一种分布式侧面泵浦耦合光纤的在线拉制制备方法及系统与流程

本发明涉及一种分布式侧面泵浦耦合光纤的制备方法及系统，特别涉及一种分布式侧面泵浦耦合光纤的在线拉制制备方法及系统。

背景技术：

现有光纤激光器的泵浦光耦合技术中，常见的有端面泵浦技术和侧面泵浦技术。其中，端面泵浦技术是指一束或多束泵浦光耦合到光纤端面中去；侧面泵浦技术是指泵浦光耦合到光纤的一侧，通过耦合器耦合到光纤的外包层中。

目前，高功率光纤激光器在工业加工等领域中发挥着重要的作用，泵浦光的耦合方式是制约高功率光纤激光器发展的瓶颈。在高功率光纤激光器中，泵浦光耦合进大模场双包层增益光纤的泵浦方式常见的有两种方式:端面泵浦方式和侧面泵浦方式。端面泵浦方式分为空间耦合和光纤熔接耦合，过高的泵浦光容易在双包层光纤的端面熔点处及增益光纤近端造成较大的发热，极易烧毁光纤及熔点。对于侧面泵浦方式，耦合点不受限制、耦合点通过功率较小，有效解决了端面泵浦的问题，较易实现高功率输出。但侧面泵浦方式相对于端面泵浦方式，工艺难度大，其性能还有待提高，无法满足超高功率光纤激光器级联泵浦的需求。有一种新型的泵浦耦合技术称之为分布式侧面泵浦耦合(也有称gt-wave)技术，泵浦光纤与激光增益光纤通过近距离物理接触产生倏逝波耦合过程，将泵浦光纤中的泵浦光耦合至相邻的增益光纤中，激发增益介质，产生激光。该耦合过程不是在极短的传输距离内完成，而是由于耦合过来的泵浦光的消耗作用而不断发生，所以不会在泵浦光纤和增益光纤的接触点产生大量的热量，整体结构发热比较均匀，利于热管理，且泵浦光和信号光的插入损耗极低。

目前，制备上述分布式侧面泵浦耦合(gt-wave)光纤是在超净实验室中，将成品泵浦光纤和增益光纤分别剥除掉涂覆层，按照所需的结构紧密接触并用低折射率胶包裹并固化。由于制作这种光纤激光器至少需要15米以上长度的增益光纤，15米长度的增益光纤和泵浦光纤都需要剥除掉聚合物涂覆层，而目前业界尚无能够长距离彻底剥除光纤涂覆层的简易方法，因而其制备过程复杂、生产效率极低；同时，在剥除聚合物涂覆层过程中，极易发生光纤断裂或者涂覆层未完全剥离干净，未完全剥离的涂覆层的折射率高于石英，会造成泵浦光的泄露，在光纤激光器中形成热点，进而造成严重发热以致烧毁。

所以寻求一种方便、高效制备分布式侧面泵浦耦合(gt-wave)光纤的方法迫在眉睫。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种分布式侧面泵浦耦合光纤的在线拉制制备方法及系统，以解决采用现有制备方法制备分布式侧面泵浦耦合光纤时，对环境洁净度要求高，制备过程复杂、生产效率低，易发生光纤断裂、以及存在因涂覆层未完全剥离干净，造成严重发热以致烧毁风险的技术问题。

本发明所采用的技术方案是，一种分布式侧面泵浦耦合光纤的在线拉制制备方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

步骤1：根据待制备的分布式侧面泵浦耦合光纤的尺寸参数要求，确定制备其需要的泵浦光纤预制棒的根数n，并根据体积守恒原理计算需要的泵浦光纤预制棒和增益光纤预制棒的直径、长度尺寸；所述n≥2；

步骤2：根据步骤1计算的尺寸，制备1根增益光纤预制棒和n根泵浦光纤预制棒，并对其进行抛光；

步骤3：将抛光后的增益光纤预制棒和泵浦光纤预制棒，按照增益光纤预制棒位于中心，n根泵浦光纤预制棒均布在其四周，相互间轴线平行且相互间均存在间隙的排布方式，一端焊接在石英把棒上，另一端焊接配重石英块，制成预制棒组件；

步骤4：将预制棒组件的石英把棒一端夹持固定，另一端伸入加热系统中，进行加热并掉头，得到n+1根光纤料头；

步骤5：将n+1根光纤料头，按照步骤3的排布方式分别对应地穿过至少一个限位模具上的n+1个过孔后，牵引进入涂覆模具中，合束并涂覆；要求所述限位模具上供光纤料头通过的n+1个过孔中，位于中心的过孔的轴线位于拉丝中心线上；

