光纖側面泵浦耦合器及其製造方法
2023-12-02 03:04:06
專利名稱：光纖側面泵浦耦合器及其製造方法
技術領域：
本發明涉及雷射器技術領域，尤其涉及一種光纖側面泵浦耦合器及其製造方法。
背景技術：
高功率高能量光纖雷射器和光纖放大器，在工業加工、軍事和醫療等領域都有著廣泛的應用前景。但是光纖雷射功率輸出水平直接受到耦合進入增益光纖 的泵浦光功率的限制。為進一步提高光纖雷射器功率輸出能力和系統可靠性，需要加大進入增益光纖的泵浦光功率並且保證泵浦耦合結構的一致性和穩定性。所以，高功率、高效率和高穩定的泵浦耦合是光纖雷射器極為重要的部分。為實現這一需求，現已提出了全光纖泵浦耦合方法，其主要有端面泵浦和側面泵浦。但是，端面泵浦耦合所採用的熔融拉錐方式，會導致主光纖纖芯變形，影響主光纖信號的耦合效率，並且其製作的耦合器只能針對纖芯直徑小於30um的主光纖。現有的側面耦合，主要有V型槽側面泵浦、微稜鏡側面耦合等，其耦合效率均低於90%，並且耦合器穩定性較差，無法滿足工業化應用的需求。
發明內容
(一 )要解決的技術問題本發明要解決的技術問題是提供一種耦合效率高、穩定性好的光纖側面泵浦耦合器及其製造方法。( 二 )技術方案為解決上述問題，一方面本發明提供了一種光纖側面泵浦耦合器，包括主光纖和與所述主光纖側面泵浦連接的至少一根泵浦光纖，所述主光纖與所述泵浦光纖連接的連接部具有外露的內包層徑向外表面，所述泵浦光纖與所述主光纖連接的連接端具有與所述外露的內包層徑向外表面的形狀互補匹配並貼緊連接的端面結構。優選地，所述主光纖連接部內包層的徑向外表面為經過預處理的平整或不平整表面。優選地，所述耦合器泵浦的數量，由主光纖內包層直徑Dl和泵浦光纖直徑D2決定，即泵浦光纖的數量小於等於優選地，所述主光纖是雙包層或者多包層光纖。優選地，所述主光纖內包層的截面形狀為圓形、六邊形、八邊形、D形或梅花形。優選地，所述主光纖為包括鉺、鐿、釹、銩和釹等在內的各種增益粒子在光纖纖芯上摻雜而成的增益光纖；或為不摻雷射增益粒子的無源光纖。優選地，所述主光纖是單模光纖或多模光纖。優選地，所述主光纖在軸向上分布有多個連接部，每個連接部上連接有至少一根泵浦光纖，形成多級級聯耦合器。
優選地，所述泵浦光纖可以是雙包層或者多包層光纖；其包層形狀可以是圓形、六邊形、八邊形、D形、梅花形等任意形狀。優選地，所述泵浦光纖和主光纖的折射率可以相等也可以不等。優選地，所述泵浦光纖是是單模光纖或多模光纖。另一方面，本發明還提供了一種光纖側面泵浦耦合器的製作方法，包括以下步驟SI :將主光纖連接部處的塗覆層去除，露出內包層；將泵浦光纖連接端處的塗覆層去除，露出包層；S2:對泵浦光纖連接端處進行預處理，形成與所述主光纖連接部處的內包層徑向外表面形狀互補的端面結構；·S3:將泵浦光纖的端面結構與主光纖連接部內包層的徑向外表面對應緊密配合，形成耦合區；S4 :消除耦合區中的空氣層，使得泵浦光纖與主光纖形成一體。優選地，所述步驟S2還包括對主光纖連接部的內包層徑向外表面進行預處理的步驟，並且泵浦光纖預處理後形成的端面結構與主光纖連接部的內包層徑向外表面預處理後的形狀互補。優選地，所述步驟S2中泵浦光纖預處理方式為高溫加熱同時加力處理、化學腐蝕、機械拋磨、雷射刻蝕或離子束刻蝕。優選地，所述步驟S2中主光纖預處理方式為高溫加熱同時加力處理、化學腐蝕、機械拋磨、雷射刻蝕或離子束刻蝕。