，因此，仍然存在熔接困难、熔接点光功率密度高等缺点。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种高功率光纤端帽及其制造方法，通过扩展激光从光纤输出端面面积，减小输出光功率密度，降低光纤端帽制备难度，提高其可承受激光功率。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种高功率光纤端帽，包括同轴设置的双包层光纤、无芯光纤和石英棒，所述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，所述圆台段的一端面的直径与第一圆柱段的直径D1相同，所述圆台段的另一端面的直径与第二圆柱段的直径D2相同，所述第一圆柱段的直径D1小于第二圆柱段的直径D2，所述双包层光纤与无芯光纤的一端熔接，所述无芯光纤的另一端与第一圆柱段的一端熔接，所述无芯光纤的包层直径Dd大于或等于所述双包层光纤的包层直径Ds，所述无芯光纤的包层直径Dd小于或等于所述第一圆柱段的直径D1。
优选地，所述无芯光纤的长度L满足：
L＝(aDd-Dcore)/(2tanβ)，
其中，a＝0.46～0.62，Dcore为双包层光纤的纤芯直径，传播常数
n1，n2分别为双包层光纤的纤芯与包层折射率。
优选地，所述第一圆柱段的长度L1满足：
L1＝(bD1-aDd)/(2tanβ)，
其中，b＝0.51～0.66。
优选地，所述第一圆柱段的直径D1满足：
D1＜2.5Dd，D1＜2mm。
优选地，所述第二圆柱段的直径D2满足：
3.5Dp＜D2＜7Dp，D2＜15mm，
其中，Dp为输出光斑直径。
优选地，所述圆台段的圆锥角α大于或等于45°。
优选地，所述无芯光纤与所述双包层光纤熔接的两个端面均为倾斜端面，两个所述倾斜端面相互平行。
优选地，两个所述倾斜端面与轴线的垂线的夹角为倾角θ，所述倾角θ满足：9.5°＞θ＞4.5°，Ddtanθ＜110μm。
一种高功率光纤端帽的制作方法，所述光纤端帽包括同轴设置的双包层光纤、无芯光纤和石英棒，所述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，所述制作方法具体包括以下步骤：
S1：将双包层光纤和无芯光纤上的两个待熔接的端面分别剥去涂层，清洁表面，并将两个待熔接端面切割整齐，在无芯光纤上距离待熔接端面15-30mm处标记；
S2：分别对双包层光纤和无芯光纤上的两个待熔接端面进行研磨，使两个待熔接端面形成倾角θ；
S3：将两个待熔接端面进行熔接，熔接时，双包层光纤和无芯光纤上的两个待熔接端面保持平行且端面中心对齐；
S4：根据标记位置，确定需要切除的无芯光纤长度，保留的无芯光纤的长度L满足：L＝(aDd-Dcore)/(2tanβ)，其中，a＝0.46～0.62，Dcore为双包层光纤的纤芯直径，传播常数
n1，n2分别为双包层光纤的纤芯与包层折射率，Dd为无芯光纤的包层直径；
S5：将无芯光纤的另一端与第一圆柱段的一端进行熔接。
优选地，所述步骤S3中将两个待熔接端面进行熔接时，采用CO2激光做为热源。
本发明的有益效果：
1)本发明使激光先经无芯光纤后，能量发生扩展，在其输出端面与石英棒连接处光功率密度下降，通过选择合适的无芯光纤长度，即可使激光从无芯光纤输出时，其输出光斑足够大，从而有效降低输出面上的光功率密度，同时，又不会有能量从无芯光纤侧面输出，避免其能量的损失。
2)本发明无芯光纤的直径可以比双包层光纤的直径更大，从而有利于与石英棒之间的熔接，由于石英端帽接头处为第一圆柱段，且直径较小，因而，更容易与无芯光纤低损耗、高质量熔接。
3)本发明双包层光纤与无芯光纤熔接时，两个待熔接端面均带有倾角，可以减少在双包层光纤与无芯光纤两个连接端面上的光反射，防止损坏传输光纤及激光器。
附图说明
图1为本发明所述一种高功率光纤端帽的结构示意图。
图2为激光在本发明所述光纤端帽中的传输模场图，其中：(a)为在无芯光纤端面；(b)为在无芯光纤中传输2mm。
