一种高功率激光光纤的包层光剥除器及制作方法与流程

【技术领域】

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种高功率激光光纤的包层光剥除器及制作方法。

背景技术：

高功率激光器输出光纤的包层中含有未吸收的泵浦光和一些从纤芯进入到包层的高阶模激光，这部分光直接影响激光器的光束质量m2，从而对激光器的实际应用产生影响，削弱打标、切割、焊接等效果，需要将包层光率除掉。

发明人在研究本发明的过程中发现，现有技术中将光纤的涂覆层去掉后，用腐蚀液对一整段光纤包层进行腐蚀，使包层产生微裂纹，从而使包层光泄露出来，这种剥模方式由于光纤比较细，去掉涂覆层后比较脆弱，经过腐蚀后，更加脆弱易断裂，同时整段腐蚀，靠近光源端出射功率最高，能量也最为集中，容易形成热累积而烧断光纤，而且在高低温循环老化或长期通高功率激光后其微裂纹容易扩大至纤芯，使纤芯中的激光泄露出来，产生失效甚至发生危险情况。

技术实现要素：

为了解决上述整段剥除涂覆层光纤腐蚀带来的光纤脆弱易断、靠近光源端出射功率最高容易形成热累积而烧断光纤的技术问题，本发明提供一种无辅助冷却系统的光剥模器。

为了解决上述技术问题，本发明实施例采用以下技术方案：

一种高功率激光光纤的包层光剥除器，光纤剥掉涂覆层露出光纤包层，包括：

低温玻璃管，套设在剥掉涂覆层的光纤包层外；

第一固定玻璃管和第二固定玻璃管，分别固定在所述低温玻璃管的两端；

高折射率玻璃管，套设且固定在所述第一固定玻璃管、低温玻璃管和第二固定玻璃管外，其中，所述第一固定玻璃管嵌入所述高折射率玻璃管的一侧，所述第二固定玻璃管嵌入所述高折射率玻璃管的另一侧；光纤包层的折射率＜低温玻璃管的折射率＜高折射率玻璃管的折射率；所述高折射率玻璃管的外侧包括由于产生微裂纹从而泄露包层光的腐蚀剥模部分。

其中，所述制作腐蚀剥模部分的腐蚀方式为梯度腐蚀。

其中，所述梯度腐蚀为时间梯度腐蚀，具体地：

将所述高折射率玻璃管外表面分成等长的多段，每段的腐蚀时间不同，为逆着激光前行方向每段腐蚀时间逐渐变短的单向时间递减方式；或者为从中间段腐蚀时间最长，向左右两边每段腐蚀时间逐渐变短的双向时间递减方式。

其中，所述梯度腐蚀为空间梯度腐蚀，具体地：

将所述高折射率玻璃管外表面分成不均匀的彼此间隔的多段，每段腐蚀时间相同，为逆着激光前行方向每段腐蚀长度逐渐变短的单向递减方式；或者为从中间段腐蚀长度最长、间隔长度最短，向所述高折射率玻璃管两侧每段腐蚀长度逐渐变短、间隔逐渐变长的双向递减方式。

其中，所述腐蚀剥模部分的剥模长度为50-150mm。

为了解决上述技术问题，本发明实施例还采用以下技术方案：

一种高功率激光光纤的包层光剥除器制作方法，光纤剥掉涂覆层露出光纤包层，所述方法包括：

在剥掉涂覆层的光纤包层外套设第一固定玻璃管；

在所述第一固定玻璃管外套设高折射率玻璃管，其中，所述第一固定玻璃管嵌入所述高折射率玻璃管的一侧，在所述高折射率玻璃管另一侧与剥掉涂覆层的光纤包层之间的缝隙填充低温玻璃粉；

在所述高折射率玻璃管填充低温玻璃粉的一侧内壁嵌入第二固定玻璃管，以配合所述第一固定玻璃管封住所述低温玻璃粉；

热熔所述低温玻璃粉形成低温玻璃管并使所述高折射率玻璃管、低温玻璃管、光纤包层、第一固定玻璃管和第二固定玻璃管固定在一起；其中，光纤包层的折射率＜低温玻璃管的折射率＜高折射率玻璃管的折射率；

