专利名称：光纤侧面泵浦耦合器及其制造方法
技术领域：
本发明涉及激光器技术领域，尤其涉及一种光纤侧面泵浦耦合器及其制造方法。
背景技术：
高功率高能量光纤激光器和光纤放大器，在工业加工、军事和医疗等领域都有着广泛的应用前景。但是光纤激光功率输出水平直接受到耦合进入增益光纤 的泵浦光功率的限制。为进一步提高光纤激光器功率输出能力和系统可靠性，需要加大进入增益光纤的泵浦光功率并且保证泵浦耦合结构的一致性和稳定性。所以，高功率、高效率和高稳定的泵浦耦合是光纤激光器极为重要的部分。为实现这一需求，现已提出了全光纤泵浦耦合方法，其主要有端面泵浦和侧面泵浦。但是，端面泵浦耦合所采用的熔融拉锥方式，会导致主光纤纤芯变形，影响主光纤信号的耦合效率，并且其制作的耦合器只能针对纤芯直径小于30um的主光纤。现有的侧面耦合，主要有V型槽侧面泵浦、微棱镜侧面耦合等，其耦合效率均低于90%，并且耦合器稳定性较差，无法满足工业化应用的需求。
发明内容
(一 )要解决的技术问题本发明要解决的技术问题是提供一种耦合效率高、稳定性好的光纤侧面泵浦耦合器及其制造方法。( 二 )技术方案为解决上述问题，一方面本发明提供了一种光纤侧面泵浦耦合器，包括主光纤和与所述主光纤侧面泵浦连接的至少一根泵浦光纤，所述主光纤与所述泵浦光纤连接的连接部具有外露的内包层径向外表面，所述泵浦光纤与所述主光纤连接的连接端具有与所述外露的内包层径向外表面的形状互补匹配并贴紧连接的端面结构。优选地，所述主光纤连接部内包层的径向外表面为经过预处理的平整或不平整表面。优选地，所述耦合器泵浦的数量，由主光纤内包层直径Dl和泵浦光纤直径D2决定，即泵浦光纤的数量小于等于优选地，所述主光纤是双包层或者多包层光纤。优选地，所述主光纤内包层的截面形状为圆形、六边形、八边形、D形或梅花形。优选地，所述主光纤为包括铒、镱、钕、铥和钕等在内的各种增益粒子在光纤纤芯上掺杂而成的增益光纤；或为不掺激光增益粒子的无源光纤。优选地，所述主光纤是单模光纤或多模光纤。优选地，所述主光纤在轴向上分布有多个连接部，每个连接部上连接有至少一根泵浦光纤，形成多级级联耦合器。
优选地，所述泵浦光纤可以是双包层或者多包层光纤；其包层形状可以是圆形、六边形、八边形、D形、梅花形等任意形状。优选地，所述泵浦光纤和主光纤的折射率可以相等也可以不等。优选地，所述泵浦光纤是是单模光纤或多模光纤。另一方面，本发明还提供了一种光纤侧面泵浦耦合器的制作方法，包括以下步骤SI :将主光纤连接部处的涂覆层去除，露出内包层；将泵浦光纤连接端处的涂覆层去除，露出包层；S2:对泵浦光纤连接端处进行预处理，形成与所述主光纤连接部处的内包层径向外表面形状互补的端面结构；·S3:将泵浦光纤的端面结构与主光纤连接部内包层的径向外表面对应紧密配合，形成耦合区；S4 :消除耦合区中的空气层，使得泵浦光纤与主光纤形成一体。优选地，所述步骤S2还包括对主光纤连接部的内包层径向外表面进行预处理的步骤，并且泵浦光纤预处理后形成的端面结构与主光纤连接部的内包层径向外表面预处理后的形状互补。优选地，所述步骤S2中泵浦光纤预处理方式为高温加热同时加力处理、化学腐蚀、机械抛磨、激光刻蚀或离子束刻蚀。优选地，所述步骤S2中主光纤预处理方式为高温加热同时加力处理、化学腐蚀、机械抛磨、激光刻蚀或离子束刻蚀。优选地，所述步骤S4中耦合区空气层消除的方式位高温熔合、高温键合、胶粘合、光胶合、直接加力贴合或液体填充贴合。(三)有益效果本发明采用将泵浦光纤和主光纤预处理的方法形成互补接触，然后将互补接触面之间的空气层消除，保证激光从泵浦光纤到主光纤的高效耦合；本发明泵浦光纤与主光纤互补接触面的设计，使得本耦合器可以应用于各种包层形状的主光纤。本发明在耦合器的制作过程中不破坏主光纤的纤芯，可以保证主光纤中信号光也实现高效耦合；本发明将泵浦光纤与主光纤互补接触面之间的空气层消除，使其形成一体，保证耦合器结构的稳定性；此外，本发明单个耦合器能够进行多个泵浦臂同时耦合，可以实现单个耦合器高功率耦合。
