一種傳輸高功率雷射的光纖端部結構的製作方法

2023-06-12 21:47:56

專利名稱：一種傳輸高功率雷射的光纖端部結構的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種光纖端部結構，尤其涉及一種傳輸高功率雷射的光纖端部結 構。
背景技術：
光纖的結構通常由一個截面為圓形的纖芯和包裹纖芯的光學包層，以及起保護作 用和增加機械強度的外包層組成。由於纖芯的折射率比光學包層的折射率高，進入纖芯的 光在纖芯與光學包層間發生全內反射，實現低損耗傳輸。外包層材料的選擇側重其保護功 能，如隔離水氣、增加機械強度等。高功率雷射光纖傳輸系統廣泛應用於雷射材料加工和醫 療等領域，將高功率雷射傳輸到工件上進行熱處理、切割和焊接等。理想情形，雷射束應聚焦在傳輸光纖輸入端芯徑內。實際上，由於多種因素，常常 有一部分雷射束不能耦合進入光纖纖芯內。這些因素可能是在光纖的輸入端面上雷射聚 焦光斑比光纖芯徑大；雷射聚焦光斑與光纖芯徑軸向或橫向錯位；聚焦光斑的發散角比光 纖的數值孔徑大；聚焦光束的入射方向與光纖的軸線偏離等。對高功率雷射而言，這部分未 耦合進入纖芯的雷射強度足以導致光纖傳輸系統的壞損。例如，用於固定光纖的粘接劑或 膠吸收雷射，導致粘接劑軟化，再導致光纖位置偏離，進一步惡化造成更多的雷射不能耦合 進入光纖纖芯。粘接劑、外包層等有機材料吸收雷射，導致發熱產生有機氣體，加劇材料的 老化，汙染光纖端面，縮短材料的使用壽命，嚴重時發生過熱燃燒。對光纖輸出端，通常用光學系統如透鏡組將光纖輸出端面成像在工件表面上。高 能雷射和材料相互作用時會產生高能輻射，該輻射經光學系統聚焦成像在光纖輸出端附 近，一部分輻射耦合進入光纖纖芯。工件表面對雷射也有不同程度的反射，反射光一部分進 入光纖纖芯。通常將工件表面傾斜使反射光儘可能地偏離光學系統，或將工件表面塗黑降 低反射率。同樣地，在高功率雷射應用中，在光纖輸出端附近未耦合進入光纖纖芯的反射光 和衍生輻射足以對光纖傳輸系統構成損壞。迄今，有多種方法和裝置用來降低有害光進入光纖傳輸系統。美國專利US4575181介紹了運用毛化光纖光學包層的外表面降低光纖光學包層 內的有害光對光纖傳輸系統的損害。將光纖輸入端的外包層剝落後，對光纖光學包層的外 表面進行毛化或粗糙處理。這樣，進入光纖光學包層的光在毛化的外表面通過散射逃逸出 來，進入外圍的吸收體或熱沉。為了充分降低有害光，光纖的毛化段會很長，使得結構不緊 湊；其次，毛化過程所形成的微小裂紋會導致光纖斷裂，降低使用壽命。美國專利US4678273公開了一種避免高功率雷射進入光纖外包層的方法。將光纖 輸入端的外包層剝落，用折射率大於或至少等於光纖光學包層的折射率的熱阻材料或透光 材料包裹在光纖的光學包層外，使光學包層內的光逃逸出來，進入外圍的吸收體或熱沉。該 方法要求很長的引導光路，結構不緊湊；其次，該方法就近將光轉換成熱，要求結構具備足 夠的散熱能力，同樣導致體積大。美國專利US4737011介紹了一個套管，該套管有一個比光纖(含光學包層)稍大的內孔用於支承光纖。套管具有透射、反射和散射結構。落在光纖附件的高功率雷射進入該 套管，經透射、反射或散射，避免了進入光纖傳輸系統。但是，該套管對進入光纖光學包層的 光沒有疏導和削減作用。美國專利US5619602介紹了一種熔接在光纖端部的石英棒。石英棒引導落在光纖 外的光進入錐形反射體，由反射體反射到吸收體和熱沉上，避免未耦合進入光纖的光進入 光纖傳輸系統。在石英棒和反射體間設置一玻璃套管，其內孔壁與光纖的光學包層接觸，引 導進入光纖光學包層的光逃逸出光纖光學包層。