端面泵浦耦合器及其制备方法与流程

本发明属于光纤激光器技术领域，更具体地涉及一种端面泵浦耦合器及其制备方法。

背景技术：

光纤激光器具有转换效率高、光束质量好、结构紧凑、易散热、工作稳定性好等优点，已经广泛应用于工业和国防等领域。在实现高功率光纤激光器时，如何将泵浦能量可靠、高效地耦合注入增益光纤是研制高功率光纤激光系统的关键问题之一，泵浦耦合器是实现这一功能的核心元器件，其性能参数将直接决定光纤激光器的输出功率以及光束质量，因此，研制高性能的光纤泵浦耦合器是高功率光纤激光器的基础和前提。目前实现光纤泵浦耦合器的方式主要有两种：端面泵浦耦合与侧面泵浦耦合。其中端面泵浦耦合器也是目前工业用千瓦量级光纤激光器的主流泵浦方式。

熔融拉锥是实现端面泵浦耦合器的主要实现形式，其制作过程是将多根光纤组成一束，然后在高温下加热拉伸，使其互相熔合并形成锥形过渡区，最后将其切断与输出光纤熔接，即通常所说的组束、拉锥、切割和熔接四个步骤。根据泵浦耦合器的应用方式可以将熔融拉锥端面泵浦耦合器分成两类：n×1的光纤熔锥端面泵浦耦合器和(n+1)×1的含信号纤的光纤熔锥端面泵浦耦合器，不同之处在于组束光纤中心光纤为泵浦光纤或者信号光纤。n×1型光纤端面泵浦耦合器主要用于谐振腔结构的光纤激光器中，(n+1)×1型光纤熔锥端面耦合器主要用于全光纤的光纤放大器。在含信号纤泵浦耦合器的制作过程中，是将n根多模光纤紧密放置在一根信号光纤周围，然后熔融拉锥，从锥区中间截断，并和一根双包层光纤熔接。目前，传统的(n+1)×1光纤端面泵浦耦合器制作方案，通常是将信号纤和泵浦光纤一起进行拉锥，这种方案在光纤束拉锥变小的同时也会使得信号纤的包层直径和纤芯变小，破坏了信号光纤的结构，造成了输入的信号光纤与输出光纤的纤芯模场不匹配、从而引起信号光的传输损耗增加和模式退化等问题，这些问题不仅降低了耦合器的耦合效率，限制了泵浦耦合器的承载功率，因为损失的光能量转化成热而使激光器的热管理难以控制，同时也将引起输出激光的光束质量恶化，降低了光纤激光器的性能。

技术实现要素：

基于以上问题，本发明的主要目的在于提出一种端面泵浦耦合器及其制备方法，用于解决以上技术问题的至少之一。

为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，本发明提出了一种端面泵浦耦合器，包括信号光纤、输出光纤和若干根泵浦光纤，其中：

信号光纤由芯径相等的第一光纤和第二光纤熔接形成，第二光纤的外径小于第一光纤的外径；

若干根泵浦光纤绕信号光纤均匀紧密排布，拉锥形成有原始区、锥形区和锥腰区，且锥形区位于原始区和锥腰区之间；

信号光纤的第二光纤所在的一端和若干根泵浦光纤的锥腰区所在的一端，扭转熔融为第一端，且所述信号光纤位于所述第一端的中心位置；

输出光纤与第一端熔接，且其芯径与第一光纤、第二光纤的芯径相等。

在本发明的一些实施例中，上述信号光纤的第二光纤所在的一端，在扭转熔融为第一端时，芯径保持不变。

在本发明的一些实施例中，上述第一端与输出光纤的包层尺寸相匹配。

在本发明的一些实施例中，上述第一光纤、第二光纤及信号光纤的芯径为20μm～40μm，若干根泵浦光纤的规格为200/220μm或220/242μm。

在本发明的一些实施例中，上述泵浦光纤为6根，该6根泵浦光纤以信号光纤为中心呈中心对称分布。

在本发明的一些实施例中，上述述泵浦光纤为18根，该18根光纤绕信号光纤分为两圈分布，且以信号光纤为中心呈中心对称分布。

在本发明的一些实施例中，上述耦合器还包括一夹具，该夹具具有与信号光纤的尺寸相匹配的一中心孔，及与若干根泵浦光纤相匹配的若干小孔。

为了实现上述目的，作为本发明的另一个方面，本发明提出了一种端面泵浦耦合器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、将芯径相等的第一光纤和第二光纤熔接形成信号光纤；

