一种光纤集束器拉制方法与流程

本发明涉及一种光纤集束器拉制技术领域，具体为一种光纤集束器拉制方法，石英管套在光纤束外约束光纤紧密排列。

背景技术：

在激光惯性约束聚变、高能激光系统等领域的实际应用中，需要实现高能量输出，同时要求高的电-光、光-光转换效率。光纤放大网络(FAN)可实现激光聚变点火装置兆焦耳以上的单脉冲能量输出，具有墙插效率高、光路柔性化等特点。但要实现如此高的单脉冲能量输出，需要采用上千万根大模场增益光纤，同时需要基于光纤集束器以实现成百上千根光纤输出光束的组束。

光纤集束器制作中光纤排列采用传统的胶粘或金属丝捆绑而导致排列不紧密，局部弯曲和光纤之间平行度差的缺点。

光纤熔融拉锥(FBT-Fused Biconical Taper)工艺，是将多根去除涂覆层的光纤以一定的方式靠拢，在高温加热下熔融，同时向两侧拉伸，最终在加热区形成双锥体结构的特殊集束器件，要求拉制后光纤排列紧密，占空比高，并且能有效保证光纤之间芯间平行度。

理想的N芯光纤集束器光纤紧密排列方式为中心一根光纤，其外的各层光纤数均为6的倍数，芯数N与光纤排列层数M的关系为：

k为正整数。

但现有的集束器拉制方法很难实现这种紧密排列，特别是大芯数时，无法保证拉制前多根光纤按上述规律排列整齐，虽然在制作光纤集束器时有经验的技术人员大量时间花费于密集排列光纤，但成品率仍极低，芯间平行度由现场操作情况决定，重复性极低。

当拉制的光纤集束器插入损耗指标未满足要求时，现在只能通过改变拉锥速度和火焰移动速度后再试拉，但涉及拉锥速度和火焰移动速度需要调整的参数空间太大，选择配对的参数大于10⁶，试验起来太耗费时间，也难选定合适的拉锥速度和火焰移动速度，实现拉制符合插入损耗指标的光纤集束器。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种光纤集束器的拉制方法，将制备好的光纤束整体穿入石英管中，光纤和石英管同时拉锥，石英管的约束保证光纤的紧密排列和光纤芯间平行度，精确控制拉锥火焰喷管高度，确保拉锥温度适当，使拉制的光纤集束器插入损耗符合要求。

本发明提供的一种光纤集束器拉制方法包括如下工作步骤：

Ⅰ、光纤涂覆层去除

根据待制备的光纤集束器芯数N，将N根光纤一端去除光纤涂覆层，裸纤长50～80mm，具体长度由拉锥比和需要的锥区长度决定，清洁干燥待用；

Ⅱ、石英管套纤

将制备好的光纤束穿入石英管中，无涂覆层的裸光纤从石英管的一端伸出，有涂覆层的光纤一端留在石英管另一端外；

所述石英管为玻璃态纯石英管，长度为30～60mm，其内径为裸光纤束外径，以裸光纤束刚好能顺利穿过为准。

石英管的管壁厚度小于1mm。

在石英管外的有涂覆层的光纤长度为800～1000mm，无涂覆层的裸光纤长度为15～20mm。

Ⅲ、光纤集束器拉制

所用拉制设备工作平台上有一对拉锥夹具移动平台和火焰移动平台，各电动微调架连接带动各移动平台移动，控制系统连接控制各电动微调架，即控制各移动平台的移动速度和距离。

火焰移动平台的电动微调架上还有调节火焰喷管高度的调高架。

火焰的燃料气体流量恒定，实验环境无气流波动；石英管下缘处于火焰中。

将步骤Ⅱ完成的穿入光纤束的石英管两端放入拉锥夹具中固定，根据待制备的光纤集束器所设计的拉锥比和锥区长度设置拉锥夹具移动平台的外移速度、火焰移动平台的移动速度，进行拉锥，当石英管软化，其内的光纤束也处于软化状态，拉锥夹具移动平台向左右外侧移动，石英管和光纤束被拉制成为融合成一体的锥体结构的光纤集束器。