图3为本发明无芯光纤与所述双包层光纤熔接的两个端面的示意图。
图中：
1.双包层光纤，2.无芯光纤，3.第一圆柱段，4.圆台段，5.第二圆柱段。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1所示，本发明所述的一种高功率光纤端帽，包括同轴设置的双包层光纤1、无芯光纤2和石英棒，所述石英棒包括依次同轴连接的第一圆柱段3、圆台段4和第二圆柱段5，所述圆台段4的一端面的直径与第一圆柱段3的直径D1相同，所述圆台段4的另一端面的直径与第二圆柱段5的直径D2相同，所述第一圆柱段3的直径D1小于第二圆柱段5的直径D2，所述双包层光纤1与无芯光纤2的一端熔接，所述无芯光纤2的另一端与第一圆柱段3的一端熔接，所述无芯光纤2的包层直径Dd大于或等于所述双包层光纤1的直径Ds，所述无芯光纤2的包层直径Dd小于或等于所述第一圆柱段3的直径D1。
双包层光纤1中输出的激光进入到无芯光纤2，从而能量发生扩展。激光进入无芯光纤2后的能量扩展情况如图2所示。由图2可见，激光进入无芯光纤2后，能量发生扩展，虽然其模场面积小于无芯光纤2的横截面面积，但其能量扩展面积远大于模场面积，为减少激光扩展至无芯光纤2的侧面后发生能量损失，要求无芯光纤2的长度L满足L＝(aDd-Dcore)/(2tanβ)，其中，a＝0.46～0.62，这里Dd为无芯光纤2的直径，Dcore为双包层光纤的纤芯直径，传播常数
n1，n2分别为双包层光纤1的纤芯和包层折射率。即要求无芯光纤2既具有足够的长度以实现激光能量的扩展，减小其在无芯光纤2的输出端面上的光功率密度，同时，其能量场又不会过大而导致能量损失。
石英棒输入端为第一圆柱段3，其直径较小，以保证其能够与无芯光纤2低损耗匹配熔接。为符合此要求，第一圆柱段3的直径D1满足D1＜2.5Dd，且有D1＜2mm，第二圆柱段5的直径D2不超过15mm，且有3.5Dp＜D2＜7Dp。这里Dp为石英棒输出光斑直径。同时，第一圆柱段3的长度也不可过长或过短，以保证激光能量的扩展和减少能量损失。第一圆柱段3长度L1满足L1＝(bD1-aDd)/(2tanβ)，其中，b＝0.51～0.66，圆台段4的圆锥角α大于或等于45°。
如图3所示，无芯光纤2与所述双包层光纤1熔接的两个端面均为倾斜端面，两个所述倾斜端面相互平行，两个所述倾斜端面与轴线的垂线的夹角为倾角θ，所述倾角θ满足：9.5°＞θ＞4.5°，Ddtanθ＜110μm。倾角范围为考虑端面反射与加热面积以及熔接效果的综合结果。
本实施例中双包层光纤1为100/360光纤，即纤芯直径为100μm，包层直径为360μm。无芯光纤2的直径为440μm，长度为2.5mm；第一圆柱段3的直径为1.0mm，长度为5.1mm。圆台段4的圆锥角a＝45°，第二圆柱段5的直径为D2＝10mm。
本发明所述的一种高功率光纤端帽的制作方法，具体包括以下步骤：
S1：将双包层光纤1和无芯光纤2上的两个待熔接的端面分别剥去涂层，清洁表面，并将两个待熔接端面切割整齐，在无芯光纤2上距离待熔接端面15-30mm处标记；
S2：分别对双包层光纤1和无芯光纤2上的两个待熔接端面进行研磨，使两个待熔接端面形成倾角θ，且满足：9.5°＞θ＞4.5°，Ddtanθ＜110μm；
S3：将两个待熔接端面进行熔接，熔接时，双包层光纤1和无芯光纤2上的两个待熔接端面保持平行且端面中心对齐；
S4：根据标记位置，确定需要切除的无芯光纤2长度，保留的无芯光纤2的长度L满足：L＝(aDd-Dcore)/(2tanβ)，其中，a＝0.46～0.62，Dcore为双包层光纤1的纤芯直径，传播常数
n1，n2分别为双包层光纤1的纤芯与包层折射率，Dd为无芯光纤2包层的直径；
S5：将无芯光纤2的另一端与第一圆柱段3的一端进行熔接。
