高功率光纖準直器及其製造方法

2023-09-22 06:44:10 3

專利名稱：高功率光纖準直器及其製造方法
技術領域：
本發明涉及一種光纖準直器及其製造方法，具體涉及一種可以承載高功率 雷射輸入輸出的光纖準直器及其製造方法。
背景技術：
近幾年來，在1064nm波段附近實現單模光纖輸出雷射的高功率光纖雷射器 已在光通信、材料加工、醫學、信息存儲、雷射印刷、監測以及雷射光譜等領 域得到迅速的應用。隨著雷射輸出功率的不斷提高，光路中必須應用高功率光 纖準直器來實現高功率雷射的聚焦或輸出。傳統的光纖通信系統中應用的光纖 準直器都為低功率器件，其承載功率通常在500mW以下，且其應用波段多為 1310nm和1550nm附近的通信窗口，這類光纖準直器不能應用在1064nm雷射輸出 系統中。而現有的1064nm光纖準直器採用的單模光纖芯徑為6.2um左右，光纖準 直器所能承載的雷射功率受光纖纖芯在表面膜層處雷射損傷閾值的限制。
中國專利申請02154783. 1，"高功率光纖耦合"，提出的在單模光纖出射端 熔接一段無包層玻璃光纖的方法，並採用自聚焦透鏡實現準直輸出。該專利的 實現方案存在如下缺點
1) 單模光纖的芯層材料為石英材料，其軟化溫度在175(TC左右，而玻璃光 纖在100(TC就會被軟化，它們之間的熔接不容易實現；
2) 自聚焦透鏡是由多種材料組成，其折射率沿徑向呈梯度變化，高功率激 光入射，更易產生自聚焦現象，這種現象會使局部區域的光束溫度增加幾個數 量級，限制了雷射輸出的峰值功率；
3) 自聚焦透鏡材料中通常含有鉑夾雜物，這些夾雜物會吸收光能而被加熱， 隨著吸收熱量的增多，夾雜物將會被汽化，導致透鏡開裂。

發明內容
本發明的目的在於提出了一種可以承載高功率雷射輸入輸出的光纖準直器及其製造方法，可以應用在1064nm波段附近的高功率光纖隔離器和高功率光纖 雷射器中。
本發明的技術解決方案是
一種高功率光纖準直器，包括從內到外層層相套的毛細管102，玻璃管105 以及銅套管107，所述毛細管102與玻璃管105以及玻璃管105與銅套管107均 通過環氧膠A106粘接，
其特殊之處在於
還包括雙包層光纖101，所述雙包層光纖101固定於毛細管102中，並通過 環氧膠B103粘接，所述環氧膠B103的折射率低於內包層光纖101的折射率， 這樣可以有效減少光纖在毛細管102中傳輸的漏光現象，提高傳輸效率；
所述固定於一起的雙包層光纖101和毛細管102具有一個研磨拋光的出射端 面108，所述出射端面108出射處還設置有耦合透鏡104，所述固定於一起的雙包 層光纖IOI、毛細管102、出射端面108以及耦合透鏡104均位於玻璃管105內，所 述耦合透鏡104與玻璃管105通過環氧膠A106粘接。其中環氧膠A106與環氧膠 B103可以採用353ND膠或者其它類似性能的膠。
上述雙包層光纖101芯層直徑為15 30um，內包層直徑為130 400um，塗 覆層直徑為250um 550um。
上述出射端面108鍍制有耐高功率減反射膜。
上述出射端面108為平端面或斜端面；當其為斜端面時，斜角為2 10度， 可以減少出射光的回波損耗。。
上述毛細管102為石英玻璃毛細管或硼酸鹽玻璃毛細管。
上述耦合透鏡104兩邊鍍制有耐高功率減反射膜。
上述玻璃管105為石英玻璃管或硼酸鹽玻璃管。
上述銅套管107表面為鍍金表面，這樣便於和其它部件的焊接封裝。
一種製造高功率光纖準直器的方法，其特殊之處在於，該製造方法包括以
下步驟
1)除去雙包層光纖101—端的部分表面塗覆層，並用酒精清潔乾淨備用；
62) 選定與所用雙包層光纖101直徑匹配的毛細管102，把毛細管102經過超 聲波清洗乾淨，置於固定夾具中，固定夾具保持恆定溫度70 11(TC;
3) 在毛細管102喇叭口處點上適量環氧膠B103，環氧膠B103快速融化，立 即把雙包層光纖101剝完塗覆層的部分插入到毛細管102的內孔裡並露出一部分 到毛細管102的無喇叭口的端面之外，幾分鐘之後，雙包層光纖101固定於毛細 管102之中；
