CN105652462B - 一种带包层光滤除功能的大功率光纤准直器*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带包层光滤除功能的大功率光纤准直器***，包括双包层光纤输出尾纤、玻璃光纤端帽及其夹具、准直透镜及封装装置和水冷循环组件；玻璃光纤端帽及其夹具包括玻璃光纤端帽和端帽夹具，准直透镜及封装装置包括准直透镜和准直透镜封装夹具；双包层输出光纤尾纤的尾纤纤芯与玻璃光纤端帽通过熔接进行连接，端帽夹具和准直透镜及封装装置中的准直透镜封装夹具通过螺纹进行连接，利用准直透镜实现对包层光的滤除；水冷循环组件与准直透镜封装夹具连接用来对准直透镜进行冷却。本发明能够消除包层光影响，提高功率处理能力，提高光纤激光输出效率。

Description

一种带包层光滤除功能的大功率光纤准直器***

技术领域

本发明主要涉及到光纤激光器领域，特指一种带包层光滤除功能的大功率光纤准直器***。

背景技术

光纤激光器具有转换效率高、光束质量好、结构紧凑、易散热、工作稳定性好等优点，已经广泛应用于工业和国防领域。根据这些应用的需要，人们对于光纤激光器输出功率的追求也越来越高。近些年来，随着双包层光纤泵浦技术的成熟和光纤制造工艺的改进，光纤激光器的输出功率也不断提升，单模光纤激光器的输出功率已经突破10KW，对于相关器件所承受的功率水平也提出了更高的要求。

光纤准直器是光纤激光器输出所必须的基本光学元件。它可以将光纤内的传输激光转化为空间中传播的准直光（近似平行光），从而方便光纤激光的空间耦合以及远距离传输等。在很多光无源器件中，如光隔离器、滤波器等，都需要用到光纤准直器。

对于大功率光纤激光器的输出光纤准直器，除了一般应用条件下的要求外，还要求光纤准直器能够承受很高的输出功率。同时，由于现在大功率光纤激光器及放大器普遍采用的双包层光纤泵浦技术存在着输出光纤中残留包层光的情况，需要在使用中排除包层光的影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种能够消除包层光影响、提高功率处理能力、提高光纤激光输出效率的带包层光滤除功能的大功率光纤准直器***。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种带包层光滤除功能的大功率光纤准直器***，包括双包层光纤输出尾纤、玻璃光纤端帽及其夹具、准直透镜及封装装置和水冷循环组件；所述玻璃光纤端帽及其夹具包括玻璃光纤端帽和端帽夹具，所述准直透镜及封装装置包括准直透镜和准直透镜封装夹具；所述双包层输出光纤尾纤的尾纤纤芯与玻璃光纤端帽通过熔接进行连接，所述端帽夹具和准直透镜及封装装置中的准直透镜封装夹具通过螺纹进行连接，利用所述准直透镜实现对包层光的滤除；所述水冷循环组件与准直透镜封装夹具连接用来对准直透镜进行冷却。

作为本发明的进一步改进：所述双包层光纤输出尾纤和玻璃光纤端帽用具有导热性的胶水封装在端帽夹具里面。

作为本发明的进一步改进：所述准直透镜封装夹具31的内表面涂覆一层高折射率的吸收材料形成高折射率吸收材料层。

作为本发明的进一步改进：所述水冷循环组件包括进水口、内循环通道、外循环通道和出水口，所述水冷外循环通道与准直透镜封装夹具连接，冷却水从所述进水口进入内循环通道，对准直透镜封装夹具进行水冷处理，然后进入所述外循环通道，最后从所述出水口排出。

作为本发明的进一步改进：所述水冷外循环通道与准直透镜封装夹具通过螺纹和具有导热性的胶水进行连接。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明的带包层光滤除功能的大功率光纤准直器***，在双包层光纤输出尾纤增加了玻璃光纤端帽，提高了光纤激光输出效率和可承受功率。

