专利名称：实现lp01模场直径低损耗变换的光纤模场适配器的制作方法
技术领域：
本发明属于光纤激光器领域；涉及到一种用于不同几何结构光纤之间的LPtll模式模场转换适配器，尤其适用于单模或近单模高功率光纤激光器输出端光纤到大口径输送光纤之间的低损耗模场直径转换。
背景技术：
高功率光纤激光器可广泛应用在金属切割焊接等加工领域。要提高金属加工的速度和效率，激光器输出光必须具有较高的亮度，也即较高的光束质量，理论上当激光器输出单模高斯分布光场时是该激光器具有最高的光束质量(即M2=l)。为获得单模激光，目前，一种相对简单的光纤激光器解决方案是采用较小纤芯直径的掺稀土元素双包层光纤作为增益光纤，同时也采用相应较小的光纤外包层直径以提高泵浦光的包层吸收效率。激光器主体部分中与增益光纤相匹配的被动光纤亦为单模或近单模光纤，并具有相同的包层直径。这种解决方案的优势表现在首先，该类激光器的光纤结构保证了只有基模LPtll才能在光波导中稳定传播并获得增益放大；其次，由于增益光纤外包层直径较小，泵浦吸收效率得到了提高，增益光纤长度也会随之缩短，从而有效降低了激光器的成本；同时，较小的光纤外径赋予光纤较大的柔性，有利于光纤的铺设，弯曲和缠绕，从而大大降低了工程实施的难度。但是，这种单模激光器的结构在实际应用中也面临着诸多挑战，特别是由于纤芯直径较小，随着光纤激光器功率的增加，非线性效应尤其是拉曼效应将严重制约激光器转换效率。为了有效抑制拉曼效应，需要尽量缩短激光器主体结构中被动光纤的长度。实际应用中可以采用具有较大纤芯直径和较小数值孔径的特种光纤作为输送光纤，通过输送光纤将高亮度的激光输送至待加工金属物件。由于输送光纤的末端要与特殊光学组件(比如圆柱形石英晶体)进行连接处理，工艺上通常要求输送光纤的包层直径不能小于300微米。因此，激光器输出端的单模光纤必须与一条具有较大纤芯直径和较大包层直径的输送光纤进行熔接处理。在安装输送光纤到激光器输出端时，通常不能直接将输送光纤与激光器输出端光纤进行简单的熔接操作，这是因为首先，两段光纤中光的LPtll模场直径相差较大，直接对接会由于模场失配而造成较大光功率损耗，模场直径是衡量单模光纤光学特性的一个重要参数，它表征了一个特定波长的光在传播方向横截面上的光场大小，模场直径的大小不仅取决于光纤的物理结构，还和光波导中所传播的光场的波长有关。当光信号传播经过模场直径存在突变的光纤连接处时，模场失配就会导致光场损耗发生，其中损耗大小可由下式进行估算
Γ ΛI /MDFl MDP2\
_5] tes(dB) = 20_ 2 [Jim + J1fh) 其中，MDFl和MDF2分别为连接处两端光纤中各自的模场直径值。由于通常单模激光器输出端光纤与输送光纤的LPtll模场直径存在较大差异，直接将二者进行光纤熔接必然会由于模场失配而造成较大的熔接损耗。其次，两段光纤包层外径不一致会增加光纤熔接操作的难度，在熔接操作时，两段外径相差较大的光纤接受电弧放电而产生的热效应并不一致，高温下熔接区域的物理形变对来自光纤表面张力的影响非常敏感，从而导致相连区域机械形变复杂，这不仅影响到熔接区域的光学性质，而且降低了熔接操作的可重复性，反映在批量生产中导致熔接操作一致性差。基于以上原因，通常在进行输送光纤与单模光纤激光器的连接操作时，必须采用特殊工艺制作一种光纤模场适配器作为连接媒介，实现LPtll模场直径在两种光纤之间低损耗变换，从而有效地将单模激光器产生的高亮度光输送至待加工物件。目前已知的一种解决模场失配光纤间的连接方案是对较小模场直径的光纤采用特殊加热方式(如丙烷焰燃烧器)预先进行长时间加热，从而达到扩散纤芯，增加模场直径的目的。