優選地，所述步驟S4中耦合區空氣層消除的方式位高溫熔合、高溫鍵合、膠粘合、光膠合、直接加力貼合或液體填充貼合。(三)有益效果本發明採用將泵浦光纖和主光纖預處理的方法形成互補接觸，然後將互補接觸面之間的空氣層消除，保證雷射從泵浦光纖到主光纖的高效耦合；本發明泵浦光纖與主光纖互補接觸面的設計，使得本耦合器可以應用於各種包層形狀的主光纖。本發明在耦合器的製作過程中不破壞主光纖的纖芯，可以保證主光纖中信號光也實現高效耦合；本發明將泵浦光纖與主光纖互補接觸面之間的空氣層消除，使其形成一體，保證耦合器結構的穩定性；此外，本發明單個耦合器能夠進行多個泵浦臂同時耦合，可以實現單個耦合器高功率耦合。
圖Ia為根據本發明實施例一光纖側面泵浦耦合器的結構示意圖；圖lb-d分別為圖Ia中Al-Al、A2-A2、A3_A3處的剖面示意圖；圖2a為根據本發明實施例兩級級聯光纖側面泵浦耦合器的結構示意圖；圖2b_d分別為圖2a中E1-E1、E2-E2、E3-E3處的剖面示意圖；圖2e_g分別為圖2a中Fl-Fl、F2-F2、F3-F3處的剖面示意圖；圖3為根據本發明實施例二光纖側面泵浦耦合器製造方法的步驟流程圖；圖4a為根據本發明實施例三光纖側面泵浦耦合器的結構示意圖；圖4b_d分別為圖4a中B1-B1、B2-B2、B3-B3處的剖面示意圖5a為根據本發明實施例四光纖側面泵浦耦合器的立體結構示意圖；圖5b為圖5a中C-C處的剖面示意圖；圖5c_e分別為圖5b中Dl-Dl、D2-D2、D3-D3處的剖面示意圖；其中，110主光纖；111連接部；112內包層；112a徑向外表面；120泵浦光纖；121連接端；121a端面結構；210主光纖；211連接部；220泵浦光纖；310主光纖；311連接部；312內包層；312a徑向外表面；313塗覆層；320泵浦光纖；321連接端；321a端面結構；322塗覆層；410主光纖；411連接部；412內包層；412a徑向外表面；413塗覆層；420泵浦光 纖；421連接端；421a端面結構；422塗覆層。
具體實施例方式下面結合附圖及實施例對本發明進行詳細說明如下。實施例一如圖Ia-Id所示，本實施例記載了一種光纖側面泵浦耦合器，包括主光纖110和與所述主光纖110側面泵浦連接的至少一根泵浦光纖120，所述主光纖110與所述泵浦光纖120連接的連接部111具有外露的內包層112徑向外表面112a，所述泵浦光纖120與所述主光纖110連接的連接端121具有與所述外露的內包層徑向外表面112a的形狀互補匹配並貼緊連接的端面結構121a。在本發明的一些實施例中，所述主光纖110連接部111內包層112的徑向外表面112a為沒有經過處理的內包層原有表面；在本發明的另一些實施例中，所述主光纖110連接部111內包層112的徑向外表面112a為經過預處理的平整或不平整表面(如圖la_d所示)O在本實施例中，所述耦合器能夠泵浦的數量，由主光纖110內包層直徑Dl和泵浦光纖120直徑D2決定，即泵浦光纖120的數量小於等於INT(;r^^)(用以主光纖的軸