該方法原理上是可行的，但實際操作上難 以實現，達不到設計的效果。美國專利US6^2349公開了一種利用熔結光纖輸入端和套管，避免使用粘接劑來 固定光纖的方法。將光纖的外包層除去預定的長度，插入石英套管內指定的位置，利用ω2 雷射熔結套管和光纖。該結構消除了使用粘接劑來固定光纖，避免粘接劑因吸收未耦合進 入光纖纖芯的光而軟化、老化、或燒壞。但該結構不能減小或排除進入光纖光學包層的光， 不能排除這部分光對光纖外包層的損壞。美國專利US6883975介紹了運用一層比光纖和套管軟化溫度低的材料來熔接光 纖和套管。該結構的目的旨在實現光纖和套管的封裝固定，並不能減小或消除有害光進入 光纖傳輸系統。美國專利US7090411公開了一種光纖端部結構，該結構運用一個或多個彌散元件 使未耦合進入光纖纖芯的而落入彌散元件上的光散射出去，降低散射光的功率密度，使其 強度不至於損害光纖連接器；其次，光纖端部的光學包層去除了一小段或減小光學包層的 厚度能有效地減小耦合進入光纖光學包層的光強。同一實用新型人，在美國專利US7204645 中又運用至少一個反射元件將未耦合進入光纖的有害光束儘可能地反射出光纖連接器，降 低吸收有害光和光纖連接器的溫升。在該專利中，同樣地去除或減小了一小段光纖端部的 光學包層，為了減小耦合進入光纖光學包層的光強。美國專利US7306376公開了一種適合高功率雷射傳輸的光纖端部結構，該結構含 有外徑比傳輸光纖大的無芯光纖段，無芯光纖段與傳輸光纖端部熔接在一起避免了使用粘 接劑；無芯光纖段與套管內孔熔接成一體，同樣避免了使用粘接劑；在傳輸光纖與套管內 孔的間隙填充具有散射功能材料，將逃逸出光纖光學層的光散射出來。由於間隙小，充分填 充散射體是相當困難的製作環節。填充的質量直接影響該結構的承載洩漏雷射的能力。美國專利US7M0668介紹的是通過在光纖端部熔接一個透明的套管，在不改變光 纖的數值孔徑的前提下，在入射端面上獲得較大光斑的可能。在入射端增大光斑大小，理論 上是將雷射的聚焦面向光纖端面內移一段距離，也就是說相當於光纖的接收口往後移了同 樣的距離。顯然，熔接界面的一致性，所形成的氣泡或間隔，材料的均勻性等將影響雷射的 聚焦光斑的大小和質量。更嚴重的問題是，熔接所獲得的環形界面即為光纖的接收面，如果 在光纖的圓周上熔接長度不一致，相當於光纖接收焦面前後不同位置的光，導致耦合效率 下降，也就是說漏光更為嚴重。不過，該結構能有效地消除未耦合進入光纖纖芯的高功率激 光對光纖傳輸系統的危害。

實用新型內容本實用新型針對由於多種因素，常常有一部分雷射束不能耦合進入光纖纖芯內，從而導致光纖傳輸系統的壞損，而現有多種方法和裝置用來降低有害光進入光纖傳輸系統 存在上述的不足，提供一種傳輸高功率雷射的光纖端部結構。本實用新型解決上述技術問題的技術方案如下一種傳輸高功率雷射的光纖端部 結構包括光纖、前套管、後套管和連接管，所述前套管為摻氟的石英玻璃位於光纖的前端並 和纖芯熔結形成一段新包層，所述後套管位於前套管的後端並和光纖相連，所述連接管分 別與前套管和後套管相連；所述光纖包括纖芯、光學包層和外包層，所述纖芯一部分外露於 光學包層外，剩餘部分包裹在光學包層內；所述光學包層一部分外露於外包層外，剩餘部分 包裹在外包層內；所述前套管的外徑小於連接管的內徑，且前套管的外徑沿從前套管指向 後套管的方向上是逐漸減小的，使得前套管和連接管之間形成一逐漸增大的空氣間隙。本實用新型的有益效果是本實用新型傳輸高功率雷射的光纖端部結構固定光纖 輸入和輸出端部的結構、消除未耦合進入光纖纖芯的光、避免光纖外包層吸收未耦合進光 纖纖芯的光而導致過熱或燒壞，能有效防止未耦合進入光纖纖芯的光進入光纖傳輸系統。