2、本发明的带包层光滤除功能的大功率光纤准直器***，增加了包层光滤除功能，使得这种光纤准直器能够适用于带包层光的光纤激光器及放大器。

3、本发明的带包层光滤除功能的大功率光纤准直器***，采用空间滤除包层光，增大了包层光滤除的面积，提高了包层光滤除能力。

4、本发明的带包层光滤除功能的大功率光纤准直器***，增加了光纤准直器的水冷组件，提高了准直透镜处理大功率激光的能力。

附图说明

图1是本发明的总体结构示意图。

图2是本发明在具体应用实例中双包层光纤输出端帽结构示意图。

图3是本发明在具体应用实例中玻璃光纤端帽中光传播原理示意图。

图4是本发明在具体应用实例中光纤准直器中光传播原理示意图。

图5 是本发明在具体应用实例中水冷循环组件结构示意图。

图例说明：

11、尾纤纤芯；14、纤芯信号光；15、包层泵浦光；21、玻璃光纤端帽；22、出射面；23、端帽夹具；31、准直透镜封装夹具；32、高折射率吸收材料层；33、准直透镜；41、水冷外循环通道；42、连接点；43、进水口；44、内循环通道；45、外循环通道；46、出水口。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明的带包层光滤除功能的大功率光纤准直器***，包括双包层光纤输出尾纤、玻璃光纤端帽及其夹具、准直透镜及封装装置和水冷循环组件。双包层光纤前级不需要做特殊处理，可以直接与双包层输出光纤尾纤相连。玻璃光纤端帽及其夹具包括玻璃光纤端帽21和端帽夹具23，准直透镜及封装装置包括准直透镜33和准直透镜封装夹具31；双包层输出光纤尾纤的尾纤纤芯11与玻璃光纤端帽21通过熔接进行连接，双包层光纤输出尾纤1和玻璃光纤端帽21都用导热良好的胶水封装在端帽夹具23里面；端帽夹具23和准直透镜及封装装置中的准直透镜封装夹具31通过螺纹进行连接，利用准直透镜33实现对包层光的滤除；水冷循环组件中的水冷外循环通道45与准直透镜封装夹具31通过螺纹和导热良好的胶水进行连接，用来对准直透镜33进行冷却。

如图2所示，为本发明在具体应用实例中玻璃光纤端帽及其夹具的结构示意图。首先，将双包层光纤输出尾纤剥除涂覆层，清洁处理之后切割输出端面。利用端帽熔接***将清洁后的玻璃光纤端帽21熔接到双包层光纤输出尾纤上。最后，将双包层光纤输出尾纤和玻璃光纤端帽21一起封装在端帽夹具23中。在封装的过程中采用导热良好的胶水，同时必须保证尾纤的封装区域涂覆层没有破坏。参见图2，其中给出了双包层光纤中纤芯信号光14和包层泵浦光15的传播路径。当两种光从双包层光纤进入到玻璃光纤端帽21中以后，由于二者原有的波导结构都已经破坏，将在玻璃光纤端帽21中按各自的数值孔径发散。纤芯信号光14的数值孔径一般为NA=0.06，对应空间发散角为θ≈0.06；包层泵浦光15的数值孔径一般为NA=0.46，对应空间发散角为θ≈0.46。由于二者发散角存在很大的差异，在空间传播过程中很容易分开。

如图3所示，为在具体应用实例中玻璃光纤端帽21内光传播的原理示意图。以纤芯信号光14为例，采用高斯光束模型，由于玻璃光纤端帽21折射率与双包层光纤内包层材料折射率一致，因而与纤芯折射率材料的差异很小，这就使得信号光从双包层光纤输出尾纤的尾纤纤芯11进入到玻璃光纤端帽21的过程中反射损耗很小（图中A点）。当光进入到玻璃光纤端帽21中以后，由于原有波导结构不复存在，光将沿着传播方向逐渐发散，如图中曲线所示(靠近A点的发射曲线)，发散程度由纤芯数值孔径决定。当光传播到玻璃光纤端帽21的出射面22时，增透膜处理能够显著降低回光。但由于空气折射率可以看作是1，因而从玻璃光纤端帽21到空气的传播过程中需要考虑折射。折射效应增大了出射光的发散角，如图中曲线所示（远离A点的发射曲线），因而从空间来看，光的焦点位置由A点变到了B点。包层泵浦光15有类似的传播规律，但是由于数值孔径较大，在分析时可以采用光线传播理论。

如图4所示，为本发明在具体应用实例中准直透镜及封装装置的结构示意图。首先，在准直透镜封装夹具31的内表面涂覆一层高折射率的吸收材料形成高折射率吸收材料层32，为了确保对包层泵浦光15的充分吸收，还需要对其进行粗糙处理。然后，将准直透镜33封装在准直透镜封装夹具31中，并保证准直透镜33的焦点落在上述的B点附近。最后，将端帽夹具23与准直透镜封装夹具31通过螺纹进行连接。螺纹有足够的长度和精度，可以实现一定范围内的调节，可以通过调节螺纹来实现激光的准直输出。

