一种高功率光纤泵浦合束器及其封装方法
【专利摘要】本发明提供了一种高功率光纤泵浦合束器及其封装方法的技术方案，该方法利用在拉锥整形后的光纤波导结构（包括 N 根输入泵浦光纤、锥区、熔接点、输出光纤）的输入端和输出端有技巧的涂覆两道高折射率UV胶，从而使其固定于一带有凹槽的铝质基板上，再用一与铝质基板凹槽结构相同的铝质上盖点胶密封以完成泵浦合束器的封装。利用本发明封装后的泵浦合束器结构简单，热量囤积现象不明显，散热效果好，器件不易损坏，耐受功率可达kW至数kW量级。
【专利说明】
一种高功率光纤泵浦合束器及其封装方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及的是一种光学设备及其封装方法，尤其是一种高功率光纤泵浦合束器及其封装方法。
【背景技术】
[0002]在现有技术中，公知的技术是，光纤泵浦合束器具有使用方便、耦合效率高、集成度高等优点，已成为光纤激光器中主要的泵浦耦合方式。光纤泵浦合束器的主要组成包含两部分:一是经拉锥整形后的光纤波导结构；二是封装结构。光纤泵浦合束器的封装应具备以下三方面功能:一是对泵浦合束器中的光纤波导结构进行有效固定；二是对泵浦合束器中的杂散光进行有效吸收；三是对泵浦合束器中的废热进行有效传递，从而减小泵浦合束器的热效应，提高泵浦合束器的耐受功率。
[0003]目前，光纤泵浦合束器的封装结构普遍较复杂，且散热性能较差，尤其是kW级高功率光纤泵浦合束器的封装散热一般采取通水冷却方式，其封装过程和结构均相对复杂。如何有效提高光纤泵浦合束器的导光、散热性能，并有效简化封装结构从而方便使用已成为需解决的重要问题，这是现有技术所存在的不足之处。
【发明内容】
[0004]本发明的目的，就是针对现有技术所存在的不足，而提供一种高功率光纤泵浦合束器及其封装方法的技术方案，该方案结构简单、使用方便、散热性能好，耐受功率可高达kff量级。
[0005]本方案是通过如下技术措施来实现的:
一种高功率光纤泵浦合束器，其特征是:包括有上盖、基板、熔接在一起的输入泵浦光纤束和输出泵浦光纤；输入泵浦光纤束和输出泵浦光纤水平放置在基板上；基板两端和中部设置有凹槽；输入泵浦光纤束放置在基板一端的凹槽上；输出泵浦光纤放置在基板另一端的凹槽上；输入泵浦光纤束和输出泵浦光纤的熔接点设置在基板中部的凹槽上；上盖板盖在基板上。
[0006]作为本方案的优选:输入泵浦光纤束的裸光纤部分均勻分散开，各裸露的光纤之间存在间隙，并由高折UV胶将裸光纤部分固定在基板上。
[0007]作为本方案的优选:输出泵浦光纤由涂敷在光纤上的高折UV胶固定在基板上。
[0008]作为本方案的优选:凹槽的形状为办圆弧形，凹槽内部紧密排布有锥角角度小于凹槽上方光纤的最大稳定传输角的半圆弧形V型槽。
[0009]一种高功率光纤泵浦合束器的封装方法，其特征是:包括有以下步骤:
a.将熔接在一起的输入泵浦光纤束和输出泵浦光纤水平置于基板的凹槽内，并用夹具将输出泵浦光纤固定住；
b.将输入泵浦光纤的裸光纤部分均勻分散开，使各裸光纤存在一定间隙，然后再用特定夹具将输入泵浦光纤固定住； C.将高折UV胶涂覆在远离锥区，且被分散开来的输入泵浦光纤的裸光纤部分和输入泵浦光纤的聚合物保护层部分，其中，裸光纤部分的涂覆长度为9mm-l 1mm，聚合物保护层的涂覆长度大于5mm，高折UV胶完全浸没输入泵浦光纤以保证有效的导光和导热性能；
d.用紫外固化灯对涂覆在泵浦合束器输入端的高折UV胶进行紫外光辐照固化；
e.对输出泵浦光纤进行点胶涂覆，当输出泵浦光纤为石英包层光纤时，高折UV胶直接涂覆在远离熔接点的输出泵浦光纤的裸石英包层上；当输出泵浦光纤为聚合物包层光纤时，高折胶涂覆的起始位置应恰好与聚合物包层平齐，输出端的UV胶涂覆长度大于8mm，高折胶完全浸没输出泵浦光纤，从而保证输出泵浦光纤的固定稳定性和有效的导光、导热性；
f.用紫外固化灯对涂覆在泵浦合束器输出端的高折UV胶进行紫外光辐照固化；
g.用与基板凹槽结构相同的上盖通过螺钉与基板进行连接，将上盖的左右两侧凹槽用高折UV胶填充，然后再用紫外固化灯对这部分高折胶进行固化，从而实现泵浦合束器的密封并完成泵浦合束器的封装。