在所述高折射率玻璃管的外侧进行腐蚀剥模，以使高折射率玻璃管产生包括微裂纹的腐蚀剥模部分从而泄露包层光。

其中，热熔所述低温玻璃粉形成低温玻璃管并使所述高折射率玻璃管、低温玻璃管、光纤包层、第一固定玻璃管和第二固定玻璃管固定在一起具体包括：

先加热所述高折射率玻璃管中间位置的低温玻璃粉，使中间位置的低温玻璃粉温度最高最先熔融成玻璃液，同时将第一固定玻璃管和第二固定玻璃管向中间挤压，使玻璃粉达到密实的状态；

在所述高折射率玻璃管中间位置的低温玻璃粉熔融后向所述高折射率玻璃管两侧加热，待两侧低温玻璃粉完全熔融成后，停止加热，继续挤压所述第一固定玻璃管和第二固定玻璃管使低温玻璃粉完全熔融后的玻璃液内气泡排出，以使凝结成的玻璃态均匀无气泡，玻璃态冷凝后形成低温玻璃管并使所述高折射率玻璃管、低温玻璃、光纤包层、第一固定玻璃管和第二固定玻璃管固定在一起。

其中，所述腐蚀剥模的腐蚀方式为梯度腐蚀。

其中，所述梯度腐蚀为时间梯度腐蚀，具体地：

将所述高折射率玻璃管外表面分成等长的多段，每段的腐蚀时间不同，为逆着激光前行方向每段腐蚀时间逐渐变短的单向时间递减方式；或者为从中间段腐蚀时间最长，向左右两边每段腐蚀时间逐渐变短的双向时间递减方式。

其中，所述梯度腐蚀为空间梯度腐蚀，具体地：

将所述高折射率玻璃管外表面分成不均匀的彼此间隔的多段，每段腐蚀时间相同，为逆着激光前行方向每段腐蚀长度逐渐变短的单向递减方式；或者为从中间段腐蚀长度最长、间隔长度最短，向所述高折射率玻璃管两侧每段腐蚀长度逐渐变短、间隔逐渐变长的双向递减方式。

本发明实施方式的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明实施例的高功率激光光纤的包层光剥除器包括套设在剥掉涂覆层的光纤包层外低温玻璃管、分别固定在所述低温玻璃管的两端的第一固定玻璃管和第二固定玻璃管，还包括套设且固定在所述第一固定玻璃管、低温玻璃管和第二固定玻璃管外的高折射率玻璃管，高折射率玻璃管的外侧包括腐蚀剥模部分，以使高折射率玻璃管产生微裂纹从而泄露包层光。光纤包层光被逐层导出到高折射率玻璃管上，在高折射率玻璃管外面做腐蚀，使得高折射率玻璃管上的光散射出去，而不会在高折射率玻璃管上形成波导，不容易形成热累积而烧断光纤。本发明实施例的高功率激光光纤的包层光剥除器增加了高折射率玻璃管，在高折射率玻璃管上做腐蚀，而光纤包层没有被腐蚀到，避免了传统腐蚀方法的光纤易断问题，增强了腐蚀段的强度，增强产品可靠性。

【附图说明】

一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1为本发明实施例高功率激光光纤的包层光剥除器的结构示意图。

图2为本发明实施例高功率激光光纤的包层光剥除器制作方法的流程图。

【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用以解释本发明，并不用于限定本发明。

除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参照图1，图1是本发明实施例提供的高功率激光光纤的包层光剥除器10的剖视角度的结构示意图。光纤一般包括纤芯、包层和涂覆层，包层由内包层和外包层，本发明实施例中的包层指外包层。

高功率激光光纤的包层光剥除器10包括：剥掉涂覆层露出光纤包层1、第一固定玻璃管2、高折射率玻璃管3、低温玻璃管4、腐蚀剥模部分5和第二固定玻璃管6。低温玻璃管4设在剥掉涂覆层的光纤包层1外；第一固定玻璃管2和第二固定玻璃管6分别固定在所述低温玻璃管4的两端；

