一种基于锥形光纤的高功率光纤端帽的制作方法

本发明属于光纤激光领域，涉及一种基于锥形光纤的高功率光纤端帽。

背景技术：

二十世纪八十年代后期，随着光纤制作工艺的成熟和固体激光器的发展，光纤激光器开始成为研究热点，而随着双包层光纤和包层泵浦技术的日渐成熟，高功率光纤激光器开始取得突破性的进展。由于光纤激光器具有体积小、重量轻、热管理方便、光束质量好等优点，近几年来，光纤输出的高功率光纤激光器已经在光通信、材料加工、医学诊疗、信息存储、激光印刷、激光测控、激光光谱学以及非线性频率转换等领域得到了广泛的应用。

随着光纤激光输出功率的不断提高，光纤纤芯中的功率密度也随之不断攀升。而由于光纤的输出端面在切割、研磨、抛光等处理的过程中，不可避免的会在光纤的端面留下缺陷与损伤，使得局部电场加强，造成材料破坏，所以在大功率光纤激光系统中，光纤输出端面处理是一项重要的核心技术。光纤端帽就是实现光纤端面保护的高功率光纤无源器件，通过对输出光纤的扩束降低输出端的光功率密度，从而保护光纤端面不受损坏。

传统的光纤端帽使用普通的纤芯尺寸均匀的光纤与扩束石英块相熔接来达到扩束和保护输出端面的作用。为了保持光束质量，一般光纤端帽中传能光纤的尺寸与激光器输出光纤尺寸保持一致，在工业应用中一般需要10-20米甚至更长的光纤，这会导致传能光纤中的非线性效应产生，严重影响激光器的使用。在光纤中的非线性效应中，以受激拉曼散射与受激布里渊散射为主。这两种非线性效应的阈值都与光纤系统中的光纤长度密切相关，加入端帽后由于整体光纤长度的增加，光纤纤芯中的非线性效应相互作用距离变长，使得非线性效应的阈值大大降低，从而限制的这种传统光纤端帽在大功率光纤激光系统、尤其是单模高光束质量光纤激光系统中的应用。

另一方面，在高功率光纤激光系统中，由于泵浦光吸收不完全、光纤弯曲等因素，将会不可避免的会有包层光的残留。将包层光与信号光一同输出将会降低输出光束的整体质量，所以在输出系统中也需要对包层光进行剥除。

技术实现要素：

针对上述已有技术的不足，本发明提供了一种基于锥形光纤的高功率光纤端帽，其结构简单、能够提高提高纤芯激光输出承受能力、有效抑制非线性效应、有效保持激光光束质量。

本发明的技术方案是：

一种基于锥形光纤的高功率光纤端帽，包括锥形光纤、石英块以及端帽外壳；锥形光纤的大端从端帽外壳的一端穿入到端帽外壳内部并固定于端帽外壳上，端帽外壳的另一端开设有供石英块伸入的腔体，所述石英块伸入端帽外壳内部的一端为圆锥台形端头，石英块伸出端帽外壳之外的一端为圆柱体形且石英块伸出端帽外壳之外的圆柱端端面上镀有增透膜；在端帽外壳内部，石英块的圆锥台形端头与锥形光纤的大端相熔接，在石英块伸出端帽外壳之外的一端的端帽外壳上设置有输出端帽保护窗，输出端帽保护窗将石英块伸出端帽外壳之外的圆柱端封闭在其内部。

锥形光纤是指光纤的纤芯直径随着光纤长度的变化而逐渐变大，可以是掺稀土粒子的增益光纤和普通非掺杂的能量传输光纤。根据纤芯直径大小，可以将锥形光纤的两端分为大端和小端，锥形光纤的纤芯直径较大一端为大端，纤芯直径较小一端为小端。小端在端帽外壳外与光纤激光系统的输出光纤相熔接，大端在端帽外壳内与石英块进行熔接。锥形光纤可以是单包层锥形光纤，可以是双包层锥形光纤，也可以是多包层即包层为三层即以上。所述单包层锥形光纤由纤芯、内包层和涂覆层组成，纤芯的外表面从内到外依次设有内包层和涂覆层，纤芯和内包层的直径随着光纤长度的增长而线性变大，涂覆层的厚度固定，并不随光纤的长度而发生变化。所述双包层锥形光纤由纤芯、内包层、外包层和涂覆层组成，纤芯的外表面依次设有内包层、外包层和涂覆层，纤芯和内包层的直径随着光纤的长度的增长而线性变大，外包层和涂覆层的厚度固定，并不随光纤的长度而发生变化。

