低损耗高功率光纤准直器的制作方法

1.本实用新型属于光纤传感设备技术领域，具体涉及低损耗高功率光纤准直器。


背景技术：

2.近年来，随着光纤通信技术的不断发展，在1064nm波段附近实现单模光纤激光输出的高功率光纤激光器已在医学、军工、光通信系统、光纤传感系统、材料加工、激光印刷检测和激光光谱等各个领域得到快速发展和应用。在光束传输系统中，高功率光纤准直器可用于光隔离器、光环形器、光开关等光无源器件的制作。随着激光输出功率的不断提高，光路中必须应用高功率的光纤准直器来实现高功率的激光聚焦或准直。由于受到光纤端面能够承受的极限功率密度的限制，高功率准直器能够承载的输出功率也就有了上限。在现有技术中，已经通过熔接无芯光纤的方式制作高功率准直器，增大了出射端面光斑大小，降低能量密度，提高端面承受功率。但是，想要承受更高功率，就需要增大无芯光纤直径。对于不同的芯径的光纤，其端面的承受功率也不同，芯径越大，承受功率值越高。但是芯径越大，光纤熔接难度越大，熔接点损耗更大，端面输出光斑也会越差。而且，芯径增大后，所用的毛细管内径相应增大，毛细管和光纤之间填充空隙所需的胶水更多，胶水应力大同样会影响输出光斑的质量。这两点都会导致准直器插损大，最终导致激光系统损耗大，光束质量差。同时也限制高功率光隔离器等高功率光无源器件的性能。


技术实现要素：

3.本实用新型的目的是提供低损耗高功率光纤准直器，解决了现有的准直器损耗大，光束质量差的问题。
4.本实用新型所采用的技术方案是，低损耗高功率光纤准直器，包括玻璃管a，玻璃管a内固定连接透镜、毛细管，毛细管内固定连接大芯径多模光纤，透镜与大芯径多模光纤之间留有间隙，大芯径多模光纤一体化连接拉锥光纤，拉锥光纤熔接少模光纤，少模光纤外套接玻璃管b。
5.本实用新型的特点还在于：
6.拉锥光纤包括相接的锥区光纤和腰区光纤，锥区光纤直径较大的一端与大芯径多模光纤相同，腰区光纤直径与少模光纤相同。
7.腰区光纤l1为2mm，锥区光纤长度l2满足：(d2-d1)/l2《0.1，d2为大芯径多模光纤直径，d1为少模光纤直径。
8.大芯径多模光纤靠近透镜的端面为8
°
的倾斜抛光面。
9.透镜和大芯径多模光纤靠近透镜的端面镀抗高功率增透膜层。
10.大芯径多模光纤的包层直径至少为少模光纤的包层直径的4倍。
11.毛细管内径与玻璃管b外径相同，毛细管外径与玻璃管a内径相同。
12.毛细管、拉锥光纤、玻璃管b之间形成区域空隙。
13.本实用新型的有益效果是：
14.1)在少模光纤和毛细管之间增加一个玻璃管b，再将三者固定，不用在少模光纤和毛细管之间的间隙中点胶即可实现稳定性，又避免了胶水过多产生应力对光束质量的影响；
15.2)拉锥大芯径多模光纤，拉锥腰区直径与少模光纤直径一致，可大大降低熔接难度；
16.3)大芯径多模光纤一体化连接拉锥光纤，激光从少模光纤进入大芯径多模光纤的锥区，有模式转换的过程，这样能够有效降低熔接损耗，而且输出光斑更好。激光经过锥区，na会被压缩，减少了大na杂散光，减少了高阶模数量，提高光束质量。
附图说明
17.图1是本实用新型中低损耗高功率光纤准直器的结构示意图。
18.图中，1.玻璃管a，2.毛细管，3.少模光纤，4.大芯径多模光纤，5.透镜，6.间隙，7.区域空隙，8.玻璃管b，9.拉锥光纤
具体实施方式
19.下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。
20.本实用新型低损耗高功率光纤准直器，如图1所示，包括玻璃管a1，玻璃管a1内固定连接透镜5、毛细管2，毛细管2内固定连接大芯径多模光纤4，透镜5与大芯径多模光纤4之间留有间隙，大芯径多模光纤4一体化连接拉锥光纤9，拉锥光纤9熔接少模光纤3，少模光纤3外套接玻璃管b8，玻璃管b8将少模光纤3和毛细管2固定，不用在少模光纤3和毛细管2之间的间隙中点胶即可实现稳定性，又避免了胶水过多产生应力对光束质量的影响。
21.大芯径多模光纤4一体化连接拉锥光纤9，激光从少模光纤3进入拉锥光纤9的锥区，有模式转换的过程，这样能够有效降低熔接损耗，而且输出光斑更好，激光经过锥区，na会被压缩，减少了大na杂散光，减少了高阶模数量，提高光束质量。
22.拉锥光纤9包括相接的锥区光纤和腰区光纤，锥区光纤直径较大的一端与大芯径多模光纤4相同，腰区光纤直径与少模光纤3相同。
23.拉锥以后纤芯包层都会呈锥形，光从少模光纤纤芯进入多模光纤纤芯，经过锥区后会有模式转换的过程，这样最终输出的光束质量比不拉锥更好，而且拉锥后两光纤直径更接近，熔接损耗会很小，避免了粗细对接产生较大的损耗。基于此，本实用新型中腰区光纤l1为2mm，锥区光纤长度l2满足：(d2-d1)/l2《0.1，d2为大芯径多模光纤直径，d1为少模光纤直径。
24.满足上述条件拉锥出的锥区倾斜角小于少模光纤的发散半角，这样就会把na压缩变小，高阶模变少，大na的杂散光减少，光束质量就会变好。
25.大芯径多模光纤4靠近透镜5的端面以及透镜平面为8
°
的倾斜抛光面，开8
°
角以增大回损减少返回光，端面抛光以提高端面损伤阈值。
26.透镜5和大芯径多模光纤4靠近透镜5的端面镀抗高功率增透膜层，将端面损耗降到最小。
27.大芯径多模光纤4的包层直径至少为少模光纤3的包层直径的4倍，对于较低功率激光，使用芯径较小的多模光纤扩束即可满足承受功率要求，较小芯径的多模光纤和少模
光纤相比，包层直径为少模光纤的1-3倍时，不做特殊处理直接熔接后，扩束的光束质量也不会太差，最终准直器的插损也能满足低损耗的要求。如果需要承受更高功率，多模光纤的芯径必须更大，芯径增大后与少模光纤直接熔接，光束质量的劣化以及插损的增大会表现的比较明显，需要对大芯径多模光纤做特殊处理。
28.毛细管2内径与玻璃管b8外径相同，毛细管2外径与玻璃管a1相同，能够增加结构之间的稳定性。
29.毛细管2、拉锥光纤9、玻璃管b8之间形成区域空隙。
30.本实用新型低损耗高功率光纤准直器的使用方法为：可用于光纤激光系统输出端，进行输出光束的准直、聚焦、整形；也可作为高功率隔离器、高功率光开关、高功率环形器等高功率器件的输入输出端来提高承受功率的同时提高耦合效率。
31.通过上述方式，本实用新型低损耗高功率光纤准直器，涉及光纤激光器、光纤传感领域。包括少模光纤、毛细管、大芯径多模光纤、透镜、玻璃管，大芯径多模光纤一端拉锥，拉锥后腰区直径与少模光纤包层直径一致。拉锥后的大芯径多模光纤与少模光纤熔接，可以降低输出na，减少了大na杂散光，减少了高阶模数量，提高光束质量，同时将少模光纤输出的激光扩束，增加大端面光斑，降低端面输出平均功率密度，提高端面承受总功率。而且拉锥多模光纤也可使得尾纤和准直器的输出光斑更好，能量分布曲线更接近高斯分布，准直器插损更小。另外，由于使用了大芯径多模光纤，所用的毛细管内径和少模光纤直径差异较大，在毛细管内径和少模光纤之间充胶过量会产生较大的应力，影响光束质量。在少模光纤和毛细管之间增加一个小玻璃管，再将三者固定，可以不用点胶，有效避免了胶水过多产生应力对光束质量的影响。