步骤2、将若干根泵浦光纤拉锥形成两个原始区、两个锥形区及一个锥腰区；

步骤3、将信号光纤和若干根泵浦光纤平行穿入位于两端的两个夹具，其中该两个夹具均包括用于穿入信号光纤的一中心孔，及用于穿入若干根泵浦光纤的若干个小孔，且若干根泵浦光纤的锥腰区对应信号光纤的第二光纤；

步骤4、扭转两个夹具，使位于两个夹具之间的信号光纤和若干根泵浦光纤扭转熔融为一体，并在若干根泵浦光纤的锥腰区切断形成第一端，且所述信号光纤位于所述第一端的中心位置；

步骤5、在第一端熔接与信号光纤的芯径相等的输出光纤，完成端面泵浦耦合器的制备；

其中，第二光纤的外径小于第一光纤的外径。

在本发明的一些实施例中，上述制备方法，在第一端熔接与信号光纤的芯径相等的输出光纤后，还包括：将夹具卸下，完成端面泵浦耦合器的制备。

在本发明的一些实施例中，上述步骤4中，在扭转熔融为信号光纤位于中心的一体时，第二光纤的芯径保持不变。

本发明提出的端面泵浦耦合器及其制备方法，具有以下有益效果：

1、仅若干根泵浦光纤进行拉锥，而信号光纤本身仅扭转熔融，因此可保证信号光纤的芯径保持不变，使得信号光纤与输出光纤的纤芯直径相等，避免纤芯模场不匹配引入的损耗，同时降低了信号光的模式退化，使输出激光的光束质量保持了种子源的高光束质量特性；

2、由于第二光纤的外径小于第一光纤的外径，因此可将第二光纤作为过渡光纤，使得扭转熔融形成的第一端的尺寸与输出光纤的包层尺寸相匹配，从而可使得耦合器整个信号光纤的纤芯直径始终保持相等，减少了信号光的泄露，提高了耦合效率，同时进一步降低了信号光的模式退化；

3、若干根泵浦光纤预先拉锥形成锥形区，可保证信号光纤和泵浦光纤的均匀紧密排布，使得信号光纤和泵浦光纤熔融拉锥后信号光纤始终处于中心位置。

附图说明

图1是本发明一实施例中20/400μm的第一光纤与20/130μm的第二光纤熔接结构示意图；

图2是本发明一实施例中220/242μm的泵浦光纤拉锥到锥腰区直径130μm的结构示意图；

图3(a)～(b)分别是本发明一实施例所用的两个7孔夹具的结构示意图；

图4是本发明一实施例中将图一结构穿到图3(a)～(b)所示的两个7孔夹具的中心孔后的结构示意图；

图5是本发明一实施例中将图2结构穿到图3(a)～(b)所示的两个7孔夹具外侧6个小孔后的结构示意图；

图6是本发明一实施例中将图5结构的光纤束扭转后的结构示意图；

图7是本发明一实施例提出的端面泵浦耦合器的结构示意图；

图8是本发明一实施例提出的端面泵浦耦合器中第一端的截面示意图。

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明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明的主要目的在于克服传统(n+1)×1耦合器因信号光纤拉锥时变小与输出光纤纤芯直径模式不匹配所导致的传输损耗增大和模式退化等问题，提供一种新型的端面泵浦耦合器及其制作方案，实现输入信号光纤和输出光纤的模场直径相匹配，降低信号损耗并保持光纤模式不退化，为实现更高功率、更高光束质量的光纤激光器提供器件支撑。

本发明公开了一种端面泵浦耦合器，包括信号光纤、输出光纤和若干根泵浦光纤，其中：

信号光纤由芯径相等的第一光纤和第二光纤熔接形成，第二光纤的外径小于第一光纤的外径；

若干根泵浦光纤绕信号光纤均匀紧密排布，拉锥形成有原始区、锥形区和锥腰区，且锥形区位于原始区和锥腰区之间；

信号光纤的第二光纤所在的一端和若干根泵浦光纤的锥腰区所在的一端，扭转熔融为第一端，且所述信号光纤位于第一端的中心位置；

输出光纤与第一端熔接，且其芯径与第一光纤、第二光纤的芯径相等。

其中，由于仅若干根泵浦光纤进行拉锥，而信号光纤本身仅扭转熔融，因此可保证信号光纤的芯径保持不变，使得信号光纤与输出光纤的相等，避免纤芯模场不匹配引入的损耗，同时降低了信号光的模式退化，使输出激光的光束质量保持了种子源的高光束质量特性。