但是该方案无法在工业界广泛应用的电弧放电型熔接机上进行操作，另外长时间高电强度的加热对光纤可能造成永久性损伤。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种新型的全光纤模场适配器，用于对单模或近·单模激光器产生的光场进行低损耗LPtll模场直径变换，从而将高功率光纤激光器的输出光高效率地耦合进大孔径的输送光纤。为了解决上述技术问题，本发明提供一种实现LPtll模场直径低损耗变换的光纤模场适配器，包括光纤激光器的输出端光纤和大孔径输送光纤，光纤激光器为V值小于3. 83的单模或近单模光纤激光器；光纤激光器的输出端光纤由激光器输出端光纤包层和位于激光器输出端光纤包层内的激光器输出端光纤纤芯组成；大孔径输送光纤由大孔径输送光纤包层和位于大孔径输送光纤包层内的大孔径输送光纤纤芯组成；激光器输出端光纤纤芯中传播的LPtll模场直径小于大孔径输送光纤纤芯中传播的LPtll模场直经；光纤模场适配器还包括热膨胀芯光纤，所述热膨胀芯光纤由热膨胀芯光纤包层和位于热膨胀芯光纤包层内的热膨胀芯光纤纤芯组成；大孔径输送光纤的端部经拉锥处理，自然形成与大孔径输送光纤依次相连的锥形区域和拉锥后小孔径区域；锥形区域由锥形包层和位于锥形包层内的锥形输送光纤纤芯组成，拉锥后小孔径区域由拉锥后小孔径包层和位于拉锥后小孔径包层内的拉锥后小孔径输送光纤纤芯组成；热膨胀芯光纤的两端通过电弧放电分别与光纤激光器的输出端光纤和拉锥后小孔径区域熔接。作为本发明的实现LPtll模场直径低损耗变换的光纤模场适配器的改进熔接后与激光器输出端光纤纤芯相连的热膨胀芯光纤纤芯的端部称为熔接后热膨胀芯光纤纤芯小端部；熔接后与拉锥后小孔径输送光纤纤芯相连的热膨胀芯光纤纤芯的端部称为熔接后热膨胀芯光纤纤芯大端部；热膨胀芯光纤纤芯传播的LPtll初始模场直径介于激光器输出端光纤纤芯中传播的LPtll模场直径大小的90%到97%之间；
熔接后热膨胀芯光纤纤芯小端部中传播的LPtll模式模场直径是激光器输出端光纤纤芯中传播的LPtll模式模场直径的98% 102%，熔接后热膨胀芯光纤纤芯大端部中传播的LPtll模式模场直径是拉锥后小孔径输送光纤纤芯中传播的LPtll模式模场直径的98% 102%。本发明还同时提供了上述实现LPtll模场直径低损耗变换的光纤模场适配器的制备方法，包括如下步骤I)、制备热膨胀芯光纤热膨胀芯光纤波导结构的设计应满足以下要求首先，包层外径应与光纤激光器的输出端光纤的包层外径一致；
其次，原始状态下热膨胀芯光纤中LPtll模场直径应小于光纤激光器的输出端光纤中的模场直径，并应留有大于5%的膨胀余量；同时为避免光场进入热膨胀芯光纤之后出现明显的颈状细化现象，热膨胀芯光纤纤芯传播的LPtll初始模场直径介于激光器输出端光纤纤芯(12)中传播的LPtll模场直径大小的90%到97%之间；第三，在保证所设计的热膨胀芯光纤能切仅能支持一个轴对称模即LP 01模稳定传播的前提下(V值小于3. 83)，通过掺杂尽量提高纤芯与包层的折射率差值Λη，以此来提高所设计光纤的热膨胀能力；热膨胀芯光纤包层外径=激光器输出端光纤包层的外径；热膨胀芯光纤纤芯的设计要满足以下两个定量条件和一个定性条件第一定量条件，初始模场直径与激光器输出端光纤相比，比值要介于90%到97%之间；第二定量条件，V值小于3. 