一种光纤包层功率滤除器及其制造方法与流程

本发明涉及一种用于高功率光纤激光器中，利用离子置换原理制作的包层功率滤除器。

背景技术：

近年来，随着光纤激光器在材料加工、军事装备中的广泛运用，光纤激光器在功率不断攀升的同时还被要求具有更高的光束质量及更长的使用寿命。在光纤激光器的输出端的光纤的包层中不仅含有残留的泵浦功率，还有因自发辐射(ase)、拉曼散射(srs)、布布里渊散射(sbs)等非线性效应产生的高阶激光。这些对激光器工作性能有负面影响，可能会导致光纤输出端面发生损坏，破坏光纤激光器的后端准直聚焦光路，该激光功率甚至可以达到100w以上，如果不在激光输出前将这些功率滤除，将对激光的光束质量以及整个光路的稳定性造成严重影响。

目前包层功率滤除器的主要制作方法是用折射率高于包层折射率的紫外胶涂覆于包层外，由于破坏了包层光在界面处的全反射条件，包层中的功率便会泄露到紫外胶中，从而达到滤除包层功率的目的。但是，由于高功率光纤激光器中需要滤除的包层功率可达100w以上，并且大部分包层功率会在滤除器前端一小段中滤出，这会导致滤除器局部温度陡升，而有机物制成的紫外胶在高温下容易发生性状改变，对滤除器的可靠性产生很大影响。而其它包层功率剥离器的制作方法如氢氟酸腐蚀法、高折射率基质法，其制作和使用过程中不可控因素过多，容易造成剥除不均匀，局部出现热点等问题，对滤除器的稳定性、可靠性的影响极大，不适用于高功率光纤激光器中。

本发明采用热扩散离子置换法，用低极化率一价阳离子通过热扩散将包层中的高极化率ti⁺离子置换出来，在包层中产生该一价阳离子的浓度梯度，从而实现对包层折射率的改性，将其运用于包层功率滤除器中，可以很好的控制功率滤除的效率及分布，并且能够承受较高的温度而不影响其可靠性。

技术实现要素：

本发明的目的是提供可实现高效、可靠地滤除包层中的激光的光纤包层功率滤除器及其制造方法。

本发明所采用的技术方案：一种光纤包层功率滤除器，包括待滤除包层光的双包层光纤和热沉，所述热沉内部设有内孔，环绕所述内孔设有水道层，所述热沉的侧壁设有与所述水道层连通的入水口和出水口，所述热沉两端设有光纤固定件，所述光纤固定件将所述待滤除包层光的双包层光纤中剥除一段裸露出内包层的光纤置于并密封于所述热沉内。

优选的，所述待滤除包层光的双包层光纤由外向内依次包括外包层、内包层和纤芯。

优选的，所述热沉的四角设有热沉固定螺孔

光纤包层功率滤除器的制造方法，包括如下步骤：

s1:将待滤除包层光的双包层光纤的外包层剥除一段裸露出内包层；

s2:处理所述裸露出的内包层，将所述裸露出的内包层浸在含低极化率离子的硝酸盐粉末中；

s3：对经s2处理后的所述裸露出的内包层进行加热；

s4：将经步骤s3热扩散处理后的双包层光纤封装入热沉。

优选的，经步骤s2处理后，将所述裸露出的内包层置于液体或是空气中并在所述裸露出的内包层的尾端涂覆紫外胶。

优选的，步骤s2中，所述硝酸盐粉末的极化率离子为0.003c·m2/v—0.035c·m2/v。

优选的，步骤s3中，加热时，将双包层光纤放置于耐高温坩埚，接着将双包层光纤固定在管状加热炉内，所述裸露出的内包层放置于主加热腔中，以防止高温导致外包层熔化影响离子扩散置换过程。

优选的，步骤s2中，所述裸露出的内包层浸在含低极化率离子的硝酸盐粉末的时间为30min-60min。

优选的，步骤s3中的加热温度为800℃-1200℃。

优选的，步骤s3中的加热时间为3h-5h。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)本发明采用热扩散离子置换法高效、可靠地滤除包层中的激光，即用低极化率离子对双包层光纤包层进行折射率改性，从而使得包层中的无用功率折射出包层；(2)本发明的外包层的材料成分为有机物，具有保护作用，用来提高双包层光纤的强度及弯曲韧度；(3)本发明的内包层由二氧化硅制成，用于输送泵浦光及防止纤芯激光泄露；(4)本发明的纤芯：折射率比内包层高，用于传输激光；(5)本发明的光纤包层功率滤除器的制造方法为：采用热扩散离子置换法，通过改变低极化率扩散离子的浓度梯度，使得内包层纵向产生该扩散离子的浓度梯度，便于包层光功率的分段滤除；(6)本发明的热沉通过设置水道层，可以通过流动的冷却水将热沉中的热及时导走，保证了整个器件的安全工作；(7)本发明的内孔内为空气或液体，从光纤中泄露出来的光会在内孔与空气或液体界面转化为热能，而不会使得光纤表面温度升高，保证光纤不会因温度过高熔毁灭。

附图说明

图1为本发明一种光纤包层功率滤除器的结构示意图。

图2为本发明一种光纤包层功率滤除器的待滤除包层光的双包层光纤的结构示意图。

图3为本发明一种光纤包层功率滤除器的内层和纤芯的截面图，其中白色颗粒代表离子ti⁺。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