4) 把固定在一起的雙包層光纖101與毛細管102從固定夾具中取出，除去毛 細管102的無喇叭口的端面之外多餘的雙包層光纖101，進行研磨、拋光；
5) 把玻璃管105再置於固定夾具中，固定夾具保持恆定溫度70 11(TC，把 耦合透鏡104插入玻璃管105的一端中，點上適量環氧膠A106，該環氧膠在3分鐘 之內固化。
6) 把帶雙包層光纖101的毛細管102插入玻璃管另一端，尾纖接上功率大於 20W的光源，在溫度70 11(TC下調節毛細管102和耦合透鏡104的相對位置和相 對角度，待毛細管102和耦合透鏡104的相對位置和相對角度調節好後，在毛細 管102與玻璃管105的縫隙處點上適量環氧膠，環氧膠在幾分鐘之內由融化到固 化；
7) 帶尾纖的毛細管102和耦合透鏡104通過玻璃管105固定後，從固定夾具 中取出，再插入置於溫度為70 11(TC的夾具中的銅套管107內，在銅套管107內 側點上適量環氧膠A106，該環氧膠在3分鐘之內固化後，再置於溫度為70 110 'C的烤箱中烘烤2小時，得該高功率光纖準直器。
上述各步驟中恆定溫度70 11(TC通過加熱裝置和傳感器實現，即用傳感器 讀取溫度數據，如果溫度低於70 11(TC的範圍用加熱裝置加熱升溫，如果溫度 高於70 11(TC的範圍關閉加熱裝置降溫。
在上述步驟6)中，在毛細管102與玻璃管105的縫隙處點上適量環氧膠之前 還包括一檢測步驟，該檢測步驟具體為在耦合透鏡104的另一側放置標準光纖準 直器和功率計，來檢測所製造的光纖準直器的插入損耗、工作距離和可承載峰 值功率的參數；當這些參數符合要求時，再進行在毛細管102與玻璃管105的縫隙處點上適量環氧膠的步驟。 本發明的優點在於
1) 採用雙包層光纖實現單模輸入輸出，可以大大提高光纖的承載峰值功率，
該雙包層光纖比傳統芯徑為6. 2um的單模光纖承載的功率密度提高了6 23倍。
2) 採用一種折射率略低於內包層折射率的環氧膠固定裸纖於毛細管中，可 以有效減少光纖在毛細管中傳輸的漏光現象，提高傳輸效率。
3) 採用高溫加熱固化方法，只採用一種環氧膠，工藝過程簡單有序，大大 減少了製造時間。傳統的採用環氧膠固化的方法複雜、工藝流程多、製造時間 長，比如光纖和毛細管之間的固定、耦合透鏡和玻璃管之間的固定、帶尾纖的 毛細管和玻璃管之間的固定、玻璃管和銅套管之間的固定，都是先點上適量環 氧膠，然後再點紫外固化膠，紫外固化膠用紫外光源照射固化後，再把光纖和 毛細管、耦合透鏡和玻璃管、帶尾纖的毛細管和玻璃管、玻璃管和銅套管，分 別拿到烤箱中烘烤2小時左右，這樣往復循環的烘烤，不僅會影響產品的性能參 數，而且極大的消耗了產品製造時間。
4) 採用高溫下測試封裝的方法，可以使高功率光纖準直器的性能參數優化 在高溫，這與高功率光纖準直器的使用環境一致。因為高功率光纖準直器應用 在高功率雷射傳輸系統中，在入射出射界面會產生一定的高溫，這樣高溫下性 能參數得到有效保證的光纖準直器在使用時其性能參數會更可靠。
5) 採用高溫下及時封裝的方法，可以在封裝過程中對帶尾纖的毛細管進行 微調，可以使高功率光纖準直器的性能參數達到最佳。因為用環氧膠加熱固化 幾分鐘後，其性能參數可以穩定下來，再烘烤2小時，只是除去環氧膠中的微量 水分，增加產品的可靠性和使用壽命，對其光學性能參數幾乎沒有影響。環氧 膠在前幾分鐘內固化產生的應力釋放導致粘接物位置的微移，是使得產品在烘 烤後性能參數發生變化的主要原因，而傳統的採用紫外固化膠先固定，再烘烤 環氧膠的方法，不能在烘烤的前幾分鐘內對粘接物的位置進行微調，使得烘烤 後產品的性能參數發生惡化而無法再進行修正。


8圖l是本發明結構示意圖。
附圖標號說明101—雙包層光纖；102—毛細管；103—環氧膠B; 104—
耦合透鏡；105—玻璃管；106—環氧膠A; 107—銅套管；108—出射端面。
具體實施例方式
