包层功率剥离器及光纤激光器的制作方法

本发明涉及光纤器件领域，具体而言，涉及一种包层功率剥离器及光纤激光器。

背景技术：

高功率光纤激光器具有高光束质量、高转换效率、高稳定性等特点，在目前工业、医疗、军事等方面的应用具有非常广阔的前景。包层光剥离器是光纤激光器内用于剥除残余泵浦光以及高阶模式，提高输出激光光束质量必备的器件。它剥除的残余泵浦光、高阶模式的光是高功率激光器系统的废热，这些废热是导致系统不稳定的重要因素，因此需要合理的设计将这部分热量耗散掉。常用的做法是利用水冷结构封装包层光剥离器将这部分热量吸收掉，但是水冷结构封装的结构较复杂，会增加整个系统的重量和复杂程度，不利于光纤激光器的结构简化。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种包层功率剥离器及光纤激光器，能够有效地改善上述问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供了一种包层功率剥离器，包括：作用光纤、透光导热片和封装壳体。所述作用光纤位于所述封装壳体内，所述透光导热片贴附于所述封装壳体的内壁，所述作用光纤表面设置有光功率剥离窗口，所述光功率剥离窗口朝向所述透光导热片。在所述作用光纤的包层中传输的光束从所述光功率剥离窗口出射后入射到所述透光导热片，以使所述光束从所述包层中剥离。

在本发明较佳的实施例中，上述封装壳体的与所述透光导热片贴合的内壁设置有凹槽，所述透光导热片设置于所述凹槽内。

在本发明较佳的实施例中，上述封装壳体的与所述透光导热片贴合的内壁为所述封装壳体的底面。

在本发明较佳的实施例中，上述光功率剥离窗口位于所述作用光纤的靠近所述透光导热片的一侧。

在本发明较佳的实施例中，由所述光功率剥离窗口出射的所述光束均入射到所述透光导热片。

在本发明较佳的实施例中，上述光功率剥离窗口为通过将所述作用光纤表面的预设区域进行腐蚀处理而形成。

在本发明较佳的实施例中，上述包层功率剥离器还包括用于保护所述作用光纤的透光保护管，所述透光保护管套设于所述作用光纤外，且覆盖所述光功率剥离窗口

在本发明较佳的实施例中，上述作用光纤为双包层石英光纤。

在本发明较佳的实施例中，上述透光导热片为蓝宝石片。

第二方面，本发明实施例还提供了一种光纤激光器，包括：激光谐振腔、散热装置及上述的包层功率剥离器。所述激光谐振腔的输出端与所述包层功率剥离器耦合，所述包层功率剥离器中设置有透光导热片的侧壁与所述散热装置贴合。所述激光谐振腔输出的激光入射到所述包层功率剥离器的作用光纤，在所述作用光纤的包层中传输的光束从所述光功率剥离窗口出射后入射到所述透光导热片，以使所述光束产生热量被所述透光导热片底部的封装壳体传导至所述散热装置散热。

本发明实施例提供的包层功率剥离器，摒弃了传统的水冷结构封装，通过在作用光纤表面设置朝向贴附于封装壳体内壁的透光导热片的光功率剥离窗口，使得在作用光纤包层中传输的光束从该光功率剥离窗口出射到透光导热片，从而使得光束产生的热量被封装壳体导走，实现了光纤包层光功率的剥离。相比于现有技术，有效地简化了包层功率剥离器的结构，减轻了器件的重量。进一步，将该包层功率剥离器应用于光纤激光器时，能够有效地剥除在光纤包层中传输的光束，避免了光纤包层中传输的光束对光纤激光器输出光斑质量的影响，且有利于光纤激光器的结构简化。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本发明第一实施例提供的一种包层功率剥离器的结构示意图；

图2示出了图1的a-a剖面图；

图3示出了本发明第一实施例提供的作用光纤的结构示意图；

图4示出了经360度腐蚀后的作用光纤的出光状态示意图；

图5示出了本发明第一实施例中作用光纤的光功率剥离窗口处的出光状态示意图；

图6示出了本发明第二实施例提供的光纤激光器的结构示意图。

图中：100-包层功率剥离器；110-封装壳体；111-导热侧壁；1111-凹槽；120-作用光纤；121-第一端；122-第二端；h1-上半部分；h2-下半部分；123-纤芯；1201-矩形截面；130-光功率剥离窗口；140-透光导热片；10-光纤激光器；200-激光谐振腔；300-泵浦源。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“底面”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”、“耦合”应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。两个光学器件耦合表示光束可以在两个光学器件之间传输，例如，其中一个光学器件中出射的光束能够传输至另一个光学器件。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