图Ia为根据本发明实施例一光纤侧面泵浦耦合器的结构示意图；图lb-d分别为图Ia中Al-Al、A2-A2、A3_A3处的剖面示意图；图2a为根据本发明实施例两级级联光纤侧面泵浦耦合器的结构示意图；图2b_d分别为图2a中E1-E1、E2-E2、E3-E3处的剖面示意图；图2e_g分别为图2a中Fl-Fl、F2-F2、F3-F3处的剖面示意图；图3为根据本发明实施例二光纤侧面泵浦耦合器制造方法的步骤流程图；图4a为根据本发明实施例三光纤侧面泵浦耦合器的结构示意图；图4b_d分别为图4a中B1-B1、B2-B2、B3-B3处的剖面示意图5a为根据本发明实施例四光纤侧面泵浦耦合器的立体结构示意图；图5b为图5a中C-C处的剖面示意图；图5c_e分别为图5b中Dl-Dl、D2-D2、D3-D3处的剖面示意图；其中，110主光纤；111连接部；112内包层；112a径向外表面；120泵浦光纤；121连接端；121a端面结构；210主光纤；211连接部；220泵浦光纤；310主光纤；311连接部；312内包层；312a径向外表面；313涂覆层；320泵浦光纤；321连接端；321a端面结构；322涂覆层；410主光纤；411连接部；412内包层；412a径向外表面；413涂覆层；420泵浦光 纤；421连接端；421a端面结构；422涂覆层。
具体实施例方式下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明如下。实施例一如图Ia-Id所示，本实施例记载了一种光纤侧面泵浦耦合器，包括主光纤110和与所述主光纤110侧面泵浦连接的至少一根泵浦光纤120，所述主光纤110与所述泵浦光纤120连接的连接部111具有外露的内包层112径向外表面112a，所述泵浦光纤120与所述主光纤110连接的连接端121具有与所述外露的内包层径向外表面112a的形状互补匹配并贴紧连接的端面结构121a。在本发明的一些实施例中，所述主光纤110连接部111内包层112的径向外表面112a为没有经过处理的内包层原有表面；在本发明的另一些实施例中，所述主光纤110连接部111内包层112的径向外表面112a为经过预处理的平整或不平整表面(如图la_d所示)O在本实施例中，所述耦合器能够泵浦的数量，由主光纤110内包层直径Dl和泵浦光纤120直径D2决定，即泵浦光纤120的数量小于等于INT(;r^^)(用以主光纤的轴
心位置为圆心、直径为DJD2的圆的周长，除以泵浦光纤的直径之后再取整)。所述主光纤110内包层112的截面形状为圆形、六边形、八边形、D形或梅花形等任意形状。在本发明的一些实施例中，所述主光纤110只布置有一个连接部111。在本发明的其它实施例中，如图2a_2g所示，所述主光纤210在轴向上分布有多个(两个以上)连接部211，每个连接部211上连接有至少一根泵浦光纤220，形成多级级联耦合器，实现主光纤210多点泵浦耦合，提高泵浦功率的同时分散泵浦点，防止局部温度过闻。实施例二 如图3所示，本实施例记载了一种上述光纤侧面泵浦耦合器的制作方法，包括以下步骤SI :将主光纤连接部处的涂覆层去除，露出内包层；将泵浦光纤连接端处的涂覆层去除，露出包层；
S2:对泵浦光纤连接端处进行预处理，形成与所述主光纤连接部处的内包层径向外表面形状互补的端面结构；其中，泵浦光纤预处理方式为高温加热同时加力处理、化学腐蚀、机械抛磨、激光刻蚀或离子束刻蚀S3:将泵浦光纤的端面结构与主光纤连接部内包层的径向外表面对应紧密配合，形成耦合区；S4 :消除耦合区中的空气层，使得泵浦光纤与主光纤形成一体；其中，耦合区空气层消除的方式位高温熔合、高温键合、胶粘合、光胶合、直接加力贴合或液体填充贴合。在本发明的其它实施例中，所述步骤S2还包括对主光纤连接部的内包层径向外表面进行预处理的步骤，并且泵浦光纤预处理后形成的端面结构与主光纤连接部的内包层径向外表面预处理后的形状互补。其中，主光纤预处理方式为高温加热同时加力处理、化学腐蚀、机械抛磨、激光刻蚀或离子束刻蚀。下面以更为具体的实施例来说明本发明
实施例三如图4a_4d所示为本实施例的光纤侧面泵浦耦合器，其制造方法为将一纤芯/内包层直径分别为20/400um的八边形双包层主光纤310的涂覆层313沿主光纤310的轴向去除3cm，露出内包层312，形成连接部311 ；2根泵浦光纤320的纤芯/包层直径分别为200/220um,将其涂覆层322轴向去除3cm，露出包层，形成连接端321 ;采用机械抛磨泵浦光纤320的连接端321进行磨抛处理，使其形成与八边形双包层主光纤310内包层312的径向外表面312a互补匹配的端面结构321a，互补形状如图4b_4d所示。然后将所述2根预处理后的泵浦光纤320的端面结构321a与八边形主光纤310的内包层径向外表面312a相互匹配并紧密接触，形成耦合区。