高折射率玻璃管3套设且固定在所述第一固定玻璃管2、低温玻璃管4和第二固定玻璃管6外，其中，所述第一固定玻璃管2嵌入所述高折射率玻璃管3的一侧，所述第二固定玻璃管6嵌入所述高折射率玻璃管3的另一侧；光纤包层的折射率＜低温玻璃管的折射率＜高折射率玻璃管的折射率；所述高折射率玻璃管3的外侧包括腐蚀剥模部分5，以使高折射率玻璃管产生微裂纹从而泄露包层光。

光在光纤纤芯或包层中传输是由于纤芯的折射率大于包层的折射率，包层的折射率大于涂覆层的折射率，光在高折射率介质中传播以大于临界角的角度入射到与低折射率材料的界面上发生全反射，使得光保持在高折射率介质中传播。

根据光纤的na(高功率激光光纤的包层na一般为0.22或0.46)可以理论计算低温玻璃管4的折射率范围进而推算出高折射率玻璃管3的折射率。通过实验验证以及受实际材料的限制，一般选低温玻璃管4的折射率为1.5-1.6，高折射率玻璃管的折射率1.6-1.8。

要使包层光滤出到空气中需要使包层外材料的折射率大于包层折射率，或者直接破坏掉包层外侧的光滑界面。

直接破坏包层外侧的光滑界面方式就是当前常用剥模方式中的第一种方式，如本发明背景技术中所述，缺点是光纤会很脆，容易折断。

在包层外侧包裹高折射率材料的方法就是当前常用剥模方式中的第二种。例如涂高折射率胶的方式：将光纤的涂覆层去掉后，在光纤包层外涂覆折射率比光纤包层折射率高的胶水，使包层光泄露到胶水层中，起到剥模的效果。

但是由于胶水固化前的流动性，和多次点胶而使涂覆的胶水表面不平整，易形成坑洼区，光在这些位置容易形成热累积，而烧焦胶水，若使用设备涂覆的方式，胶水表面比较平整，光又散射不出去而在胶水层形成波导，依旧有部分光沿光纤方向传输，剥模效率低。而且胶水的熔点比较低，透过率差，易吸收光发热，较容易被烧坏，不能应用于几千瓦以上高功率激光器(包层光达到几十瓦上百瓦甚至更高)的剥模。

本发明实施方式的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明实施例的高功率激光光纤的包层光剥除器10包括套设在剥掉涂覆层的光纤包层1外的低温玻璃4、分别固定在所述低温玻璃4的两端的第一固定玻璃管2和第二固定玻璃管6，还包括套设且固定在所述第一固定玻璃管2、低温玻璃4和第二固定玻璃管6外的高折射率玻璃管3，高折射率玻璃管3的外侧包括腐蚀剥模部分5，腐蚀剥模部分5的作用为使高折射率玻璃管3产生微裂纹而泄露包层光。光纤包层光被导出到低温玻璃，再导出到高折射率玻璃管3上，由高折射率玻璃管3上的腐蚀剥模部分5泄露包层光，即光纤包层光被逐层导出到高折射率玻璃管3上，在高折射率玻璃管3外面做腐蚀，使得高折射率玻璃管3上的光散射出去，而不会在高折射率玻璃管3上形成波导，不容易形成热累积而烧断光纤。本发明实施例的高功率激光光纤的包层光剥除器10增加了高折射率玻璃管3，在高折射率玻璃管3上做腐蚀，而光纤包层没有被腐蚀到，避免了传统腐蚀方法的光纤易断问题，增强了腐蚀段的强度，增强产品可靠性。

本发明实施例提供的高功率激光光纤的包层光剥除器10的光纤包层与低温玻璃管4之间为包裹式的面接触，高折射率玻璃管3与低温玻璃管4之间也为包裹式的面接触，如此设计让接触面积最大化，光从包层导出到低温玻璃管4的效率较高，再从低温玻璃管4导出到高折射率玻璃管3的效率也较高，让本发明实施例提供的高功率激光光纤的包层光剥除器10的整体的剥模效率较高。