目前，大功率光纤激光器均采用包层泵浦技术，所使用的光纤为大芯径、双包层光纤。包层泵浦技术是将大功率的多模泵浦光有效地耦合到双包层增益光纤中，泵浦光在包层里反射传输，穿过纤芯时激发稀土离子，形成粒子数翻转，最终输出激光。然而，限于增益光纤的长度，包层中泵浦光不能被完全吸收，光纤激光器的激光输出端的光纤包层里面仍有残余泵浦光存在。此外，除了残余的泵浦光外，光纤激光器的激光输出端的光纤包层里面还存在高阶模式的光。当光纤激光器功率较高时，残余泵浦光和高阶模式的光的功率也较高，影响了光纤激光器输出激光的质量并可能导致光纤激光器的激光输出头发烫。因此，需要在光纤激光器的输出端设置包层功率剥离器，以剥除光纤激光器的激光输出端的包层光。然而，现有采用水冷结构封装的包层光剥离器结构较复杂，会增加整个系统的重量和复杂程度，不利于光纤激光器的结构简化。因此，本发明实施例提供了一种包层功率剥离器，以有效地解决上述问题。

如图1所示，本发明实施例提供了一种包层功率剥离器100，包括：作用光纤120、透光导热片140和封装壳体110。作用光纤120位于封装壳体110内，透光导热片140贴附于封装壳体110的内壁，作用光纤120表面设置有光功率剥离窗口130，光功率剥离窗口130朝向透光导热片140。例如，当封装壳体110为中空的正方体时，封装壳体110包括6个侧壁，透光导热片140可以贴附于封装壳体110的任意一个侧壁的内侧。本实施例中，将封装壳体110的与透光导热片140贴合的内壁定义为导热侧壁111，以便描述。

在作用光纤120的包层中传输的光束从光功率剥离窗口130出射后入射到透光导热片140，透光导热片140将包层光转化为的热量传导至封装壳体110的与该透光导热片140贴合的侧壁，实现包层光功率的剥离。图2示出了图1的a-a剖面图，为了图2更加清楚，没有示出剖面线。图2中的箭头用于示意由光功率剥离窗口130出射的光束。

封装壳体110采用导热性较高的材料制成。例如，可以采用金属封装壳体110。由于封装壳体110的良导热性，包层光转化为的热量传导至上述导热侧壁111后，会继续向着封装壳体110的其他侧壁传导。但是，可以理解的是，相比于直接与透光导热片140贴合的侧壁，封装壳体110的其他侧壁的温度升高速度较慢。因此，当需要使用本包层功率剥离器100的光纤激光器或光纤放大器等高功率光纤设备本身包括有散热模块时，将上述导热侧壁111与该散热模块配合，及时散去传导至上述导热侧壁111的热量，就可以有效地避免高功率光纤设备工作时，由于封装壳体110的其他侧壁温度的大幅度升高影响整个系统的稳定性。于本发明的较佳实施例中，直接与透光导热片140贴合的侧壁为本包层功率剥离器100的封装壳体110的底部。

于本发明的较佳实施例中，为了使得透光导热片140中累积的热量尽量被导到透光导热片140所贴附的封装壳体110一侧，以便于进一步进行散热处理，如图2所示，封装壳体110的与透光导热片140贴合的内壁即导热侧壁111的内表面设置有凹槽1111，透光导热片140设置于该凹槽1111内。这样可以加快热量的传导，有利于散热。具体的，凹槽1111的尺寸可以根据透光导热片140的尺寸设置，从而将透光导热片140嵌入该凹槽1111内。或者，也可以通过光学胶如oca(opticallyclearadhesive)光学胶将透光导热片140粘贴在导热侧壁111上设置的凹槽1111底面。当然，除了上述设置凹槽1111的方式外，也可以通过光学胶直接将透光导热片140粘贴在封装壳体110的一个内壁。