在上述技術方案的基礎上，本實用新型還可以做如下特徵。進一步，所述前套管包括一個內孔，其內徑的孔徑大於纖芯的直徑；所述纖芯的前 端通過內孔插入至前套管內並與前套管的前端熔結成一體。進一步，所述前套管包括一個喇叭狀錐孔，該喇叭狀錐孔和內孔相連通。進一步，所述前套管為摻氟的石英玻璃或者包括兩個材料層分別為內層和外層； 內層材料為摻氟的石英玻璃，且其折射率小於光纖纖芯的折射率；外層材料為不摻雜的石 英玻璃，且其折射率大於或等於光纖光學包層的折射率。進一步，所述後套管包括第一內孔、錐形狀錐孔和第二內孔，所述第一內孔和錐形 狀錐孔相連通，所述錐形狀錐孔和第二內孔相連通；所述第一內孔的孔徑大於光學包層的 外徑，並與光學包層膠結；所述第二內孔的孔徑大於外包層的外徑，並與外包層膠結。進一步，所述後套管的前端面為一反射面。進一步，所述後套管的材料為石英玻璃、陶瓷或金屬。進一步，所述前套管和後套管之間的間距為0. 5mm 50mm。進一步，所述光纖端部結構還包括保護光纖前端面的蓋帽，所述蓋帽的一端光膠 於光纖的前端面上，另一端鍍有雷射增透膜。進一步，所述光纖端部結構還包括用於散熱和安裝的機械元件，所述機械元件和 連接管相連。

圖1為本實用新型傳輸高功率雷射的光纖端部結構示意圖；圖2為本實用新型雷射耦合進入和逃逸光纖端部結構示意圖；圖3為本實用新型製作傳輸高功率雷射的光纖端部結構中光纖製備好後的結構 示意圖；圖4為本實用新型製作傳輸高功率雷射的光纖端部結構中後套管安裝後的結構 示意圖；圖5為本實用新型製作傳輸高功率雷射的光纖端部結構中光纖與後套管膠結固 化後的結構示意5[0033]圖6為本實用新型製作傳輸高功率雷射的光纖端部結構中前套管和連接管安裝 後的結構示意圖；圖7為本實用新型製作傳輸高功率雷射的光纖端部結構中光纖纖芯與前套管熔 結後的結構示意圖；圖8為本實用新型製作傳輸高功率雷射的光纖端部結構中光纖入射端面拋光後 的結構示意圖；圖9為本實用新型製作傳輸高功率雷射的光纖端部結構中光膠保護蓋帽後的結 構示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型的原理和特徵進行描述，所舉實例只用於解釋本實用 新型，並非用於限定本實用新型的範圍。如圖1所示，本實用新型的光纖端部結構包括有光纖10，前套管20，後套管30，連 接管40 ；以及對光纖端面起保護作用的蓋帽50，起連接和散熱作用的輔助機械件60。光纖10通常由纖芯11、包裹纖芯的光學包層12、起保護作用和增強機械強度的外 包層13組成。為了傳輸高功率雷射，光纖纖芯11的材料一般為高純度的石英玻璃；光學包 層12的材料折射率低於纖芯11的折射率，從而使進入纖芯的光在纖芯和光學包層間能發 生全內反射，光學包層的材料通常為摻氟的石英玻璃或複合材料；外包層一般是兩層材料， 英文名常用Buffer和Jacket，Buffer主要用於隔離水氣和保護光學包層，Jacket主要用 於增加光纖的機械強度等。本實用新型中前套管20的材料選擇條件是其折射率小於光纖纖芯11的折射率， 且大於或等於光纖光學包層的折射率。例如，前套管20的材料為摻氟的石英玻璃，它除了 可獲得-26xl0_3的折射率差異外，還具有耐高溫、透射雷射、與純石英玻璃的纖芯的熱膨脹 係數接近等優點。前套管20有內孔21，其內徑比光纖纖芯11稍大，前套管20的內孔21後 端內徑逐步增大形成一錐孔22。前套管20的外逕往後端逐步遞減形成錐面23。前套管20 的後端面為24。