最后，采用氢氧火焰加热的方式使耦合区的中空气层消除而熔为一体，即完成稱合器制作。实施例四如图5a_5e所示为本实施例的光纤侧面泵浦耦合器，其制造方法为将一纤芯/内包层直径分别为50/400um的圆形双包层主光纤410的涂覆层413沿主光纤410的轴向去除3cm，露出内包层412，形成连接部411 ；6根泵浦光纤420的纤芯/包层直径分别为200/220um,将其涂覆层422沿泵浦光纤420的轴向去除3cm，露出包层，形成连接端421 ;采用脉冲激光对泵浦光纤420进行刻蚀处理，形成圆弧状端面结构，使其与圆形主光纤410连接部411处露出的内包层412的径向外表面412a互补,互补形状如图5c_5e所不。然后将6根预处理后的泵浦光纤420的端面结构421a与圆形主光纤410的内包层径向外表面412a相互匹配并紧密接触，形成耦合区。最后，采用氢氧火焰加热的方式使耦合区的中空气层消除而熔为一体，即完成耦合器制作。本发明的耦合器耦合效率高、结构稳定。以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
权利要求
1.一种光纤侧面泵浦耦合器，包括主光纤和与所述主光纤侧面泵浦连接的至少一根泵浦光纤，其特征在于，所述主光纤与所述泵浦光纤连接的连接部具有外露的内包层径向外表面，所述泵浦光纤与所述主光纤连接的连接端具有与所述外露的内包层径向外表面的形状互补匹配并贴紧连接的端面结构。
2.如权利要求I所述的光纤侧面泵浦耦合器，其特征在于，所述主光纤连接部内包层的径向外表面为经过预处理的平整或不平整表面。
3.如权利要求I所述的光纤侧面泵浦耦合器，其特征在于，所述耦合器泵浦的数量，由主光纤内包层直径Dl和泵浦光纤直径D2决定，即泵浦光纤的数量小于等于
4.如权利要求I所述的光纤侧面泵浦耦合器，其特征在于，所述主光纤内包层的截面形状为圆形、六边形、八边形、D形或梅花形。
5.如权利要求I所述的光纤侧面泵浦耦合器，其特征在于，所述主光纤在轴向上分布有多个连接部，每个连接部上连接有至少一根泵浦光纤，形成多级级联耦合器。
6.一种光纤侧面泵浦耦合器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤 51:将主光纤连接部处的涂覆层去除，露出内包层；将泵浦光纤连接端处的涂覆层去除，露出包层； 52:对泵浦光纤连接端处进行预处理，形成与所述主光纤连接部处的内包层径向外表面形状互补的端面结构； 53:将泵浦光纤的端面结构与主光纤连接部内包层的径向外表面对应紧密配合，形成耦合区； 54:消除耦合区中的空气层，使得泵浦光纤与主光纤形成一体。
7.如权利要求6所述的制造方法，其特征在于，所述步骤S2还包括对主光纤连接部的内包层径向外表面进行预处理的步骤，并且泵浦光纤预处理后形成的端面结构与主光纤连接部的内包层径向外表面预处理后的形状互补。
8.如权利要求6所述的制造方法，其特征在于，所述步骤S2中泵浦光纤预处理方式为高温加热同时加力处理、化学腐蚀、机械抛磨、激光刻蚀或离子束刻蚀。
9.如权利要求7所述的制造方法，其特征在于，所述步骤S2中主光纤预处理方式为高温加热同时加力处理、化学腐蚀、机械抛磨、激光刻蚀或离子束刻蚀。
10.如权利要求6所述的制造方法，其特征在于，所述步骤S4中耦合区空气层消除的方式位高温熔合、高温键合、胶粘合、光胶合、直接加力贴合或液体填充贴合。
全文摘要
本发明公开了一种光纤侧面泵浦耦合器及其制造方法，所述耦合器包括主光纤和至少一根泵浦光纤，所述主光纤的连接部具有外露的内包层径向外表面，所述泵浦光纤的连接端具有与所述外露的内包层径向外表面的形状互补匹配并贴紧连接的端面结构。所述制造方法包括以下步骤将主光纤连接部处的涂覆层去除，露出内包层；将泵浦光纤连接端处的涂覆层去除，露出包层；对泵浦光纤连接端处进行预处理，形成与所述主光纤连接部处的内包层径向外表面形状互补的端面结构；将泵浦光纤的端面结构与主光纤连接部内包层的径向外表面对应紧密配合，形成耦合区；消除耦合区中的空气层，使得泵浦光纤与主光纤形成一体。本发明的耦合器耦合效率高、稳定性好。
文档编号H01S3/094GK102891429SQ20111045633
公开日2013年1月23日 申请日期2011年12月30日 优先权日2011年12月30日
发明者巩马理, 肖起榕, 闫平, 张海涛, 柳强, 黄磊 申请人:清华大学