本实施例中，作用光纤120的两端用于与光纤激光器或光纤放大器的尾纤耦合。例如，作用光纤120可以与光纤激光器的输出端耦合，光纤激光器的输出端输出的激光进入作用光纤120，在光纤激光器的输出端的光纤包层中传输的残余泵浦光、高阶模式的光也进入作用光纤120的包层。当本实施例提供的包层功率剥离器100应用于高功率光纤激光器或高功率光纤放大器时，作用光纤120优选为双包层石英光纤。

需要说明的是，包层功率剥离器100的作用光纤120也可以采用其他类型的光纤，当作用光纤120的两端作为本包层功率剥离器100的尾纤时，为了尽量减小包层功率剥离器100的耦合损耗，作用光纤120优选与所应用的光功率设备尾纤的模场匹配。因此，包层功率剥离器100的作用光纤120可以根据需要选用特定类型的光纤。

本实施例中，上述作用光纤120包括第一端121和第二端122，第一端121由封装壳体110的第一侧壁穿出以作为包层功率剥离器100的入纤，第二端122由封装壳体110的与第一侧壁相对的第二侧壁穿出以作为包层功率剥离器100的出纤。为了方便与其他光纤器件连接，第一端121和第二端122处还可以分别设置光纤接口。

本实施例中，光功率剥离窗口130位于作用光纤120的靠近透光导热片140的一侧。例如，透光导热片140设置于封装壳体110的底面时，假设沿图3中虚线所示的矩形截面1201将位于封装壳体110内的作用光纤120平均划分为上半部分h1及下半部分h2，该矩形截面1201与封装壳体110的底面平行，且上述下半部分h2靠近透光导热片140，上半部分h1远离透光导热片140。此时，光功率剥离窗口130位于该作用光纤120的下半部分h2的表面，以使得由光功率剥离窗口130出射的包层光束入射到透光导热片140。例如，光功率剥离窗口130的形状可以为在封装壳体110底面的投影为矩形的圆弧面，光功率剥离窗口的面积可以是该光功率剥离窗口所在光纤段的光纤表面面积的三分之一。

本实施例中，作用光纤120表面设置的光功率剥离窗口130可以为通过将作用光纤120表面进行腐蚀处理而形成。可以理解，图4和图5中的箭头表示出射的包层光。需要说明的是，不同于图4所示的将光纤表面进行360度腐蚀，使得包层光可以从作用光纤120的腐蚀区域360度出射。本实施例中，光功率剥离窗口130是将作用光纤120表面的预设区域进行腐蚀处理所形成的，从光功率剥离窗口130出射的包层光的出射角在预设范围内，如图5所示，光功率剥离窗口130的尺寸决定了该预设范围，具体根据透光导热片140的尺寸设置。优选的，由光功率剥离窗口130出射的包层光束均入射到透光导热片140。

具体的，当作用光纤120为双包层光纤时，双包层光纤包括纤芯123、内包层、外包层和涂覆层。将双包层光纤的预设区域的涂覆层和外包层剥离，露出双包层光纤的内包层，然后用化学试剂将内包层表面腐蚀成凸凹不平的粗糙结构，形成光功率剥离窗口130。或者，也可以直接采用湿法腐蚀的方法，通过腐蚀剂对双包层光纤的预设区域进行腐蚀使得其内包层表面呈现凸凹不平的粗糙结构，形成光功率剥离窗口130。例如，可以先用浓硫酸去除双包层光纤预设区域的涂覆层，然后再采用氢氟酸等腐蚀去除涂覆层的区域。在双包层光纤的包层中传输的光束经过光功率剥离窗口130时，由于光功率剥离窗口130处内包层表面粗糙而不能全反射，最终从内包层泄漏出去。

为了使得由光功率剥离窗口130出射的包层光尽量入射到透光导热片140，增加本包层功率剥离器100的剥离比，光功率剥离窗口130的尺寸与透光导热片140的尺寸、以及光功率剥离窗口130与透光导热片140之间的距离需要根据所需要的剥离比对应设置。

此外，为了保护作用光纤120，尤其是保护上述光功率剥离窗口130中裸露的内包层，上述包层功率剥离器100还包括用于保护作用光纤120的透光保护管，透光保护管套设于作用光纤120外。本实施例中，透光保护管可以为石英管，优选为纯石英管，保护性能较佳。

