一种合束器及包括该合束器的激光器的制作方法

本发明属于激光技术领域，特别涉及一种合束器及包括该合束器的激光器。

背景技术：

光纤放大和光纤激光器是目前的研究热点，现有常用的方案是正向泵浦，对于光纤放大器或光纤激光器来讲，正向泵浦增益效率低，而且对整个光路的保护要求严格，而反向泵浦对于光纤放大器或光纤激光器来讲，增益效率高，而且对整个光路的保护要求低。无论正向泵浦或反向泵浦，均需要通过合束器进行光信号的传输，正向泵浦的合束器多采用光纤熔拉结构，不可避免会破坏光纤本身的传输特性，反向泵浦技术中，合束器包括输入准直器和输出准直器，输入准直器包括泵浦纤和有源光纤，泵浦纤和有源光纤的端面设置有透镜，该泵浦纤和有源光纤的端面以及该透镜的端面均成为反射面，进而影响光信号的传输，导致功率增益效率降低，信号衰减严重，并且，有源光纤的端面通常需要熔接一段光纤来增加纤芯的通光面积，这样也会影响到泵浦光的传输，使得泵浦光的转换效率会急剧下降；同样的，输出准直器也包括光纤和透镜，二者之间也存在交界面，整个合束器交界面较多使得功率密度增大，使合束器的可承受功率下降。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种合束器，旨在降低光信号的衰减，提高光耦合效率以及可承受光功率。

本发明是这样实现的，一种合束器，包括双纤准直器、单纤准直器以及滤 光片，所述双纤准直器包括用于传输泵浦光的输入光纤、用于进行光放大的有源光纤以及与所述输入光纤和有源光纤的端部无交界面熔接的第一透镜，所述第一透镜的熔接端为平面，与熔接端相对的一端为曲面，所述滤光片设置于所述第一透镜的曲面的输出光路上，用于将所述泵浦光反射至所述有源光纤并透射所述有源光纤输出的信号光，所述单纤准直器包括输出光纤和与所述输出光纤的端部无交界面熔接的第二透镜，所述第一透镜和第二透镜的非熔接端相对。

本发明的另一目的在于提供一种合束器的制作方法，包括下述步骤：

取用于传输泵浦光的输入光纤和用于光放大的有源光纤，将所述输入光纤和有源光纤的涂敷层剥离，熔接第一熔接块，并对所述第一熔接块的端部进行处理以获得所需的平整度，所述输入光纤和有源光纤的端部与所述第一熔接块的端部平齐；

在所述第一熔接块的符合平整度要求的端部熔接第一透镜，使所述输入光纤、有源光纤、第一熔接块和第一透镜无交界面熔接，形成双纤准直器；

取输出光纤，将其涂敷层剥离，熔接第二熔接块，并对所述第二熔接块的端部进行处理以获得所需的平整度，所述输出光纤的端部与所述第二熔接块的端部平齐；

在所述第二熔接块的符合平整度要求的端部熔接第二透镜，使所述输出光纤、第二熔接块和第二透镜无交界面熔接，形成单纤准直器；

在所述第一透镜的非熔接端一侧设置用于反射泵浦光至有源光纤并透射信号光的滤光片；

将所述双纤准直器和单纤准直器共轴放置，且使所述第一透镜和第二透镜的非熔接端相对，所述滤光片位于所述第一透镜和第二透镜之间。

本发明提供的合束器由于输入光纤和有源光纤与第一透镜之间没有熔接交界面，泵浦光在输入光纤进入第一透镜时以及由第一透镜进入有源光纤时不经过交界面，无光衰减，信号光在由有源光纤进入第一透镜时也无衰减，同理，被放大的信号光经第二透镜进入输出光纤时也无光衰减。因此，本实施例的合 束器相比传统合束器的光衰减程度大幅减低，提高了光耦合效率；另外，由于无交界面，由交界面导致的光功率密度升高的问题也不复存在，进而有利于提高合束器的功率承受能力，实现高功率传输；并且，由于不采用光纤熔拉技术，可维持光纤本身的性能，其泵浦转换效率高，产品性能更稳定。

附图说明

图1是本发明实施例提供的合束器的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的合束器的双纤准直器的部分结构示意图(一)；

图3是本发明实施例提供的合束器的双纤准直器的部分结构示意图(二)；

图4是本发明实施例提供的合束器的双纤准直器的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的合束器的单纤准直器的部分结构示意图(一)；

