一種全光纖雷射合成器件及其製備方法

2023-07-15 15:38:41 1

專利名稱：一種全光纖雷射合成器件及其製備方法
技術領域：
本發明涉及的全光纖雷射合成器件是實現光纖雷射器和光纖放大器全光纖結構 的關鍵器件，作為泵浦光和(或)種子光耦合用。在結構器件設計和實現方式上都與目前
4已公開專利有很不同。本發明在結構上比上述現有技術更合理，易於在製備工藝中有效控 制，可以實現高傳輸效率和低插入損耗。本發明顯著特點是涉及的全光纖雷射合成器件的 結構，作為耦合的多模光纖和作為增益放大的摻稀土光纖成為一個緊密結合的整體，不需 要器件製作時熔接或拉錐，保證器件內部光路不會經歷結構波動和附加損耗。因此特別適 合百瓦級以上的大功率雷射耦合和放大，散熱效果好，製備工藝簡單，可靠，尤其適合產業 化生產。

發明內容
本發明要解決的技術問題是通過研究全光纖雷射合成器件的結構與性能，設計出
具有高的耦合效率和增益放大的全光纖雷射合成器件，應用於全光纖結構的光纖雷射器和
放大器中，作為多路泵浦功率耦合，特別是超過百瓦級大功率的泵浦功率耦合和放大。 本發明的全光纖雷射合成器件，是一種全光纖結構，採用側面耦合方式，雙包層有
源光纖與耦合光纖耦合長度是整個雙包層有源光纖段。因此避免了端面耦合的泵浦雷射集
中在光纖端面傳輸，從而容易導致耦合器件損壞的問題。相對其它側面耦合方式，有效耦合
長度更長，可承受功率更大。具體技術方案如下 —種全光纖雷射合成器件的製備方法，包括如下步驟 (1)將多模光纖預製棒和摻稀土光纖預製棒按照如下排列方式排列並焊接固定
摻稀土光纖預製棒位於中心，多根多模光纖預製棒圍繞在摻稀土光纖預製棒四周； (2)對上述焊接固定的棒束進行拉絲，形成光纖束，並塗覆塗層； (3)截取合適長度的所述光纖束，剝去截取的光纖束兩端的塗層，將剝去塗層的摻
稀土光纖和多模光纖分開，分離開的摻稀土光纖和多模光纖分別重新塗覆塗層，即形成全
光纖雷射合成器件。 本發明所述的摻稀土光纖預製棒的橫截面為正多邊形。 本發明所述的多模光纖預製棒與摻稀土光纖預製棒正多邊形各邊長緊密接觸，每 邊排列一根或多根多模光纖預製棒。 本發明在光纖拉絲塔上進行所述的拉絲，所述拉絲溫度在2000 2100攝氏度範
圍內，拉絲速度為5 200米/分鐘。 本發明在拉絲過程中對光纖束進行搓扭。 本發明所述的兩端被剝去塗層的長度為10 1000mm。 本發明所述的多模光纖芯/包層成分為純矽/摻氟玻璃，純矽/低折射率塗層，或 摻鍺/純矽玻璃。 本發明所述的摻稀土光纖預製棒的芯層含有鑭系15種金屬元素中的一種或多 種。 本發明採用玻璃絲進行所述的焊接固定。 本發明還包括一種利用上述技術方案之一所述的製備方法製備的全光纖雷射合 成器件。 本發明的有益效果有 1.提供應用於全光纖結構的光纖雷射器和放大器，特別是大功率全光纖結構的光 纖雷射器和放大器的雷射合成器件；
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2.全光纖雷射合成器件的結構有利於使得泵浦光在光路結構中模式穩定，和其他
耦合方式相比，減少了耦合器件內部的熔接或拉錐，實現高可靠性和低的插入損耗； 3.提供了實現全光纖雷射合成器件製作的相對簡易的方法，且方便實現大批量生產。


圖1全光纖雷射合成器件外形示意圖； 圖2本發明實施例一涉及的一種光纖束剖面結構示意圖。 圖3本發明實施例二涉及的一種光纖束剖面結構示意圖。 圖4本發明實施例三涉及的一種光纖束剖面結構示意圖。 圖5本發明實施例五涉及的一種光纖束剖面結構示意圖。 圖6全光纖結構光纖雷射器結構示意圖。
具體實施例方式
以下結合附圖和具體實施例對本發明作進一步詳細說明，其中相同部件的附圖標 記在所有實施例中是統一 的。 製備合適的摻稀土光纖預製棒，預製棒剖面結構以及稀土離子的摻雜濃度和分布
技術要求與市場上常見的雙包層摻稀土光纖相同，將預製棒根據芯包比需要加工成需要的
正多邊形，如正六邊形、正八邊形、正十邊形等等，選用正多邊形主要是考慮有利於減少與