[0010]作为本方案的优选:步骤b中,对输入泵浦光纤的裸光纤部分进行分散时,分散的裸光纤部分全部位于同一平面内或分散于三维空间中。
[0011]本方案的有益效果可根据对上述方案的叙述得知，由于在该方案中基板的长度与泵浦合束器的光纤波导结构长度相适宜，基板的凹槽为半圆弧形，其直径为数毫米，凹槽中紧密排布着锥角角度小于光纤最大稳定传输角的半圆弧形V型槽，从而有效吸收无法在光纤中稳定传输的角度较大的杂散光；输入泵浦光纤的裸光纤分散开来的目的是为了避免造成热量囤积，因为当输入光纤被捆绑在一起或紧密排列时，高折紫外胶会浸入光纤之间的狭小缝隙，从而形成折射率内高外低的类光纤结构，这样的结构无法有效导光而使得光束聚集在UV胶内而形成热量囤积，由于石英和UV胶的热导率均很低，所以，这样会引起严重的热效应，从而降低了泵浦合束器的耐受功率。
[0012]将高折UV胶涂覆在输入泵浦光纤的裸光纤部分的原因是为了避免熔接点附近附近产生的散射光进入输入泵浦光纤的聚合物保护层，从而引起不必要的热量累积。
[0013]当UV胶直接涂覆在输入泵浦光纤的裸光纤上时，杂散光在进入聚合物保护层之前就已经被高折UV胶所导出，并被铝质基板所吸收，从而可有效减低热效应。
[0014]当输出泵浦光纤为聚合物包层光纤时，UV胶涂覆的起始位置应与聚合物包层平齐的目的是为了将聚合物包层吸收的熔接点附近产生的散射光基本完全导出，并利用UV胶对聚合物包层进行导热。若UV胶与聚合物包层的起始位置不平齐，则散射光会直接进入未被UV胶覆盖的这部分悬空的聚合物包层中，从而引发聚合物包层的热量累积，降低泵浦合束器的耐受功率。
[0015]由此可见，本发明与现有技术相比，结构简单，热量囤积现象不明显，散热效果好，器件不易损坏，耐受功率可达kW至数kW量级，具有突出的实质性特点和显著地进步，其实施的有益效果也是显而易见的。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为本发明的结构示意图。
[0017]图2为上盖对泵浦耦合器进行密封的结构示意图。
[0018]图中，I为输入泵浦光纤,2为锥区,3为熔接点,4为输出泵浦光纤,5为基板,6为V型槽，7为V型槽，8为V型槽，9为第一道高折射率UV胶，10为输入泵浦光纤的裸光纤，11为第二道高折射率UV胶，12为上盖，13为螺钉。
【具体实施方式】
[0019]本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
[0020]本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
[0021]如图1，本发明包括有上盖、基板、熔接在一起的输入泵浦光纤束和输出泵浦光纤；输入泵浦光纤束和输出泵浦光纤水平放置在基板上；基板两端和中部设置有凹槽；输入泵浦光纤束放置在基板一端的凹槽上；输出泵浦光纤放置在基板另一端的凹槽上；输入泵浦光纤束和输出泵浦光纤的熔接点设置在基板中部的凹槽上；上盖板盖在基板上；输入泵浦光纤束的裸光纤部分均勻分散开，各裸露的光纤之间存在间隙，并由高折UV胶将裸光纤部分固定在基板上；输出泵浦光纤由涂敷在光纤上的高折UV胶固定在基板上；凹槽的形状为半圆弧形，凹槽内部紧密排布有锥角角度小于凹槽上方光纤的最大稳定传输角的半圆弧形V型槽。
[0022]具体的封装方法为:
选择7X1泵浦合束器的输入泵浦光纤型号为芯200um/包220um，NA=0.22的多模光纤，输出泵浦光纤为双包层光纤，其石英包层的直径为400um，聚合物包层直径为550um，NA=0.46。
[0023]首先，将泵浦合束器中含有7根输入泵浦光纤1、锥区2、熔接点3、输出泵浦光纤4的光纤波导结构水平放置在一块铝质基板上5的凹槽中，凹槽的直径为3mm，左侧凹槽中紧密排布着角度为15°的V型槽6，中部靠近熔接点的凹槽中紧密排布了角度为20°的V型槽7，右侧凹槽中紧密排布着角度为30°的V型槽8。
[0024]然后用一夹具将输出泵浦光纤4水平固定住，将7根输入泵浦光纤I在同一平面上均匀分散开后再用相应的夹具将其固定住，用第一道高折射率UV胶9涂覆7根输入泵浦光纤的裸光纤10和聚合物保护层，直至其完全被UV胶覆盖，裸光纤的涂覆长度约10mm，聚合物保护层的涂覆长度不小于5mm，完成涂覆后用紫外固化灯对输入端的UV胶进行辐照固化。
