基于GRIN透镜光胶合的光纤耦合器、结构及组装方法与流程

本发明属于光纤耦合技术领域，更具体地，涉及基于GRIN透镜光胶合的光纤耦合器、结构及组装方法。

背景技术：

高功率光纤激光器具有光-光转换效率高、结构紧凑、使用寿命长等优点，已广泛应用在工业制造和军事防御等领域。

高功率光纤激光传能采用双包层光纤技术，光纤纤芯较小，因而激光器输出端的功率密度很高。一般采用在光纤端面熔接石英端帽，并对石英端帽的输出端面进行透镜设计，使得输出光保持准直，再通过空间耦合两个端帽，实现光耦合。但是空间耦合会降低耦合器的稳定性，并会增大损耗。

GRIN(Graded Index)透镜也被广泛应用于光纤准直器中。GRIN透镜，即梯度变折射率透镜，是指折射率分布是沿径向渐变的柱状光学透镜。与传统透镜成像通过控制透镜的表面曲率，利用产生的光程差来改变光的传输方向不同，GRIN透镜利用了光线在不同折射率介质中传播会改变传输方向这一原理，GRIN透镜的材料使沿轴向传输的光产生折射，并使折射率的分布沿径向逐渐减小，使得光线被平滑且连续的汇聚到一点。因此，GRIN透镜准直头的输出端面是平面而不是曲面。因此，怎样利用GRIN透镜解决空间耦合而引起的低稳定性和高损耗难题是本领域技术人员亟待解决的难题。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供基于GRIN透镜光胶合的光纤耦合器、结构及组装方法。

本发明公开了一种基于GRIN透镜光胶合的光纤耦合器，包括：

环形金属插芯套管和通管，所述通管包括输入端通管和输出端通管；

所述环形金属插芯套管设有用于容设GRIN透镜的透镜通道，所述GRIN透镜包括用于与输入光纤连接的输入GRIN透镜和用于与输出光纤连接的输出GRIN透镜，所述输入GRIN透镜和所述输出GRIN透镜光胶合连接；

所述输入端通管对应所述输入GRIN透镜套设于所述环形金属插芯套管的外侧，所述输出端通管对应所述输出GRIN透镜套设于所述环形金属插芯套管的外侧；所述输入端通管的侧壁设有用于流通流体的输入腔，所述输入端通管的侧壁设有与所述输入腔连通的输入进口和输入出口；所述输出端通管的侧壁设有用于流通流体的输出腔，所述输出端通管的侧壁设有与所述输出腔连通的输出进口和输出出口。

可选地，所述输入腔周向围设于所述输入GRIN透镜的外侧；和/或，所述输出腔周向围设于所述输出GRIN透镜的外侧。

可选地，所述输入进口、所述输入出口、所述输出进口和所述输出出口中的一个以上设有接口。

可选地，所述环形金属插芯套管的内径与所述GRIN透镜的外径相匹配；和/或，所述通管的内径与所述环形金属插芯套管的外径相匹配。

可选地，所述输入GRIN透镜和所述输出GRIN透镜的长度与所述输入光纤和所述输出光纤传输光的光波长相匹配。

可选地，所述GRIN透镜的半径为20μm～20mm。

可选地，所述GRIN透镜的半径与所述输入光纤和所述输出光纤中传输光的模场面积相匹配。

本发明还公开了一种基于GRIN透镜光胶合的光纤耦合结构，包括：光纤以及上述任意一项所述的基于GRIN透镜光胶合的光纤耦合器；所述光纤包括输入光纤和输出光纤；所述输入光纤与输入GRIN透镜远离输出GRIN透镜一侧的端面连接，所述输出光纤与输出GRIN透镜远离输入GRIN透镜一侧的端面连接，所述输入光纤和所述输出光纤同轴设置。

可选地，所述光纤的纤芯直径范围为1～200μm，所述光纤的内包层直径范围为20～2000μm。

zai本发明还公开了一种基于GRIN透镜光胶合的光纤耦合结构的组装方法，包括步骤：

S1，将输入光纤和输入GRIN透镜熔接，输出光纤与输出GRIN透镜熔接；

S2，将环形金属插芯套管套入输入端通管和输出端通管并胶合，以实现环形金属插芯套管与输入端通管、输出端通管的连接；

S3，将输入GRIN透镜靠近输出GRIN透镜一侧的端面磨光以达到光胶连接要求，将输出GRIN透镜靠近输入GRIN透镜一侧的端面磨光以达到光胶连接要求，通过光胶连接输入GRIN透镜和输出GRIN透镜。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

