高数值孔径光剥离器的制作方法

本文公开的技术涉及高功率光纤和光纤耦合激光器。更具体地，所公开的技术涉及管理光纤连接器中的背反射光。

背景技术：

高功率光纤耦合激光器越来越普遍地用于各种应用，诸如材料加工、切割、焊接和/或增材制造。光纤耦合激光器包括光纤激光器、盘形激光器、二极管激光器、二极管泵浦固体激光器和灯泵浦固体激光器；光纤激光器是最普遍的光纤耦合激光源。在这些系统中，经由光纤将光学功率从激光器递送至工件，所述光纤通常包括端部处的连接器。也可以采用光纤耦合激光器和工件之间的中间光纤，并且这些中间光纤通常还包括位于两端的连接器。这些连接器通常被设计成精确地对准从光纤出射的光束，以保持输出光束指向下游光学器件并促进多个连接/断开循环。

耦合光纤的一个常见问题是，显著的光学功率可能会从工件或光纤与工件之间的光学器件反射回光纤。耦合到光纤中的背反射光可以耦合到光纤的芯或包层中，但是通常大部分耦合到包层中。耦合到纤芯中的背反射功率通常通过电缆传输回激光器，但光纤连接器应配置为管理耦合到光纤包层中的功率。现有的连接器剥离该功率或者试图将其保持在光纤的包层中。剥离背反射包层光受到连接器耗散所得热量的能力的限制。此外，该方法增加了连接器的成本和复杂性，通常需要水冷却，引入了故障模式，并且限制了监视背反射光的能力。监视背反射光可用于过程监视、控制和优化。保持包层中的背反射功率可导致光耦合到仅被弱引导(即接近na的极限或光纤的接收角)的包层中。光纤的弯曲会剥离这种光，导致局部加热和电缆故障。因此，需要一种光纤连接器，该光纤连接器既不用剥离和转储包层中的背反射光，也不用将其无干扰地引导到光纤中。

技术实现要素：

本发明公开了一种光纤连接器，该光纤连接器包括：外壳，该外壳具有沿纵向方向延伸的区域；光纤，该光纤设置在该区域中；光纤的第一部分，其包括内芯、围绕内芯的包层和围绕包层的第一外聚合物层；以及光纤的第二部分，其包括内芯、围绕内芯的包层和不同于第一外聚合物层的第二外聚合物层。在一个示例中，第一部分和第二部分彼此相邻。第一外聚合物层可具有比第二外聚合物层的折射率低的折射率。在一个示例中，第二外聚合物层具有比包层的折射率低的折射率。在一个示例中，第二聚合物层是基于氟代丙烯酸酯的聚合物、基于有机硅的聚合物、氟硅酸盐玻璃、或硼硅酸盐玻璃或其任何组合。在一个示例中，第二聚合物层包括聚合物材料或玻璃材料，其中聚合物材料或玻璃材料包括孔，该孔被构造成影响光导特性。在一个示例中，第二聚合物层包括结构化表面或纹理化表面。

这里进一步公开了一种光纤连接器，其包括：外壳，该外壳具有沿纵向方向延伸的区域；无芯光纤，该无芯光纤设置在该区域中；无芯光纤的第一部分，其涂覆有第一外聚合物层；以及无芯光纤的第二部分，其涂覆有第二外聚合物层，其中第二外聚合物层不同于第一外聚合物层。在一个示例中，第一部分和第二部分彼此相邻，并且其中第一聚合物层具有比第二聚合物的折射率低的折射率。在一个示例中，第二聚合物层具有比无芯光纤的折射率低的折射率。在一个示例中，第二聚合物层是基于氟代丙烯酸酯的聚合物、基于有机硅的聚合物、氟硅酸盐玻璃、或硼硅酸盐玻璃或其任何组合。在一个示例中，第二聚合物层包括聚合物材料或玻璃材料，其中聚合物材料或玻璃材料包括孔，该孔构造成影响光导特性。在一个示例中，第二聚合物层包括纹理化表面或结构化表面。