对于双包层锥形光纤，伸入端帽外壳内部的双包层锥形光纤的一端在伸入端帽外壳内部之前需去除其涂覆层，即伸入端帽外壳内部的双包层锥形光纤是一段去除涂覆层的光纤。在去除涂覆层的光纤表面利用紫外固化胶进行涂覆并固化，形成一个包层光剥离器。

本发明中的端帽外壳用于固定锥形光纤、石英块以及输出端帽保护窗片。在端帽外壳内部可以设置流动的冷却液辅助散热。端帽外壳内部为空腔，锥形光纤的大端从端帽外壳的一端伸入端帽外壳内部的空腔，石英块的圆锥台形端头从端帽外壳的另一端伸入端帽外壳内部的空腔，在端帽外壳内部空腔中，石英块的圆锥台形端头与锥形光纤的大端相熔接；所述端帽外壳的侧壁上设置有冷却液输入接口和冷却液输出接口，冷却液从冷却液输入接口进入端帽外壳内部空腔，从冷却液输出接口流出，在端帽外壳内部形成流动的冷却液。

本发明的基本原理如下：

在大功率光纤激光系统中，受激非弹性散射，即受激拉曼散射(下简称srs)与受激布里渊散射(下简称sbs)，是限制功率提升的重要因素。在电子工业出版社出版的由g.p.agrawal所著的《非线性光纤光学原理与应用》一书中将srs和sbs的阈值公式总结如下：

其中，gr和gb分别为拉曼增益系数与布里渊增益系数。aeff为光纤的有效截面积，leff为光纤的有效长度。在光纤材料一定的情况下，拉曼与布里渊散射的增益系数为常数，那么这两种非线性效应的阈值则与光纤有效截面积成正比而与光纤有效长度成反比。通常在光纤端帽中所使用的光纤(一般称为尾纤)是与光纤系统光纤尺寸相匹配的传能光纤，而尾纤的加入使得系统光纤有效长度增加而引起非线性效应的阈值降低。而在锥形光纤中，我们可以使锥形光纤的小端尺寸与光纤激光系统光纤尺寸保持一致，而后随着长度的变化，光纤的纤芯尺寸不断变大。这样，光纤有效截面积随着光纤长度的增加而增加，从而提高了非线性效应的阈值，可以比较有效地抑制光纤激光系统中有害非线性效应的产生。请参阅说明书附图4，图4展示了理论计算的芯径直径为20微米增益光纤(图4(a))和芯径从20微米逐渐增大至45微米的长锥形增益光纤(图4(b))中的拉曼信号强度对比。从图4中可以看出，长锥形光纤的拉曼强度要远低于普通的芯径为20微米。同时，由于锥形光纤沿正向芯径逐渐增加，那么对于后向回光来说，芯径就是逐渐减小的，而芯径减小所带来的后向回光损耗不仅能够有效防止有害反馈对光纤激光系统的损伤，还能够从一定程度上从抑制后向光的角度抑制受激布里渊散射。另一方面，根据理论分析(参见shicheng,etal.,theoreticalstudyofmodeevolutioninactivelongtaperedmultimodefiber.opticsexpress,2016.24(17):p.19473-19490)，锥形光纤本身具有能够保持注入激光光束质量的特点。请参阅说明书附图5，图5展示了长锥形光纤光束质量演化以及输出光斑的仿真结果，输出的光束质量与输入的光束质量基本保持一致，也就是说长锥形光纤在纤芯直径逐渐增大的过程中并不会引起光束质量的严重退化，从而可以保持激光系统原本优良的光束质量。