參見圖l， 一種高功率光纖準直器，包括一種芯徑為15um、內包層為130um、 塗覆層為250um的雙包層光纖101，與雙包層光纖101匹配的毛細管102，環氧膠 B103，耦合透鏡104，玻璃管105，種環氧膠A106，銅套管107，雙包層光纖101 和毛細管102之間通過環氧膠B103粘接，耦合透鏡104和玻璃管105之間、毛細管 102和玻璃管105之間、玻璃管105和銅套管107之間都是通過環氧膠A106粘接。
其中雙包層光纖101可以是芯徑為20um、內包層為400um以及塗覆層為550um 的雙包層光纖，可以是芯徑為30um、內包層為250um以及塗覆層為400um的雙包 層光纖，還可以是芯徑為30um、內包層為400um、塗覆層為550um的雙包層光纖。
一種製造上述高功率光纖準直器的方法，包括以下步驟
1) 除去雙包層光纖101—端的部分表面塗覆層，並用酒精清潔乾淨備用；
2) 選定與所用雙包層光纖101直徑匹配的毛細管102，把毛細管102經過超 聲波清洗乾淨，置於固定夾具中，固定夾具保持恆定溫度70 11(TC;
3) 在毛細管102喇叭口處點上適量環氧膠B103，環氧膠B103快速融化，立 即把雙包層光纖101剝完塗覆層的部分插入到毛細管102的內孔裡並露出一部分 到毛細管102的無喇叭口的端面之外，3分鐘之內環氧膠B103固化，雙包層光纖 101固定於毛細管102之中；
4) 把固定在一起的雙包層光纖101與毛細管102從固定夾具中取出，除去毛 細管102的無喇叭口的端面之外多餘的雙包層光纖101，進行研磨、拋光；
5) 把玻璃管105再置於固定夾具中，固定夾具保持恆定溫度70 11(TC，把 耦合透鏡104插入玻璃管105的一端中，點上適量環氧膠A106，該環氧膠A106在3 分鐘之內固化。
6) 把帶雙包層光纖101的毛細管102插入玻璃管105另一端，尾纖接上功率 大於20W的光源，在溫度70 110。C下調節毛細管102和耦合透鏡104的相對位置和相對角度，待毛細管102和耦合透鏡104的相對位置和相對角度調節好後，在 耦合透鏡104的另一側放置標準光纖準直器和功率計，來檢測所製造的光纖準直 器的插入損耗、工作距離和可承載峰值功率的參數；當這些參數符合要求時， 在毛細管102與玻璃管105的縫隙處點上適量環氧膠A106，該環氧膠A106在3分鐘 之內由融化到固化；
7)帶尾纖的毛細管102和耦合透鏡104通過玻璃管105固定後，從固定夾具 中取出，再插入置於溫度為70 110'C的夾具中的銅套管107內，在銅套管107內 側點上適量環氧膠A106，該環氧膠A106在3分鐘之內固化後，再置於溫度為70 11(TC的烤箱中烘烤2小時，得該高功率光纖準直器。
各步驟中恆定溫度70 11CTC通過加熱裝置和傳感器實現，即用傳感器讀取 溫度數據，如果溫度低於70 11(TC的範圍用加熱裝置加熱升溫，如果溫度高於 70 11(TC的範圍關閉加熱裝置降溫。
權利要求
1.一種高功率光纖準直器，包括從內到外層層相套的毛細管(102)，玻璃管(105)以及銅套管(107)，所述毛細管(102)與玻璃管(105)以及玻璃管(105)與銅套管(107)均通過環氧膠A(106)粘接，其特徵在於還包括雙包層光纖(101)，所述雙包層光纖(101)固定於毛細管(102)中，並通過環氧膠B(103)粘接，所述環氧膠B(103)的折射率低於內包層光纖(101)的折射率；所述固定於一起的雙包層光纖(101)和毛細管(102)具有一個研磨拋光的出射端面(108)，所述出射端面(108)出射處還設置有耦合透鏡(104)，所述固定於一起的雙包層光纖(101)、毛細管(102)、出射端面(108)以及耦合透鏡(104)均位於玻璃管(105)內，所述耦合透鏡(104)與玻璃管(105)通過環氧膠A(106)粘接。
2. 根據權利要求1所述高功率光纖準直器，其特徵在於所述雙包層光纖 (101)芯層直徑為15 30um，內包層直徑為130 400um，塗覆層直徑為250um 550um。
3. 根據權利要求1所述高功率光纖準直器，其特徵在於:所述出射端面(108)鍍制有耐高功率減反射膜。
