擴束光纖及其製作方法

2023-06-05 16:03:16 2

專利名稱：擴束光纖及其製作方法
技術領域：
本發明涉及雷射領域，尤其涉及一種高功率雷射用的擴束光纖及該擴束光纖的製作方法。
背景技術：
雷射器是利用受激輻射原理使光在某些受激發的物質中放大或振蕩發射的器件，而固體雷射器則是利用固體增益介質受激發的雷射器。作為一種典型的固體雷射器，全光纖結構的光纖雷射器以其結構簡單緊湊、體積小、工作穩定可靠、光束質量好、易於集成等優點，被認為是固體雷射技術實用化的最佳選擇。目前固體雷射器在雷射應用中佔有極其重要的地位，可用於材料加工、雷射測距、雷射光譜學、雷射醫療、雷射化工、雷射分離同位素及雷射核聚變等。而用於傳送雷射的光纖是以SiO2為基質材料拉成的玻璃實體纖維，傳統的光纖主要用於光纖通訊，其導光原理就是光的全反射機理。普通裸光纖一般由中心高折射率玻璃芯(芯徑一般為9-62.5 μ m)、中間低折射率娃玻璃包層(芯徑一般為125 μ m)和最外層的加強樹脂塗層組成，上述三層通常被稱為光纖纖芯、光纖包層以及塗覆層。隨著應用範圍的擴展，對雷射器的功率要求越來越高，尤其是在高功率雷射器中，光纖端面纖芯的功率密度很高，很容易造成端面損傷，因此對光纖端面的平整度和清潔度有很高的要求，增加光纖雷射器加工成本，且光纖對使用環境要求較高，同時使用壽命也存在隱患。公開號為CN102044828A的中國發明專利公開了一種「一種高功率光纖雷射器光纖端面結構」揭示了一種高功率 光纖雷射器的光纖頭，如圖1所示，光纖頭包括:毛細玻璃管11、纖芯12、無芯光纖13、光學棒14以及輸出腔鏡15，其中，纖芯12與無芯光纖13相接，纖芯12和無芯光纖13裝夾在毛細玻璃管11中，雷射從纖芯12和無芯光纖13相接面發散後進入光學棒，雷射再從光學棒輸出到輸出腔鏡14繼而輸出一個輸出端面的面積較大的雷射，即降低輸出端功率密度，能夠有效解決輸出端面熱損傷的問題。然而,上述光纖頭需要利用不同的光學棒和輸出腔鏡的組合才能輸出所需的光束，這樣不僅需要在雷射器內增加光學器件的空間，不利於簡化雷射器的結構，也不利於降低雷射腔內損耗，還不利於成本的控制，同時還不利於製作實際所需的不同類型輸出光束。

發明內容
本發明的第一目的是提供一種低損耗、結構簡單的一體化擴束光纖。本發明的第二目的是提供一種製作低損耗、結構簡單的一體化擴束光纖的方法。本發明的第三目的是提供一種輸出端面積較大且一體化的擴束光纖。本發明的第四目的是提供一種製作輸出端面積較大且一體化擴束光纖的方法。本發明的第五目的是提供一種方便製作且製作輸出端面積較大的一體化擴束光纖的方法。
為了實現本發明第一目的，本發明提供了一種擴束光纖，包括光纖本體，光纖本體包括光纖包層和光纖纖芯，其中，擴束光纖的端部具有擴束部，擴束部由光纖包層、光纖纖芯、與光纖纖芯端面對接的無芯光纖、包裹光纖包層、光纖纖芯及無芯光纖的玻璃棒熔融而成，且擴束部的端面經研磨形成擴束端面。由上述方案可見，通過研磨直接對一體化的玻璃棒端面加工成所需的不同擴束端面，如球面擴束端面、非球面擴束端面或者8°擴束端面等，從而直接輸出對應所需要的光束類型，例如準直光束、聚焦光束、發散光束，而無需增加光學棒、擴束鏡、準直透鏡等空間光學器件。尤其是作為雷射器輸出端時，甚至可直接將擴束端面製作成輸出腔鏡。這樣便大大簡化了光纖輸出端或光纖輸入端的結構，同時擴大了雷射輸出端的輸出面積，降低了輸出端功率密度，提高了光纖端面的功率耐受能力。