心位置為圓心、直徑為DJD2的圓的周長，除以泵浦光纖的直徑之後再取整)。所述主光纖110內包層112的截面形狀為圓形、六邊形、八邊形、D形或梅花形等任意形狀。在本發明的一些實施例中，所述主光纖110隻布置有一個連接部111。在本發明的其它實施例中，如圖2a_2g所示，所述主光纖210在軸向上分布有多個(兩個以上)連接部211，每個連接部211上連接有至少一根泵浦光纖220，形成多級級聯耦合器，實現主光纖210多點泵浦耦合，提高泵浦功率的同時分散泵浦點，防止局部溫度過聞。實施例二 如圖3所示，本實施例記載了一種上述光纖側面泵浦耦合器的製作方法，包括以下步驟SI :將主光纖連接部處的塗覆層去除，露出內包層；將泵浦光纖連接端處的塗覆層去除，露出包層；
S2:對泵浦光纖連接端處進行預處理，形成與所述主光纖連接部處的內包層徑向外表面形狀互補的端面結構；其中，泵浦光纖預處理方式為高溫加熱同時加力處理、化學腐蝕、機械拋磨、雷射刻蝕或離子束刻蝕S3:將泵浦光纖的端面結構與主光纖連接部內包層的徑向外表面對應緊密配合，形成耦合區；S4 :消除耦合區中的空氣層，使得泵浦光纖與主光纖形成一體；其中，耦合區空氣層消除的方式位高溫熔合、高溫鍵合、膠粘合、光膠合、直接加力貼合或液體填充貼合。在本發明的其它實施例中，所述步驟S2還包括對主光纖連接部的內包層徑向外表面進行預處理的步驟，並且泵浦光纖預處理後形成的端面結構與主光纖連接部的內包層徑向外表面預處理後的形狀互補。其中，主光纖預處理方式為高溫加熱同時加力處理、化學腐蝕、機械拋磨、雷射刻蝕或離子束刻蝕。下面以更為具體的實施例來說明本發明
實施例三如圖4a_4d所示為本實施例的光纖側面泵浦耦合器，其製造方法為將一纖芯/內包層直徑分別為20/400um的八邊形雙包層主光纖310的塗覆層313沿主光纖310的軸向去除3cm，露出內包層312，形成連接部311 ；2根泵浦光纖320的纖芯/包層直徑分別為200/220um,將其塗覆層322軸向去除3cm，露出包層，形成連接端321 ;採用機械拋磨泵浦光纖320的連接端321進行磨拋處理，使其形成與八邊形雙包層主光纖310內包層312的徑向外表面312a互補匹配的端面結構321a，互補形狀如圖4b_4d所示。然後將所述2根預處理後的泵浦光纖320的端面結構321a與八邊形主光纖310的內包層徑向外表面312a相互匹配並緊密接觸，形成耦合區。最後，採用氫氧火焰加熱的方式使耦合區的中空氣層消除而熔為一體，即完成稱合器製作。實施例四如圖5a_5e所示為本實施例的光纖側面泵浦耦合器，其製造方法為將一纖芯/內包層直徑分別為50/400um的圓形雙包層主光纖410的塗覆層413沿主光纖410的軸向去除3cm，露出內包層412，形成連接部411 ；6根泵浦光纖420的纖芯/包層直徑分別為200/220um,將其塗覆層422沿泵浦光纖420的軸向去除3cm，露出包層，形成連接端421 ;採用脈衝雷射對泵浦光纖420進行刻蝕處理，形成圓弧狀端面結構，使其與圓形主光纖410連接部411處露出的內包層412的徑向外表面412a互補,互補形狀如圖5c_5e所不。然後將6根預處理後的泵浦光纖420的端面結構421a與圓形主光纖410的內包層徑向外表面412a相互匹配並緊密接觸，形成耦合區。最後，採用氫氧火焰加熱的方式使耦合區的中空氣層消除而熔為一體，即完成耦合器製作。本發明的耦合器耦合效率高、結構穩定。以上實施方式僅用於說明本發明，而並非對本發明的限制，有關技術領域的普通技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有等同的技術方案也屬於本發明的範疇，本發明的專利保護範圍應由權利要求限定。