其中，所述的原始区为泵浦光纤在拉锥后，直径不变的部分；锥形区为泵浦光纤在拉锥后，直径逐渐变小的部分；锥腰区为泵浦光纤在拉锥后，直径最小、最细的部分。

在本发明的一些实施例中，上述信号光纤的第二光纤所在的一端，在扭转熔融为第一端时，芯径保持不变，因此信号光纤本身仅扭转熔融，可保证信号光纤的芯径保持不变。

在本发明的一些实施例中，上述第一端与输出光纤的包层尺寸相匹配；由于第二光纤的外径小于第一光纤的外径，因此可将第二光纤作为过渡光纤，使得扭转熔融形成的第一端的尺寸与输出光纤的包层尺寸相匹配，从而可使得耦合器的整个信号光纤纤芯直径始终保持不表，减少信号光泄露，提高耦合效率，同时降低了信号光的模式退化。

在本发明的一些实施例中，上述第一光纤、第二光纤及信号光纤的芯径为20μm～40μm，若干根泵浦光纤的规格为200/220μm或220/242μm；优选地，第一光纤的规格为20/400μm，第二光纤的规格为20/130μm，输出光纤的规格为20/400μm，而泵浦光纤的规格为220/242μm。

在本发明的一些实施例中，上述泵浦光纤为6根，该6根泵浦光纤以信号光纤为中心呈中心对称分布，其中，该6根光纤互相相切，且均与中心的信号光纤相切，以保证6根泵浦光纤绕信号光纤紧密排布，若干根泵浦光纤预先拉锥到第二根信号光纤的外包层直径大小形成锥形区，绕信号光纤均匀紧密排布，可保证信号光纤和泵浦光纤正六边形的均匀紧密排布，使得信号光纤和泵浦光纤熔融拉锥后信号光纤始终处于中心位置。

在本发明的一些实施例中，上述泵浦光纤为18根，该18根光纤绕信号光纤分为两圈分布，且以信号光纤为中心呈中心对称分布，具体地，绕信号光纤的第一圈紧密分布6根泵浦光纤，且该6根泵浦光纤相互相切，且均与中心的信号光纤相切；绕信号光纤的第二圈紧密分布12根泵浦光纤，该12根泵浦光纤相互相切，且分别与第一圈的6根泵浦光纤相切，以保证该18根泵浦光纤与信号光纤均紧密排布。

在本发明的一些实施例中，上述耦合器还包括一夹具，该夹具具有与信号光纤的尺寸相匹配的一中心孔，及与若干根泵浦光纤相匹配的若干小孔，该夹具可很好的固定信号光纤及泵浦光纤的位置，从而保证信号光纤位于中心。

本发明还公开了一种端面泵浦耦合器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、将芯径相等的第一光纤和第二光纤熔接形成信号光纤；

步骤2、将若干根泵浦光纤拉锥形成两个原始区、两个锥形区及一个锥腰区；

步骤3、将信号光纤和若干根泵浦光纤平行穿入位于两端的两个夹具，其中该两个夹具均包括用于穿入信号光纤的一中心孔，及用于穿入若干根泵浦光纤的若干个小孔，且若干根泵浦光纤的锥腰区对应信号光纤的第二光纤；

步骤4、扭转两个夹具，使位于两个夹具之间的信号光纤和若干根泵浦光纤扭转熔融为一体，并在若干根泵浦光纤的锥腰区切断形成第一端，所述信号光纤位于第一端的中心位置；

步骤5、在第一端熔接与信号光纤的芯径相等的输出光纤，完成端面泵浦耦合器的制备。

其中，第二光纤的外径小于第一光纤的外径。

在本发明的一些实施例中，上述制备方法，在第一端熔接与信号光纤的芯径相等的输出光纤后，还包括：将夹具卸下，完成端面泵浦耦合器的制备；其中，卸下的夹具可用于下次端面泵浦耦合器的制备过程中使用，从而可使得夹具重复利用，减少端面泵浦耦合器的制造成本。

以下通过具体实施例，对本发明提出的端面泵浦耦合器及其制备方法进行详细说明。

实施例1

本实施例提出了一种端面泵浦耦合器，包括信号光纤、输出光纤和若干根泵浦光纤，其中：

信号光纤由芯径相等的第一光纤和第二光纤熔接形成，第二光纤的外径小于第一光纤的外径；

若干根泵浦光纤绕信号光纤均匀紧密排布，拉锥形成有原始区、锥形区和锥腰区，且锥形区位于原始区和锥腰区之间；

信号光纤的第二光纤所在的一端和若干根泵浦光纤的锥腰区所在的一端，扭转熔融为信号光纤位于中心的第一端；

输出光纤与第一端熔接，且其芯径与第一光纤、第二光纤的芯径相等。

本实施例实现的含信号纤的端面泵浦耦合器的信号光纤的第一光纤和输出光纤的参数均为内径/外径大小为20/400μm，数值孔径为na＝0.06/0.46，泵浦光纤为6根，该6根泵浦光纤的内径/外径为220/242μm，数值孔径为na＝0.22。