本实施例中，透光导热片140可以采用蓝宝石片，或者是其它透过率较高且导热性能好的材料。由于透光导热片140具有较高的透过率，由光功率剥离窗口130出射的包层光中大部分可以透过透光导热片140、入射到导热侧壁111，小部分被透光导热片140的下表面反射后，在透光导热片140内经多次反射后再入射到导热侧壁111。采用透光导热片140可以有效地“束缚”由光功率剥离窗口130出射并入射到透光导热片140的包层光，有利于这部分热量从导热侧壁111传导出去。

另外，为了尽量避免部分被透光导热片140的下表面反射的包层光再次透过透光导热片140的上表面入射到作用光纤120或封装壳体110的其他内壁，还可以在透光导热片140的第一表面涂覆高折射率透光胶，该透光胶的折射率高于透光导热片140的折射率，以减小光束从透光导热片140的第一表面进入封装壳体110内部的全反射临界角，从而增加部分被透光导热片140的下表面反射的包层光入射到透光导热片140的第一表面时发生全反射的概率，有效地增强了透光导热片140对入射的包层光的“束缚力”。

本发明实施例提供的包层功率剥离器100，摒弃了传统的水冷结构封装，通过在作用光纤120表面设置朝向贴附于封装壳体110内壁的透光导热片140的光功率剥离窗口130，使得在作用光纤120包层中传输的光束从该光功率剥离窗口130出射到透光导热片140，从而使得光束产生的热量被封装壳体110导走，实现了光纤包层光功率的剥离。相比于现有技术，有效地简化了包层功率剥离器100的结构，减轻了器件的重量。将本发明实施例提供的包层功率剥离器100具体应用于高功率光纤激光器时，残余泵浦光和高阶模式的剥离比可以达到24db以上，耐受功率可以达到千瓦以上，工作时温升系数约为3℃/100w。当然，本发明实施例提供的包层功率剥离器100除了可以应用于光纤激光器，还可以应用于光纤放大器。

第二实施例

如图6所示，本发明实施例提供了一种光纤激光器10，包括：泵浦源300、激光谐振腔200、散热装置及上述第一实施例提供的包层功率剥离器100。包层功率剥离器100的具体结构可以对应参照上述第一实施例，此处不再赘述。激光谐振腔200的输出端与包层功率剥离器100耦合，包层功率剥离器100中设置有透光导热片140的侧壁与散热装置贴合。

泵浦源300输出的泵浦光入射到激光谐振腔200内，激光谐振腔200输出的激光入射到包层功率剥离器100的作用光纤120，在作用光纤120的包层中传输的光束从光功率剥离窗口130出射后入射到透光导热片140，以使光束产生热量被封装壳体110的与透光导热片140贴合的侧壁即导热侧壁111传导至散热装置散热。本实施例中，上述散热装置可以为高功率光纤激光器10常用的散热结构，例如，可以为水冷散热结构。

需要说明的是，当上述光纤激光器10为高功率光纤激光器10时，包层功率剥离器100的作用光纤120优选采用双包层光纤。

具体的，激光谐振腔200的具体结构可以参照现有光纤激光器10的激光谐振腔200。例如，激光谐振腔200可以包括第一反射部件、第二反射部件、增益光纤、滤光片等。需要说明的是，所列举的激光谐振腔200的具体结构仅为示意，本实施例提供的光纤激光器10的激光谐振腔200可以包括比上述结构更多或更少的组件。此外，对于全光纤结构的激光谐振腔200，第一反射部件和第二反射部件均可以采用光纤布拉格光栅，且该激光谐振腔200可以是环形结构的谐振腔，也可以是线性结构的谐振腔。

本发明实施例提供的光纤激光器10采用了上述第一实施例提供的包层功率剥离器100，能够有效地剥离光纤激光器10输出端的包层光，包括残余的泵浦光和高阶模式的光。此外，由于该包层功率玻璃器摒弃了传统的水冷结构封装，相比于现有的采用水冷结构封装的包层功率玻璃器的光纤激光器，本实施例提供的光纤激光器10结构更简单，重量更轻。进一步，包层功率玻璃器所剥离的包层光所转化成的热量通过导热侧壁111导出到散热装置，有利于避免封装壳体110的其他侧壁的温度过高影响整个系统的稳定性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。