本发明中的石英块位于端帽壳体外侧的激光输出端面上镀有增透膜。增透膜可以有效降低激光功率的损耗，同时减小后向回光反馈，保护光纤激光系统不受损伤。

本发明中，石英块与锥形光纤相熔接的一端为圆锥台形，即两端为圆形端面的圆锥形。石英块伸出端帽壳体之外的一端为圆柱形。其中位于端帽壳体内部的圆锥台形结构可以使得反向回光无法耦合进尾纤中，减少可能的后向回光反馈，有效提高了光纤激光的安全性和工作地稳定性。

进一步地，本发明在端帽外壳的内部可以设置冷却空腔与冷却介质循环通道用以应对高功率激光的应用场景。冷却介质的出入口与冷却空腔连通，可以通过外置循环设备实现对冷却介质的循环，从而提高端帽的冷却效果。

采用本发明可以达到以下技术效果：

(1)使用锥形光纤作为端帽的尾纤，在对光纤激光系统光纤输出端面提供保护的同时，可以有效抑制大功率光纤激光系统中可能存在的非线性效应(如srs和sbs)以及有害的后向回光；

(2)在对光纤激光系统光纤输出端面提供保护的同时，可以保持良好的光束质量，特别适合于单模高光束质量激光的功率传输；

(3)通过对光纤端帽的壳体结构设计可以使之应对各种应用场景，诸如大功率光纤激光器等。

附图说明

图1基于单包层锥形光纤的高功率光纤端帽结构示意图

图2双包层锥形光纤结构示意图

图3单包层锥形光纤结构示意图

图4不采用和采用本发明时在不同泵浦形式下的激光器输出拉曼功率对比图；其中图4(a)是不采用本发明时在不同泵浦形式下的激光器输出拉曼功率图；其中图4(b)是采用本发明时在不同泵浦形式下的激光器输出拉曼功率图

图5本发明提供的锥形光纤保持光束质量的计算结果；其中图5(a)为锥形光纤中基模和高阶模功率变化曲线；图5(b)为锥形光纤光束质量m²变化曲线；图5(c)、(d)分别为锥形光纤输入和输出光斑形态图。

图6基于双包层锥形光纤的高功率光纤端帽结构示意图。

图中：1、单包层锥形光纤；2、端帽外壳；3、石英块；4、增透膜；5、输出端帽保护窗；6、双包层锥形光纤；7、去除涂覆层的光纤；8、紫外固化胶；9、冷却液输入接口；10、冷却液输出接口；11、空腔；2-1、纤芯；2-2、内包层；2-3、外包层；2-4、涂覆层；

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本发明提出的锥形光纤是指光纤的纤芯直径随着光纤长度的变化而逐渐变大，可以是掺稀土粒子的增益光纤和普通非掺杂的能量传输光纤。根据纤芯直径大小，可以将锥形光纤的两端分为大端和小端。参阅图2和图3。图2中展示了双包层锥形光纤的示意图，其由纤芯2-1、内包层2-2、外包层2-3以及涂覆层2-4组成，纤芯2-1的外表面依次设有内包层2-2、外包层2-3和涂覆层2-4，纤芯2-1和内包层2-2的直径随着光纤的长度的增长而线性变大，外包层2-3和涂覆层2-4的厚度固定，并不随光纤的长度而发生变化。图3中展示了单包层锥形光纤，其由纤芯2-1、内包层2-2以及涂覆层2-4组成；纤芯2-1的外表面依次设有内包层2-2和涂覆层2-4，纤芯2-1和内包层2-2的直径随着光纤的长度的增长而线性变大，涂覆层2-4的厚度固定，并不随光纤的长度而发生变化。锥形光纤与传统光纤的不同之处在于其内包层与纤芯的几何尺寸随着光纤长度的增加逐渐变大，通常这种芯径变化在光纤制作过程中通过改变拉丝速度来实现。锥形光纤中芯径较大和较小的端口分别被称为大端与小端。双包层锥形光纤其小端纤芯直径的典型尺寸为10μm～50μm，大端纤芯直径的典型尺寸为50μm～200μm。单包层锥形光纤其小端纤芯直径的典型尺寸为6μm～10μm，大端纤芯直径的典型尺寸为20μm～50μm。