直接将一根20/400μm的光纤和6根220/242μm的光纤进行紧密排布是一件非常困难的事，另外排布好的6根泵浦光纤和信号光纤的第一光纤在拉锥后，要使截面直径与输出光纤的包层直径相匹配，就需要将此7根光纤的直径压缩一半以上，则信号光纤的纤芯顺应的将由20μm减小到小于10μm，这样在与后面的输出光纤熔接时信号光将产生大的损耗和模式退化。为了避免此种缺陷，本实施例中引入了第二光纤作为过渡光纤，本实施例的端面泵浦耦合器的具体制备方法为：

第一步：首先引入一段与信号光纤纤芯直径相等，包层直径为130μm的双包层光纤作为过渡光纤，即所述的第二光纤。

具体地，将1m左右的20/400μm、na＝0.06/0.46的第一光纤和0.5m左右的20/130μm、na＝0.06的第二光纤剥离涂覆层，切割、然后利用普通的熔接机进行熔接，因为两种光纤的纤芯直径相同，纤芯中的信号光损耗非常小，熔接损耗一般都会低于0.01db；

第二步：将6根泵浦光纤预拉锥。

具体地，将220/242μm、na＝0.22的泵浦光纤剥离4～6cm的涂覆层，用酒精擦拭干净，使用光纤拉锥机，通过设置特定的参数对泵浦光纤进行拉锥，拉锥后泵浦光纤锥腰区的直径在130μm左右，长度为2cm，左右两侧的过渡区域长度约为1.5gm。

第三步：使用两个7孔夹具组束。

具体地，将步骤一制作好的信号光纤穿到两个七孔夹具中的中心孔，放置的时候熔点放置在20/400μm的信号光纤左侧，且距七孔夹具较近，；然后将步骤二中6根预拉锥好的220/242μm、na＝0.22的六根泵浦光纤穿入两个七孔夹具中第二圈的六个小孔中，7根光纤要平行排布，不要有扭转，且要求信号光纤的熔点在泵浦光纤的锥区外。穿孔过程中不要将泵浦光纤弄断也不要污染信号光纤的熔点，穿好后扭转两端的7孔夹具1～2圈，然后用紫外固化(uv)胶将扭转后的光纤束固定；

第四步：将步骤三做好的扭转光纤束，放置在拉锥机平台上进行熔融拉锥，要求拉锥过程控制拉锥的光纤束直径基本保持不变，拉锥作用仅保证7根光纤束在高温热源的作用下将光纤束熔紧不至于散开，保证信号光纤的纤芯的大小基本不变。

第五步：将步骤四制作好的熔融光纤束在直径大小为370μm左右处切割，然后再与20/400μm、na＝0.06/0.46的输出光纤进行熔接，一个信号光纤的纤芯一致维持在20μm的端面泵浦耦合器制作完成。

实施例2

本实施例提出了一种端面泵浦耦合器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、将芯径相等的第一光纤和第二光纤熔接形成信号光纤；

步骤2、将若干根泵浦光纤拉锥形成两个原始区、两个锥形区及一个锥腰区；

步骤3、将信号光纤和若干根泵浦光纤平行穿入位于两端的两个夹具，其中该两个夹具均包括用于穿入信号光纤的一中心孔，及用于穿入若干根泵浦光纤的若干个小孔，且若干根泵浦光纤的锥腰区对应信号光纤的第二光纤；

步骤4、扭转两个夹具，使位于两个夹具之间的信号光纤和若干根泵浦光纤扭转熔融为信号光纤位于中心的一体，并在若干根泵浦光纤的锥腰区切断形成第一端；

步骤5、在第一端熔接与信号光纤的芯径相等的输出光纤，完成端面泵浦耦合器的制备。

其中，第二光纤的外径小于第一光纤的外径。

具体地，如图1所示为20/400μm、na＝0.06/0.46的第一光纤与20/130μm、na＝0.06的第二光纤熔接后的结构示意图；该结构主要包括20/400μm、na＝0.06/0.4的第一光纤11，20/130μm、na＝0.06的第二光纤12，以及第一光纤与第二光纤的熔接点13；其中111为第一光纤的涂覆层，112为第一光纤的包层，121为第二光纤的涂覆层，122为第二光纤的包层；制作该结构的主要流程为：首先将光纤11剥掉5cm左右的涂覆层，光纤12剥掉5cm左右的涂覆层，并用无水乙醇将两种类型的光纤包层擦拭干净，确保包层无污染物；然后利用切割刀在距光纤涂覆层111的距离为2cm处的光纤包层112切断，在距第二光纤涂覆层121的距离为2cm处的包层122切断，切割保证端面平整；最后利用熔接机设置适当的参数将两种类型的光纤进行熔接；熔接点13的熔接质量决定了制作的耦合器是否能承受高功率，故在制作该结构的时候控制该熔接点的损耗在0.01db以下，并且对该结构进行测试。

