一种光纤合束器及其制备方法

技术领域

本发明涉及光纤合束器技术领域，具体为一种光纤合束器及其制备方法。

背景技术

光纤激光器具有转换效率高、光束质量好、热管理方便及结构紧凑等优点，随着科技的发展其已在工业制造和国防安全等领域取得了广泛的应用同时也是未来高功率激光发展的重要方向之一。光纤合束器是实现高功率光纤激光的核心元器件，在单台激光器中可将多个高功率泵浦源输出的功率进行合成，为光纤激光器提供更高的泵浦功率。光纤合束器可将多个中等功率的光纤激光器进行功率合成，以获得更高功率的光纤激光输出，彻底解决单根光纤激光器由于非线性效应、光纤端面损伤、热透镜效应等因素存在功率瓶颈的限制。

传统的光纤合束器通常是采用拉锥或套管熔接，其对拉锥操作者的工艺精度要求极高，由于光纤在熔融拉锥过程中，光纤因受到扭转力及重力的作用而发生形变、拉伸和弯曲并形成锥形体，但由于环境温度及受力影响极易导致拉锥角度、形变不一致造成光纤传输不均匀而致使合束器局部温升较高，严重影响光束质量，甚至损坏光纤和器件，另外，套管熔接过程中极易形成气泡或形状角度不同程度的形变造成光纤传输不均匀而致使合束器局部温升较高，严重影响光束质量，甚至损坏光纤和器件等情况发生，故而提出一种光纤合束器及其制备方法来解决上述问题。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种光纤合束器及其制备方法，具备制作简单快捷、无需拉锥工艺、降低生产难度及制造成本，光纤合束器传输均匀、光束质量高，使用寿命长等优点，解决了传统的光纤合束器通常是采用拉锥或套管熔接，其对拉锥操作者的工艺精度要求极高，由于光纤在熔融拉锥过程中，光纤因受到扭转力及重力的作用而发生形变、拉伸和弯曲并形成锥形体，但由于环境温度及受力影响极易导致拉锥角度、形变不一致造成光纤传输不均匀而致使合束器局部温升较高，严重影响光束质量，甚至损坏光纤和器件，另外，套管熔接过程中极易形成气泡或形状角度不同程度的形变造成光纤传输不均匀而致使合束器局部温升较高，严重影响光束质量，甚至损坏光纤和器件等的问题。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种光纤合束器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、将一根双包层信号光纤的局部外包层进行处理并形成裸露的光纤耦合区；

S2、将具有中心孔的预制锥形石英管套接于双包层信号光纤外并移动至裸露的光纤耦合区；

S3、向预制锥形石英管内填充光纤耦合剂并排出光纤耦合区的气体，将预制锥形石英管与双包层信号光纤进行固化处理，形成具有倒锥台面的固化光纤束；

S4、将多根输入光纤的一端外包层腐蚀掉并进行端面整平处理；以预制锥形石英管的中心线为中心轴依次将多根整平后的输入光纤端面与固化光纤束的倒锥台面进行圆周等角度熔接；

S5、对预制锥形石英管外围及其与信号光纤的连接处涂覆涂层，从而制成光纤合束器。

优选的，所述预制锥形石英管的通过化学腐蚀、激光刻蚀或机械研磨的方式对圆柱石英管加工而成。

优选的，所述双包层信号光纤的外径为r1,所述预制锥形石英管的小头端的外径为r2，则r1与r2满足：0.1μm+r1＜r2＜25μm+r1，预制锥形石英管两端的锥腰直径比不小于7。

优选的，所述步骤S3中固化处理具体为采用固化剂将预制锥形石英管与双包层信号光纤进行固化。

优选的，所述固化剂包括双酚A型环氧树脂与紫外固化树脂或三乙烯四胺固化剂合成胶水。

优选的，所述步骤S4中端面整平处理包括机械切平、机械研磨及酒精清洗。

优选的，还包括以下步骤：

S6、采用封装结构对所述光纤合束器进行包裹。

本技术方案还提供一种光纤合束器，所述光纤合束器采用权利要求1至7任意一项所述的制备方法制成。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明提供了一种光纤合束器及其制备方法，具备以下有益效果：

该光纤合束器及其制备方法，通过将双包层信号光纤的局部外包层进行腐蚀从而形成光纤耦合区，并通过在双包层信号光纤的光纤耦合区套接预制锥形石英管，进而形成倒锥台面并使得多个输入光纤的端面便于与倒锥台面进行熔接及耦合，从而实现简单方便快速高精度制作光纤合束器，避免采用熔拉锥或套管熔接对操作人员要求极高造成生产难度大且成本高的情况发生，本技术方案通过利用预制预制锥形石英管的圆锥面对多根输入光纤进行耦合，进而提高各束光路的耦合均匀性，避免由于环境温度及受力影响极易导致拉锥角度、形变不一致造成光纤传输不均匀而致使合束器局部温升较高严重影响光束质量、甚至损坏光纤和器件的情况发生，再通过向光纤耦合区的双包层信号光纤和预制锥形石英管之间填充光纤耦合剂排除气泡并通过固化剂对预制锥形石英管与双包层信号光纤进行固化，进一步提高合束器的传输稳定性及光束质量，达到简单方便快捷制作、且无需熔拉锥、套管熔接工艺并降低生产难度及制造成本的效果，光纤合束器传输均匀、光束质量高，且使用寿命长等优点。