步骤6：对涂覆后的光纤进行固化，即得到分布式侧面泵浦耦合光纤。

进一步地，还包括步骤7：通过收丝辊轮组对固化后的光纤进行收丝绕制；

所述步骤5中，还包括丝径测量、反馈步骤：

对步骤4得到的n+1根光纤料头，首先进行丝径测量，并将测量结果反馈给控制装置；所述控制装置根据接收到的测量结果，调整收丝辊轮组的转速，进而调整拉丝速度。

进一步地，步骤6中，所述对涂覆后的光纤进行固化是采用紫外固化炉对涂覆后的光纤进行固化。

进一步地，步骤4中所述的加热系统为石墨炉加热系统、火焰炉加热系统或者高频炉加热系统。

进一步地，步骤2中，所述抛光为机械抛光、火焰抛光、酸蚀抛光三者中的一种或两种的组合或者三种的组合。

本发明还提供了一种分布式侧面泵浦耦合光纤的在线拉制制备系统，其特殊之处在于：

包括由上至下依次设置的夹持系统、加热系统、至少一个限位模具、涂覆模具以及紫外固化炉；

所述夹持系统用于夹持固定预制棒组件的石英把棒一端；

所述加热系统用于对预制棒组件加热并掉头；

所述限位模具上设置有n+1个过孔，且按照一个过孔位于中心，其余n个过孔均布在其四周，并且其余n个过孔的孔中心位于同一个圆上的排布方式排布；所述n等于预制棒组件中泵浦光纤预制棒的数量；所述限位模具上位于中心的过孔的轴线位于拉丝中心线上。

进一步地，还包括丝径测量系统、收丝辊轮组以及控制装置；

所述丝径测量系统设置在加热系统与位于最上端的限位模具之间，用于对掉头后的n+1根光纤料头进行丝径测量，并将测量结果反馈给所述控制装置；

所述收丝辊轮组设置在紫外固化炉的下方，用于对固化后的光纤进行收丝绕制；

所述控制装置对整个拉制过程进行控制，并根据丝径测量系统反馈的测量结果，调整收丝辊轮组的转速，进而调整拉丝速度。

进一步地，所述收丝辊轮组包括第一辊轮以及第二辊轮；固化后的光纤绕过第一辊轮后，绕制在第二辊轮上。

进一步地，所述加热系统为石墨炉加热系统、火焰炉加热系统或者高频炉加热系统。

本发明的有益效果是：

(1)本发明的分布式侧面泵浦耦合光纤的在线拉制制备方法及系统，通过将分布式侧面泵浦耦合(gt-wave)光纤中的增益光纤预制棒和泵浦光纤预制棒按合适的排布方式排布后，在加热系统中一次性熔融拉丝，并通过限位模具确保多根裸纤在进入涂覆模具前的准确空间排列从而在线涂覆成型，即可实现一次性在线拉制制备，因此本发明解决了采用现有制备方法制备分布式侧面泵浦耦合光纤时，对环境洁净度要求高，制备过程复杂、生产效率低，易发生光纤断裂、以及存在因涂覆层未完全剥离干净，造成严重发热以致烧毁风险的技术问题。通过本发明的分布式侧面泵浦耦合光纤的在线拉制制备方法及系统，能制备出高效耦合、热管理出色、性能稳定可靠的分布式侧面泵浦耦合(gt-wave)光纤，可用于制备超高功率的光纤激光器。

(2)本发明的分布式侧面泵浦耦合光纤的在线拉制制备方法，优选地还包括丝径测量、反馈步骤，能对制备过程中的裸纤丝径进行实时测量，并及时反馈给控制装置，控制装置根据丝径测量系统反馈的测量结果，调整收丝辊轮组的转速，进而调整拉丝速度；使制备的分布式侧面泵浦耦合光纤的废品率降低。

附图说明

图1是本发明分布式侧面泵浦耦合光纤的在线拉制制备系统实施例的结构示意图；

图2是本发明中预制棒组件实施例的结构示意图；

图3是沿图2中a-a线的剖视图；

图4是本发明中限位模具实施例的横截面示意图。

图中各标号的说明如下：

1-夹持系统，2-加热系统，3-丝径测量系统，4-限位模具，6-涂覆模具，7-紫外固化炉，8-收丝辊轮组，81-第一辊轮，82-第二辊轮，9-石英把棒，101-增益光纤预制棒，102-泵浦光纤预制棒，11-配重石英块，12-预制棒组件。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明的分布式侧面泵浦耦合光纤的在线拉制制备方法，包括以下步骤：