前套管20的內孔21、錐孔22、錐面23和後端面M均為光滑表面，能對入 射到這些面上的光束髮生折反射。光纖10的纖芯11與前套管20的內孔21在前端面處熔結成一體，熔結區25的長 度要求並不嚴格，只要熔結強度能將纖芯11永久性固定。由於前套管的材料折射率選擇相 當於為已剝去光學包層的光纖在光纖入射端面附近形成一小段新包層。這一小段新包層通 過前套管的內孔21和錐孔22逐漸與纖芯分離。後套管30有階梯式內孔31和32，內孔31的內徑比光纖10的光學包層12的外徑 稍大，內孔32的內徑比光纖10的外包層13的外徑稍大；後套管前端面33是反射鏡面，對 入射到該面的光具有反射功能；後套管30的材料可以是玻璃、陶瓷、或金屬。後套管30通 過內孔31和32與光纖10的光學包層12和外包層13膠結在一起，將光纖端部結構與光纖 主體牢牢地連接。連接管40與前套管20熔結成一體，並和後套管30膠結起來，連接管的材料為石 英玻璃，這樣的材料選擇匹配了光纖纖芯11的熱膨脹係數，避免光纖纖芯11承受任何張應 力。[0044]光纖前端面與前套管和連接管固定成一體後，增大了端部截面面積，經過光學拋 光形成高質量的光學表面27，可以在該截面上光膠具有保護功能的蓋帽50。蓋帽50的前 端面51鍍有增透膜。輔助機械元件60用於光纖連接器的安裝、固定、散熱等。如圖2所示，對於光纖輸入端的情形，在聚焦透鏡80的前焦面上放置一孔徑光欄 70，孔徑光欄70攔截超出前套管20作為光纖新光學包層所定義的數值孔徑的光線，並吸收 攔截的光束將其轉換成熱，孔徑光欄對入射光束實施孔徑過濾。通過孔徑光欄70的平行光 線91和93經聚焦透鏡80，穿過保護蓋帽50，聚焦在面27上位於光纖纖芯11外的點95處， 光線91經前套管20折射後射向後套管30的反射鏡面33，經其反射射向連接管壁，並穿過 連接管40逃逸出來，即光線97。光線93經前套管20折射後，射向連接管壁，即逃逸光線 98。通過孔徑光欄70的平行光線92和94經聚焦透鏡80，穿過保護蓋帽50，聚焦在面27 上位於光纖纖芯11內的點96處，光線92在纖芯和前套管的熔結界面25處發生全內反射。 光線94在纖芯內傳輸，跨越了纖芯和前套管的熔結界面25，在纖芯與空氣的界面發生全內 反射。不難看出，所有經孔徑光欄過濾滿足光纖數值孔徑的光線，如果它們聚焦進入光 纖纖芯將滿足全內反射條件繼續沿光纖傳輸；如果他們聚焦在光纖纖芯以外，經由前套管 的折反射，或後套管的反射，或連接管的折射後逃逸出來，避免進入光纖傳輸系統。如圖3 9所示，傳輸高功率雷射的光纖端部結構可由以下幾個製作步驟實現1.準備光纖將光纖10 —端的外包層13剝去一段預定的長度，暴露出光學包層 12 ；在此基礎上，再剝去一段光學包層12，暴露出纖芯11。2.膠結光纖與後套管在暴露出的光學包層和外包層附近塗上膠水；34，將後套管 沿光纖方向套在光學包層和外包層上。當膠水充分填充後套管的內孔31和32與光纖光學 包層12和外包層13間的縫隙後，對膠水實施固化，如加熱烘烤。3.膠結連接管和後套管在後套管外徑上塗上膠水35，將預先熔結好的前套管和 連接管沿光纖方向套在後套管上，保持前後套管一定的距離，同時保證光纖纖芯伸出前套 管一預定的長度。當膠水充分填充連接套管和後套管的縫隙後，對膠水實施固化，如加熱烘 烤。4.熔結纖芯與前套管用(X)2雷射加熱光纖端部和前套管，同時旋轉光纖和前套 管以保證均勻加熱，直至纖芯與前套管熔結一段區域25。5.拋光前端面熔結後光纖和前套管有足夠大的截面和強度，對端面進行光學拋 光，獲得高質量的光學表面。不僅可以減小表面的劃痕，還增大了光學接觸面積，易於光膠 的實施。6.光膠蓋帽在拋光好的光纖端面依靠兩光學面的吸附力，光膠具有保護作用的