Ⅳ、火焰喷管高度精确控制

若步骤Ⅲ拉锥所得的光纤集束器插入损耗指标不满足要求，本方法通过调节火焰喷管高度改变石英管受热温度，从而降低拉锥所得光纤集束器的插入损耗。

通过实验调节火焰喷管高度，测定试拉所得光纤集束器的插入损耗，火焰喷管高度调低某值后，石英管与火焰距离加大，其受热温度降低，若此时试拉的光纤集束器的插入损耗降低，说明火焰喷管高度调低正确，继续调低火焰喷管高度；若火焰喷管的高度调低后，试拉的光纤集束器的插入损耗升高，说明火焰喷管高度应当调高。多次试拉和调节火焰喷管高度，得到最佳火焰喷管高度，以实现拉制的光纤集束器的插入损耗合格。

所述调节火焰喷管高度的调高架包括竖直的螺杆和螺母，螺杆上有手轮，转动手轮使螺杆转动，其上的螺母上下移动。火焰喷管连接于螺母，与螺母同步上下移动。所述螺杆的螺纹齿距为0.4～0.6mm。手轮转动一周，螺杆转动360度，螺母上或下移0.4～0.6mm。本方法以手轮转动10度为一档调节火焰喷管高度，即每次火焰喷管高度变化为0.011～0.018mm。

所述步骤Ⅳ试拉时，按步骤Ⅲ确定的火焰移动平台的移动速度加热石英管，以步骤Ⅲ确定的拉锥夹具移动平台的外移速度、拉锥夹具将石英管拉锥，如果石英管拉锥成形，此时的火焰喷管高度为初始火焰喷管高度。

若火焰喷管过低、离石英管太远，石英管软化不够，拉锥夹具无法拉动石英管；若火焰喷管过高，石英管被熔融变形，加热区甚至可能下坠，也无法拉制。

将红外温度测试仪监视屏上的十字交叉点对准石英管上某一点，手轮转动1～M周，记录石英管上此点的温度变化值。5次以上的反复测定，可计算得到手轮转动一周时温度的平均变化值。也就可以得到每次手轮转动10度一档调节火焰喷管高度时，温度的变化量。

所述步骤Ⅰ采用化学溶剂去除光纤涂覆层。将N根待用光纤一端按所需长度浸入浓硫酸30～50分钟，取出涂覆层被剥除的光纤，清水充分冲洗，用乙醇与丙酮溶液充分擦拭剥除涂覆层的裸光纤3～6次，在显微镜下观察各根裸纤，确定处理过程没有造成伤痕。

所述步骤Ⅱ所用的石英管一端有圆锥形的喇叭口，喇叭口的长度为5～15mm，裸光纤与有涂覆层的光纤交接处位于喇叭口内。喇叭口有效地保护裸光纤，避免光纤表面受损或出现断纤。

喇叭口外端大口直径等于有涂覆层的光纤束的直径，以有涂覆层的光纤束刚好能顺利穿过为准。

步骤Ⅲ拉锥夹具夹持石英管的两端，喇叭口处于一端的拉锥夹具中。

与现有技术相比，本发明一种光纤集束器拉制方法的优点为：1、石英管套光纤束，可完美地约束光纤束，拉锥后得到当前光纤集束器的光纤束最佳紧密排列方式，提高占空比和芯间平行度，且无需用大量时间精力排列光纤，效率显著提高；2、用改变火焰喷管高度来改变火焰与石英管的距离，实现石英管受热温度的渐进式精确控制，避免了温度的大波动，试验表明，本方法用火焰喷管高度调节石英管受热温度，可实现温度调节精度小于0.5℃，从而保证拉锥得到插入损耗指标合格的光纤集束器，且大大缩短试拉的调节时间；3、机械剥离法刃具易损伤光纤，烧蚀法降低了烧蚀部分的光纤强度，本方法的酸洗去除光纤涂覆层较优，效率高，剥离完全，且对光纤损伤少；4、喇叭口石英管使带涂覆层光纤束与除去涂覆层的裸光纤相接部分处于石英管喇叭口内，避免了光纤表面损伤和断纤，实现了拉制过程中和测试过程中对光纤的完整保护。

