一種高功率光纖光學(xué)準(zhǔn)直耦合系統(tǒng)及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種高功率光纖光學(xué)準(zhǔn)直耦合系統(tǒng)及其制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著光纖激光器技術(shù)的日漸成熟，光纖激光器在激光焊接、激光切割、激光熱處理、生物醫(yī)學(xué)、3D打印等很多方面都有了廣泛的應(yīng)用。而且目前單光纖輸出的功率越來越高，尤其在900nm-l10nm這個(gè)波段，目前商用的激光器已經(jīng)可以做到單光纖連續(xù)輸出1000瓦，即使在1550nm這個(gè)通訊波段，也可以在單模光纖中傳輸10瓦以上的功率。但是1550單模光纖的纖心直徑大小為9.5um左右，1060nm雙包層光纖纖心大小約10um，即使特殊設(shè)計(jì)的近單模大功率光纖的纖心也僅僅為30um，光纖端面所能承受的損傷閾值限制了其在準(zhǔn)直和耦合等方面的使用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題做出改進(jìn)，即本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種高功率光纖光學(xué)準(zhǔn)直耦合系統(tǒng)及其制作方法，能應(yīng)用在各個(gè)波段中，解決了由于傳輸光功率很高導(dǎo)致的光纖端面或光纖包層損傷的問題，同時(shí)解決了由于光耦合或端面反射產(chǎn)生的返回光損壞光纖涂覆層或膠合層的問題。
[0004]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的一種技術(shù)方案是:一種高功率光纖光學(xué)準(zhǔn)直耦合系統(tǒng)，包括光纖，所述光纖出射端設(shè)置有對(duì)光進(jìn)行擴(kuò)束的光纖端帽，該光纖出射端所在的端部外套設(shè)有管狀的光纖支架，所述光纖被光纖支架所裹覆的部分需去除涂覆層，所述光纖端帽的出射端面外設(shè)置有準(zhǔn)直耦合透鏡，所述光纖支架和準(zhǔn)直耦合透鏡均套設(shè)在同一套管內(nèi)。
[0005]進(jìn)一步的，所述光纖端帽為熔石英材質(zhì)的玻璃棒或大芯徑光纖，所述光纖端帽的出射端面需進(jìn)行精細(xì)研磨拋光，其拋光角度為0° ~15°，該出射端面上鍍有高損傷閾值增透膜；所述光纖端帽的長(zhǎng)度及外徑的取值需以保障端帽材料本身和增透膜承受光輸出功率而不受損傷為前提，且光纖端帽的出射端面出射的光斑大小不超過其外徑的40%。
[0006]進(jìn)一步的，所述光纖端帽與光纖通過熔接在一起，所述熔接方式通過放電、火焰加熱、電加熱或CO2激光器實(shí)現(xiàn)，所述光纖端帽的出射端面與光纖支架的端部平齊或突出該端部。
[0007]進(jìn)一步的，所述光纖支架的材料包括玻璃、寶石或金屬，所述光纖支架材料為玻璃時(shí)，其折射率大于1.52，所述光纖支架與光纖端帽通過加熱熔融固定連接或使用高折射率月父水粘接。
[0008]進(jìn)一步的，所述的準(zhǔn)直耦合透鏡的兩個(gè)通光面均鍍有高損傷閾值增透膜，該準(zhǔn)直耦合透鏡為單透鏡或用透鏡組實(shí)現(xiàn)光斑的準(zhǔn)直耦合。
[0009]進(jìn)一步的，所述套管與光纖支架之間設(shè)置有裹覆光纖支架及該處光纖的散熱固定管，所述光纖被散熱固定管所裹覆的部分也需去除涂覆層，所述散熱固定管為金屬管或玻璃管。
[0010]進(jìn)一步的，所述散熱固定管與光纖之間留有間隙，以使光纖內(nèi)光功率較高時(shí)，該間隙內(nèi)填充有折射率大于1.47的高折射率膠水。
[0011]進(jìn)一步的，所述套管為金屬管或玻璃管，所述準(zhǔn)直耦合透鏡與套管通過膠水固定連接，所述散熱固定管與套管通過膠水固定、螺紋固定或螺釘固定連接。