蓋巾冒。以上所述僅為本實用新型的較佳實施例，並不用以限制本實用新型，凡在本實用 新型的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保 護範圍之內。
權利要求1.一種傳輸高功率雷射的光纖端部結構，其特徵在於，包括光纖、前套管、後套管和連 接管，所述前套管為摻氟的石英玻璃位於光纖的前端並和纖芯熔形成一段新包層，所述後 套管位於前套管的後端並和光纖相連，所述連接管分別與前套管和後套管相連；所述光纖 包括纖芯、光學包層和外包層，所述纖芯一部分外露於光學包層外，剩餘部分包裹在光學包 層內；所述光學包層一部分外露於外包層外，剩餘部分包裹在外包層內；所述前套管的外 徑小於連接管的內徑，且前套管的外徑沿從前套管指向後套管的方向上是逐漸減小的，使 得前套管和連接管之間形成一逐漸增大的空氣間隙。
2.根據權利要求1所述的傳輸高功率雷射的光纖端部結構，其特徵在於，所述前套管 包括一個內孔，其內徑的孔徑大於纖芯的直徑；所述纖芯的前端通過內孔插入至前套管內 並與前套管的前端熔結成一體。
3.根據權利要求2所述的傳輸高功率雷射的光纖端部結構，其特徵在於，所述前套管 包括一個喇叭狀錐孔，該喇叭狀錐孔和內孔相連通。
4.根據權利要求3所述的傳輸高功率雷射的光纖端部結構，其特徵在於，所述前套管 為摻氟的石英玻璃或者包括兩個材料層分別為內層和外層；內層材料為摻氟的石英玻璃， 且其折射率小於光纖纖芯的折射率；外層材料為不摻雜的石英玻璃，且其折射率大於或等 於光纖光學包層的折射率。
5.根據權利要求1所述的傳輸高功率雷射的光纖端部結構，其特徵在於，所述後套管 包括第一內孔、錐形狀錐孔和第二內孔，所述第一內孔和錐形狀錐孔相連通，所述錐形狀錐 孔和第二內孔相連通；所述第一內孔的孔徑大於光學包層的外徑，並與光學包層膠結；所 述第二內孔的孔徑大於外包層的外徑，並與外包層膠結。
6.根據權利要求5所述的傳輸高功率雷射的光纖端部結構，其特徵在於，所述後套管 的前端面為一反射面。
7.根據權利要求5所述的傳輸高功率雷射的光纖端部結構，其特徵在於，所述後套管 的材料為石英玻璃、陶瓷或金屬。
8.根據權利要求1所述的傳輸高功率雷射的光纖端部結構，其特徵在於，所述前套管 和後套管之間的間距為0. 5mm 50mm。
9.根據權利要求1所述的傳輸高功率雷射的光纖端部結構，其特徵在於，所述光纖端 部結構還包括保護光纖前端面的蓋帽，所述蓋帽的一端光膠於光纖的前端面上，另一端鍍 有雷射增透膜。
10.根據權利要求1所述的傳輸高功率雷射的光纖端部結構，其特徵在於，所述光纖 端部結構還包括用於散熱和安裝的機械元件，所述機械元件和連接管相連。
專利摘要本實用新型涉及一種傳輸高功率雷射的光纖端部結構。所述光纖端部結構包括光纖、前套管、後套管和連接管，前套管為摻氟的石英玻璃位於光纖的前端並和纖芯熔結形成一段新包層，後套管位於前套管的後端並和光纖相連，連接管分別與前套管和後套管相連；光纖包括纖芯、光學包層和外包層，纖芯一部分外露於光學包層外，剩餘部分包裹在光學包層內；光學包層一部分外露於外包層外，剩餘部分包裹在外包層內。本實用新型光纖端部結構可以消除未耦合進入光纖纖芯的光、避免光纖外包層吸收未耦合進光纖纖芯的光而導致過熱或燒壞，能有效防止未耦合進入光纖纖芯的光進入光纖傳輸系統。
文檔編號G02B6/44GK201845110SQ20102057717
公開日2011年5月25日 申請日期2010年10月26日 優先權日2010年10月26日
發明者鄢雨 申請人:武漢高晟知光科技有限公司