CN105826802A - 一种用于光纤激光器的包层光剥离器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于光纤激光器的包层光剥离器及其制作方法，该剥离器包括包层光纤、多段光栅和冷却管套，其制作方法是在裸露的光纤内包层外表面上涂覆折射率大于或等于内包层折射率的紫外光刻胶，然后在紫外光刻胶上刻蚀多段光栅，通过多段光栅的衍射将内包层内残余光剥离出来；将制作好的多段光栅套在金属管中，并用密封套密封，该金属管壁铺满吸热材料，将剥离出的内包层光吸收，通入流通的冷却水将产生的热量带走。本发明通过采用不同结构的光栅来调整包层光的透过率,达到高效均匀剥离的目的，避免剥离器出现过热点，保证光纤的高可靠性。本发明具有结构简单、适用性广、可靠性高等特点。

Description

一种用于光纤激光器的包层光剥离器及其制作方法

技术领域

本发明专利属于光纤激光器领域，涉及一种用于高功率光纤激光器的包层残余光剥离的装置及其制作方法。

背景技术

近年来，随着高功率光纤激光器的不断发展，光纤激光器的功率不断攀升，高功率光纤激光器已经成为一种应用广泛的工业加工激光器，对其光束质量以及***的稳定性的要求也更加严格。

在光纤激光器***中，由于非线性效应的影响，增益光纤不能做的足够长，这直接导致了双包层光纤的内包层中残留了一定的泵浦光，在高功率光纤激光器中，这个功率可以达到百瓦级，除此之外还有增益光纤工作时产生的自发辐射光(ASE)，以及光纤熔接时泄露到光纤内包层的信号光。这些残余光在光纤内包层中传输，如果不剥离干净，将降低光纤激光器的光束质量，对光纤激光***后面链路中的器件产生很大的危害。

双包层光纤的内包层残留光的剥除，最直接的方法是直接在裸露的内包层上涂覆高折射紫外胶，由于涂覆了折射率大于内包层折射率的光刻胶，破坏了光纤内外包层之间全反射的条件而使内包层光泄露，从而从内包层导出残余光能量。但是，此种方法由于包层结构的突变，大量的光会在剥离器的前端泄露出去，产生大量的热，常常使前端的温度过高，从而极大的限制了包层光剥离器的性能提一步提高。

发明内容

本发明提供了一种用于光纤激光器包层剥离器及其制作方法，旨在实现了光纤激光器包层内光的高效均匀剥离的目的，解决包层中高功率的残余光在剥离器中集中泄露、出现过热点等技术问题，进一步提高光纤激光器包层剥离器的性能。

本发明提出的包层剥离器技术方案，包括双包层光纤，其特征在于，还包括多段光栅和冷却管套；其中：

所述双包层光纤为双包层光纤，包括纤芯、内包层、外包层及涂覆层；

所述多段光栅在光纤间隔或连续排列；各段光栅在剥去外包层的双包层光纤的裸露内包层外表面沿圆周分布；所述光栅通过在光纤内包层外表面沿圆周涂覆一层厚度为400-600μm的高折射率材料而成；所述高折射率材料为折射率大于或等于光纤内包层折射率的紫外光刻胶。

所述冷却管套为空心金属套管，管内流通有去离子冷却水，用于将各段光栅处导出的光能量带走；

所述双包层光纤从冷却管套轴向穿过，其在冷却套管内部分是制作有多段光栅的双包层光纤；

冷却套管与双包层光纤的连接处，设有密封套，用于防止导出的包层光外泄以及冷却水的溢出。

进一步的，各段光栅具有不同的光栅周期、深度或占空比，其轴向剖面形貌可以是矩形光栅、正弦光栅或三角形光栅；所述的多段光栅中，各段光栅对光的透过率大小不一，具体按对内包层光透过率由小到大排列的顺序确定。通过调整光栅周期、深度和占空比这三个参数，影响光栅各级的衍射效率，从而改变内包层光的透过率。