进一步地，所述制作腐蚀剥模部分5的腐蚀方式为梯度腐蚀。具体地，梯度腐蚀为时间梯度腐蚀或空间梯度腐蚀。

时间梯度腐蚀，具体是指：将所述高折射率玻璃管3外表面分成等长的多段，每段的腐蚀时间不同，为逆着激光前行方向每段腐蚀时间逐渐变短的单向时间递减方式；或者为从中间段腐蚀时间最长，向左右两边每段腐蚀时间逐渐变短的双向时间递减方式。

空间梯度腐蚀，具体是指：将所述高折射率玻璃管3外表面分成不均匀的彼此间隔的多段，每段腐蚀时间相同，为逆着激光前行方向每段腐蚀长度逐渐变短的单向递减方式；或者为从中间段腐蚀长度最长、间隔长度最短，向所述高折射率玻璃管3两侧每段腐蚀长度逐渐变短、间隔逐渐变长的双向递减方式。

上述时间梯度腐蚀或空间梯度腐蚀中，单向时间递减或单向递减原因是：当剥模段应用于激光器内部时，沿着激光前行方向的开始位置包层激光功率最强，需要腐蚀的强度弱一点，沿激光前行的方向，随着包层光被逐渐剥除，包层光压力逐渐减小，腐蚀强度强一点，这样整段高折射率玻璃管3的剥模强度才比较均匀，不会因为局部过热导致烧器件或热应力问题等对光纤输出光斑有影响。

上述空间梯度腐蚀或空间梯度腐蚀中，双向时间递减或双向递减原因是：当剥模段应用于激光输出端时，光纤内不仅会有正向的包层光，还可能会有因为激光切割、焊接高反材料时反射回来的回返光，此时两端的包层光会比较多，需要腐蚀的深度要弱一点，中间位置随着包层光被逐渐剥离出来，包层光的强度比较低，需要腐蚀的深度可以强一些，这样整段高折射率玻璃管3的剥模强度才比较均匀，不会因为局部过热导致烧器件或热应力问题等对光纤输出光斑有影响。

在高折射率玻璃管3的外侧面梯度腐蚀剥模的方式，即避免了形成光波导，也不会让光沿着高折射率玻璃管3继续向前传输，还能够使得剥除的光完全散射出去，而且各点温度比较均匀，产品可靠性更高，可应用于更高功率的激光剥模。

可选的，高折射率玻璃管3与低温玻璃管4的长度可以根据包层光的功率来定，一般1500w的激光功率(包层光功率几十瓦到一百瓦)，高折射率玻璃管3上腐蚀剥模部分5的剥模长度50mm即可达到16db以上的剥模效果。4000w的激光功率(包层光功率数百瓦)，剥模长度150mm即可达到16db以上的剥模效果。

图2为本发明实施例高功率激光光纤的包层光剥除器制作方法的流程图。请参阅图2，本发明实施方式还提供高功率激光光纤的包层光剥除器制作方法，光纤剥掉涂覆层露出光纤包层，所述方法包括：

步骤21、在剥掉涂覆层的光纤包层外套设第一固定玻璃管；

步骤22、在所述第一固定玻璃管外套设高折射率玻璃管，其中，所述第一固定玻璃管嵌入所述高折射率玻璃管的一侧，在所述高折射率玻璃管另一侧与剥掉涂覆层的光纤包层之间的缝隙填充低温玻璃粉；

步骤23、在所述高折射率玻璃管填充低温玻璃粉的一侧内壁嵌入第二固定玻璃管，以配合所述第一固定玻璃管封住所述低温玻璃粉；

步骤24、热熔所述低温玻璃粉形成低温玻璃管并使所述高折射率玻璃管、低温玻璃管、光纤包层、第一固定玻璃管和第二固定玻璃管固定在一起；其中，光纤包层的折射率＜低温玻璃管的折射率＜高折射率玻璃管的折射率；

具体地，低温玻璃管由低温玻璃粉热熔而成。低温玻璃粉的熔融温度一般在350度-700度左右，而光纤包层和高折射率玻璃管的软化温度都在1000度以上，通过加热使低温玻璃粉融化成玻璃液再凝结成玻璃态的低温玻璃管。