其它光纖熔接損耗，同時多模光纖與雙包層光纖接觸面積足夠。製備合適的大芯徑多模光
纖預製棒，折射率剖面可以是階躍型，也可以是拋物線型，或其它採用的形狀。芯/包層成
分為純矽/摻氟玻璃，也可以是純矽/低折射率塗層，或摻鍺/純矽玻璃。 將若干根前述多模光纖預製棒和摻稀土光纖預製棒按照一定的排列方式排列加
工成正多邊形的摻稀土光纖預製棒位於中心，圓形多模光纖預製棒圍繞在正多邊形的摻稀
土光纖預製棒四周，排列好的棒束用玻璃絲焊接固定在一起。多模光纖預製棒與摻稀土光
纖預製棒正多邊形邊長緊密接觸，每邊可以排列一個或多根光纖預製棒。 在光纖拉絲塔上拉絲，拉絲溫度在2000 2100攝氏度範圍內，拉絲速度在5
200米/分鐘，保持比常規光纖大的張力，形成光纖束。光纖束塗覆和常規雙包層光纖拉絲
方法相同，外層加低折射率塗層和保護層。在拉絲過程中對光纖束進行搓扭，使得在拉絲過
程中光纖束之間光纖更容易緊密接觸，並且在後續處理過程中比較容易分離開來。 根據光纖雷射器或放大器的要求不同，光纖束截取合適長度，剝去截取的光纖束
兩端的塗層，剝除長度為10 lOOOmm，利用熱膨脹原理將不同光纖分開，分離開的摻稀土
光纖和多模光纖重新塗覆塗層。形成全光纖雷射合成器件。 實施例一 附圖1所示是本發明全光纖雷射合成器件的第一個實施例，為外形示意圖，光纖 束中所有光纖的長度相同，一般長度為l 30m之間，根據光纖雷射器用途不同光纖束選擇 長度不同。光纖束有6根階躍型多模光纖和一根摻稀土光纖組成。摻稀土光纖位於光纖 束的中間，在本實施例中該摻稀土光纖為鉺鐿共摻光纖，它的內包層結構為正六邊形，周圍 均勻分布6根多模光纖，它們的包層為摻氟石英成分，芯層為純矽成分，附圖2給出了光纖
6束剖面結構圖。多模光纖的芯徑/包層直徑均為105/125 iim或200/220 iim，數值孔徑為 0. 10 0. 25。摻稀土光纖的芯徑為10 30 ii m，芯層數值孔徑為0. 06 0. 15，內包層直 徑均為125 600 ii m，內包層數值孔徑為0. 46。 按上述的結構製備並排列光纖預製棒，集束拉絲。拉絲溫度在2000 2100攝氏 度範圍內，拉絲速度在5 200米/分鐘，保持比常規光纖大的張力，形成光纖束。光纖束 塗覆和常規雙包層光纖拉絲方法相同，外層加折射率為1. 37的塗層和常規光纖保護層。在 拉絲過程中對光纖束進行搓扭。光纖束截取合適長度，剝去截取的光纖束兩端的塗層，剝除 長度為10 lOOOmm，利用熱膨脹原理將不同光纖分開，分離開的摻稀土光纖和多模光纖重 新塗覆塗層，即形成側面耦合的全光纖雷射合成器件。 上述實施例得到的全光纖雷射合成器件可用於製作1W以上的1. 55 ii m波段光纖 雷射器。 實施例二 本發明的第二個實施例外形示意圖與附圖1基本相同，光纖束中所有光纖的長度 相同，一般長度為1 30m之間，根據光纖雷射器用途不同光纖束選擇長度不同。光纖束有 10根階躍型多模光纖和一根摻稀土光纖組成，中間一根為摻鐿光纖，它的內包層結構為正
十邊形，周圍均勻分布io根多模光纖，它們的包層為摻氟石英成分，芯層為純矽成分，附圖
3給出了光纖束剖面結構圖。多模光纖的芯徑/包層直徑均為105/125 iim或200/220 iim 或400/440 iim，也可能其它可能的規格，數值孔徑為0. 10 0. 25。摻稀土光纖的芯徑為 10 200 ii m，芯層數值孔徑為0. 06 0. 15，內包層直徑均為125 1000 y m，內包層數值 孔徑為0. 46。 按上述的結構製備並排列光纖預製棒，集束拉絲。拉絲溫度在2000 2100攝氏 度範圍內，拉絲速度在5 200米/分鐘，保持比常規光纖大的張力，形成光纖束。光纖束 塗覆和常規雙包層光纖拉絲方法相同，外層加折射率為1. 37的塗層和常規光纖保護層。在 拉絲過程中對光纖束進行搓扭。光纖束截取合適長度，剝去截取的光纖束兩端的塗層，剝除 長度為10 lOOOmm，利用熱膨脹原理將不同光纖分開，分離開的摻稀土光纖和多模光纖重 新塗覆塗層，即形成全光纖雷射合成器件。 