83 ； 定性条件为Λ η要彡O. 002 ;2)、将大孔径输送光纤的端部经拉锥处理自然形成与大孔径输送光纤依次相连的锥形区域和拉锥后小孔径区域；拉锥后小孔径包层的外径=激光器输出端光纤包层的外径；拉锥后小孔径输送光纤纤芯的直径=激光器输出端光纤纤芯的直径；3)、熔接熔接后热膨胀芯光纤纤芯小端部中传播的LPtll模式模场直径是激光器输出端光纤纤芯中传播的LPtll模式模场直径的98% 102%，熔接后热膨胀芯光纤纤芯大端部中传播的LPtll模式模场直径是拉锥后小孔径输送光纤纤芯中传播的LPtll模式模场直径的98% 102%。S卩，要求熔接后的激光器输出端光纤纤芯中传播的LPtll模式模场直径比熔接后热膨胀芯光纤纤芯小端部中传播的LPtll模式模场直径差别小于±2%，拉锥后小孔径输送光纤纤芯中传播的LPtll模式模场直径与熔接后热膨胀芯光纤纤芯大端部中传播的LPtll模式模场直径差别小于±2%。作为本发明的实现LPtll模场直径低损耗变换的光纤模场适配器的制备方法的改进按照上述方法制备而得的热膨芯光纤纤芯的受热时，LPtll模式模场直径增加速度显著高于另外两种光纤(即，光纤激光器的输出端光纤和大孔径输送光纤)中LPtll模式模场直径的变化。
作为本发明的实现LPtll模场直径低损耗变换的光纤模场适配器的制备方法的进一步改进大孔径输送光纤包层的外径> 300微米,且大孔径输送光纤包层的外径>热膨胀芯光纤包层的外径。在本发明的制备方法中步骤3)的熔接为在进行光纤熔接操作中，熔接机参数设定需要针对各自光纤组合进行优化，具体操作工艺如下首先选取一个中心波长接近工作波长(如1.08um)的宽带光源(例如SLED光源)耦合进待熔接光纤1，将待熔接光纤2的出光端面进行平切割(切割角度应小于O. 5)，剥离涂敷层并进行包层模去除处理后将切割端面导入光功率计；在电弧放电熔接的过程中实时监测经纤芯传输的功率；根据所记录的功率-时间曲线对电弧放电时间以及电弧强度等参数进行调整直至经过熔接点的传输功率最大化。步骤I)的制备热膨胀芯光纤，在石英纤芯原料中加入以下铝(Al)和 磷(P)作为掺入料(目的是增强受热时扩散效应)，然后按照改进型化学气相沉积法(MCVD)，垂直轴相沉积法(VAD)，直接纳米离子沉积法(DND)等公知的方法制备。以MCVD方法为例，依次进行以下步骤(其中①-③为预制棒的生长制作步骤)①、以氢氧焰作为热源，用于加热沿轴相旋转的起始石英管；②、首先进行预制棒的生长，通入SiCl4与O2的混合反应气体(SiCl4与O2的体积比为I :1)，在石英管内壁沉积纯的SiO2组成光纤的包层，使SiO2达到设计的包层厚度；例如(在实施例I中)包层部分区域厚度与掺杂区域厚度比满足238 12 ；③、导入掺杂气体进行掺杂形成高折射率的纤芯，掺杂组分与浓度分别为9mole%的Al和6mole°/c^^P，从而使Λ η满足设计要求，所述Λ η为纤芯与包层折射率的差值；得预制棒；热膨胀芯光纤波导结构的设计应满足的要求同上；掺杂浓度的控制遵循以下两个原则第一，ImoIe%的Al可贡献O. 001的Δ η增加；第二, Al与P共掺时，ImoIe%的P可抵消lmole%Al对Δ η增加的贡献；通过掺入9mole%的Al和6mole%的P,我们可最终实现纤芯折射率增加O. 003 (B卩，使Λη为O. 003)；④、将预制棒送给进高温炉拉制成光纤，得热膨胀芯光纤(为折射率分布截面为节跃型分布的热膨胀芯光纤);热膨胀芯光纤包层(21)外径=激光器输出端光纤包层(11)的外径。本发明基于光纤拉锥与热膨胀芯光纤技术，即对输送光纤进行拉锥处理从而通过改变光纤物理结构来实现光学性质的改变，同时采用热膨胀芯光纤作为桥梁，实现输出光LP01模式在两种光纤之间模场直径的吻合。