实施例1：请参阅图1，一种基于单包层锥形光纤的高功率光纤端帽，包括单包层锥形光纤1、石英块3以及端帽外壳2，单包层锥形光纤1的大端从端帽外壳2的一端穿入到端帽外壳2内部并固定于端帽外壳2上，端帽外壳2的另一端开设有供石英块3伸入的腔体，所述石英块3伸入端帽外壳内部的一端为圆锥台形端头，石英块3伸出端帽外壳2之外的一端为圆柱体形且石英块3伸出端帽外壳2之外的圆柱端端面上镀有增透膜4；在端帽外壳2内部，石英块3的圆锥台形端头与锥形光纤1的大端相熔接，在石英块3伸出端帽外壳2之外的一端的端帽外壳2上设置有输出端帽保护窗5，输出端帽保护窗5将石英块伸出端帽外壳之外的圆柱端封闭在其内部，防止输出端面污染。

图4为不采用和采用本发明时在不同泵浦形式下的激光器输出拉曼功率对比。其中图4(a)为不采用本发明时激光器的拉曼功率，图4(a)中增益光纤的纤芯直径20μm、长度11m，前向泵浦时，拉曼功率大于110w；图4(b)采用本发明提供的纤芯尺寸由20μm渐变至45μm、长度11m的长锥形增益光纤后激光器输出拉曼功率，在2.3w以下。对比图4(a)、图4(b)可知，采用本发明提供的技术方案，可以极大降低激光器的非线性效应。

图5为本发明提供的锥形光纤保持光束质量的计算结果。其中图5(a)为锥形光纤中基模和高阶模功率变化曲线；图5(b)锥形光纤光束质量m²变化曲线；图5(c)、(d)分别为锥形光纤输入和输出光斑形态。结果表明，使用锥形光纤时，能够保持输入时较好的光束质量和光斑形态。

实施例2：请参阅图6，一种基于双包层锥形光纤的高功率光纤端帽结构示意图。对于双包层锥形光纤6，伸入端帽外壳2内部的双包层锥形光纤6的一端在伸入端帽外壳2内部之前需去除其涂覆层2-4，即伸入端帽外壳2内部的双包层锥形光纤6是一段去除涂覆层的光纤7。在去除涂覆层的光纤7表面利用紫外固化胶8进行涂覆并固化，形成一个包层光剥离器。

在端帽外壳2内部设置流动的冷却液辅助散热。本实施例中，端帽外壳2内部为空腔11。将处理后的双包层锥形光纤6的大端从端帽外壳2的一端穿入到端帽外壳2内部空腔并固定于端帽外壳2上。端帽外壳2的另一端开设有供石英块3伸入的腔体，所述石英块3伸入端帽外壳内部的一端为圆锥台形端头，石英块3伸出端帽外壳2之外的一端为圆柱体形且石英块3伸出端帽外壳2之外的圆柱端端面上镀有增透膜4；在端帽外壳2内部空腔11中，石英块3的圆锥台形端头与锥形光纤1的大端相熔接，在石英块3伸出端帽外壳2之外的一端的端帽外壳2上设置有输出端帽保护窗5，输出端帽保护窗5将石英块伸出端帽外壳之外的圆柱端封闭在其内部，防止输出端面污染。所述端帽外壳2的侧壁上设置有冷却液输入接口9和冷却液输出接口10，冷却液从冷却液输入接口9进入端帽外壳2内部空腔11，从冷却液输出接口10流出，在端帽外壳2内部空腔11中形成流动的冷却液。

在使用过程中，可以通过外部循环水冷机将冷却水从端帽外壳2上的冷却液输入接口以及冷却液输出接口进出，实现循环制冷以达到良好的制冷效果。将冷却空腔内的长锥形双包层传能光纤的其中一段长度去掉涂覆层，并在其上涂覆紫外固化胶。紫外固化胶的折射率可以与双包层光纤内包层材料的折射率相匹配，从而可以将光纤内包层中的未吸收完全的泵浦光以及高阶模式信号光剥除。冷却空腔中充满冷却介质，冷却介质可以将从紫外固化胶中剥离出来的光传化成热量吸收并带走。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。