附图说明

图1为本光纤集束器拉制方法拉锥所得7芯光纤集束器横剖面示意图；

图2为本光纤集束器拉制方法拉锥所得19芯光纤集束器横剖面示意图；

图3为本光纤集束器拉制方法拉锥所得37芯光纤集束器横剖面示意图。

具体实施方式

本光纤集束器拉制方法实施例包括如下工作步骤：

Ⅰ、光纤涂覆层去除

本例待制备7芯光纤集束器，

将7根光纤一端长70mm浸入浓硫酸30分钟，取出涂覆层被剥除的光纤，清水充分冲洗，用乙醇与丙酮溶液充分擦拭剥除涂覆层的裸光纤5次，在显微镜下观察各根裸纤，确定处理过程没有造成伤痕。

Ⅱ、石英管套纤

选取长50mm的玻璃态纯石英管，内径为7根裸光纤束刚好能顺利穿过，即内径等于7根裸光纤束外径为0.4mm，石英管的管壁厚度为0.2mm；

本例石英管一端有圆锥形的喇叭口，喇叭口的长度为10mm，喇叭口外端大口直径7根有涂覆层的光纤束刚好能顺利穿过，即等于7根有涂覆层的光纤束的直径为0.8mm；

将步骤Ⅰ制备好的7根光纤穿入石英管中，裸光纤从石英管直管的端口伸出15mm，裸光纤和有涂覆层的光纤交接处位于喇叭口内，留在石英管喇叭口外的有涂覆层的光纤长度为800～1000mm；

Ⅲ、光纤集束器拉制

本例所用拉制设备工作平台上有一对拉锥夹具移动平台和火焰移动平台，各电动微调架连接带动各移动平台移动，控制系统连接控制各电动微调架，即控制各移动平台的移动速度和距离。

火焰移动平台的电动微调架上还有调节火焰喷管高度的调高架。

本例调节火焰喷管高度的调高架包括竖直的螺杆和螺母，螺杆上有手轮，转动手轮使螺杆转动，其上的螺母上下移动。火焰喷管连接于螺母，与螺母同步上下移动。所述螺杆的螺纹齿距为0.5mm。手轮转动一周，螺杆转动360度，螺母上或下移0.5mm。本例以手轮转动10度为一档调节火焰喷管高度，即每次火焰喷管高度变化为0.0139mm。

将步骤Ⅱ完成的穿入光纤束的石英管两端放入拉锥夹具中固定，喇叭口处于一侧的拉锥夹具中根据待制备的光纤集束器所设计的拉锥比和锥区长度设置拉锥夹具移动平台的外移速度、火焰移动平台的移动速度，进行拉锥，当石英管软化，其内的光纤束也处于软化状态，拉锥夹具移动平台向左右外侧移动，石英管和光纤束被拉制成为融合成一体的锥体结构的光纤集束器。

火焰的燃料气体流量恒定，实验环境无气流波动；石英管下缘处于火焰中。

Ⅳ、火焰喷管高度精确控制

按步骤Ⅲ确定的火焰移动平台的移动速度加热石英管，以步骤Ⅲ确定的拉锥夹具移动平台的外移速度、拉锥夹具将石英管拉锥，如果石英管拉锥成形，此时的火焰喷管高度为初始火焰喷管高度。

若步骤Ⅲ拉锥所得的光纤集束器插入损耗指标不满足要求，本例通过调节火焰喷管高度改变石英管受热温度，从而降低拉锥所得光纤集束器的插入损耗。

通过实验调节火焰喷管高度，测定试拉所得光纤集束器的插入损耗，火焰喷管高度调低某值后，石英管与火焰距离加大，其受热温度降低，若此时试拉的光纤集束器的插入损耗降低，说明火焰喷管高度调低正确，继续调低火焰喷管高度；若火焰喷管的高度调低后，试拉的光纤集束器的插入损耗升高，说明火焰喷管高度应当调高。多次试拉和调节火焰喷管高度，得到最佳火焰喷管高度，以实现拉制的光纤集束器的插入损耗合格。

本例拉锥后所得光纤集束器横剖面如图1所示，1根光纤位于中心，外围1层布放6根光纤，在石英管内实现了紧密排列，占空比为0.5,芯间平行度小于等于0.52mrad。

本实施例还试制了19芯和37芯光纤集束器，其横剖面图如图2和图3所示，均在石英管内实现了紧密排列，占空比均为0.5，芯间平行度均小于等于0.60mrad。

上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。