本发明采用GRIN透镜作为准直器，能够使得准直头的输出面是平面，通过光胶，使得两个GRIN透镜端面表面的分子相互吸引甚至键合成为一体，从而大大降低耦合器内部的端面反射，最终实现无空气间隙且空间对准的低损耗高功率光纤耦合。更优的，当本发明的光纤传输光功率较高(如平均功率不小于1000W)时，可通过在输入腔和输出腔内流通冷却流体以冷却本发明，以实现本发明的降温，实现本发明的低温工作，工作效率高且稳定。更优的，当本发明的输入腔和输出腔分别流入具有温度差的流体，通过热传递实现通过光胶和的输入GRIN透镜和输出GRIN透镜的温差，使得输入GRIN透镜和输出GRIN透镜会产生不同的热膨胀形变，从而实现输入GRIN透镜和输出GRIN透镜自动分离。更优的，本发明结构紧凑且牢固。更优的，金属质的环形金属插芯套管导热性能好、耐高温且结构强度高，提高了通管内流体与光纤之间的热交换效率，提高本发明运行的稳定性和高效率性，以及于高温环境下的良好运行。

附图说明

图1为本发明的基于GRIN透镜光胶合的光纤耦结构的一种实施例结构示意图；

图2为GRIN透镜的折射率分布图；

图3为GRIN透镜的一个周期(光在GRIN透镜中传播所占一个正弦波)光传输轨迹图；

图4为本发明GRIN透镜的长度尺寸的确定方法的一种实施例结构示意图。

在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-输入光纤、2-输入进口接口、3-输入端通管、4-输出进口接口、5-输出端通管、6-环形金属插芯套管、7-输出光纤、8-输出GRIN透镜、9-输出出口接口、10-输入出口接口、11-输入GRIN透镜、12-四分之一节距、13-输入进口、14-输入出口、15-输出进口、16-输出出口、17-输入腔、18-输出腔。

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。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。

在本发明的一种实施例中，如图1-4所示，一种基于GRIN透镜光胶合的光纤耦合器，包括：环形金属插芯套管6和通管，通管包括输入端通管3和输出端通管5；环形金属插芯套管6设有用于容设GRIN透镜的透镜通道，GRIN透镜包括用于与输入光纤1连接的输入GRIN透镜11和用于与输出光纤7连接的输出GRIN透镜8，输入GRIN透镜11和输出GRIN透镜8光胶合连接；输入端通管3对应输入GRIN透镜11套设于环形金属插芯套管6的外侧，输出端通管5对应输出GRIN透镜8套设于环形金属插芯套管6的外侧；输入端通管3的侧壁设有用于流通流体的输入腔17，输入端通管3的侧壁设有与输入腔17连通的输入进口13和输入出口14；输出端通管5的侧壁设有用于流通流体的输出腔18，输出端通管5的侧壁设有与输出腔18连通的输出进口15和输出出口16。

可选地，输入腔17周向围设于输入GRIN透镜11的外侧；输出腔18周向围设于输出GRIN透镜8的外侧。优选地，输入端通管3与输入GRIN透镜11的长度相等且齐平设置，输出端通管5与输出GRIN透镜8的长度相等且齐平设置。

可选地，输入进口13、输入出口14、输出进口15和输出出口16中的一个以上设有接口。其中，输入进口13密封设有输入进口接口2，输入出口14密封设有输入出口接口10，输出进口15密封设有输出进口接口4，输出出口16密封设有输出出口接口9。优选地，接口为带有阀门的接口，从而可根据需要选择性地打开或关闭接口。

在实际应用中，当本发明的光纤传输功率较高时，输入进口接口2用于与向输入腔17输入低温的流体的流体装置连接，输入出口接口10用于将输入腔17的流体引出的管道或直接与外环境连通以确保流体在输入腔17为流动状态，从而循环为本光纤耦合器降温，以实现本光纤耦合器、设备的长久低温的工作；输出进口接口4用于与向输出腔18输入低温的流体的流体装置连接，输出出口接口9用于将输出腔18的流体引出的管道或直接与外环境连通以确保流体在输出腔18为流动状态，从而循环为本光纤耦合器降温；进而实现本光纤耦合器、设备的长久低温的工作。

当本发明的光纤耦合器需要拆卸时，输入进口接口2用于与向输入腔17输入低温(或高温)的流体的流体装置连接，输入出口接口10用于将输入腔17的流体引出的管道或直接与外环境连通以确保流体在输入腔17为流动状态；输出进口接口4用于与向输出腔18输入高温(或低温)的流体的流体装置连接，输出出口接口9用于将输出腔18的流体引出的管道或直接与外环境连通以确保流体在输出腔18为流动状态；使得通过光胶合实现连接的两个GRIN透镜(输入GRIN透镜11和输出GRIN透镜8)的温差产生不同的热膨胀形变，实现该两个GRIN透镜自动分离，进而实现本光纤耦合结构的自动拆卸。当然，在本发明的另一实施例中，光纤耦合器也可直接通过输入进口13、输入出口14、输出进口15和输出出口16直接实现流体的流动。在实际应用中，流体可为气体或液体。