[0012]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的另一種技術(shù)方案是:一種高功率光纖光學(xué)準(zhǔn)直耦合系統(tǒng)的制作方法，按以下步驟進(jìn)行:
(1)根據(jù)使用情況，選定光纖的型號(hào)，并根據(jù)光纖的參數(shù)計(jì)算光纖端帽的長(zhǎng)度，所述光纖端帽為大芯徑光纖或玻璃棒；
(2)將光纖包層去除一部分，用酒精清潔之后，用切割刀將該端面切平，或使用光學(xué)拋光該端面，或使用激光切割處理該端面，切割角度控制在I度以下；
(3)光纖端帽選擇大芯徑光纖時(shí)，將大芯徑光纖的包層去除一部分，用酒精清潔之后，用切割刀將光纖切平，或使用光學(xué)拋光端帽的端面，或使用激光切割處理端帽的端面，切割角度控制在I度以下；
(4)將光纖和光纖端帽放在熔接機(jī)上，將光纖和光纖端帽處理好的端面相熔接在一起，如果光纖直徑大于250微米，使用特殊熔接機(jī)或0)2激光器熔接光纖和光纖端帽，當(dāng)然，火焰或電加熱熔接也能實(shí)現(xiàn)上述熔接；
(5)熔接之后，用刀具將多余光纖端帽部分其切斷，并用酒精清潔斷面之后備用，所述光纖端帽的保留長(zhǎng)度的取值需以保障端帽材料本身承受光輸出功率而不受損傷為前提，且光纖端帽的出射端面出射的光斑大小不超過其外徑的40% ;
(6)將處理好后的光纖和光纖端帽裝配在一管狀的光纖支架內(nèi)，并用夾具固定，保持兩者位置穩(wěn)定，光纖被光纖支架所裹覆的部分需去除涂覆層，所述光纖支架為低熔點(diǎn)的玻璃；
(7)所述光纖的纖芯為高熔點(diǎn)的熔石英玻璃，利用光纖支架和光纖的熔點(diǎn)差，通過加熱或CO2激光器將兩者熔在一起，必要時(shí)，在兩者的縫隙間填充低熔點(diǎn)玻璃粉，當(dāng)使用光功率不高時(shí)，用折射率高于1.47的高折射率膠水粘接兩者，且在使用波段的透過率良好；
(8)裝配之后，研磨光纖端帽的端面，并在高倍顯微鏡下檢測(cè)通光面，為保證高功率使用而不損傷光纖端帽的端面，通光區(qū)域的光潔度應(yīng)為0-0，即在高倍顯微鏡下無點(diǎn)子與道子；或在裝配光纖支架之前，使用特殊夾具，直接研磨拋光光纖端帽的端面，而不研磨光纖支架，研磨過程中注意控制所需的端帽長(zhǎng)度在設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)；
(9)在研磨好后的光纖端帽端面上鍍高損傷閾值增透膜；
(10)將上述裝配好的構(gòu)件裝在一個(gè)套管內(nèi)中，所述套管為金屬管或玻璃管；
(11)在套管內(nèi)相對(duì)光纖端帽的位置設(shè)置一準(zhǔn)直耦合透鏡，該準(zhǔn)直耦合透鏡兩側(cè)通光面需鍍高損傷閾值增透膜；
(12)用已經(jīng)裝配好的標(biāo)準(zhǔn)組件和功率計(jì)調(diào)整光纖端帽與準(zhǔn)直耦合透鏡之間的間隙，調(diào)整到光損耗最小，然后點(diǎn)上膠水，待膠水固化后，光纖端帽與準(zhǔn)直耦合透鏡之間的間隙即固定；或通過光斑測(cè)試儀測(cè)試出射光束設(shè)計(jì)束腰及工作距離位置光斑大小的方式，進(jìn)而確定光纖端帽與準(zhǔn)直耦合透鏡的間隙，待間隙調(diào)整好之后，點(diǎn)上膠水，待膠水固化后，光纖端帽與準(zhǔn)直耦合透鏡之間的間隙即固定；當(dāng)套管采用金屬管時(shí)，或通過在金屬管上開螺紋孔，使用螺釘固定光纖端帽；或使用螺紋連接的方式固定套管和光纖支架，然后用螺紋膠固定光纖端帽與準(zhǔn)直耦合透鏡的位置。
[0013]進(jìn)一步的，所述套管與光纖支架之間設(shè)置有裹覆光纖支架及該處光纖的散熱固定管，所述光纖被散熱固定管所裹覆的部分也需去除涂覆層，所述散熱固定管為金屬管或玻璃管；所述散熱固定管與光纖之間留有間隙，以使光纖內(nèi)光功率較高時(shí)，該間隙內(nèi)填充有折射率大于1.47的高折射率膠水。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:本裝置通過在光纖出射端裝光纖端帽、準(zhǔn)直耦合透鏡等，使用了光纖端帽技術(shù)，使出射光纖的光，經(jīng)過擴(kuò)束之后才出射，能顯著降低由于能量密度太高而損傷光纖端面的現(xiàn)象發(fā)生，而且能應(yīng)用在各個(gè)波段中，解決了由于傳輸光功率很高導(dǎo)致的光纖端面或光纖包層損傷的問題，同時(shí)解決了由于光耦合或端面反射產(chǎn)生的返回光損壞光纖涂覆層或膠合層的問題。