[0025]然后用第二道高折射率UV胶11对输出泵浦光纤4的聚合物包层进行涂覆，涂覆时应自右向左涂覆，在接近裸光纤与聚合物包层分界点时应放慢涂覆速度以保证UV胶正好覆盖聚合物包层的起始点，而又不会涂覆至裸光纤上。输出泵浦光纤4的涂覆长度不小于8mm，且输出泵浦光纤应完全被UV胶覆盖。完成涂覆后用紫外固化灯对输出端的UV胶进行辐照固化。
[0026]最后，如图2所示，用一与铝质基板凹槽结构相同的铝质上盖12通过螺钉13与铝质基板进行连接，用高折UV胶将铝质上盖的左右两侧凹槽填充一定距离(不超过基板上的UV胶涂覆范围)，然后再用紫外固化灯对这部分高折胶进行固化，从而实现泵浦合束器的密封并完成泵浦合束器的封装。
[0027]利用上述方法封装的泵浦合束器测试结果为:泵浦合束器各臂接入功率145W的976nm泵浦光源，总耐受功率达1015W，稳定工作I小时以上。其中，输入端UV胶的温度仅上升24.6 V，输出端UV胶的温度仅上升23°C。
[0028]本发明并不局限于前述的【具体实施方式】。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
【权利要求】
1.一种高功率光纤泵浦合束器，其特征是:包括有上盖、基板、熔接在一起的输入泵浦光纤束和输出泵浦光纤；所述输入泵浦光纤束和输出泵浦光纤水平放置在基板上；所述基板两端和中部设置有凹槽；所述输入泵浦光纤束放置在基板一端的凹槽上；所述输出泵浦光纤放置在基板另一端的凹槽上；所述输入泵浦光纤束和输出泵浦光纤的熔接点设置在基板中部的凹槽上；所述上盖板盖在基板上。
2.根据权利要求1所述的一种高功率光纤泵浦合束器，其特征是:所述输入泵浦光纤束的裸光纤部分均勻分散开，各裸露的光纤之间存在间隙，并由高折UV胶将裸光纤部分固定在基板上。
3.根据权利要求1所述的一种高功率光纤泵浦合束器，其特征是:所述输出泵浦光纤由涂敷在光纤上的高折UV胶固定在基板上。
4.根据权利要求1所述的一种高功率光纤泵浦合束器，其特征是:所述凹槽的形状为办圆弧形，凹槽内部紧密排布有锥角角度小于凹槽上方光纤的最大稳定传输角的半圆弧形V型槽。
5.一种高功率光纤泵浦合束器的封装方法，其特征是:包括有以下步骤: a.将熔接在一起的输入泵浦光纤束和输出泵浦光纤水平置于基板的凹槽内，并用夹具将输出泵浦光纤固定住； b.将输入泵浦光纤的裸光纤部分均勻分散开，使各裸光纤存在一定间隙，然后再用特定夹具将输入泵浦光纤固定住； c.将高折UV胶涂覆在远离锥区，且被分散开来的输入泵浦光纤的裸光纤部分和输入泵浦光纤的聚合物保护层部分，其中，裸光纤部分的涂覆长度为9mm-l 1mm，聚合物保护层的涂覆长度大于5mm，高折UV胶完全浸没输入泵浦光纤以保证有效的导光和导热性能； d.用紫外固化灯对涂覆在泵浦合束器输入端的高折UV胶进行紫外光辐照固化； e.对输出泵浦光纤进行点胶涂覆，当输出泵浦光纤为石英包层光纤时，高折UV胶直接涂覆在远离熔接点的输出泵浦光纤的裸石英包层上；当输出泵浦光纤为聚合物包层光纤时，高折胶涂覆的起始位置应恰好与聚合物包层平齐，输出端的UV胶涂覆长度大于8mm，高折胶完全浸没输出泵浦光纤，从而保证输出泵浦光纤的固定稳定性和有效的导光、导热性； f.用紫外固化灯对涂覆在泵浦合束器输出端的高折UV胶进行紫外光辐照固化； g.用与基板凹槽结构相同的上盖通过螺钉与基板进行连接，将上盖的左右两侧凹槽用高折UV胶填充，然后再用紫外固化灯对这部分高折胶进行固化，从而实现泵浦合束器的密封并完成泵浦合束器的封装。
6.根据权利要求5所述的一种高功率光纤泵浦合束器的封装方法，其特征是:所述步骤b中，对输入泵浦光纤的裸光纤部分进行分散时，分散的裸光纤部分全部位于同一平面内或分散于三维空间中。
【文档编号】H01S3/091GK104377537SQ201410691451
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2014年11月27日 优先权日:2014年11月27日
【发明者】范国滨, 吴娟, 张凯, 孙殷宏, 马毅, 唐淳, 张卫, 王岩山, 冯昱骏, 李腾龙, 高清松 申请人:中国工程物理研究院应用电子学研究所