光纤之间的物理连接可通过光纤电弧放电熔接操作来实现，为降低熔接操作中的不确定因素，输送光纤拉锥端外径应与热膨胀芯光纤外径一致。该发明的优点是首先，热膨胀芯技术的采用大大降低了改变光纤折射率分布的难度。目前现有的加热改变光纤折射率的技术多注重于对加热手段的改进，通常采用对光纤进行长时间高温加热来达到改变模场分布的目的，在实施过程中，该方法存在许多不足之处，比如折射率改变速率太慢，而且长时间对光纤进行高温处理会导致光纤结构损伤，强度降低等情况发生。而热膨胀芯光纤技术则是对光纤结构进行改造，在特种光纤制造过程中，在纤芯部分掺入铝或磷元素，以增加掺杂区域的折射率。铝掺杂元素在受热条件下易于快速向相邻的低掺杂浓度区域扩散。当通过电弧放电等方式对光纤进行加热时，由于掺杂浓度梯度的存在，纤芯中所含的掺杂元素会迅速向相邻的包层部分扩散，导致被扩散区域折射率增加，扩散源区域折射率下降，因此通过对掺杂浓度的控制，光纤折射率分布在一定程度上随着温度变化而具有了可调制性。在本发明中，我们采用热膨胀芯光纤作为媒介，相对简单的实现了该媒介光纤两端LPtll模式模场直径的变化。通过在两端熔接过程中精确控制折射率分布的变化，从而相对简单地实现了媒介光纤两端LPtll模场直径的适配，达到了熔接损耗最优化的目的。综上所述，在发明中引入一种纤芯比较容易扩散的特种光纤(热膨胀芯光纤)作为媒介，同时采用拉锥方案减小输送光纤的LPtll模场直径，并将二者结合起来制作一种实现LP0I模场直径低损耗变换的光纤模场适配器。
下面结合附图对本发明的具体实施方式
作进一步详细说明。 图I为本发明一个实施例的结构示意图。图2A为图I中光激光器的输出端光纤10的折射率分布图；图2B为图I中热膨胀芯光纤20未受热时的折射率分布图；图2C为图I中大孔径输送光纤30的折射率分布图；图2D为上述三段光纤中LPtll模式的模场分布；图3为实施例中输送光纤拉锥时LPtll模场直径与外包层直径的对应关系；图4A为实施例中热膨胀芯光纤折射率分布的变化示意图；图4B-C分别为实施例I中热膨胀芯光纤两端LPtll模场的匹配。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例方案对本发明进行进一步的详细描述。图I给出了一种实现LPtll模场直径低损耗变换的光纤模场适配器，包括光纤激光器的输出端光纤10和大孔径输送光纤30，光纤激光器为单模或近单模光纤激光器(V值均小于3. 83)；光纤激光器的输出端光纤10由激光器输出端光纤包层11和位于激光器输出端光纤包层11内的激光器输出端光纤纤芯12组成。大孔径输送光纤30由大孔径输送光纤包层35和位于大孔径输送光纤包层35内的大孔径输送光纤纤芯36组成。光纤模场适配器还包括热膨胀芯光纤20,热膨胀芯光纤20由热膨胀芯光纤包层21和位于热膨胀芯光纤包层21内的热膨胀芯光纤纤芯22组成。大孔径输送光纤30经拉锥处理，自然形成与大孔径输送光纤30依次相连的锥形区域40和拉锥后小孔径区域50 ;锥形区域40由锥形包层33和位于锥形包层33内的锥形输送光纤纤芯34组成，拉锥后小孔径区域50由拉锥后小孔径包层31和位于拉锥后小孔径包层31内的拉锥后小孔径输送光纤纤芯32组成；大孔径输送光纤包层35、锥形包层33和拉锥后小孔径包层31依次相连，大孔径输送光纤纤芯36、锥形输送光纤纤芯34和拉锥后小孔径输送光纤纤芯32依次相连；