4. 根據權利要求1 3任一所述高功率光纖準直器，其特徵在於所述出射 端面(108)為平端面或斜端面；當其為斜端面時，斜角為2 10度。
5. 根據權利要求4所述高功率光纖準直器，其特徵在於所述毛細管(102)為石英玻璃毛細管或硼酸鹽玻璃毛細管。
6. 根據權利要求5所述高功率光纖準直器，其特徵在於:所述耦合透鏡(104)兩邊鍍制有耐高功率減反射膜。
7. 根據權利要求6所述高功率光纖準直器，其特徵在於所述玻璃管(105)為石英玻璃管或硼酸鹽玻璃管。
8. 根據權利要求7所述高功率光纖準直器，其特徵在於所述銅套管(107)表面為鍍金表面。
9. 一種製造權利要求l所述高功率光纖準直器的方法，其特徵在於，該製造 方法包括以下步驟1) 除去雙包層光纖(101) —端的部分表面塗覆層，並用酒精清潔乾淨備用；2) 選定與所用雙包層光纖(101)直徑匹配的毛細管(102)，把毛細管(102) 經過超聲波清洗乾淨，置於固定夾具中，固定夾具保持恆定溫度70 11(TC;3) 在毛細管(102)喇叭口處點上適量環氧膠B (103)，環氧膠B (103)快 速融化，立即把雙包層光纖(101)剝完塗覆層的部分插入到毛細管(102)的 內孔裡並露出一部分到毛細管(102)的無喇叭口的端面之外，3分鐘之內環氧 膠B (103)固化，雙包層光纖(101)固定於毛細管(102)之中；4) 把固定在一起的雙包層光纖(101)與毛細管(102)從固定夾具中取出， 除去毛細管(102)的無喇叭口的端面之外多餘的雙包層光纖(101)，進行研磨、 拋光；5) 把玻璃管(105)再置於固定夾具中，固定夾具保持恆定溫度70 110。C， 把耦合透鏡(104)插入玻璃管(105)的一端中，點上適量環氧膠A (106)，該 環氧膠在3分鐘之內固化。6) 把帶雙包層光纖(101)的毛細管(102)插入玻璃管(105)另一端， 尾纖接上功率大於20W的光源，在溫度70 11(TC下調節毛細管(102)和耦合透 鏡(104)的相對位置和相對角度，待毛細管(102)和耦合透鏡(104)的相對 位置和相對角度調節好後，在毛細管(102)與玻璃管(105)的縫隙處點上適 量環氧膠A (106)，該環氧膠A (106)在3分鐘之內由融化到固化；7) 帶尾纖的毛細管(102)和耦合透鏡(104)通過玻璃管(105)固定後， 從固定夾具中取出，再插入置於溫度為70 11(TC的夾具中的銅套管(107)內， 在銅套管(107)內側點上適量環氧膠A (106)，該環氧膠A (106)在3分鐘之內 固化後，再置於溫度為70 11(TC的烤箱中烘烤2小時，得該高功率光纖準直器。
10. 根據權利要求9所述製造高功率光纖準直器的方法，其特徵在於在所述步驟6)中，在毛細管(102)與玻璃管(105)的縫隙處點上適量環氧膠之前還包括一檢測步驟，該檢測步驟具體為在耦合透鏡(104)的另一側放置標準光纖準直器和功率計，來檢測所製造的光纖準直器的插入損耗、工作距離和可承載峰值功率的參數；當這些參數符合要求時，再進行在毛細管(102)與玻璃管(105)的縫隙處點上適量環氧膠A (106)的步驟。
全文摘要
一種高功率光纖準直器及其製造方法，包括從內到外層層相套的毛細管，玻璃管以及銅套管，毛細管與玻璃管以及玻璃管與銅套管均通過環氧膠A粘接，還包括雙包層光纖，雙包層光纖固定於毛細管中，並通過環氧膠B粘接，環氧膠B的折射率低於內包層光纖的折射率，固定於一起的雙包層光纖和毛細管具有一個研磨拋光的出射端面，出射端面出射處還設置有耦合透鏡，固定於一起的雙包層光纖、毛細管、出射端面以及耦合透鏡均位於玻璃管內，耦合透鏡與玻璃管通過環氧膠A粘接。本發明大大提高光纖的承載峰值功率，可以應用在1064nm波段附近的高功率光纖隔離器和高功率光纖雷射器中。
文檔編號G02B6/32GK101666890SQ20081015080
公開日2010年3月10日 申請日期2008年9月4日 優先權日2008年9月4日
發明者張文松, 衛 趙 申請人:中國科學院西安光學精密機械研究所