權利要求
1.一種光纖側面泵浦耦合器，包括主光纖和與所述主光纖側面泵浦連接的至少一根泵浦光纖，其特徵在於，所述主光纖與所述泵浦光纖連接的連接部具有外露的內包層徑向外表面，所述泵浦光纖與所述主光纖連接的連接端具有與所述外露的內包層徑向外表面的形狀互補匹配並貼緊連接的端面結構。
2.如權利要求I所述的光纖側面泵浦耦合器，其特徵在於，所述主光纖連接部內包層的徑向外表面為經過預處理的平整或不平整表面。
3.如權利要求I所述的光纖側面泵浦耦合器，其特徵在於，所述耦合器泵浦的數量，由主光纖內包層直徑Dl和泵浦光纖直徑D2決定，即泵浦光纖的數量小於等於
4.如權利要求I所述的光纖側面泵浦耦合器，其特徵在於，所述主光纖內包層的截面形狀為圓形、六邊形、八邊形、D形或梅花形。
5.如權利要求I所述的光纖側面泵浦耦合器，其特徵在於，所述主光纖在軸向上分布有多個連接部，每個連接部上連接有至少一根泵浦光纖，形成多級級聯耦合器。
6.一種光纖側面泵浦耦合器的製作方法，其特徵在於，包括以下步驟 51:將主光纖連接部處的塗覆層去除，露出內包層；將泵浦光纖連接端處的塗覆層去除，露出包層； 52:對泵浦光纖連接端處進行預處理，形成與所述主光纖連接部處的內包層徑向外表面形狀互補的端面結構； 53:將泵浦光纖的端面結構與主光纖連接部內包層的徑向外表面對應緊密配合，形成耦合區； 54:消除耦合區中的空氣層，使得泵浦光纖與主光纖形成一體。
7.如權利要求6所述的製造方法，其特徵在於，所述步驟S2還包括對主光纖連接部的內包層徑向外表面進行預處理的步驟，並且泵浦光纖預處理後形成的端面結構與主光纖連接部的內包層徑向外表面預處理後的形狀互補。
8.如權利要求6所述的製造方法，其特徵在於，所述步驟S2中泵浦光纖預處理方式為高溫加熱同時加力處理、化學腐蝕、機械拋磨、雷射刻蝕或離子束刻蝕。
9.如權利要求7所述的製造方法，其特徵在於，所述步驟S2中主光纖預處理方式為高溫加熱同時加力處理、化學腐蝕、機械拋磨、雷射刻蝕或離子束刻蝕。
10.如權利要求6所述的製造方法，其特徵在於，所述步驟S4中耦合區空氣層消除的方式位高溫熔合、高溫鍵合、膠粘合、光膠合、直接加力貼合或液體填充貼合。
全文摘要
本發明公開了一種光纖側面泵浦耦合器及其製造方法，所述耦合器包括主光纖和至少一根泵浦光纖，所述主光纖的連接部具有外露的內包層徑向外表面，所述泵浦光纖的連接端具有與所述外露的內包層徑向外表面的形狀互補匹配並貼緊連接的端面結構。所述製造方法包括以下步驟將主光纖連接部處的塗覆層去除，露出內包層；將泵浦光纖連接端處的塗覆層去除，露出包層；對泵浦光纖連接端處進行預處理，形成與所述主光纖連接部處的內包層徑向外表面形狀互補的端面結構；將泵浦光纖的端面結構與主光纖連接部內包層的徑向外表面對應緊密配合，形成耦合區；消除耦合區中的空氣層，使得泵浦光纖與主光纖形成一體。本發明的耦合器耦合效率高、穩定性好。
文檔編號H01S3/094GK102891429SQ20111045633
公開日2013年1月23日 申請日期2011年12月30日 優先權日2011年12月30日
發明者鞏馬理, 肖起榕, 閆平, 張海濤, 柳強, 黃磊 申請人:清華大學