实施例一

如图1-3所示，一种光纤包层功率滤除器，其原理为：处理后光纤中内包层的残余泵浦光及高阶激光会泄露出来，在热沉的内孔表面由光能转化为热能，再由水道中的水将热导走；具体为，所述光纤包层功率滤除器包括待滤除包层光的双包层光纤(1)和热沉(8)，所述热沉(8)内部设有内孔，内孔中为空气或液体，从光纤中泄露出来的光会在内孔与空气或液体界面转化为热能，而不会使得光纤表面温度升高，保证光纤不会因温度过高熔毁灭；环绕所述内孔设有水道层(3)，所述热沉(8)的侧壁设有与所述水道层(3)连通的入水口(5)和出水口(4)，入水口(5)和出水口的设置使得冷却水进入水道层(3)，水道层(3)的设置可以通过流动的冷却水将热沉(8)中的热及时导走，保证了整个器件的安全工作；所述热沉(8)两端设有光纤固定件(6)，所述光纤固定件(6)将所述待滤除包层光的双包层光纤(1)中剥除一段裸露出内包层的光纤(12)置于并密封于所述热沉(8)内。

进一步地，所述待滤除包层光的双包层光纤(1)由外向内依次包括外包层(9)、内包层(10)和纤芯(11)，所述热沉(8)的四角设有热沉(8)固定螺孔(7)，用于方便热沉(8)的具体安装。其中，外包层(9)的材料成分为有机物，具有保护作用，用来提高双包层光纤的强度及弯曲韧度；内包层(10)由二氧化硅制成，用于输送泵浦光及防止纤芯(11)激光泄露；纤芯(11)的折射率比内包层(10)高，用于传输激光。

实施例二

如图1-3所示，光纤包层功率滤除器的制造方法，包括如下步骤：

s1:将待滤除包层光的双包层光纤(1)的外包层(9)剥除一段裸露出内包层(10)；

s2:处理所述裸露出的内包层(10)，将所述裸露出的内包层(10)浸在含低极化率离子的硝酸盐粉末中；

s3：对经s2处理后的所述裸露出的内包层(10)进行加热；

s4：将经步骤s3热扩散处理后的双包层光纤封装入热沉(8)。

经步骤s2处理后，将所述裸露出的内包层(10)置于液体或是空气中并在所述裸露出的内包层(10)的尾端涂覆紫外胶。

步骤s2中，所述硝酸盐粉末的极化率离子为0.003c·m2/v。

步骤s3中，加热时，将双包层光纤放置于耐高温坩埚，接着将双包层光纤固定在管状加热炉内，所述裸露出的内包层(10)放置于主加热腔中，以防止高温导致外包层(9)熔化影响离子扩散置换过程。

步骤s2中，所述裸露出的内包层(10)浸在含低极化率离子的硝酸盐粉末的时间为30min。

步骤s3中的加热温度为800℃。

步骤s3中的加热时间为3h。

实施例三

如图1-3所示，光纤包层功率滤除器的制造方法，包括如下步骤：

s1:将待滤除包层光的双包层光纤(1)的外包层(9)剥除一段裸露出内包层(10)；

s2:处理所述裸露出的内包层(10)，将所述裸露出的内包层(10)浸在含低极化率离子的硝酸盐粉末中；

s3：对经s2处理后的所述裸露出的内包层(10)进行加热；

s4：将经步骤s3热扩散处理后的双包层光纤封装入热沉(8)。

经步骤s2处理后，将所述裸露出的内包层(10)置于液体或是空气中并在所述裸露出的内包层(10)的尾端涂覆紫外胶。

步骤s2中，所述硝酸盐粉末的极化率离子为0.035c·m2/v。

步骤s3中，加热时，将双包层光纤放置于耐高温坩埚，接着将双包层光纤固定在管状加热炉内，所述裸露出的内包层(10)放置于主加热腔中，以防止高温导致外包层(9)熔化影响离子扩散置换过程。

步骤s2中，所述裸露出的内包层(10)浸在含低极化率离子的硝酸盐粉末的时间为60min。

步骤s3中的加热温度为1200℃。

步骤s3中的加热时间为5h。

实施例四

如图1-3所示，将一根双包层光纤的其中一段外包层(9)剥去得到裸露出的内包层(10)，把此段裸露出的内包层(10)浸在含低极化率离子的硝酸盐粉末中，并用耐高温坩埚盛放，随后将双包层光纤固定在管状加热炉内，主加热腔中的光纤均要剥去外包层(9)，以防止高温导致外包层(9)熔化影响离子扩散置换过程。可以通过改变离子扩散置换过程中的低极化率离子浓度分布及加热、保温时间，调节离子置换后包层的低极化率离子浓度梯度，进而确定包层的折射率分布，从而达到控制包层功率滤除器工作时功率滤除效率及分布的目的。由于掺杂离子的折射率无法等于或低于空气折射率，故可使用液体氛围或是在尾端涂覆小段高折射率紫外胶的方法将包层中剩余小部分功率滤除，最后将此段热扩散处理后的光纤封装入热沉(8)中即可，热沉(8)通过入水口(5)和出水口将冷却水引入水道层(3)对处理后的光纤降温。

本专利还可通过各段外部低极化率硝酸盐浓度不同，在内包层(10)中通过离子置换产生横向离子浓度梯度，这样可以使得光纤中的残余泵浦光及高阶激光更加均匀的导出，从而避免光纤局部过热。

对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。