一种抗返回光全光纤器件的制作方法

本发明属于光纤激光技术领域，具体涉及一种抗返回光全光纤器件。

背景技术：

在高功率光纤激光装备的切割、焊接应用中，尤其是在铜、铝及其合金等高反材料加工应用中，返回光处理一直是高功率光纤激光应用领域技术难题之一。铜、铝及其合金等反射系数高的材料在激光光束作用材料表面时，会有一部分激光沿着原光纤光路传播返回，这种返回光会引起激光器运行不稳定，以及造成激光器保护装置报警和停止工作，长时间运行会缩短激光器寿命，在严重时会破坏光纤激光器。抗高反能力不足是目前国产高功率光纤激光器在高端应用领域暂时替代不了进口高功率光纤激光器的原因之一。

目前激光加工行业的不锈钢和碳钢用量最多，但是铜和铝用量也在逐年递增，因此解决高反材料切割的光源自身技术问题也是当务之急。目前常用的做法是用包层光滤除器去剥离返回光，但是包层光滤除器在剥离高功率输出激光的包层光激光和剩余泵浦光时，剥离百瓦量级的光功率，器件自身会有一定发热量，如果此时有大功率返回光也进入到包层光滤除器中会增加器件负荷，也会增加发热量，器件发热会影响滤除性能，会有返回光进入到谐振腔中影响激光器运行的稳定性，严重时会烧毁包层光滤除器。此外，如果返回光中有斯托克斯光成分，反向传输时会被功率放大，这种光反向传输危害极大，回传过程中会损伤光纤器件以及毁坏谐振腔。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种抗返回光全光纤器件，在激光输出的传能光纤中引入分束光纤和包层滤除器，利用分束光纤将大部分的返回光功率引导出来，并结合包层光滤除器做进一步的返回光剥离，包层光滤除器件将未导出的返回光进一步有效滤除，使得本发明的光纤器件具备抗高功率返回光的能力。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种抗返回光全光纤器件，包括传能光纤、包层光滤除器和分束光纤，所述包层光滤除器制备在所述传能光纤上，所述分束光纤耦合在所述传能光纤的包层上；沿所述传能光纤的输出激光方向，所述包层光滤除器和分束光纤依次设置；所述分束光纤用于导出传能光纤作用于目标物，被目标物反射的返回光；所述包层光滤除器通过破坏所述传能光纤包层的光束全发射条件来滤除所述返回光。

本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述分束光纤的返回光输出端配置有石英端帽，所述石英端帽上设有增透膜，所述增透膜用于防止菲涅尔反射的返回光进入所述分束光纤中。

本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述石英端帽的输出端配置有吸收体，所述吸收体用于吸收石英端帽输出的返回光。

本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述分束光纤与传能光纤耦合部位设有封装体，所述封装体用于散热和封装保护。

本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述分束光纤至少配置有两根，多根的所述分束光纤均耦合在位于传能光纤相同位置的包层上，或者多根的所述分束光纤耦合在位于传能光纤不同位置的包层上。

本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述分束光纤为单包层光纤或者双包层光纤。

本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述分束光纤的纤芯数值孔径大于所述返回光的数值孔径。

本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述包层光滤除器通过腐蚀工艺制备、co2激光器包层表面加工工艺制备、粒子束束能加工工艺制备；通过以上工艺处理使得包层表面物理结构改变破坏全反射条件而实现剥离包层光。

本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述包层光滤除器的外侧设有封装结构，所述封装结构用于封装保护、导光和散热。

本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述传能光纤能够耐受万瓦量级的激光能力，其纤芯直径不低于10um。

本发明的抗返回光全光纤器件，在激光输出的传能光纤中引入分束光纤和包层滤除器，利用分束光纤将大部分的返回光功率引导出来，并结合包层光滤除器做进一步的返回光剥离，包层光滤除器件将未导出的返回光进一步有效滤除，使得本发明的光纤器件具备抗高功率返回光的能力，其具有以下技术优势：

1、能够耐受千瓦量级的返回光。

2、通过分束光纤和包层光滤除器能够有效的将包层返回光导出，不进入光纤激光器谐振腔内。

3、采用的是一根传能光纤制备，对于输出激光性能无影响，可保障输出光束的无损传输。

4、使用的包层光滤除器不仅可以滤除未被分束光纤导出的小部分返回光，也可作为光纤激光器输出端的包层光滤除器，有效滤除输出激光包层中的激光和剩余泵浦光，保持高光束质量激光输出。

5、适用于任意波长的高功率光纤激光器。

6、易于集成到高功率光纤激光器中，实现产业化。

7、耐受高功率返回光，并将返回光高效的从传能光纤中导出，高效剥离，具备抗高返功能。

附图说明

图1是本发明优选实施例中抗返回光全光纤器件的结构示意图；

图2是图1所示全光纤器件中包层光滤除器的结构示意图；

图3是使用腐蚀工艺制备的包层光滤除器的表面形貌图。

图中标号说明：2-传能光纤，4-包层光滤除器，6-分束光纤，8-石英端帽，10-吸收体。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