本发明使无芯光纤2与所述双包层光纤1熔接的两个端面均为倾斜端面的原因是：双包层光纤1的纤芯通常由掺杂介质组成，其折射率高于纯石英，而无芯光纤2由纯石英制作组成，因而，激光从双包层光纤1进入无芯光纤2时，将在端面发生反射，对于高功率激光，其少量的反射即可能引起双包层光纤1的损伤以至激光器的损伤，为此，本发明提出制作带倾角的光纤端面。对于这种端面的熔接，由于其需要加热的区域范围大，不能采用常规的光纤熔接机，可以采用加热范围宽的激光热源如CO2激光做为热源，其倾角θ需要综合考虑激光在双包层光纤1和无芯光纤2的端面的反射和端面纵向尺寸过大时熔接的困难。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种高功率光纤端帽，其特征在于，包括同轴设置的双包层光纤(1)、无芯光纤(2)和石英棒，所述石英棒包括依次同轴连接的第一圆柱段(3)、圆台段(4)和第二圆柱段(5)，所述圆台段(4)的一端面的直径与第一圆柱段(3)的直径D1相同，所述圆台段(4)的另一端面的直径与第二圆柱段(5)的直径D2相同，所述第一圆柱段(3)的直径D1小于第二圆柱段(5)的直径D2，所述双包层光纤(1)与无芯光纤(2)的一端熔接，所述无芯光纤(2)的另一端与第一圆柱段(3)的一端熔接，所述无芯光纤(2)的包层直径Dd大于或等于所述双包层光纤(1)的包层直径Ds，所述无芯光纤(2)的包层直径Dd小于或等于所述第一圆柱段(3)的直径D1；
所述无芯光纤(2)的长度L满足：
L＝(Dm-Dcore)/(2tanβ)，
其中，0.62Dd＞Dm＞0.46Dd，Dcore为双包层光纤(1)的纤芯直径，传播常数
n1，n2分别为双包层光纤的纤芯与包层折射率。
2.根据权利要求1所述的高功率光纤端帽，其特征在于，所述第一圆柱段(3)的长度L1满足：
L1＝(Dr-Dm)/(2tanβ)，
其中，0.66D1＞Dr＞0.51D1。
3.根据权利要求1所述的高功率光纤端帽，其特征在于，所述第一圆柱段(3)的直径D1满足：
D1＜2.5Dd，D1＜2mm。
4.根据权利要求1所述的高功率光纤端帽，其特征在于，所述第二圆柱段(5)的直径D2满足：
3.5Dp＜D2＜7Dp，D2＜15mm，
其中，Dp为石英棒输出光斑直径。
5.根据权利要求1所述的高功率光纤端帽，其特征在于，所述圆台段(4)的圆锥角α大于或等于45°。
6.根据权利要求1所述的高功率光纤端帽，其特征在于，所述无芯光纤(2)与所述双包层光纤(1)熔接的两个端面均为倾斜端面，两个所述倾斜端面相互平行。
7.根据权利要求6所述的高功率光纤端帽，其特征在于，两个所述倾斜端面与轴线的垂线的夹角为倾角θ，所述倾角θ满足：9.5°＞θ＞4.5°，Ddtanθ＜110μm。
8.一种高功率光纤端帽的制作方法，其特征在于，所述光纤端帽包括同轴设置的双包层光纤(1)、无芯光纤(2)和石英棒，所述石英棒包括依次同轴连接的第一圆柱段(3)、圆台段(4)和第二圆柱段(5)，所述制作方法具体包括以下步骤：
S1：将双包层光纤(1)和无芯光纤(2)上的两个待熔接的端面分别剥去涂层，清洁表面，并将两个待熔接端面切割整齐，在无芯光纤(2)上距离待熔接端面15-30mm处标记；
S2：分别对双包层光纤(1)和无芯光纤(2)上的两个待熔接端面进行研磨，使两个待熔接端面形成倾角θ；
S3：将两个待熔接端面进行熔接，熔接时，双包层光纤(1)和无芯光纤(2)上的两个待熔接端面保持平行且端面中心对齐；
S4：根据标记位置，确定需要切除的无芯光纤(2)长度，保留的无芯光纤(2)的长度L满足：L＝(Dm-Dcore)/(2tanβ)，其中，0.62Dd＞Dm＞0.46Dd，Dcore为双包层光纤(1)的纤芯直径，传播常数
n1，n2分别为双包层光纤的纤芯与包层折射率，Dd为无芯光纤(2)的直径；
S5：将无芯光纤(2)的另一端与第一圆柱段(3)的一端进行熔接。
9.根据权利要求 8所述的高功率光纤端帽的制作方法，其特征在于，所述步骤S3中将两个待熔接端面进行熔接时，采用CO2激光做为热源。
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