更進一步的方案是，光纖本體具有與無芯光纖對接的第一端面，無芯光纖具有與光纖本體對接的第二端面，第一端面的面積與第二端面的面積相等。由上可見，通過熔接方式來接合光纖纖芯與無芯光纖，能夠避免斷纖、斜角、毛刺、裂痕等不良端面的產生，減少光損耗等問題的出現，同時達到固定光纖與無芯光纖相對位置的作用。為了實現本發明第二目的，本發明提供了一種擴束光纖製作方法，該方法為:在一玻璃棒內開設通孔，將光纖本體的一端經過剝除塗覆層後的光纖包層及光纖纖芯與一段長度小於通孔長度的無芯光纖進行熔接，接著將熔接後的光纖包層、光纖纖芯和無芯光纖插入通孔內，再將位於玻璃棒內的光纖包層、光纖纖芯、無芯光纖與玻璃棒熔化形成擴束部，最後將擴束部的端面研磨形成擴束端面。由上述方案 可見，採用傳統的研磨加工工序直接對玻璃棒和無芯光纖進行加工製作，可隨意加工出所需的輸出端面，繼而擴大了雷射輸出端的輸出面積，降低了輸出端功率密度，提高了光纖端面的功率耐受能力。更進一步的方案是，無芯光纖的徑向半徑與通孔的半徑相等。更進一步的方案是，光纖本體具有與無芯光纖對接的第一端面，無芯光纖具有與光纖本體對接的第二端面，且第一端面的面積與第二端面的面積相等
由上可見，光纖本體的一端經過剝塗覆層後的光纖包層及光纖纖芯再與無芯光纖熔接，之後插入與無芯光纖相同半徑的通孔中，能夠避免斷纖、斜角、毛刺、裂痕等不良端面的產生，且使得擴束光纖結構更加緊緻，不容易遭受損壞，減少光損耗。為了實現本發明第三目的，本發明提供了一種擴束光纖，包括光纖本體，光纖本體包括光纖包層和光纖纖芯，其中，擴束光纖的端部具有擴束部，擴束部由光纖包層、光纖纖芯、包裹光纖包層及光纖纖芯的玻璃棒熔融而成，玻璃棒的至少一部分包裹在光纖纖芯外，且擴束部的端面經研磨形成擴束端面。由上述方案可見,上述擴束光纖省略了無芯光纖，而米用的是將一段光纖的光纖包層去掉後直接被玻璃棒包裹，此方案結構簡單，一體化的光纖頭有利於通過光學加工製作出所需的擴束端面，同時擴大了雷射輸出端的輸出面積，降低了輸出端功率密度，提高了光纖端面的功率耐受能力。更進一步的方案是，被所述玻璃棒包裹的所述光纖纖芯的長度大於被所述石英玻璃棒包裹的所述光纖包層的長度。
由上可見，通過上述的特殊結構，使得光束在玻璃棒散射過程中更加充分，從而獲得的擴束效果更佳，降低了輸出端功率密度。為了實現本發明第四目的，本發明提供一種擴束光纖製作方法，該方法為:在一玻璃棒內開設具有不同半徑的同軸通孔，通孔包括具有第一半徑的第一段通孔與具有第二半徑的第二段通孔，第一半徑與一光纖本體的光纖纖芯半徑相等，第二半徑與光纖本體的半徑相等，再將光纖本體的端部去掉一段光纖包層後得到一段光纖纖芯，光纖纖芯的長度與第一段通孔的長度相等，接著將光纖纖芯和光纖包層插入通孔中，將位於玻璃棒內的光纖包層、光纖纖芯與玻璃棒熔化形成擴束部，最後將擴束部的端面研磨形成擴束端面。由上述方案可見，剝去光纖本體的光纖包層得到的光纖纖芯被玻璃棒包裹，通過這種方法獲得的這種簡單結構的擴束光纖，簡化了加工流程節約成本，同時一體化的擴束光纖方便於進行光學加工製作出所需的擴束端面，擴大了雷射輸出端的輸出面積，降低了輸出端功率密度，提高了光纖端面的功率耐受能力。更進一步的方案是，第一段通孔的長度大於第二段通孔的長度。由上可見，通過不同的通孔長度，光束在玻璃棒散射過程中更加充分，從而獲得的擴束效果更佳，使得光束在擴束端面的輸出面積增大，降低了輸出端功率密度。