[0015]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明實(shí)施例的構(gòu)造示意圖。
[0017]圖2為本發(fā)明實(shí)施例中光纖與等徑的光纖端帽的裝配示意圖。
[0018]圖3為本發(fā)明實(shí)施例中光纖與異徑的光纖端帽的裝配示意圖。
[0019]圖4為本發(fā)明實(shí)施例中等徑的光纖端帽與光纖支架的裝配示意圖。
[0020]圖5為本發(fā)明實(shí)施例中異徑的光纖端帽與光纖支架的裝配示意圖。
[0021]圖6為本發(fā)明實(shí)施例中光纖端帽、光纖支架與散熱固定管的裝配示意圖。
[0022]圖7為本發(fā)明實(shí)施例中膠水粘接式結(jié)構(gòu)光正向傳輸過程中包層光與端面反射光溢出示意圖。
[0023]圖8為本發(fā)明實(shí)施例中熔融固定式結(jié)構(gòu)光正向傳輸過程中包層光與端面反射光溢出示意圖。
[0024]圖9為本發(fā)明實(shí)施例中膠水粘接式結(jié)構(gòu)光反向傳輸過程中包層光溢出示意圖。
[0025]圖10為本發(fā)明實(shí)施例中熔融固定式結(jié)構(gòu)光反向傳輸過程中包層光溢出示意圖。
[0026]圖中:1-光纖，2-光纖端帽，2a-等徑光纖端帽，2b_異徑光纖端帽，3_光纖支架，4-套管，5-準(zhǔn)直耦合透鏡，6-固定散熱管，7-高折射率膠水。
【具體實(shí)施方式】
[0027]實(shí)施例一:如圖1所不，一種高功率光纖光學(xué)準(zhǔn)直親合系統(tǒng)，包括光纖1，所述光纖I出射端設(shè)置有對(duì)光進(jìn)行擴(kuò)束的光纖端帽2，該光纖出射端所在的端部外套設(shè)有管狀的光纖支架3，所述光纖I被光纖支架3所裹覆的部分需去除涂覆層，所述光纖端帽2的出射端面外設(shè)置有準(zhǔn)直耦合透鏡5，所述光纖支架3和準(zhǔn)直耦合透鏡5均套設(shè)在同一套管4內(nèi)，所述套管4與光纖支架3之間設(shè)置有裹覆光纖支架及該處光纖的散熱固定管6，所述光纖I被散熱固定管6所裹覆的部分也需去除涂覆層，所述散熱固定管為金屬管或玻璃管。所述散熱固定管6與光纖I之間留有間隙，以使光纖內(nèi)光功率較高時(shí)，該間隙內(nèi)填充有折射率大于
1.47的高折射率膠水7。
[0028]先將光纖I剝除一定長(zhǎng)度的涂覆層，剝除的長(zhǎng)度與使用的光纖支架及設(shè)計(jì)的散熱固定管有關(guān)，通常情況下這個(gè)長(zhǎng)度在0.5-30厘米之間；剝除外部涂覆層之后，可使用切割刀、激光切割或拋光方式將光纖端面處理好；將處理好的光纖與光纖端帽2熔接在一起，熔接方式可使用放電、加熱或C02激光器，光纖端帽2的材料可使用但不局限于大芯徑光纖或玻璃棒，端帽的外徑大小無特殊限制，可與光纖外徑一樣，如圖2中的等徑光纖端帽2a，也可如圖3中的異徑光纖端帽2b所示，與光纖直徑有較大差別。
[0029]熔接好之后將光纖端帽2的端面研磨，形成光潔度良好的出射面，當(dāng)然，也可以將端帽研磨拋光好之后再進(jìn)行熔接。光纖端帽長(zhǎng)度以控制出射端的光斑直接小于其外徑40%為宜，光纖端帽的研磨角度通常為O度，因?yàn)楣饫w熔接了一定長(zhǎng)度的光纖端帽之后，光纖端帽的出射面即使拋成O度，也能保證返回光纖的光足夠少而且滿足系統(tǒng)要求，如需特殊設(shè)計(jì)，這個(gè)光纖端帽的拋光角度也通常小于15度。
[0030]將光纖端帽2裝配到光纖支架中，圖4所示的是等徑光纖端帽2a與光纖支架3裝配示意圖，圖5所示的是異徑光纖端帽2b與光纖支架3裝配示意圖。其實(shí)先裝配光纖支架3，然后在研磨拋光，或先研磨拋光光纖端帽，再行