所以步骤24可以具体包括：

先加热所述高折射率玻璃管中间位置的低温玻璃粉，使中间位置的低温玻璃粉温度最高最先熔融成玻璃液，同时将第一固定玻璃管和第二固定玻璃管向中间挤压，使玻璃粉达到密实的状态；

在所述高折射率玻璃管中间位置的低温玻璃粉熔融后向所述高折射率玻璃管两侧加热，待两侧低温玻璃粉完全熔融成后，停止加热，继续挤压所述第一固定玻璃管和第二固定玻璃管使低温玻璃粉完全熔融后的玻璃液内气泡排出，以使凝结成的玻璃态均匀无气泡，玻璃态冷凝后形成低温玻璃管并使所述高折射率玻璃管、低温玻璃、光纤包层、第一固定玻璃管和第二固定玻璃管固定在一起。

步骤25、在所述高折射率玻璃管的外侧进行腐蚀剥模，以使高折射率玻璃管产生包括微裂纹的腐蚀剥模部分从而泄露包层光。

高折射率玻璃管的外侧包括腐蚀剥模部分，以使高折射率玻璃管产生微裂纹从而泄露包层光。光纤包层光被逐层导出到高折射率玻璃管上，在高折射率玻璃管外面做腐蚀，使得高折射率玻璃管上的光散射出去，而不会在高折射率玻璃管上形成波导，不容易形成热累积而烧断光纤。本发明实施例的高功率激光光纤的包层光剥除器制作方法，在高折射率玻璃管上做腐蚀，而光纤包层没有被腐蚀到，避免了传统腐蚀方法的光纤易断问题，增强了腐蚀段的强度，增强产品可靠性。

本发明实施例提供的高功率激光光纤的包层光剥除器制作方法，在高折射率玻璃管内填充低温玻璃粉并热熔成低温玻璃管，由高折射率玻璃管内部两侧的第一固定玻璃管和第二固定玻璃管封住，低温玻璃粉热熔成玻璃液后，冷凝成的低温玻璃管填充在高折射率玻璃管、光纤包层、第一固定玻璃管和第二固定玻璃管围合而成的收容空间内，填充满该收容空间，通过细化步骤24可以并均匀无气泡地填充满该收容空间。实现光纤包层与低温玻璃管之间为包裹式的面接触，高折射率玻璃管与低温玻璃管之间也为包裹式的面接触，如此设计让接触面积最大化，光从包层导出到低温玻璃管的效率较高，再从低温玻璃管导出到高折射率玻璃管的效率也较高，让本发明实施例提供的高功率激光光纤的包层光剥除器制作方法制作的高功率激光光纤的包层光剥除器整体剥模效率较高。

进一步地，所述腐蚀剥模的腐蚀方式为梯度腐蚀。梯度腐蚀包括时间梯度腐蚀和空间梯度腐蚀。

时间梯度腐蚀：将所述高折射率玻璃管外表面分成等长的多段，每段的腐蚀时间不同，为逆着激光前行方向每段腐蚀时间逐渐变短的单向时间递减方式；或者为从中间段腐蚀时间最长，向左右两边每段腐蚀时间逐渐变短的双向时间递减方式。

空间梯度腐蚀：将所述高折射率玻璃管外表面分成不均匀的彼此间隔的多段，每段腐蚀时间相同，为逆着激光前行方向每段腐蚀长度逐渐变短的单向递减方式；或者为从中间段腐蚀长度最长、间隔长度最短，向所述高折射率玻璃管两侧每段腐蚀长度逐渐变短、间隔逐渐变长的双向递减方式。

在高折射率玻璃管的外侧面梯度腐蚀剥模的方式，即避免了形成光波导，也不会让光沿着高折射率玻璃管继续向前传输，还能够使得剥除的光完全散射出去，而且各点温度比较均匀，产品可靠性更高，可应用于更高功率的激光剥模。针对高功率激光光纤的包层光剥除器的应用环境，加所需加工工艺，可以选择时间梯度腐蚀或者空间梯度腐蚀，对于时间梯度腐蚀与空间梯度腐蚀，均可以选择单向时间递减或单向递减的方式，也可以选择双向时间递减或双向递减方式，制作方法适应性较强，灵活，可适应不同的产品使用场合的需求。

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。