步骤1：根据待制备的分布式侧面泵浦耦合光纤的尺寸参数要求，确定制备其需要的泵浦光纤预制棒102的根数n，并根据体积守恒原理计算需要的泵浦光纤预制棒102和增益光纤预制棒101的直径、长度尺寸；上述n≥2；在本实施例中，泵浦光纤预制棒102的根数n为6；

步骤2：根据步骤1计算的尺寸，制备1根增益光纤预制棒101和n根泵浦光纤预制棒102，并对其进行抛光；抛光时，可以选择机械抛光、火焰抛光、酸蚀抛光三者中的一种或任意两种的组合或者三种的组合；

步骤3：参见图2和图3，将抛光后的增益光纤预制棒101和泵浦光纤预制棒102，按照增益光纤预制棒101位于中心，n根泵浦光纤预制棒102均布在其四周，相互间轴线平行且相互间均存在间隙的排布方式，一端焊接在石英把棒9上，另一端焊接配重石英块11，制成预制棒组件12；

步骤4：参见图1，将预制棒组件12的石英把棒9一端夹持固定，另一端伸入加热系统2中，进行加热并掉头，得到n+1根光纤料头；本实施例中，加热系统2为石墨炉加热系统，除了为本实施例的石墨炉加热系统外，加热系统2还可以为火焰炉加热系统或者高频炉加热系统；

步骤5：参见图1和图4，将n+1根光纤料头，按照步骤3的排布方式分别对应地穿过至少一个限位模具4上的n+1个过孔后，牵引进入涂覆模具6中，合束并涂覆；要求上述限位模具4上供光纤料头通过的n+1个过孔中，位于中心的过孔的轴线位于拉丝中心线上；在本实施例中，n+1根光纤料头在穿过至少一个限位模具4前，优选地还要经过丝径测量、反馈步骤，即对步骤4得到的n+1根光纤料头，首先进行丝径测量，并将测量结果反馈给控制装置；控制装置根据接收到的测量结果，调整下述收丝辊轮组8的转速，进而调整拉丝速度；具体为，当测量的丝径比要求值小时，将收丝辊轮组8的转速降低，让拉丝速度变慢；当测量的丝径比要求值大时，将收丝辊轮组8的转速升高，让拉丝速度变快；

步骤6：对涂覆后的光纤进行固化，即得到分布式侧面泵浦耦合光纤。本实施例中，对涂覆后的光纤进行固化是采用紫外固化炉7对涂覆后的光纤进行固化。

本实施例中，优选地还包括步骤7：通过收丝辊轮组8对固化后的光纤进行收丝绕制。

参见图1，本发明的分布式侧面泵浦耦合光纤的在线拉制制备系统，包括由上至下依次设置的夹持系统1、加热系统2、至少一个限位模具4、涂覆模具6以及紫外固化炉7。本实施例中，限位模具4优选地有两个。

上述夹持系统1用于夹持固定预制棒组件12的石英把棒9一端；上述加热系统2用于对预制棒组件12加热并掉头；本实施例中，加热系统2为石墨炉加热系统，除了为本实施例的石墨炉加热系统外，加热系统2还可以为火焰炉加热系统或者高频炉加热系统；参见图4，上述限位模具4上设置有n+1个过孔，且按照一个过孔位于中心，其余n个过孔均布在其四周，并且其余n个过孔的孔中心位于同一个圆上的排布方式排布；上述n等于预制棒组件12中泵浦光纤预制棒102的数量；本实施例中，n等于6；上述限位模具4上位于中心的过孔的轴线位于拉丝中心线上。

本实施例的分布式侧面泵浦耦合光纤的在线拉制制备系统，优选地还包括丝径测量系统3、收丝辊轮组8以及控制装置(图上未示出)。参见图1，丝径测量系统3设置在加热系统2与位于最上端的限位模具4之间，用于对掉头后的n+1根光纤料头进行丝径测量，并将测量结果反馈给上述控制装置；收丝辊轮组8设置在紫外固化炉7的下方，用于对固化后的光纤进行收丝绕制；上述控制装置对整个拉制过程进行控制，并根据丝径测量系统3反馈的测量结果，调整收丝辊轮组8的转速，进而调整拉丝速度。本实施例中，优选地收丝辊轮组8包括第一辊轮81以及第二辊轮82；固化后的光纤绕过第一辊轮81后，绕制在第二辊轮82上。

采用本发明的分布式侧面泵浦耦合光纤的在线拉制制备方法及系统，能制备出高效耦合、热管理出色、性能稳定可靠的分布式侧面泵浦耦合(gt-wave)光纤，可用于制备超高功率的光纤激光器。