本文公开了一种方法，包括：制造包括芯、内包层和外涂层的光纤，该外涂层包括第一低折射率材料；从光纤剥离第一低折射率材料的一个区段；选择第二低折射率材料，其被配置为从光纤中传播的光中去除高na光；并且用第二低折射率材料涂覆该区段。在一个示例中，选择第二低折射率材料以在光纤中提供数值孔径(na)，该数值孔径足以去除在光纤中传播的大部分高na光，其中高na光是在光纤中传播的具有最高na的光。

本文公开了一种用于去除在光纤中传播的光的高na部分的方法，包括：用第一低折射率材料涂覆光纤的第一部分，用第二低折射率材料涂覆光纤的第二部分，其中第二低折射率材料不同于第一低折射率材料并且被选择以防止光的高na部分继续在光纤中传播；在光纤中传输光，并且在光纤的第二部分中去除传输的光的高na部分，以产生去除了光的高na部分的剩余光。该方法还可包括：接收光纤中的背反射光，背反射光包括反射回光纤的传输光，其中第二部分去除背反射光的高na部分而留下剩余的背反射光；将剩余的背反射光引导至激光器系统监视模块或激光器系统控制模块或其组合；监视背反射光以生成、存储或分析或以其任何组合处理与系统性能和加工性能相关的数据；并且去除控制模块中剩余的背反射光。

附图说明

附图包含在本说明书中并且构成本说明书的一部分，并且与描述一起解释了本发明所公开的技术的优点和原理，其中相同的附图标记表示相同的元件。在附图中，

图1a示出了用于去除背反射光的一部分的示例性高功率光纤激光器系统；

图1b示出了包括被配置用于去除一部分背反射光的高na光剥离器的示例性连接器；

图1c示出了包括被配置用于去除一部分背反射光的高na光剥离器的示例性连接器；

图1d描绘了被配置用于去除一部分背反射光的光纤的第一部分的示例的横剖视图；

图1e描绘了被配置用于去除一部分背反射光的光纤的第二部分的示例的横剖视图；

图1f示出了具有包括高na光剥离器的芯和包层的光纤的示例；

图1g是示出可发射到具有给定na的光纤中的光学功率的相对量的曲线图；

图1h示出了包括高na光剥离器的无芯光纤的示例；

图2示出了用于制造包括高na光剥离器的光纤的示例过程，该高na光剥离器被配置为去除一部分背反射光；并且

图3示出了用于去除背反射光的高na部分的示例过程。

具体实施方式

如在本申请和权利要求书中所使用的，除非上下文另有明确指出，否则单数形式的词语“一个”、“一种”和“该”包括复数形式。此外，术语“包括”表示“包含”。此外，术语“耦接”不排除耦接项之间中间元件的存在。

在此描述的系统、装置和方法不应被解释为以任何方式进行限制。相反，本公开涉及各种公开的实施方案的所有新颖的和非显而易见的特征和方面，单独地以及彼此的各种组合和子组合。所公开的系统、方法和装置不限于任何特定方面或特征或其组合，所公开的系统、方法和装置也不要求存在任何一个或多个特定优点或解决问题。任何操作理论都是为了便于解释，但所公开的系统、方法和装置不限于这种操作理论。

尽管为了便于表示，以特定的先后顺序描述了某些公开的方法的操作，但是应该理解的是，除非在下文中通过特定语言要求特定的顺序，否则这种描述的方式包含重新安排。例如，顺序描述的操作在一些情况下可以被重新安排或同时执行。而且，为了简单起见，附图可能没有示出所公开的系统、方法和装置可与其他系统、方法和装置结合使用的各种方式。此外，该描述有时使用术语诸如“产生”和“提供”来描述所公开的方法。这些术语是对所执行的实际操作的高度抽象。对应于这些术语的实际操作将根据具体实施而有所不同，并且容易被本领域的普通技术人员识别。

在一些示例中，值、过程或装置被称为“最低”、“最佳”、“最小”等。应该理解，这样的描述旨在表示可以对许多所使用的功能替代项进行选择，并且这样的选择不需要更好、更小或以其他方式优于其他选择。参照“上方”、“下方”、“上”、“下”等指示的方向来描述示例。这些术语用于方便描述，但并不意味着任何特定的空间取向。