热膨胀芯光纤20的两端通过电弧放电分别与光纤激光器的输出端光纤10和拉锥后小孔径区域50熔接；熔接后与激光器输出端光纤纤芯12相连的热膨胀芯光纤纤芯22的端部称为熔接后热膨胀芯光纤纤芯小端部23 ;熔接后与拉锥后小孔径输送光纤纤芯32相连的热膨胀芯光纤纤芯22的端部称为熔接后热膨胀芯光纤纤芯大端部24 ；热膨胀芯光纤纤芯22传播的LPtll初始模场直径介于激光器输出端光纤纤芯12中传播的LPtll模场直径大小的90%到95%之间；熔接后热膨胀芯光纤纤芯小端部23中传播的LPtll模式模场直径是激光器输出端光纤纤芯12中传播的LPtll模式模场直径的98% 102%，熔接后热膨胀芯光纤纤芯大端部24中传播的LPtll模式模场直径是拉锥后小孔径 输送光纤纤芯32中传播的LPtll模式模场直径的98% 102%。备注说明热膨胀芯光纤纤芯22在经熔接处理时被加热部分(即热膨胀芯光纤纤芯22的两个端部一熔接后热膨胀芯光纤纤芯小端部23和熔接后热膨胀芯光纤纤芯大端部24)的结构会发生改变。实施例I、一种实现LPtll模场直径低损耗变换的光纤模场适配器的制备方法在本例中，原始提供的光纤激光器的输出端光纤10和大孔径输送光纤30的各项性能参数如下(一)、激光器输出端光纤包层11的直径(外径)为250Mm,激光器输出端光纤纤芯12的直径为12. 5Mm，数值孔径NA为O. 08 (由于neladding为I. 458，因此Λ η为O. 0022)。激光器输出端光纤纤芯12的V值为2. 91，其中传播的I. 08um的光场的基模LPtll模场直径(MFD)为12. 25um。其中，数值孔径NA，V值，和MFD可分别通过下列公式描述
权利要求
1.实现LPtll模场直径低损耗变换的光纤模场适配器,包括光纤激光器的输出端光纤(10)和大孔径输送光纤(30)，所述光纤激光器为V值小于3. 83的单模或近单模光纤激光器； 光纤激光器的输出端光纤(10)由激光器输出端光纤包层(11)和位于激光器输出端光纤包层(11)内的激光器输出端光纤纤芯(12)组成； 大孔径输送光纤(30)由大孔径输送光纤包层(35)和位于大孔径输送光纤包层(35)内的大孔径输送光纤纤芯(36)组成； 激光器输出端光纤纤芯(12)中传播的LPtll模场直径小于大孔径输送光纤纤芯(36)中传播的LPtll模场直经； 其特征是 所述光纤模场适配器还包括热膨胀芯光纤(20)，所述热膨胀芯光纤(20)由热膨胀芯光纤包层(21)和位于热膨胀芯光纤包层(21)内的热膨胀芯光纤纤芯(22)组成； 大孔径输送光纤(30)的端部经拉锥处理，自然形成与大孔径输送光纤(30)依次相连的锥形区域(40)和拉锥后小孔径区域(50);所述锥形区域(40)由锥形包层(33)和位于锥形包层(33)内的锥形输送光纤纤芯(34)组成，所述拉锥后小孔径区域(50)由拉锥后小孔径包层(31)和位于拉锥后小孔径包层(31)内的拉锥后小孔径输送光纤纤芯(32)组成；热膨胀芯光纤(20)的两端通过电弧放电分别与光纤激光器的输出端光纤(10)和拉锥后小孔径区域(50)熔接。
2.根据权利要求I所述的实现LPtll模场直径低损耗变换的光纤模场适配器，其特征是 熔接后与激光器输出端光纤纤芯(12)相连的热膨胀芯光纤纤芯(22)的端部称为熔接后热膨胀芯光纤纤芯小端部(23);熔接后与拉锥后小孔径输送光纤纤芯(32)相连的热膨胀芯光纤纤芯(22)的端部称为熔接后热膨胀芯光纤纤芯大端部(24)； 所述热膨胀芯光纤纤芯(22)传播的LPtll初始模场直径介于激光器输出端光纤纤芯(12)中传播的LPtll模场直径大小的90%到97%之间； 熔接后热膨胀芯光纤纤芯小端部(23)中传播的LPtll模式模场直径是激光器输出端光纤纤芯(12)中传播的LPtll模式模场直径的98% 102%, 熔接后热膨胀芯光纤纤芯大端部(24)中传播的LPtll模式模场直径是拉锥后小孔径输送光纤纤芯(32)中传播的LPtll模式模场直径的98% 102%。