进一步的，所述双包层光纤的纤芯折射率大于内包层的折射率，内包层的折射率大于外包层的折射率，外包层的折射率小于涂覆层的折射率。

进一步的，所述多段光栅的光栅数量为3-10个。

进一步的，所述各段光栅的栅脊折射率与光栅基底的折射率相同，二者的折射率大于或等于光纤内包层的折射率。

进一步的，所述裸露的内包层上涂覆的紫外光刻胶为折射率大于或等于内包层折射率的透光材料。

进一步的，所述冷却套管内壁设有对内包层光具有高吸收的材料，包括石墨、铜或阳极化的铝。

进一步的，所述光纤内包层外表面沿圆周涂覆的高折射率材料厚度为500μm。

相应地，本发明还提出一种光纤激光器的包层剥离器制作方法，包括如下步骤：：

(1)将双包层光纤一段长度的涂覆层及外包层去除，在双包层光纤内包层的外表面，涂覆折射率大于或等于内包层折射率的紫外光刻胶；

(2)计算光栅的衍射效率，通过改变光栅的周期、深度、占空比等参数，来调整光栅的衍射效率，选取出多段参数相异(相异就是之前所述的光栅三个参数的不同，参数的不同，光栅的衍射效率因此不同)，衍射效率从小到大不等的光栅参数，用以控制剥离出内包层光的比率；利用光刻机刻蚀(1)所涂覆好的紫外光刻胶，得到所设计的多段参数相异的光栅和光栅基底；周期、深度、占空比这三个参数是影响效率的主要因素，可根据实际情况选取优先调整哪个参数；光栅的衍射效率计算可采用严格耦合波分析法；

(3)将步骤(2)所得到的双包层光纤从冷却管套轴向穿过，在冷却套管内通入循环流动的去离子冷却水，在冷却套管与双包层光纤的连接处，设置密封用套以防止导出的包层光外泄以及冷却水的溢出。

本发明中，双包层光纤内包层中的残余光经光栅基底可以被多段光栅衍射，产生不同的衍射级次及不同的透过率，逐步耦合出光纤内包层，被金属管壁的吸收材料吸收，通过金属管内的冷却水将产生的热量带走。

本发明由于采用了多段光栅，可以通过改变光栅的结构来调整光栅对光纤内包层残余光的透过率,因此采用不同结构的多段光栅，可方便地控制不同位置剥离出光纤内包层残余光的功率大小，达到高效均匀剥离的目的，避免剥离器中出现过热点，保证光纤的高可靠性，提高了剥离器的能力。

附图说明

图1为本发明光纤激光器的包层光剥离器的结构示意图；

图2为本发明光纤激光器的包层光剥离器中光栅所采用的剖面形貌示意图；

图3为本发明光纤激光器的包层光剥离器的实施例图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1—双包层光纤、2—内包层、3—金属管、4—光栅基底、5—多段光栅、6—吸收体、7—外包层及涂覆层、8—密封套、9—光栅栅脊、10—CO2激光器、11—光耦合器、12—热照相机、13—包层光剥离器、14—光功率计。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

以下结合附图对本发明进行进一步的说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

参照说明书附图，图1为本发明的整体结构示意图，如图所示，本发明的包层光剥离器的特征在于包括双包层光纤、多段光栅和冷却管套，其中的双包层光纤为普通的双包层光纤；多段光栅在光纤间隔或连续排列；各段光栅在剥去外包层的双包层光纤的裸露内包层外表面沿圆周分布；所述光栅通过在光纤内包层外表面沿圆周涂覆高折射率材料而成；双包层光纤内包层残余光经光栅基底可以被多段光栅衍射，产生从小到大排列的透过率，将内包层残余光均匀地耦合出光纤内包层；冷却管套为空心金属套管，管内流通有去离子冷却水，用于将各段光栅处导出的光能量带走；所述双包层光纤从冷却管套轴向穿过，其在冷却套管内部分是制作有多段光栅的双包层光纤；冷却套管与双包层光纤的连接处，设有密封套，用于防止导出的包层光外泄以及冷却水的溢出。

所述的包层光剥离器的制作方法包括以下步骤：

(1)将选用的双包层光纤一段长度为15cm的涂覆层以及外包层剥除，裸露出光纤内包层；

(2)计算光栅的衍射效率，通过改变光栅的周期、深度、占空比等参数，来调整光栅的衍射效率，选取出多段参数相异，衍射效率从小到大不等的光栅参数，用以控制剥离出内包层光的比率。本实施例中选取了三段参数相异的光栅，选取的光栅为矩形光栅，如图2为光栅的剖面示意图，其中光栅一的周期，深度和占空比分别为(5μm，2μm，0.5)、光栅二的周期，深度和占空比分别为(10μm，2μm，0.5)、光栅三的周期，深度和占空比分别为(15μm，2μm，0.5)，本实施例中，通过改变光栅周期已经可以达到改变光栅衍射效率的目的，为了简化说明问题，没有改变深度和占空比。采用严格耦合波分析法，计算得到三者的透过率为分别为0.3、0.5、0.7，按双包层光纤内包层光的传输方向依次排列光栅一、光栅二、光栅三。在裸露的内包层上涂覆紫外光刻胶，利用光刻机刻蚀光刻胶得到所设计的多段光栅，或者将刻蚀好的多段光栅粘附在裸露的内包层上。