图1a示出了用于去除背反射光的一部分的示例性高功率光纤激光器系统100；

在一个示例中，激光器模块102被配置为生成光学功率。激光器模块102将光学功率耦合到光纤104中。光纤104将光学功率传输到加工头124，该加工头被配置为将光束108引导到用于加工的材料诸如工件112上。加工头124可用于执行各种材料加工动作，诸如焊接、切割、钎焊、烧蚀、增材制造等，或者它们的任何组合。当光束108从加工头124发射时，光学功率或光的一些被反射回加工头124。该背反射光110可进入加工头124。一些背反射光110可耦合到光纤104的芯或包层中。

背反射光110可以以各种角度进入光纤104。光学系统的数值孔径(na)表征系统可接受或发射光的角度范围。取光纤104na的反正弦给出临界角(从光纤104的纵向轴线)。充分在芯的临界角内进入光纤104的背反射光110将在光纤芯中被良好地引导并且可以返回到激光器模块102。然而，以超过临界角的角度入射到光纤104界面的背反射光110将不会在光纤芯中被引导，并且将进入包层。类似地，如果背反射光在空间上不与芯重叠，则可以将背反射光直接发射到光纤包层中。因此，背反射光110的发射到光纤包层中的部分取决于背反射光110的空间和角度分布。

为了清楚起见，示例描述了来自工件112的背反射光110作为包层光的来源。然而，存在各种有意或无意地发射到光纤104中(无论是背反射还是沿着向前方向传输)的潜在包层光来源，并且要求保护的主题在这方面不受限制。例如，包层光可能源自未对准的光纤接头、光纤中的不规则部分，以及/或者来自光学部件或其他表面的背反射或散射。

在光纤包层中传播的光通常包括一定范围的角度。可能希望限制在包层中传播的光的最大角度，并且高于期望的最大角度的光在本文中称为“高na光”。期望的最大角度取决于光纤激光器系统100应用。例如，可能期望消除高na光，因为其可能在包层中相对引导不良。这种引导不良的包层光可能在各种位置(诸如在连接器106中，在光纤弯曲160处以及/或者在光纤或光纤涂层中存在不规则部分的位置)从光纤104的包层中泄漏出来。当引导不良的(高na)光从光纤104逸出时，其会在光纤104中的逸出位置处引起热损坏和光纤故障。加工头124和/或连接器106可具有散热设备，以耗散由于逸出引导不良的光而产生的热量。

在一个示例中，设置在连接器106的外壳130中的高na光剥离器120被配置为在其被传递到光纤104的芯和/或包层之前从背反射光110中剥离光的高na部分，从而保留背反射光110的可在芯和/或包层中引导的部分。剥离背反射光的高na部分同时最大限度地减少了传统连接器设计的缺点：1)由于剥离了连接器中的高na光，因此大大降低了由于高na光损失所导致的光纤故障的可能性，并且2)大大降低了连接器106所需的功率处理能力，甚至可能消除对水冷的需要，因为大部分背反射光保留在包层中，因此不会转储在连接器106中。从背反射光110去除高na光允许剩余的背反射光110被一路安全地引导回激光器模块102，在该激光器模块处可以以受控方式处理背反射光110(转换成热量)，并且/或者监视背反射光以跟踪激光器系统100的性能和/或用于过程监视和控制。

背反射光110的监视可以提供关于激光器系统100功能和/或工件加工的关键数据。这种监视可以各种方式实现，例如，在剥离背反射光110的高na部分之后，被引导回激光器模块102的光可被传感器170检测并且由监视器180监视和/或分析。传感器170可包括各种传感器中的任何一种，包括一个或多个光电二极管、热传感器、红外传感器、化学传感器、电荷传感器、压力传感器等或其任何组合。传感器数据可用于监视、控制和优化材料加工系统的性能。