上述實施例得到的全光纖雷射合成器件可用於製作100W以上的1. 0 y m波段光纖 雷射器。 實施例三 本發明的第三個實施例外形示意圖與附圖1基本相同，光纖束中所有光纖的長度 相同，一般長度為1 30m之間，根據光纖雷射器用途不同光纖束選擇長度不同。光纖束有 12根階躍型多模光纖和一根摻稀土光纖組成，中間一根為摻鐿光纖，它的內包層結構為正 六邊形，周圍均勻分布12根多模光纖，它們的包層為摻氟石英成分，芯層為純矽成分，摻稀 土光纖內包層的每個邊排列兩根多模光纖，附圖4給出了光纖束剖面結構圖。多模光纖的 芯徑/包層直徑均為105/125 ii m或200/220 y m或400/440 y m，也可能其它可能的規格，數 值孔徑為0. 10 0. 25。摻稀土光纖的芯徑為10 200 ii m，芯層數值孔徑為0. 06 0. 15， 內包層直徑均為125 1000 ii m，內包層數值孔徑為0. 46。 按上述的結構製備並排列光纖預製棒，集束拉絲。拉絲溫度在2000 2100攝氏 度範圍內，拉絲速度在5 200米/分鐘，保持比常規光纖大的張力，形成光纖束。光纖束塗覆和常規雙包層光纖拉絲方法相同，外層加折射率為1. 37的塗層和常規光纖保護層。在 拉絲過程中對光纖束進行搓扭。光纖束截取合適長度，剝去截取的光纖束兩端的塗層，剝除 長度為10 lOOOmm，利用熱膨脹原理將不同光纖分開，分離開的摻稀土光纖和多模光纖重 新塗覆塗層，即形成全光纖雷射合成器件。 上述實施例得到的全光纖雷射合成器件可用於製作100W以上的1. 0 y m波段光纖 雷射器。 實施例四 本發明的第四個實施例外形示意圖與附圖1基本相同，光纖束中所有光纖的長度 相同，一般長度為1 30m之間，根據光纖雷射器用途不同光纖束選擇長度不同。光纖束 有6根階躍型多模光纖和一根摻稀土光纖組成，中間一根為摻鐿光纖，它的內包層結構為 正六邊形，周圍均勻分布6根多模光纖，它們的芯層為純矽成分，光纖束剖面結構圖與附圖 2類似，區別是由拉絲塗覆時塗折射率為1. 37的塗層作為包層。多模光纖的芯徑直徑均為 105 ii m或200 ii m或400 y m，也可能其它可能的規格，數值孔徑為0. 46。摻稀土光纖的芯徑 為10 200 ii m，芯層數值孔徑為0. 06 0. 15，內包層直徑均為125 1000 y m，內包層數 值孔徑為0. 46。 按上述的結構製備並排列光纖預製棒，集束拉絲。拉絲溫度在2000 2100攝氏 度範圍內，拉絲速度在5 200米/分鐘，保持比常規光纖大的張力，形成光纖束。光纖束 塗覆和常規雙包層光纖拉絲方法相同，外層加折射率為1. 37的塗層和常規光纖保護層。在 拉絲過程中對光纖束進行搓扭。光纖束截取合適長度，剝去截取的光纖束兩端的塗層，剝除 長度為10 lOOOmm，利用熱膨脹原理將不同光纖分開，分離開的摻稀土光纖和多模光纖重 新塗覆塗層，即形成全光纖雷射合成器件。 上述實施例得到的全光纖雷射合成器件可用於製作100W以上的1. 0 y m波段光纖 雷射器。 實施例五 本發明的第五個實施例外形示意圖與附圖1基本相同，光纖束中所有光纖的長度 相同，一般長度為1 30m之間，根據光纖雷射器用途不同光纖束選擇長度不同。光纖束有 3根階躍型多模光纖和3根摻稀土光纖組成，摻稀土光纖全部為摻鐿光纖，並呈環形均勻排 列，每根摻鐿光纖的內包層結構為正六邊形，周圍均勻分布3根多模光纖，它們的包層為摻 氟石英成分，芯層為純矽成分，附圖5給出了光纖束剖面結構圖。多模光纖的芯徑/包層 直徑均為105/125 ii m或200/220 y m或400/440 y m，也可能其它可能的規格，數值孔徑為 0. 10 0. 25。摻稀土光纖的芯徑為10 200 ii m，芯層數值孔徑為0. 06 0. 15，內包層直 徑均為125 1000 ii m，內包層數值孔徑為0. 46。 按上述的結構製備並排列光纖預製棒，集束拉絲。