图6是本发明实施例提供的合束器的单纤准直器的部分结构示意图(二)；

图7是本发明实施例提供的合束器的单纤准直器的结构示意图；

图8是本发明实施例提供的合束器的制作流程图。

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。

以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述：

请参考图1，本发明实施例提供一种合束器，主要用于反向泵浦的光纤放大器和光纤激光器等设备。该合束器包括双纤准直器1、单纤准直器2以及滤光片3，双纤准直器1包括用于传输泵浦光的输入光纤11、用于进行光放大的有源光纤12以及与输入光纤11和有源光纤12的端部无交界面熔接的第一透镜13，该第一透镜13的熔接端为平面，与该熔接端相对的一端为曲面，滤光片3设置于第一透镜13的曲面的输出光路上，用于将输入光纤11中的泵浦光反射 至有源光纤12并透射有源光纤12输出的信号光，使信号光向单纤准直器2输出，单纤准直器2包括输出光纤21和与输出光纤21的端部无交界面熔接的第二透镜22，第一透镜13和第二透镜22的非熔接端相对。优选地，二者的中心轴共线。具体地，输入光纤11可采用多模光纤，输出光纤21也可采用多模光纤，有源光纤12是具有增益功能的光纤；滤光片3是反泵浦光透信号光的滤光片。通过合理的选择输入光纤11、有源光纤12和第一透镜13的材料，例如选择相同材料或者折射率、热膨胀系数及熔点接近的材料，可以使输入光纤11和有源光纤12的端部与第一透镜13无交界面熔接，同理，通过合理的材料选择，输出光纤21的端部和第二透镜22也可以无交界面熔接。

该合束器的工作原理为：泵浦光经输入光纤11输出时直接进入第一透镜13，然后被滤光片3反射，穿过第一透镜13直接进入有源光纤12的纤芯和包层，在有源光纤12中，有信号光的输入，该信号光在泵浦光和有源光纤12本身的增益作用下得以放大，被放大后的信号光直接进入第一透镜13并穿过滤光片3，耦合进入第二透镜22，并进一步直接进入输出光纤21。在该过程中，由于输入光纤11和有源光纤12与第一透镜13之间没有熔接交界面，泵浦光在输入光纤11进入第一透镜13时以及由第一透镜13进入有源光纤12时不经过交界面，无光衰减，信号光在由有源光纤12输出进入第一透镜13时也无衰减，同理，被放大的信号光经第二透镜22进入输出光纤21时也无光衰减。传统的合束器由于其透镜与光纤之间非一体熔接，二者之间存在至少两个交界面，输入准直器和输出准直器共存在至少四个交界面，因此，本实施例的合束器相比传统合束器的光衰减程度大幅减低，提高了光耦合效率；另外，由于无交界面，由交界面导致的光功率密度升高的问题也不复存在，进而有利于提高合束器的功率承受能力，实现高功率传输，本发明实施例的合束器可承受1500W的泵浦光，能优化泵浦转换效率，能传输100W的信号光，峰值可达KW级；并且由于不采用光纤熔拉技术，可维持光纤本身的性能，其泵浦转换效率高，产品性能更稳定。

进一步地，参考图3和图4，该输入光纤11和有源光纤12优选通过第一熔接块14熔接第一透镜13，即输入光纤11和有源光纤12的熔接端连接有第一熔接块14，输入光纤11和有源光纤12的端部插入该第一熔接块14，并且该端部与第一熔接块14的端部平齐，二者共同熔接第一透镜13，熔接后，输入光纤11和有源光纤12以及第一熔接块14与第一透镜13构成一整体。优选的，输入光纤11和有源光纤12的纤芯材料、第一熔接块14的材料以及第一透镜13的材料相同。

进一步优选地，第一熔接块14和第一透镜13的横截面形状及大小相同。熔接后第一熔接块14和第一透镜13成为一个规则形状的整体。

同样地，参考图6和图7，输出光纤21的熔接端连接有第二熔接块23，输出光纤21的端部插入第二熔接块23并且其端部与第二熔接块23的端部平齐，二者共同熔接第二透镜22。优选地，输出光纤21的纤芯材料、第二熔接块23的材料以及第二透镜22的材料相同。

进一步优选地，第二熔接块23和第二透镜22的横截面形状及大小相同。熔接后第二熔接块23和第二透镜22成为一个规则形状的整体。

进一步优选地，第一熔接块14和第一透镜13构成的整体与第二熔接块23和第二透镜22构成的整体形状相同。

在本实施例中，为了避免未耦合的泵浦光或信号光聚焦到某点造成局部升温，可以增设吸光件，具体地，如图1，在第一熔接块14外套设第一套管4，在第一套管4的内壁或端部设有第一吸光件5。在第二熔接块23外套设有第二套管6，在第二套管6的内壁或端部设有第二吸光件7。该第一吸光件5和第二吸光件7可以是圆环结构，套设于相对应的光纤的外围，以吸收未耦合进相应光纤中的光。另一种实施例中，还可以直接在第一熔接块14和第二熔接块23外表面涂敷吸光材料，进而不必另设第一吸光件5和第二吸光件7。

在本实施例中，可以在第一透镜13上套设第三套管8，将滤光片3套接或粘贴于第三套管8的端部。滤光片3的中心轴优选和第一透镜13和第二透镜 22的中心轴重合。

在本实施例中，在第一套管4和第二套管6外还可以套设第四套管9，用于保护和固定其内部器件。

在本实施例中，输入光纤11和输出光纤21可采用多模光纤，具体可以是105/125微米(纤芯直径/包层直径)的多模光纤；有源光纤12可以采用9/105/125微米(纤芯直径/内包层直径/外包层直径)的双包层光纤。在穿入第一熔接块14和第二熔接块23中的部分其涂敷层被去除。