技术特征：
1.低损耗高功率光纤准直器，包括玻璃管a(1)，所述玻璃管a(1)内固定连接透镜(5)、毛细管(2)，所述毛细管(2)内固定连接大芯径多模光纤(4)，所述透镜(5)与大芯径多模光纤(4)之间留有间隙(6)，其特征在于，所述大芯径多模光纤(4)一体化连接拉锥光纤(9)，所述拉锥光纤(9)熔接少模光纤(3)，所述少模光纤(3)外套接玻璃管b(8)。2.根据权利要求1所述低损耗高功率光纤准直器，其特征在于，所述拉锥光纤(9)包括相接的锥区光纤和腰区光纤，所述锥区光纤直径较大的一端与大芯径多模光纤(4)相同，所述腰区光纤直径与少模光纤(3)相同。3.根据权利要求2所述低损耗高功率光纤准直器，其特征在于，所述腰区光纤l1为2mm，所述锥区光纤长度l2满足：(d2-d1)/l2<0.1，d2为大芯径多模光纤直径，d1为少模光纤直径。4.根据权利要求2所述低损耗高功率光纤准直器，其特征在于，所述大芯径多模光纤(4)靠近透镜(5)的端面为8
°
的倾斜抛光面。5.根据权利要求1所述低损耗高功率光纤准直器，其特征在于，所述透镜(5)、和大芯径多模光纤(4)靠近透镜(5)的端面镀抗高功率增透膜层。6.根据权利要求1所述低损耗高功率光纤准直器，其特征在于，所述大芯径多模光纤(4)的包层直径至少为少模光纤(3)的包层直径的4倍。7.根据权利要求1所述低损耗高功率光纤准直器，其特征在于，所述毛细管(2)内径与玻璃管b(8)外径相同，所述毛细管(2)外径与玻璃管a(1)相同。8.根据权利要求1所述低损耗高功率光纤准直器，其特征在于，所述毛细管(2)、拉锥光纤(9)、玻璃管b(8)之间形成区域空隙(7)。

技术总结
本实用新型低损耗高功率光纤准直器，包括玻璃管a，玻璃管a内固定连接透镜、毛细管，毛细管内固定连接大芯径多模光纤，透镜与大芯径多模光纤之间留有间隙，大芯径多模光纤一体化连接拉锥光纤，拉锥光纤熔接少模光纤，少模光纤外套接玻璃管b；在少模光纤和毛细管之间增加一个玻璃管b，再将三者固定，不用在少模光纤和毛细管之间的间隙中点胶即可实现稳定性，又避免了胶水过多产生应力对光束质量的影响。免了胶水过多产生应力对光束质量的影响。免了胶水过多产生应力对光束质量的影响。


技术研发人员：孙晓杰 刘钊
受保护的技术使用者：西安飞秒光纤技术有限公司
技术研发日：2023.05.09
技术公布日：2023/9/1