拉絲溫度在2000 2100攝氏 度範圍內，拉絲速度在5 200米/分鐘，保持比常規光纖大的張力，形成光纖束。光纖束 塗覆和常規雙包層光纖拉絲方法相同，外層加折射率為1. 37的塗層和常規光纖保護層。在 拉絲過程中對光纖束進行搓扭。光纖束截取合適長度，剝去截取的光纖束兩端的塗層，剝除 長度為10 lOOOmm，利用熱膨脹原理將不同光纖分開，分離開的摻稀土光纖和多模光纖重 新塗覆塗層，即形成全光纖雷射合成器件。 上述實施例得到的全光纖雷射合成器件可用於製作100W以上的1. 0 y m波段光纖雷射器。 本發明涉及的全光纖雷射合成器件可以應用到如附圖6所示的全光纖結構光纖雷射器中，一般採用的是雙向泵浦。如果將全光纖雷射合成器件中的多模光纖與LD尾纖熔接，雙包層摻稀土光纖與光纖光柵尾纖熔接，加入必要的隔離器即構成連續雷射器。如果將全光纖雷射合成器件中的多模光纖與LD尾纖熔接，雙包層摻稀土光纖與種子雷射器尾纖熔接，加入必要的隔離器即構成主振蕩放大方式(M0PA)結構的脈衝雷射器。在連續雷射器結構基礎上加入聲光調製器、電光調製器或飽和吸收體等即構成調Q結構的脈衝雷射器。
雖然結合目前認為最為實用和最佳的實施例對本發明進行了描述，不過本發明不限於所公開的實施例，還包括了所附權利要求精神和範圍所包括的引申含義和變化。
權利要求
一種全光纖雷射合成器件的製備方法，包括如下步驟(1)將多模光纖預製棒和摻稀土光纖預製棒按照如下排列方式排列並焊接固定摻稀土光纖預製棒位於中心，多根多模光纖預製棒圍繞在摻稀土光纖預製棒四周；(2)對上述焊接固定的棒束進行拉絲，形成光纖束，並塗覆塗層；(3)截取合適長度的所述光纖束，剝去截取的光纖束兩端的塗層，將剝去塗層的摻稀土光纖和多模光纖分開，分開的摻稀土光纖和多模光纖分別重新塗覆塗層，即形成全光纖雷射合成器件。
2. 根據權利要求1所述的製備方法，其特徵在於，所述的摻稀土光纖預製棒的橫截面為正多邊形。
3. 根據權利要求2所述的製備方法，其特徵在於，所述多模光纖預製棒與摻稀土光纖預製棒正多邊形各邊長緊密接觸，每邊排列一根或多根多模光纖預製棒。
4. 根據權利要求1-3之一所述的製備方法，其特徵在於，在光纖拉絲塔上進行所述的拉絲，所述拉絲溫度在2000 2100攝氏度範圍內，拉絲速度為5 200米/分鐘。
5. 根據權利要求4所述的製備方法，其特徵在於，在拉絲過程中對光纖束進行搓扭。
6. 根據權利要求l-5之一所述的製備方法，其特徵在於，所述兩端被剝去塗層的長度為10 1000mm。
7. 根據權利要求1-6之一所述的製備方法，其特徵在於，所述多模光纖芯/包層成分為純矽/摻氟玻璃，純矽/低折射率塗層，或摻鍺/純矽玻璃。
8. 根據權利要求l-7之一所述的製備方法，其特徵在於，所述的摻稀土光纖預製棒的芯層含有鑭系15種金屬元素中的一種或多種。
9. 根據權利要求l-8之一所述的製備方法，其特徵在於，採用玻璃絲進行所述的焊接固定。
10. 利用上述權利要求l-9之一所述的製備方法製備的全光纖雷射合成器件。
全文摘要
一種用於高功率光纖雷射器和放大器的新型全光纖雷射合成器件及其製備方法，由若干根一定直徑的光纖組成的光纖束構成，其中光纖束中包括位於中心位置的摻稀土光纖11和若干根多模光纖12，去掉塗層的摻稀土光纖11形狀為正多邊形，去掉塗層的多模光纖形狀為圓形。中間部位02的所有光纖緊密靠近，在光纖束的外面塗覆有折射率低於純石英折射率的塗層。光纖束兩端部位01和03的所有光纖則是可分開的，並每根光纖單獨塗覆有塗層。這樣的光纖束是按設計排列方式將相應光纖預製棒集束在光纖拉絲塔上拉絲形成。本發明的全光纖雷射合成器件製備工藝簡單，適合大批量生產，並且具有高的可靠性和低的插入損耗的特點。
文檔編號H01S3/094GK101794955SQ20101011419
公開日2010年8月4日 申請日期2010年2月10日 優先權日2010年2月10日
發明者彭景剛, 戴能利, 李海清, 李進延, 楊旅雲, 蔣作文 申請人:華中科技大學