為了實現本發明第五目的，本發明提供一種擴束光纖製作方法，該方法為:在一玻璃棒內開設盲孔，將光纖本體的一端經過剝除塗覆層後的光纖包層及光纖纖芯插入盲孔中，將位於玻璃棒內的光纖包層、光纖纖芯與玻璃棒熔化形成擴束部，將擴束部的端面研磨形成擴束端面。由上述方案可見，利用現有成熟的研磨工藝可以實現對光纖端面的精密加工，製作出所需的擴束端面，研磨工藝相比於拉錐工藝具有更容易成型和更易於製作出各種所需的複雜擴束端面，且在玻璃棒開設的盲孔有利於方便與光纖本體熔接。



圖1是現有的光纖頭結構示意圖。圖2是本發明擴束光纖第一實施例熔接前的結構示意圖。圖3是本發明擴束光纖第一實施例的第一結構的光路不意圖。圖4是本發明擴束光纖第一實施例的第二結構的光路示意圖。圖5是本發明擴束光纖第一實施例的第三結構的光路示意圖。圖6是本發明擴束光纖第二實施例熔接前的結構示意圖。圖7是本發明擴束光纖第二實施例的第一結構的光路示意圖。圖8是本發明擴束光纖第二實施例的第二結構的光路示意圖。圖9是本發明擴束光纖第二實施例的第三結構的光路示意圖。圖10是本發明擴束光纖第三實施例熔接前的結構示意圖。圖11是本發明擴束光纖第三實施例的第一結構的光路示意圖。圖12是本發明擴束光纖第三實施例的第二結構的光路示意圖。圖13是本發明擴束光纖第三實施例的第三結構的光路示意圖。以下結合附圖及實施例對本發明作進一步說明。
具體實施例方式第一實施例:
參照圖2，圖2中所示的是本發明第一實施例中的擴束光纖熔接前的結構示意圖，在擴束光纖的端部具有擴束部，該擴束部由光纖本體23、無芯光纖22和玻璃棒21熔融而成，其中光纖本體23包括光纖包層24和光纖纖芯25。無芯光纖22與光纖本體23採用熔接方式進行相接，其中，光纖本體23具有與無芯光纖22相接的第一端面F1，無芯光纖22具有與光纖本體23相接的第二端面F2，第一端面Fl採用熔接方式與第二端面F2相接，且第一端面Fl的面積與第二端面F2的面積相等。光纖包層24、光纖纖芯25、與光纖纖芯25端面對接的無芯光纖22、包裹光纖包層24、光纖纖芯25及無芯光纖22的玻璃棒熔融而成擴束部，其中，如圖3所示，經過熔融後最後形成一體化的擴束光纖3，擴束光纖的擴束部34的端面經研磨、拋光及鍍膜等光學加工工序成平直擴束端面33。雷射通過光纖輸出後在擴束光纖3的擴束部34中發散傳輸，最終在如圖3所不成垂直光軸的平直擴束端面33輸出，在擴束端面33形成了光斑31，在擴束端面的光斑31相比於在擴束部34內的光斑32要大，從而降低了輸出端功率密度，提高了光纖端面的功率耐受能力。參照圖4，圖4中的擴束光纖4的端部具有擴束部44，擴束部44經過經研磨、拋光及鍍膜等光學加工工序後形成與徑向平面成8°夾角的擴束端面43，雷射通過光纖輸出後在擴束光纖4的擴束部44中發散傳輸，最終在如圖4所示的8°擴束端面43輸出，在擴束端面43形成了光斑41，在擴束端面的光斑41相比於在擴束部44內的光斑42要大，從而降低了輸出端功率密度，提高了光纖端面的功率耐受能力。參照圖5，圖5中的擴束光纖5的端部具有擴束部54，擴束部54經過經研磨、拋光及鍍膜等光學加工方式後·形成球面的擴束端面53,雷射通過光纖輸出後在擴束光纖5的擴束部54中發散傳輸，最終在如圖5所示的球面擴束端面53輸出，在擴束端面53形成了光斑51,在擴束端面的光斑51相比於在擴束部54內的光斑52要大,從而降低了輸出端功率密度，提高了光纖端面的功率耐受能力。上述的擴束光纖可以通過以下方法製造而成:
首先在一玻璃棒內開設一半徑與無芯光纖徑向半徑相等的通孔，接著將光纖本體的一端經過剝除塗覆層後的光纖包層及光纖纖芯與一段長度小於玻璃棒的通孔長度的無芯光纖進行熔接。再將熔接後的光纖包層、光纖纖芯和無芯光纖插入通孔內，將位於玻璃棒內的光纖包層、光纖纖芯、無芯光纖與玻璃棒熔化形成擴束部，最後將擴束部的端面通過研磨、拋光及鍍膜等光學加工工序加工形成擴束端面，擴束端面可以是上述的與光纖軸線垂直的平面或8°面或球面等不同形狀的端面。第二實施例:
參照圖6，圖6中所示的是本發明第二實施例中的擴束光纖熔接前的結構示意圖，該擴束光纖包括光纖本體62，光纖本體62包括光纖包層63和光纖纖芯64。其中，將光纖本體62的末端去掉一段光纖包層63後得到的裸露在外的光纖纖芯64,裸露的光纖纖芯64被玻璃棒61的一部分包裹著,且被玻璃棒61包裹的光纖纖芯64的長度LI大於被石英玻璃棒包裹的光纖包層63的長度L2。如圖7所示，擴束光纖7的端部為擴束部74，擴束部74是由上述圖6中的光纖包層63、光纖纖芯64、包裹光纖包層63及光纖纖芯64的玻璃棒61熔融而成，擴束光纖7的擴束部74的端面經研磨、拋光及鍍膜等光學加工工序形成平直的擴束端面73。雷射通過光纖輸出後在擴束光纖7的擴束部74中發散傳輸，最終在如圖7所不成垂直光軸的平直擴束端面73輸出，在擴束端面73形成了光斑71，在擴束端面的光斑71相比於在擴束部74內的光斑72要大，從而降低了輸出端功率密度，提高了光纖端面的功率耐受能力。參照圖8，圖8中的擴束光纖8的端部具有擴束部84，擴束部84經過經研磨、拋光及鍍膜等光學加工工序後形成與徑向成8°夾角的擴束端面83，雷射通過光纖輸出後在擴束光纖8的擴束部84中發散傳輸，最終在如圖8所示的8°擴束端面83輸出，在擴束端面83形成了光斑81，在擴束端面的光斑81相比於在擴束部84內的光斑82要大，從而降低了輸出端功率密度，提高了光纖端面的功率耐受能力。參照圖9，圖9中的擴束光纖9的端部具有擴束部94，擴束部94經過經研磨、拋光及鍍膜等光學加工工序後形成球面的擴束端面93，雷射通過光纖輸出後在擴束光纖9的擴束部94中發散傳輸，最終在如圖9所示的球面擴束端面93輸出，在擴束端面93形成了光斑91，在擴束端面的光斑91相比於在擴束部94內的光斑92要大，從而降低了輸出端功率密度，提高了光纖端面的功率耐受能力。下面說明上述的擴束光纖製作方法。首先將一玻璃棒內開設一個不同半徑的同軸通孔，因此該通孔包括具有第一半徑的第一段通孔及具有第二半徑的第二段通孔，第一段通孔的第一半徑與光纖纖芯半徑相等，第二段通孔的第二半徑與光纖的半徑相同，且第一段通孔的長度大於第二段通孔的長度。接著將光纖本體的末端去掉一段光纖包層後得到一段裸露的光纖纖芯，該段裸露的光纖纖芯的長度與具有第一段通孔的長度相等。然後，將該段裸露的光纖纖芯和光纖包層插入通孔中，將位於玻璃棒內的光纖包層、光纖纖芯與玻璃棒進行熔化形成擴束部，最後將擴束部的端面經過研磨、拋光及鍍膜等光學加工工序後形成擴束端面。第三實施例:
參照圖10，圖10中所示的是本發明第三實施例中的擴束光纖熔接前的結構示意圖，在擴束光纖的端部具有擴束部，該擴束部由光纖本體102和玻璃棒101熔融而成，其中光纖本體102包括光纖包層103和光纖纖芯104。光纖包層103、光纖纖芯104、包裹光纖包層103和光纖纖芯104的玻璃棒101熔融而成擴束部，其中，如圖11所示，經過熔融後最後形成一體化的擴束光纖16，擴束光纖16的擴束部164的端面經研磨、拋光及鍍膜等光學加工工序成平直擴束端面163。雷射通過光纖輸出後在擴束光纖16的擴束部164中發散傳輸，最終在如圖11所示成垂直光軸的平直擴束端面163輸出，在擴束端面163形成了光斑161，在擴束端面的光斑161相比於在擴束部164內的光斑162要大,從而降低了輸出端功率密度，提高了光纖端面的功率耐受能力。參照圖12， 圖12中的擴束光纖17的端部具有擴束部174，擴束部174經過經研磨、拋光及鍍膜等光學加工工序後形成與徑向平面成8°夾角的擴束端面173，雷射通過光纖輸出後在擴束光纖17的擴束部174中發散傳輸，最終在如圖12所示的8°擴束端面173輸出，在擴束端面173形成了光斑171，在擴束端面的光斑171相比於在擴束部174內的光斑172要大，從而降低了輸出端功率密度，提高了光纖端面的功率耐受能力。參照圖13，圖13中的擴束光纖18的端部具有擴束部184，擴束部184經過經研磨、拋光及鍍膜等光學加工方式後形成球面的擴束端面183,雷射通過光纖輸出後在擴束光纖18的擴束部184中發散傳輸，最終在如圖13所示的球面擴束端面183輸出，在擴束端面183形成了光斑181，在擴束端面的光斑181相比於在擴束部184內的光斑182要大，從而降低了輸出端功率密度，提高了光纖端面的功率耐受能力。上述的擴束光纖可以通過以下方法製造而成:
首先在一玻璃棒內開設一半徑與光纖本體的半徑相等的盲孔，接著將光纖本體的一端經過剝除塗覆層後的光纖包層及光纖纖芯插入該盲孔，。再將位於玻璃棒內的光纖包層、光纖纖芯與玻璃棒熔化形成擴束部，最後將擴束部的端面通過研磨、拋光及鍍膜等光學加工工序加工形成擴束端面，擴束端面可以是上述的與光纖軸線垂直的平面或8°面或球面等不同形狀的端面。

通過上述的實施例及其實施例的製作方法，採用了光學加工方式直接對擴束光纖端面製作所需的不同擴束端面，例如球面擴束端面、非球面擴束端面或者8°擴束端面等，從而直接輸出所需要的光束類型，例如準直光束、聚焦光束、發散光束等不同的光束，而無需增加光學棒、擴束鏡、準直透鏡等空間光學器件。尤其是作為雷射器輸出端時，甚至可直接將擴束端面製作成輸出腔鏡。這樣便大大簡化了光纖輸出端或光纖輸入端的結構。還利用不同的接合方式使得玻璃棒、光纖和無芯光纖接合，使得擴束光纖的擴束部具有一體化的結構，方便於對其進行光學加工，採用上述實施例的擴束光纖有效的擴大了雷射輸出端的輸出面積，降低了輸出端功率密度，提高了光纖端面的功率耐受能力。最後需要強調的是，本發明不限於上述實施方式，例如採用本結構的擴束光纖經過光學加工的擴束端面成其他曲面的擴束端面或者其他角度的端面，又例如光纖本體的光纖包層及光纖纖芯與一段長度大於或等於通孔長度的無芯光纖進行熔接，或者被玻璃棒包裹的光纖纖芯的長度小於或者等於被玻璃棒包裹的光纖包層的長度，這些都可以根據實際所需的光斑大小而調整擴束長度，從而達到本發明目的，上述的都是本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.擴束光纖，包括 光纖本體，所述光纖本體包括光纖包層和光纖纖芯； 其特徵在於: 所述擴束光纖的端部具有擴束部，所述擴束部由所述光纖包層、所述光纖纖芯、與所述光纖纖芯端面對接的無芯光纖、包裹所述光纖包層、所述光纖纖芯及所述無芯光纖的玻璃棒熔融而成，且所述擴束部的端面經研磨形成擴束端面。