图1b示出了描绘结合高na剥离器120的连接器106的示例性框图。在一个示例中，连接器106可耦接到加工头124。连接器106包括外壳130，该外壳具有沿连接器106的纵向方向延伸的区域132，光纤104延伸穿过该区域。区域132可包括可以居中或偏移的腔室，并且可具有用于隔离热耗散的第一区段150和用于去除高na光的第二区段152。在一个示例中，第一区段152可以包括其中光纤104的包层116涂覆有聚合物118的部分140，以及其中光纤104的包层116具有高na光剥离器120涂层而非聚合物118涂层的部分142。聚合物118仅是可以设置在部分140中的涂层的一个示例。除了聚合物以外的材料可以用作部分140中的涂层，并且要求保护的主题在这方面不受限制。

高na光剥离器120可以具有不同于聚合物层118的折射率的折射率，以便能够剥离高na光。在一个示例中，高na光剥离器120具有比聚合物层118高的折射率和比包层116低的折射率。高na光剥离器120可以包括能够从背反射光110剥离高na部分光的各种材料或纹理。此类材料可包括聚合物(例如，基于氟代酰化物或硅氧烷的聚合物)、玻璃(例如，氟硅酸盐或硼硅酸盐玻璃)，或者具有影响引导特性的孔(孔可填充空气或其他物质)的聚合物材料或玻璃材料。某些纹理或表面处理可以实现或提高高na光剥离器120去除高na光的目标部分的能力。此类纹理或处理可包括高na光剥离器120的粗糙结构化表面。

光纤104的覆盖高na剥离器120的区域可以是各种长度中的任何一种。典型的长度可以在5.0mm和100.0mm之间。可以将高na光剥离器120挤出到围绕部分142的芯114和包层116的区域132中。高na光剥离器120可填充区域132的空腔并固化成半固态，使得高na光剥离器120将基本上保持其在区域132内的形状。高na光剥离器120可以与部分140的区段接触和/或包封该区段，使得聚合物118与高na光剥离器120齐平，或者在高na光剥离器附近的端部处被高na光剥离器120包围。在一个示例中，高na光剥离器可以弯曲以影响na依赖性剥离效率。

连接器106被配置为与加工头124耦接和脱离。在一些示例中，连接器106可以永久地耦接到或可以形成加工头124的一部分。光纤104设置在通过连接器106纵向延伸的区域132内。光束108沿着芯114引导，并且通过包括端盖134的开口从光纤104发射到加工头124。

在一个示例中，加工头124可以包括用于将光束108聚焦到工件112上的各种光学器件。例如，此类光学器件可以包括准直透镜126和聚焦透镜128。当光束108离开加工头124的开口136并照射工件112时，背反射光110从工件112的表面反射并在开口136处进入加工头124。聚焦透镜128和准直透镜126将背反射光110通过端盖134聚焦到光纤104中。

在一个示例中，背反射光110进入区段150中的光纤104。散热器138可以设置在区段150中并且热耦合到光纤104。散热器138可包括各种吸热或散热结构中的任何一种，诸如液体冷却通道、高导热材料等或其任何组合。散热器138可以吸收/耗散由光纤104的背反射光110的损失而产生的热量。高na背反射光110的剥离部分可以被散热器138吸收。散热器138可以将剥离的高na光转换为热量(例如，通过吸收光)、传播热量并且/或者将热量传输到冷却表面(例如，水冷却的冷板)。

在连接器106的光剥离部分142中，高na光剥离器120可以去除背反射光110的高na光部分122。去除了高na光部分122的背反射光110可以被发射到芯114和/或包层116中。

图1c示出了包括高na光剥离器120的连接器106。如前所述，将包层光的大部传输到光纤104(即不剥离连接器中的所有包层光)可以减少或消除区域132中对水冷或其他散热方法的需要(参见图1b)。因此，图1c描绘了没有水冷散热器或用于隔离散热的分离区段150的连接器106。在一个示例中，背反射光110通过端盖134进入光纤104。通过高na光剥离器120在部分142中剥离高na光122。在部分140中，去除了高na部分122的背反射光110被聚合物层118引导回到激光泵浦模块102中的包层116中。虽然没有在图1c中描绘，但是一些背反射光110也可以在芯114中被引导。