可选地，环形金属插芯套管6的内径与GRIN透镜的外径相匹配，以保证输入GRIN透镜11与输出GRIN透镜8的高精度对准。优选地，环形金属插芯套管6的内径与GRIN透镜的外径的差值为2-15μm。优选地，输入GRIN透镜11与输出GRIN透镜8中其中一个GRIN透镜与环形金属插芯套管6胶合连接，从而避免相互连接的输入GRIN透镜11与输出GRIN透镜8沿环形金属插芯套管6的轴线方向发生轴向移动。当然，在本发明的其他实施例中，GRIN透镜还可通过柔性固定组件实现其自身与环形金属插芯套管6的连接，如密封圈、软垫层等从而实现GRIN透镜的柔性固定，保护GRIN透镜，延长其使用寿命，同时避免GRIN透镜出现应力接触。当然，在本发明的另一实施例中，GRIN透镜与环形金属插芯套管6密封贴合而实现两者的连接，则此时GRIN透镜与环形金属插芯套管6无需点胶或设置柔性固定组件。

可选地，通管的内径与环形金属插芯套管6的外径相匹配，以确保环形金属插芯套管6能够放入并与通管的内壁紧密接触。优选地，环形金属插芯套管6与通管胶合连接。当环形金属插芯套管6与通管胶合连接时，通管与环形金属插芯套管6间隙配合。

可选地，输入GRIN透镜11和输出GRIN透镜8的长度与输入光纤1和输出光纤7传输光的光波长相匹配。确保输入GRIN透镜11的输出光是准直状态，并且准直光从输出GRIN透镜8进入并传输到输出光纤7位置处的NA(数值孔径)小于等于输出光纤7的NA。

即光在输入GRIN透镜11和输出GRIN透镜8的传递路径与光在同一根GRIN透镜的传递路径相同，使得光在输入GRIN透镜11和输出GRIN透镜8的传递路径无缝对接。示例性，当输入GRIN透镜11和输出GRIN透镜8的长度均等于光在GRIN透镜传输时的四分之一节距12，则保证输入GRIN透镜11和输出GRIN透镜8传输光的过程中在四分之一节距12位置处不漏光。

可选地，GRIN透镜的半径为20μm～20mm。可选地，光纤的纤芯直径范围为1～200μm，光纤的内包层直径范围为20～2000μm。

可选地，GRIN透镜的半径与输入光纤1和输出光纤7中传输光的模场面积相匹配。以实现输入GRIN透镜11和输出GRIN透镜8传输光在四分之一节距12位置处不漏光。

在本发明的另一实施例中，如图1-4所示，一种基于GRIN透镜光胶合的光纤耦合结构，包括：光纤以及上述任意一项所述的基于GRIN透镜光胶合的光纤耦合器；光纤包括输入光纤1和输出光纤7；输入光纤1与输入GRIN透镜11远离输出GRIN透镜8一侧的端面连接，输出光纤7与输出GRIN透镜8远离输入GRIN透镜11一侧的端面连接，输入光纤1和输出光纤7同轴设置。

可选地，光纤的纤芯直径范围为1～200μm，光纤的内包层直径范围为20～2000μm。

在本发明的另一实施例中，一种基于GRIN透镜光胶合的光纤耦合结构的组装方法，包括步骤：

S1，将输入光纤和输入GRIN透镜熔接，输出光纤与输出GRIN透镜熔接；

S2，将环形金属插芯套管套入输入端通管和输出端通管并胶合，以实现环形金属插芯套管与输入端通管、输出端通管的连接；

S3，将输入GRIN透镜靠近输出GRIN透镜一侧的端面磨光以达到光胶连接要求，将输出GRIN透镜靠近输入GRIN透镜一侧的端面磨光以达到光胶连接要求，通过光胶连接输入GRIN透镜和输出GRIN透镜。

在实际应用中，光纤与GRIN透镜的熔接优选通过熔接机实现。

可选地，步骤S1之前还包括步骤：

S01，根据不同的输入光纤、输出光纤尺寸、传输光波长特性，设计GRIN透镜的折射剖面n(r)，且n(r)满足公式(1)：

其中，n1为光轴上的折射率，为梯度常数，r为径向位置，如图2所示；

S02，确定GRIN透镜的长度，节距和GRIN透镜的长度的关系满足公式(2)：

其中，P为GRIN透镜的节距，Z为GRIN透镜的长度。

优选地，GRIN透镜的节距是光纤穿过GRIN透镜的整个正弦周期(如图3所示)的一部分，光线在输入GRIN透镜和输出GRIN透镜中传播刚好占用一个正弦波，即GRIN透镜和输出GRIN透镜的长度均为四分之一的正弦波波长。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，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。