附图说明

图1为本发明提出的一种光纤合束器及其制备方法结构示意图；

图2为本发明提出的一种光纤合束器及其制备方法结构剖视图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-2，一种光纤合束器的制备方法，包括如下步骤：

S1、将一根双包层信号光纤100的局部外包层进行处理并形成裸露的光纤耦合区101，使得后续多根输入光纤500的光束便于进行耦合；

S2、将具有中心孔的预制锥形石英管200套接于双包层信号光纤100外并移动至裸露的光纤耦合区101，利用预制锥形石英管200的内壁与双包层信号光纤100上光纤耦合区101的外壁形成光路合成区域；

S3、向预制锥形石英管200内填充光纤耦合剂300并排出光纤耦合区101的气体，避免气泡影响预制锥形石英管200内光束与双包层信号光纤100之间的光信号传输均匀性，同时增大预制锥形石英管200与双包层信号光纤100之间的耦合紧密度及信号传输稳定性，将预制锥形石英管200与双包层信号光纤100进行固化处理，形成具有倒锥台面的固化光纤束，避免预制锥形石英管200相对双包层信号光纤100滑动或者光纤耦合区101的光纤耦合剂300溢出形成新的气泡而影响锥形石英管内光束与双包层信号光纤100之间的光信号传输均匀性及稳定性等情况发生，最后利用预制锥形石英管200上的较大一端面便于对多个输入光纤500与预制锥形石英管200进行耦合，即进一步提高了该光纤合束器的传输质量；

S4、将多根输入光纤500的一端外包层腐蚀掉并进行端面整平处理，避免多根输入光纤500与预制锥形石英管200熔接过程中其外包层对熔接连接部位造成污染而影响光纤传输稳定性等情况发生；以预制锥形石英管200的中心线为中心轴依次将多根整平后的输入光纤500端面与固化光纤束的倒锥台面进行圆周等角度熔接，利用多个输入光纤500与双包层信号光纤100和预制锥形石英管200同轴心呈圆周分布，进一步提高多个输入光纤500进入预制锥形石英管200及双包层信号光纤100的信号均匀性及稳定性，有效避免进入预制锥形石英管200及双包层信号光纤100的光纤传输不均匀而致使合束器局部温升较高、严重影响光束质量、甚至损坏光纤和器件等情况发生；

S5、对预制锥形石英管200外围及其与信号光纤的连接处涂覆涂层，进而使得进入预制锥形石英管200的光纤信号发生全反射，有效避免光纤信号溢出而影响该光纤合束器整体传输质量的情况发生，从而制成光纤合束器。

优选的，通过预制锥形石英管200采用化学腐蚀、激光刻蚀或机械研磨的方式对圆柱石英管加工而成，从而有效避免传统熔融拉锥过程中由于环境温度及受力影响极易导致拉锥角度、形变不一致造成光纤传输不均匀而致使合束器局部温升较高，严重影响光束质量，甚至损坏光纤和器件等情况发生。

优选的，双包层信号光纤100的外径为r1,预制锥形石英管200的小头端的外径为r2，则r1与r2满足：0.1μm+r1＜r2＜25μm+r1，由光纤的耦合率计算公式：U＝1/[1+(A/B)]，其中A表示偶极子温度计的基本衰减值，B表示源偶极子温度计的基本衰减值，下表格为不同预制锥形石英管200的小头端的外径r2对应的耦合效率，η表示耦合效率：

有上述表格实验结果可知，当双包层信号光纤100的外径为r1,预制锥形石英管200的小头端的外径为r2，且r1与r2满足：0.1μm+r1＜r2＜25μm+r1时，该光纤合束器的传输效率高，再由锥形光纤的特性可知，锥度越大其尖端半径与芯径确定的情况下，锥角越大光纤的耦合效率就越大，故本技术方案中预制锥形石英管200两端的锥腰直径比采用不小于7，即使得多根输入光纤500的一端便于与预制锥形石英管200的倒锥台面进行熔接耦合，同时提高该光纤合束器的传输效率及质量。

优选的，步骤S3中固化处理具体为采用固化剂400将预制锥形石英管200与双包层信号光纤100进行固化，相对传统套管熔接本技术方案采用固化剂400对预制锥形石英管200与双包层信号光纤100进行固化，无需加热熔融，即进一步避免熔融过程中预制锥形石英管200内壁形成气泡或变形而造成光纤传输不均匀而致使合束器局部温升较高、严重影响光束质量、甚至损坏光纤和器件等情况发生。

优选的，固化剂400包括双酚A型环氧树脂与紫外固化树脂或三乙烯四胺固化剂400合成胶水。

优选的，步骤S4中端面整平处理包括机械切平、机械研磨及酒精清洗，通过机械切平、机械研磨及酒精清洗有利于提高熔接端面的平整度，同时避免熔接过程中造成二次污染而影响该光纤合束器传输质量的情况发生。

优选的，还包括以下步骤：

S6、采用封装结构对光纤合束器进行包裹，进一步避免外界环境对预制锥形石英管200的连接处凹槽污染相对提高了该光纤合束器的传输稳定性。

本技术方案还提供一种光纤合束器，光纤合束器采用权利要求1至7任意一项的制备方法制成。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。