如图5所示，为本发明在具体应用实例中水冷循环组件的结构示意图。水冷循环组件包括进水口43、内循环通道44、外循环通道45和出水口46。水冷循环***通过螺纹与准直透镜封装夹具31连接在一起的，并利用胶水将螺纹与连接点42密封，形成水循环通道。其主要工作原理为：低温度的冷却水从进水口43进入内循环通道44，对准直透镜封装夹具31进行水冷处理，然后进入外循环通道45，最后从出水口46排出。

由上可知，本发明通过将带包层光的大功率光纤激光器输出光中纤芯信号光14和包层泵浦光15实现空间分离，利用光纤准直器实现对包层光的滤除，同时对准直透镜33进行水冷，实现大功率信号光输出。

在本发明当中，大功率双包层光纤激光的输出由原来的直接输出改为熔接玻璃光纤端帽21输出。一方面，熔接玻璃光纤端帽21后光场在玻璃光纤端帽21中发散，可以有效增大输出端面光场面积，从而降低光功率密度；另一方面，玻璃光纤端帽21的输出端面采用增透膜处理，提高了输出光透过率，有效抑制了回光。

传统的包层光滤除是直接对双包层光纤进行处理的，这种滤除方式受限于光纤内包层尺寸，因为采用这种方法进行滤除，热量会在内包层附近区域积累，很难实现高功率处理能力。而本发明采用空间包层光滤除方式，对输出光纤中的纤芯信号光14和包层泵浦光15不予处理，让二者同时通过玻璃光纤端帽21进行输出。由于二者数值孔径差异很大，从玻璃光纤端帽21输出后在空间会以不同的发散角进行传播。当纤芯信号光14和包层泵浦光15在空间传播一定距离之后，二者会在空间分开，此时再通过选择性地滤除包层泵浦光15，可以同样达到包层光滤除的目的。但是相比而言，这种处理方式是在空间完成的，不受内包层尺寸限制，因而具有更强的高功率滤除能力。

进一步，本发明对光纤准直器中准直透镜33进行水冷处理，通过对准直透镜33散热，降低了高功率条件下准直透镜33的畸变，提高光纤准直器的高功率承受能力。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种带包层光滤除功能的大功率光纤准直器***，其特征在于，包括双包层光纤输出尾纤、玻璃光纤端帽及其夹具、准直透镜及封装装置和水冷循环组件；所述玻璃光纤端帽及其夹具包括玻璃光纤端帽（21）和端帽夹具（23），所述准直透镜及封装装置包括准直透镜（33）和准直透镜封装夹具（31）；所述双包层输出光纤尾纤的尾纤纤芯（11）与玻璃光纤端帽（21）通过熔接进行连接，所述端帽夹具（23）和准直透镜及封装装置中的准直透镜封装夹具（31）通过螺纹进行连接，利用所述准直透镜（33）实现对包层光的滤除；所述水冷循环组件与准直透镜封装夹具（31）连接用来对准直透镜（33）进行冷却；所述准直透镜封装夹具（31）的内表面涂覆一层高折射率的吸收材料形成高折射率吸收材料层（32）。

2.根据权利要求1所述的带包层光滤除功能的大功率光纤准直器***，其特征在于，所述双包层光纤输出尾纤（1）和玻璃光纤端帽（21）用具有导热性的胶水封装在端帽夹具（23）里面。

3.根据权利要求1或2所述的带包层光滤除功能的大功率光纤准直器***，其特征在于，所述水冷循环组件包括进水口（43）、内循环通道（44）、外循环通道（45）和出水口（46），所述水冷外循环通道（45）与准直透镜封装夹具（31）连接，冷却水从所述进水口（43）进入内循环通道（44），对准直透镜封装夹具（31）进行水冷处理，然后进入所述外循环通道（45），最后从所述出水口（46）排出。

4.根据权利要求3所述的带包层光滤除功能的大功率光纤准直器***，其特征在于，所述水冷外循环通道（45）与准直透镜封装夹具（31）通过螺纹和具有导热性的胶水进行连接。