(3)将前述步骤制作好的光纤及光栅，用金属管套住并密封好，通以冷却水。

实施例：图2为本发明的双包层光纤内包层光剥离器的实施例图，如图所示，本发明应用于高功率光纤激光器的输出端，所采用的双包层光纤13的纤芯直径为20μm，内包层为400μm。由半导体激光器组件11发出100瓦的波长915nm的激光通过光耦合器12耦合进入双包层光纤13，通过制作好的包层光剥离器15，将内包层光剥离出来，在金属管口通以20℃的冷却水，流量大于1升/分钟，使包层光剥离器冷却，用热照相机14以及功率检测计16监控整个过程。实验表明，双包层光纤包层光剥离器并未出现过热的情况，温度不超过40℃，包层光功率绝大部分被剥离出包层，剥离效果达到10dB以上。

本发明由于采用了多段光栅，可以通过改变光栅的结构来调整光栅对包层残余光的透过率,因此采用不同结构的多段光栅可方便地控制不同位置剥离出光纤内包层残余光的功率大小，达到高效均匀剥离的目的，避免剥离器中出现过热点，保证光纤的高可靠性，具有结构简单、适用性广、可靠性高等特点。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于光纤激光器的包层光剥离器，包括双包层光纤，其特征在于，还包括多段光栅和冷却管套；其中：

所述双包层光纤为双包层光纤，包括纤芯、内包层、外包层及涂覆层；

所述多段光栅在光纤间隔或连续排列；各段光栅在剥去外包层的双包层光纤的裸露内包层外表面沿圆周分布；所述光栅通过在光纤内包层外表面沿圆周涂覆一层厚度为400-600μm的高折射率材料而成；所述高折射率材料为折射率大于或等于光纤内包层折射率的紫外光刻胶。

所述冷却管套为空心金属套管，管内流通有去离子冷却水，用于将各段光栅处导出的光能量带走；

所述双包层光纤从冷却管套轴向穿过，其在冷却套管内部分是制作有多段光栅的双包层光纤；

冷却套管与双包层光纤的连接处，设有密封套，用于防止导出的包层光外泄以及冷却水的溢出。

2.如权利要求1所述的光剥离器，其特征在于，各段光栅具有不同的光栅周期、深度或占空比，其轴向剖面形貌可以是矩形光栅、正弦光栅或三角形光栅；所述的多段光栅中，各段光栅对光的透过率大小不一，具体按对内包层光透过率由小到大排列的顺序确定。

3.如权利要求1或2所述的光剥离器，其特征在于，所述双包层光纤的纤芯折射率大于内包层的折射率，内包层的折射率大于外包层的折射率，外包层的折射率小于涂覆层的折射率。

4.如权利要求1或2所述的光剥离器，其特征在于，所述多段光栅的光栅数量为3-10个。

5.如权利要求1或2所述的光剥离器，其特征在于，各段光栅可以是亚波长光栅也可以是非亚波长光栅。

6.如权利要求1或2所述的光剥离器，其特征在于，各段光栅的栅脊折射率与光栅基底的折射率相同，二者的折射率大于或等于光纤内包层的折射率。

7.如权利要求1或2所述的光剥离器，其特征在于，裸露的内包层上涂覆的紫外光刻胶为折射率大于或等于内包层折射率的透光材料。

8.如权利要求1或2所述的光剥离器，其特征在于，所述冷却套管内壁设有对内包层光具有高吸收的材料，包括石墨、铜或阳极化的铝。

9.如权利要求1-8所述的光剥离器，其特征在于，所述光纤内包层外表面沿圆周涂覆的高折射率材料厚度为500μm。

10.一种光纤激光器的包层剥离器制作方法，包括如下步骤：

(1)将双包层光纤一段长度的涂覆层及外包层去除，在双包层光纤内包层的外表面，涂覆折射率大于或等于内包层折射率的紫外光刻胶；

(2)计算光栅的衍射效率，通过改变光栅的周期、深度、占空比等参数，来调整光栅的衍射效率，选取出多段参数相异，衍射效率从小到大不等的光栅参数，用以控制剥离出内包层光的比率；利用光刻机刻蚀(1)所涂覆好的紫外光刻胶，得到所设计的多段参数相异的光栅和光栅基底；

(3)将步骤(2)所得到的双包层光纤从冷却管套轴向穿过，在冷却套管内通入循环流动的去离子冷却水，在冷却套管与双包层光纤的连接处，设置密封用套以防止导出的包层光外泄以及冷却水的溢出。