图1d描绘了光纤104的部分140的示例的横剖视图。部分140包括芯114、包层116和低折射率聚合物层118。部分140的折射率分布196示出芯114、包层116和聚合物层118的折射率的相对值。标示为na1的包层116的na由包层116和聚合物层118之间的折射率差确定。

图1e描绘了光纤104的包括高na光剥离器120的部分142的示例的横剖视图。部分142可邻近部分140。聚合物层118可以从光纤104中去除，从而暴露部分142中的包层116。聚合物层118可以用高na光剥离器120代替。高na光剥离器120可以设置在区域132内，围绕部分142中的光纤104、包层116和芯114。或者，光纤104可以制造为在部分142中的包层116周围具有高na光剥离器120涂层。在另一个实施方案中，高na光剥离器120可以代替光纤104的一个以上部分中的聚合物层118。

部分142的折射率分布198示出了芯114、包层116和高na光剥离器120的折射率的相对值。标示为na2的包层116的na由包层116和包括高na光剥离器120的材料之间的折射率差确定。比较图1d中的na1和na2，na2明显更小。减小的na限制了在部分142中的包层中引导的光的接收角，剥离了穿过高na光剥离器120的前向或后向传播光的高na尾。

图1f示出包括高na光剥离器120的光纤104的示例。当背反射光110进入光纤104的部分142时，其可包括未被良好引导的高na尾。

在一个示例中，背反射光110的高na光部分122用单个虚线表示。背反射光110的在芯114和包层116中引导的部分分别用复合虚线和实线表示。在一个示例中，部分140中的聚合物涂层118可以提供约0.30至0.48的na。聚合物层118可以在部分142中从光纤104剥离。部分142可以用另一种聚合物重新涂覆以提供高na光剥离器120，该高na光剥离器具有比涂层118低的na。例如，高na光剥离器120可以具有约0.20的na，其中层118具有0.30的na。在另一个示例中，当低折射率聚合物涂层118具有0.48的na时，高na光剥离器120可以具有约0.30的na。上面给出的示例na只是为了说明的目的，并且要求保护的主题不限于这方面。在本公开的范围内考虑使用提供其他na值的材料。

当高na光部分122传输通过高na光剥离器120时，一些高na光部分122被去除。光纤的na(即在光纤内引导的角度范围)由光纤(通常是二氧化硅)和包层(通常是聚合物，但有时是低折射率玻璃)的折射率来决定。可以选择光纤包层以具有提供所需na的折射率。发射到光纤中的具有比该光纤高的na的光将不会被引导；所述光将被剥离光纤并将在包层116中或通过包层传播。因此，光纤中剩余的光将通过高na光剥离器120从背反射光110中去除高na尾。高na光部分122表示背反射光110的一部分，其去除不会将大量光学功率传递到周围结构诸如外壳130中。

剩余的背反射光110继续传输超过高na光剥离器120，并且被发射到芯114和/或包层116中而不会逸出到低折射率聚合物涂层118中。以这种方式，去除了在光纤104的芯114和/或包层116中不容易引导的高na光的大部分。背反射光110的剩余部分可以更容易地由芯114和/或包层116引导回激光器模块102，背反射光110可在激光器模块中进行监视并且更容易地剥离和转储(转换成热)。

高na光剥离器120也将剥离光纤104中正向传播光的高na尾。可能需要这种特性来限制离开光纤104的光的角度范围。

图1g示出了可以耦合到光纤104中的背反射光110的na分布的示例。区段162表示背反射光110的在包层116中良好引导的部分。区段164表示背反射光110的由高na光剥离器120剥离的高na部分122。