如图2所示，为220/242μm、na＝0.22的单根泵浦光纤，拉锥到锥腰处直径为130μm的结构示意图，该拉锥后的单根泵浦光纤主要包括220/242、na＝0.22的泵浦光纤2(即原始区)、锥形区21及锥腰区22；首先把220/242μm、na＝0.22的泵浦光纤2剥掉5cm左右的涂覆层，用无水乙醇擦拭干净，确保包层表面无污染物；然后利用光纤拉锥机设置参数，设置锥形区21的长度为1.5cm，锥腰区22的长度为2cm，锥腰区22的直径23为130μm，参数可确保拉锥出的泵浦光纤的锥形区21平缓，锥腰区22的直径23大小均匀。

如图3(a)～(b)所示，分别为本实施例采用的两个七孔夹具的结构示意图；其中图3(a)为中心孔31的孔径为530μm、外围六个小孔32的孔径为400μm的第一七孔夹具3，图3(b)为中心孔41的孔径为250μm、外围六个小孔42的孔径为400μm的第二七孔夹具4；在放置图1所示的信号光纤时，第一七孔夹具3放置在第一光纤的一端，第二七孔夹具4放置在第二光纤的一端；

如图4所示，为将图1结构穿到图3(a)～(b)所示的两个七孔夹具3、4的中心孔31、41后的结构示意图。穿入过程具体为，首先把两个七孔夹具3、4清洗干净，再把图1所示的结构穿到两个七孔夹具3、4的中心孔31、41，即先第一光纤11穿到530μm的中心孔31中，保证第一七孔夹具3距熔点13保持适当的距离，再将第二光纤12穿到第二七孔夹具4的中心孔41中，且注意不要伤到涂覆层，整个过程保证熔点13不被破坏污染。

如图5所示，为把6根锥腰区直径拉锥到130μm的泵浦光纤穿到两个七孔夹具3、4中后的结构示意图；具体地，首先在保证图4的结构不被破坏、污染的情况下依次将锥腰区直径拉锥到130μm的6根泵浦光纤2穿到第一七孔夹具3中的六个小孔32和第二气孔夹具4中的六个小孔42中，泵浦光纤2从第一夹具3穿入，从第二七孔夹具4穿出，当全部穿入后，保证靠近第一七孔夹具3的泵浦光纤2与信号光纤1的涂覆层对齐，保证穿入信号光纤1和泵浦光纤2的两个七孔夹具3、4不动，同时保证七孔夹具3、4不会从光纤束中掉出。

如图6所示，为图5的结构，进行光纤扭转后的示意图；具体地，将图5制作好的光纤束扭转1-2圈，即在整个过程中，将第二七孔夹具4扭转1-2圈，第二七孔夹具4带动外围的6根泵浦光纤2扭转，扭转后使用uv胶固定扭转后的泵浦光纤和信号光纤，然后将扭转好的光纤束放置在耦合器制作平台，通过设置拉锥系统的拉锥参数使光纤束熔紧不至于散掉，整个拉锥过程光纤束基本不拉锥，保证第二光纤12的芯径大小基本不变。

如图7所示，为制备完成的端面泵浦耦合器的结构示意图；该结构中输出光纤5为20/400μm、na＝0.08的双包层光纤；该输出光纤5包括涂覆层51，包层52；完成制备的具体步骤为：首先将20/400μm、na＝0.08的输出光纤5剥去5cm的涂覆层51并且擦拭干净，确保包层52无污染物，用切割刀在距涂覆层51外2cm的包层处切断，保证切割端面质量良好；然后将图6结构用切割刀在直径370μm处(即对应泵浦光纤的锥腰)切断，切割的截面(即第一端的截面)示意图如图8所示，利用熔接机设置相应的参数将熔融好的7根光纤束(即信号光纤1和6根泵浦光纤2)与输出光纤5熔接得到完整的耦合器，熔接过程保证光纤束与输出光纤纤芯对准。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。