在本实施例中，输入光纤11、输出光纤21和有源光纤12的纤芯以及第一熔接块14、第二熔接块23、第一透镜13和第二透镜22的材料可以选择相同材料，如石英玻璃。

在本实施例中，第一吸光件5和第二吸光件7可采用陶瓷材料、金属材料、晶体材料等吸光材料。

本发明进一步提供一种合束器的制作方法，如图8，该方法包括下述步骤：

在步骤S101中，取用于传输泵浦光的输入光纤11和用于光放大的有源光纤12，将输入光纤11和有源光纤12的涂敷层剥离，熔接第一熔接块14，并对第一熔接块14的端部进行处理以获得所需的平整度，输入光纤11和有源光纤12的端部与第一熔接块14的端部平齐；如图2和图3；

在步骤S102中，在第一熔接块14的符合平整度要求的端部熔接第一透镜13，使输入光纤11、有源光纤12、第一熔接块14和第一透镜13无交界面熔接，形成双纤准直器1；如图4；

在步骤S103中，取输出光纤21，将其涂敷层剥离，熔接第二熔接块23，并对第二熔接块23的端部进行处理以获得所需的平整度，输出光纤21的端部与第二熔接块23的端部平齐；如图5和图6；

在步骤S104中，在第二熔接块23的符合平整度要求的端部熔接第二透镜22，使输出光纤21、第二熔接块23和第二透镜22无交界面熔接，形成单纤准直器2；如图7；

在步骤S105中，在第一透镜13的非熔接端一侧设置用于反射泵浦光至有源光纤12并透射信号光的滤光片3；如图1；

在步骤S106中，将双纤准直器1和单纤准直器2共轴放置，且使第一透镜13和第二透镜22相对，滤光片3位于第一透镜13和第二透镜22之间；如图1。

进一步参考图1，该方法还可以包括下述步骤：

在第一熔接块14外套设第一套管4，在所述第一套管4的内壁或者端部设置第一吸光件5；或者在第一熔接块14的外表面涂敷吸光材料；

在第二熔接块23外套设第二套管6，在所述第二套管6的内壁或者端部设置第二吸光件7；或者在第二熔接块23的外表面涂敷吸光材料。

该第一吸光件5、第二吸光件7和吸光材料优选陶瓷材料，也可以是吸光金属或吸光晶体。

具体地，在该制作方法的步骤S101中，可以选择9/105/125微米的双包层光纤作为有源光纤12，选择105/125微米的多模光纤作为输入光纤11，将其涂覆层剥离，穿入石英圆管，然后向石英圆管中添加石英粉，然后用激光熔融；再对熔融后的部位进行切割、端面抛光、研磨等处理，得到平整的垂直端面，端面平整度达到预设要求，例如λ/4(λ＝632nm)，处理后的石英材料部分即为上述的第一熔接块14，输入光纤11和有源光纤12的端面和第一熔接块14的端面平齐，第一熔接块14和输入光纤11及有源光纤12的端部构成尾纤组件。该步骤中要选择与多模光纤和双包层光纤的纤芯材料相同或者折射率、热膨胀系数及熔点接近的材料制作第一熔接块14。

在上述步骤S102中，将研磨好的尾纤组件与第一透镜13熔融，组成整体式双纤准直器1。

优选地，第一透镜13和第一熔接块14的材料相同。

然后，按照制作双纤准直器1的方法制作单纤准直器2。进一步地，在上述步骤S105中，在第一透镜13上套设一玻璃管，即第三套管8，在该玻璃管的一端贴好滤光片3，保证滤光片3与第一透镜13的中心轴垂直，优选地，滤 光片3和第一透镜13的中心轴共线。

在上述步骤S106中，将双纤准直器1和单纤准直器2同光轴放置，使第一透镜13和第二透镜22相对，此时滤光片3位于第一透镜13和第二透镜22之间，优选三者共轴。装配好后，对光路进行耦合调试。

在该制作方法中，还包括在第一套管4和第二套管6的外部套设第四套管9的步骤，该第四套管9用于保护以及固定内部器件，材料可以选择硼硅玻璃等材料。

本发明实施例中的合束器可通过915nm泵浦光来激励放大1550nm的信号光，当然，其不仅适用于915nm泵浦光，以及输出1550nm的波长，同时也可用于其他泵浦光及其它信号光波长。同时，相应的波长带宽也不局限于一种。

本发明实施例提供的合束器包括整体式双纤准直器和单纤准直器，双纤准直器和单纤准直器的透镜和光纤无交界面熔接，光衰减量小、耦合效率高、光功率密度低、可承受更高功率，在高功率传输时不会损坏光纤；并且由于不采用熔拉技术，可维持光纤本身的性能，其泵浦转换效率高，产品性能稳定；另外，通过吸光材料的设置使得光纤处无泵浦光泄露，确保器件的安全，为高功率全光纤激光器的实现提供了可靠的支持。

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。