实施例

参照图1所示，本实施例公开一种抗返回光全光纤器件，包括传能光纤2、包层光滤除器4和分束光纤6，沿上述传能光纤2的输出激光方向，上述包层光滤除器4和分束光纤6依次设置。

上述传能光纤2用于高功率光纤激光装备中使用，优选双包层光纤或三包层光纤，其纤芯直径不低于10μm，耐受激光功率能力在万瓦量级，输出光纤激光的能量约束在传能光纤2的纤芯中传输。常用的双包层型号有20/400μm、20/250μm、25/250μm、25/400μm、30/250μm、30/400μm、30/600μm、50/360μm、50/400μm、100/330μm、100/360μm、400/480μm等规格型号。常用的三包层型号有50/70/360μm、50/70/480μm、100/120/360μm、100/130/660μm等规格型号。

上述分束光纤6耦合在上述传能光纤2的包层上，其用于导出传能光纤2作用于目标物、被目标物反射的返回光。单根分束光纤6的耐受激光功率在千瓦量级，其可以为单包层光、双包层光纤，单包层光纤的型号有105/125μm、106.5/125μm、113.5/125μm、200/220μm、220/242μm等规格型号，双包层光纤有107/117μm、153/186μm、202/220μm、202/242μm、200/220μm等规格型号。上述分束光纤6至少配置有两根，多根的上述分束光纤6均耦合在位于传能光纤2同圈的包层上，或者多根的上述分束光纤6耦合在位于传能光纤2不同圈的包层上。耦合在位于传能光纤同圈的包层上时，上述分束光纤6一般不多于六根，六根分束光纤6位于同圈的圆周方向均匀分布。分束光纤6的纤芯数值孔径na.的值一般在0.2以上，因返回的激光原先在传能光纤2的纤芯里输出，具备高亮度，数值孔径很低，一般在0.15以下，采用0.2以上数值孔径的分束光纤6可有效的将返回的包层光剥离出来。

上述分束光纤6的返回光输出端配置有石英端帽8，上述石英端帽8的输出端配置有吸收体10，上述吸收体10用于吸收石英端帽8输出的返回光；上述石英端帽8上镀有增透膜，有效防止菲涅尔反射的返回光进入上述分束光纤中。上述分束光纤6与传能光纤2耦合部位设有由金属壳体制备的封装体，上述封装体用于散热和封装保护。

上述包层光滤除器4制备在上述传能光纤2上，其通过改变传能光纤2包层表面物理结构来破坏其包层光束全反射条件制备而成，其结构如图2所示，采用两边对称的梯度结构，这种结构可以逐步滤除包层光功率，分散散热，增加滤除能力。包层光束全反射条件被破坏后能够有效滤除没有被分束光纤6导引出去的返回光。同时，也可作为光纤激光器输出端的包层光滤除器，有效滤除输出激光包层中的激光和剩余泵浦光，保持高光束质量激光输出。

具体的，上述包层光滤除器4基于以下可选的三种制备工艺制备在传能光纤2上：hf酸腐蚀工艺制备、co2激光器包层表面加工工艺制备、粒子束束能加工工艺制备。其中，在hf酸腐蚀工艺制备的传能光纤包层表面形貌如图3所示，采用这种结构的包层光滤除器4的滤除能力一般不低于12db，耐受包层光功率在百瓦量级。co2激光器包层表面精细加工工艺制备，是利用石英材料对10.6μm的co2激光吸收，破坏包层表面的圆形或对称一致性结构制备而成。粒子束束能精细加工工艺是利用带能量的粒子束冲击石英包层材料表面，利用粒子束能将包层材料中粒子冲击剥离，原子尺寸的逐层分离，加工精度很高，制备外观结构与尺寸精度很高。

上述包层光滤除器4的外侧设有封装结构，可以是石英管封装，也可以是金属壳体封装，用于导光散热，以及保护该段裸露包层的光纤。

以上设计的抗返回光全光纤器件，能够高效地将高功率返回光从传能光纤2的包层中导出。在激光作用高返材料表面时，返回光大部分进入传能光纤2的包层中。以常用的50/400μm双包层光纤为例，纤芯和包层的面积比为1:63，纤芯面积占比仅有1.5％，在实际的应用过程中，还有激光头、qbh、qd等激光光束传输组件的作用，极少一部分返回光会进入纤芯传输。

本发明的抗返回光全光纤器件，对光纤激光器的波长没有特定要求，适用于任意波长的高功率光纤激光器。在1um波段适用，在2um波段同样适用。另外对连续光纤激光和脉冲光纤激光器都适用。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。