尽管上面的示例都描述了具有芯和包层的光纤，但是上述方法和装置也与无芯光纤兼容。图1h示出了包括高na光剥离器120的无芯光纤192的示例。在一个示例中，背反射光110进入无芯光纤192。在一个示例中，背反射光110的高na光部分122用单个虚线表示。背反射光110的由无芯光纤192引导的部分用复合线表示。在一个示例中，部分140中的聚合物涂层118可提供比高na光剥离器120高的na。当高na光部分122传输通过高na光剥离器120时，一些高na光部分122被去除。剩余的背反射光110继续传输超出到无芯光纤192中的高na光剥离器120。以这种方式，去除了在无芯光纤192中不容易引导的高na光的大部分。背反射光110的剩余部分可以更容易地被无芯光纤192引导回激光器模块，在激光器模块中可以监视背反射光并且更容易地剥离背反射光。

图2示出了用于制造包括高na光剥离器120的光纤的示例性过程200，该高na光剥离器被配置为去除在光纤104中传播的光的高na尾。在一个示例中，光的高na尾是在光纤104中引导的光中具有最高na的光，其中最高na光可能不被良好引导。过程200从框202处开始，其中制造光纤104，并且该光纤包括芯114、内包层116和聚合物层118。聚合物层118可包括第一低折射率材料。在另一个示例中，可以制造无芯的无芯光纤192而没有单独的芯和包层(参见图1h)。过程200移动到框204，其中从光纤104剥离第一低折射率材料涂层的区段。在一些示例中，聚合物层118可能不需要剥离。相反，在预期施加不同涂层的情况下，可制造在特定区段中没有聚合物层118的光纤104。过程200移动到框206，其中选择第二低折射率材料，该第二低折射率材料被配置为从在光纤中传播的光中去除高na光。过程200继续到框208，其中将去除聚合物层118的区段涂覆第二低折射率材料。在一个示例中，选择第二低折射率涂层以在光纤中提供数值孔径(na)，该数值孔径足以去除在光纤中传播的大部分高na光，其中高na光是在光纤中传播的具有最高na的光。在一个示例中，第二低折射率材料具有比第一低折射率材料低的折射率。

图3示出了用于去除在光纤中传播的光的高na部分的示例性过程300。过程300在框302处开始，其中无芯光纤192或光纤104的一部分140被涂覆有第一低折射率材料。第一折射率材料可以是包括聚合物和/或玻璃材料或其组合的各种材料中的任何一种。过程300移动到框304，其中无芯光纤192或光纤104的一部分142涂覆有第二低折射率材料，其中选择第二低折射率材料以防止高na部分的光在光纤中传播。第二折射率材料可以是包括聚合物和/或玻璃材料或其组合的各种材料中的任何一种。在一个示例中，第二折射率材料可包括基于氟代丙烯酸酯的聚合物、基于有机硅的聚合物、氟硅酸盐玻璃或硼硅酸盐玻璃或其任何组合。过程300移动到框306，其中光在光纤中传输并且可以从光纤的端部发射。过程300移动到框308，其中在部分142中去除在光纤104或无芯光纤192中传输的高na部分光，以产生去除了高na部分的剩余光。

在一个示例中，过程300可以继续到框310，其中从光纤104或无芯光纤192发射的光可以被背反射并且被接收回到光纤104或无芯光纤192中，其中第二部分去除背反射光的高na部分。在框312处，去除了高na部分的背反射光可以通过光纤被引导回激光器系统中的监视和/或控制模块，其中可以经由一个或多个传感器监视背反射光，以产生、存储和/或分析与系统性能和加工性能相关的数据。可以在控制模块中去除背反射光。

虽然已经将过程200和300描述为具有若干步骤，但是并不需要执行这些过程的所有步骤，也不存在要在所设想的主题范围内实践这些步骤的特定顺序。尽管以在高功率激光器系统100中传输光学功率为背景描述了上述过程200和300，但是这样的描述是为了简化目的而不是以任何方式进行限制。过程200和300可以应用于本文描述或考虑的任何激光器系统，例如高功率或低功率激光器系统。此外，可以在本公开技术的范围内考虑和实践未识别的插入步骤。

已经描述和说明了本公开技术的示例的一般和具体原理，应该显而易见的是，可以在不脱离这些原理的情况下在布置和细节上修改示例。我们要求保护在下列权利要求的实质和范围内进行的所有修改和变更。