2.根據權利要求1所述的擴束光纖，其特徵在於: 所述光纖本體具有與所述無芯光纖對接的第一端面，所述無芯光纖具有與所述光纖本體對接的第二端面，所述第一端面的面積與所述第二端面的面積相等。
3.擴束光纖製作方法，其特徵在於: 在一玻璃棒內開設通孔，將光纖本體的一端經過剝除塗覆層後的光纖包層及光纖纖芯與一段長度小於所述通孔長度的無芯光纖進行熔接； 將熔接後的所述光纖包層、所述光纖纖芯和所述無芯光纖插入所述通孔內，將位於所述玻璃棒內的所述光纖包層、所述光纖纖芯、所述無芯光纖與所述玻璃棒熔化形成擴束部，將所述擴束部的端面研磨形成擴束端面。
4.根據權利要求3所述的擴束光纖製作方法，其特徵在於: 所述無芯光纖的半徑與所述通孔的半徑相等。
5.根據權利要求3所述的擴束光纖製作方法,其特徵在於: 所述光纖本體具有與所述無芯光纖對接的第一端面，所述無芯光纖具有與所述光纖本體對接的第二端面，且所述第一端面的面積與所述第二端面的面積相等。
6.擴束光纖，包括 光纖本體，所述光纖本體包括光纖包層和光纖纖芯； 其特徵在於: 所述擴束光纖的端部具有擴束部，所述擴束部由所述光纖包層、所述光纖纖芯、包裹所述光纖包層及所述光纖纖芯的玻璃棒熔融而成，所述玻璃棒的至少一部分包裹在所述光纖纖芯外，且所述擴束部的端面經研磨形成擴束端面。
7.根據權利要求6所述的擴束光纖,其特徵在於: 被所述玻璃棒包裹的所述光纖纖芯的長度大於被所述玻璃棒包裹的所述光纖包層的長度。
8.擴束光纖製作方法，其特徵在於: 在一玻璃棒內開設具有不同半徑的同軸通孔，所述通孔包括具有第一半徑的第一段通孔與具有第二半徑的第二段通孔，所述第一半徑與一光纖本體的光纖纖芯半徑相等，所述第二半徑與所述光纖本體的半徑相等； 將所述光纖本體的端部去掉一段光纖包層後得到一段光纖纖芯，所述光纖纖芯的長度與所述第一段通孔的長度相等； 將所述光纖纖芯和所述光纖包層插入所述通孔中，將位於所述玻璃棒內的所述光纖包層、所述光纖纖芯與所述玻璃棒熔化形成擴束部，將所述擴束部的端面研磨形成擴束端面。
9.根據權利要求8所述的擴束光纖製作方法，其特徵在於: 所述第一段通 孔的長度大於所述第二段通孔的長度。
10.擴束光纖製作方法，其特徵在於: 在一玻璃棒內開設盲孔，將光纖本體的一端經過剝除塗覆層後的光纖包層及光纖纖芯插入所述盲孔中，將位於所述玻璃棒內的所述光纖包層、所述光纖纖芯與所述玻璃棒熔化形成擴束部，將所述擴束部的端面研 磨形成擴束端面。
全文摘要
本發明提供一種擴束光纖及其製作方法，該擴束光纖的端部具有擴束部，擴束部由光纖包層、光纖纖芯、與光纖纖芯端面對接的無芯光纖、包裹光纖包層、光纖纖芯及無芯光纖的玻璃棒熔融而成，且擴束部的端面經研磨形成擴束端面。該擴束光纖製作方法為在玻璃棒內開設通孔，將光纖本體的一端經過剝除塗覆層後的光纖包層及光纖纖芯與一段長度小於通孔長度的無芯光纖進行熔接，接著將熔接後的光纖包層、光纖纖芯和無芯光纖插入通孔內，再將位於玻璃棒內的光纖包層、光纖纖芯、無芯光纖與玻璃棒熔化形成擴束部，最後將擴束部的端面研磨形成擴束端面。本發明提供的一體化的擴束光纖有效地擴大了雷射輸出端面的輸出面積，降低了輸出端功率密度。
文檔編號G02B6/255GK103246011SQ201310184519
公開日2013年8月14日 申請日期2013年5月17日 優先權日2013年5月17日
發明者劉俠, 胡國絳, 雷和清, 傅謙, 初單萍, 馮向立, 王興龍 申請人:珠海瑞光科技有限公司