3.如权利要求I或2的实现LPtll模场直径低损耗变换的光纤模场适配器的制备方法，其特征是包括如下步骤 I)、制备热膨胀芯光纤(20) 热膨胀芯光纤(20)波导结构的设计应满足以下要求 首先，包层外径应与光纤激光器的输出端光纤(10)的包层外径一致； 其次，原始状态下热膨胀芯光纤(20)中LPtll模场直径应小于光纤激光器的输出端光纤(10)中的模场直径，并应留有大于5%的膨胀余量；同时为避免光场进入热膨胀芯光纤(20)之后出现明显的颈状细化现象，所述热膨胀芯光纤纤芯(22)传播的LPtll初始模场直径介于激光器输出端光纤纤芯(12)中传播的LPtll模场直径大小的90%到97%之间； 第三，在保证所设计的热膨胀芯光纤(20)能切仅能支持一个轴对称模即LPtll模稳定传播的前提下(V值小于3. 83)，通过掺杂尽量提高纤芯与包层的折射率差值Λ η,以此来提高所设计光纤的热膨胀能力； 热膨胀芯光纤包层(21)外径=激光器输出端光纤包层(11)的外径； 热膨胀芯光纤纤芯(22)的设计要满足以下两个定量条件和一个定性条件 第一定量条件，初始模场直径与激光器输出端光纤相比，比值要介于90%到97%之间； 第二定量条件，V值小于3. 83 ； 定性条件为An要彡0.002 ; 2)、将大孔径输送光纤(30)的端部经拉锥处理 自然形成与大孔径输送光纤(30)依次相连的锥形区域(40)和拉锥后小孔径区域(50);拉锥后小孔径包层(31)的外径=激光器输出端光纤包层(11)的外径； 3)、熔接 熔接后热膨胀芯光纤纤芯小端部(23)中传播的LPtll模式模场直径是激光器输出端光纤纤芯(12)中传播的LPtll模式模场直径的98% 102%, 熔接后热膨胀芯光纤纤芯大端部(24)中传播的LPtll模式模场直径是拉锥后小孔径输送光纤纤芯(32)中传播的LPtll模式模场直径的98% 102%。
4.根据权利要求3所述的实现LPtll模场直径低损耗变换的光纤模场适配器的制备方法，其特征是按照上述方法制备而得的热膨芯光纤纤芯(22)的受热时，LPtll模式模场直径增加速度显著高于另外两种光纤中LPtll模式模场直径的变化。
5.根据权利要求4所述的实现LPtll模场直径低损耗变换的光纤模场适配器的制备方法，其特征是大孔径输送光纤包层(35)的外径> 300微米，且所述大孔径输送光纤包层(35)的外径>热膨胀芯光纤包层(21)的外径。
全文摘要
本发明公开了一种实现LP01模场直径低损耗变换的光纤模场适配器，包括光纤激光器的输出端光纤(10)、大孔径输送光纤(30)和热膨胀芯光纤(20)，光纤激光器为V值小于3.83的单模或近单模光纤激光器；热膨胀芯光纤(20)由热膨胀芯光纤包层(21)和位于热膨胀芯光纤包层(21)内的热膨胀芯光纤纤芯(22)组成；大孔径输送光纤(30)的端部经拉锥处理，自然形成与大孔径输送光纤(30)依次相连的锥形区域(40)和拉锥后小孔径区域(50)；热膨胀芯光纤(20)的两端通过电弧放电分别与光纤激光器的输出端光纤(10)和拉锥后小孔径区域(50)熔接。本发明还同时公开了上述光纤模场适配器的制备方法。
文档编号G02B6/255GK102866462SQ20121032045
公开日2013年1月9日 申请日期2012年8月31日 优先权日2012年8月31日
发明者董浩 申请人:董浩