一种光纤包层光功率剥离器及其石英套管的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种光纤包层光功率剥离器及其石英套管。所述光纤包层光功率剥离器从内至外依次包括玻璃芯、硅玻璃包层以及石英套管，所述石英套管的表面具有均匀分布的刻蚀点，所述刻蚀点的密度为5个/mm2～50个/mm2，深度为0.05mm～0.15mm，所述玻璃芯、硅玻璃包层以及石英套管的折射率依次递减。该光纤包层光功率剥离器利用表面具有刻蚀点的石英套管作为外包层，简化了光纤包层光功率剥离器的结构，并使其工作温度更加稳定。
【专利说明】
一种光纤包层光功率剥离器及其石英套管
技术领域
[0001 ]本发明属于光电子技术领域，更具体地，涉及一种光纤包层光功率剥离器及其石英套管。【背景技术】
[0002]光纤包层光功率剥离器通常用于光纤激光器或光纤放大器，具有传输和放大信号光的功能;现有技术的光纤包层光功率剥离器通常由光纤、内包层以及外包层组成，三者的折射率依次降低，使得栗浦光能在该光纤包层光功率剥离器中无损失的传播。
[0003]现有技术通常采用光滑的石英套管作为外包层，使得光纤导出的光在其输出端和输入端转化成了热量，使得该部位温度较高，从而需要对光纤包层光功率剥离器额外增加散热装置，以防止热量对光纤包层光功率剥离器工作造成的不利影响，使得该装置的结构较为复杂，如专利文献CN 103606803 A。
【发明内容】
[0004]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种光纤包层光功率剥离器及其石英套管，其目的在于利用表面具有刻蚀点的石英套管作为外包层，简化了光纤包层光功率剥离器的结构，并使其工作温度更加稳定。
[0005]为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种光纤包层光功率剥离器，所述光纤包层光功率剥离器从内至外依次包括玻璃芯、硅玻璃包层以及石英套管，所述石英套管的表面具有均匀分布的刻蚀点，所述刻蚀点的密度为5个/mm2?50个/mm2，深度为 0.05mm~0.15mm〇
[0006]优选地，所述玻璃芯、硅玻璃包层以及石英套管的折射率依次递减。
[0007]优选地，所述玻璃芯的直径为0.2mm?0.6mm，所述硅玻璃包层的厚度为20mi?100 Mi，所述石英套管的厚度为0 ? 2mm?0 ? 5mm。
[0008]作为进一步优选地，所述光纤包层光功率剥离器还包括内包层，所述内包层设置于所述娃玻璃包层以及石英套管之间，所述内包层的厚度为〇.45mm?0.75mm。
[0009]作为更进一步优选地，所述内包层的折射率小于所述石英套管，大于所述硅玻璃包层。[0010 ] 优选地，所述刻蚀点的密度为11个/mm2?25个/mm2。
[0011]按照本发明的另一方面，还提供了一种用于上述光纤包层光功率剥离器的石英套管，所述石英套管的表面具有均匀分布的刻蚀点，所述刻蚀点的密度为5个/mm2?50个/mm2， 深度为 〇 ? 05mm ?0.15mm〇[0〇12 ] 优选地，所述刻蚀点的密度为11个/mm2?25个/mm2。[〇〇13]按照本发明的另一方面，还提供了一种上述石英套管的制备方法，以功率为29.6w ?39 ? 6w，扫描间隔为0 ? 1mm?0 ? 5mm的⑶2激光照射所述石英套管的外表面，获得均勾分布的刻蚀点。
[0014]按照本发明的另一方面，还提供了一种上述石英套管的制备方法，以波长为432nm ?632nm或964nm?1164nm，功率为8kw?100kw，扫描间隔为0.1mm?0.5mm的激光照射所述石英套管的内表面，获得均匀分布的刻蚀点。[〇〇15]本发明具有以下有益效果:
[0016]1、本发明利用表面具有刻蚀点的石英套管包覆于光纤的外周，使得该光纤包层光功率剥离器在无需引入额外散热装置的情况下就能保持温度均匀，从而承受了更高的传输功率；[0〇17]2、在保证散热效果的前提下，亥丨」蚀点的深度设置为0 ? 05mm?0 ? 15mm，以免刻蚀点过深影响光纤包层光功率剥离器的机械强度，所述刻蚀点的密度设置为5个/mm2?50个/ mm2，以免刻蚀点造成光在石英套管的表面的过度散射从而传播效率变低；[〇〇18]3、选用了⑶2激光以及432nm?632nm或964nm?1164nm的激光在石英套管的表面制备刻蚀点，保证了石英套管能够吸收激光而成功制备获得刻蚀点的前提下，又不至于过度吸收激光中的能量而破坏石英套管表面的形貌和机械强度。【附图说明】[0〇19]图la为实施例1光纤包层光功率剥离器不意图；
[0020]图lb为实施例1步骤(1)不意图；
[0021]图lc为实施例1中绿色激光照射石英套管的示意图；
[0022]图1d为实施例1中制备石英套管的示意图；
[0023]图2为实施例2中脉冲C02激光器照射石英套管的示意图；
[0024]图3为对实施例1以及对比例1-3进行测试的示意图；[〇〇25]图4a为实施例1在裸光纤的输出端40mm处获得的图像结果；[〇〇26]图4b为实施例1在裸光纤的输出端40mm处获得的光强结果；[〇〇27]图5a为对比例1在裸光纤的输出端40mm处获得的图像结果；[〇〇28]图5b为对比例1在裸光纤的输出端40mm处获得的光强结果；[〇〇29]图6a为对比例2在裸光纤的输出端40mm处获得的图像结果；[〇〇3〇]图6b为对比例2在裸光纤的输出端40mm处获得的光强结果；
[0031]图7a为对比例3在裸光纤的输出端40_处获得的图像结果；
[0032]图7b为对比例3在裸光纤的输出端40_处获得的光强结果；[〇〇33]图8a为实施例1在裸光纤的侧面40mm处获得的图像结果；[〇〇34]图8b为实施例1在裸光纤的侧面40mm处获得的光强结果；[〇〇35]图9a为对比例2在裸光纤的侧面40mm处获得的图像结果；
[0036]图9b为对比例2在裸光纤的侧面40_处获得的光强结果；[〇〇37]图10a为对比例3在裸光纤的侧面40_处获得的图像结果；
[0038]图10b为对比例3在裸光纤的侧面40_处获得的光强结果；
[0039]在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中:1_带有涂覆层的光纤，2-涂覆层，3-裸光纤，4-石英套管，6-石英套管的内表面，7-石英套管的外表面，9-内包层，10-脉冲C02激光器，11_C02激光，12-脉冲绿光激光器，13-绿色激光。【具体实施方式】
[0040]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0041]本发明提供了一种光纤包层光功率剥离器，所述光纤包层光功率剥离器从内至外依次包括玻璃芯、硅玻璃包层以及石英套管；[〇〇42] 所述玻璃芯的直径为0.2mm?0.6mm，以保证光的传播效率，所述硅玻璃包层的厚度为20wii?lOOwii，所述石英套管的厚度为0.2_?0.5mm，以免过薄导致光在传播时在局部聚集从而使得温度升高从而影响传播效率，同时避免过厚吸收光而造成光的损失，在所述硅玻璃包层以及石英套管之间，还可以设置厚度为0.45mm?0.75mm的内包层，从而进一步保证光的传播无损失；[〇〇43]由于光纤、硅玻璃包层、内包层以及石英套管的折射率需要依次递减，以保证光在光纤包层光功率剥离器中传播时能量损失尽可能的小，因此内包层通常选用对于532nm? 10.6mi的激光的折射率为1.46?1.625的紫外固化胶；
[0044]所述石英套管的内表面或外表面具有均匀分布的刻蚀点，所述刻蚀点的深度为 0.05mm?0.15mm，以免刻蚀过深影响光纤包层光功率剥离器的机械强度，所述刻蚀点的密度为5个/mm2?50个/mm2，并进一步优选为11个/mm2?25个/mm2，以免刻蚀点造成光在石英套管的表面的过度散射从而传播效率变低。
[0045]由于石英材料对波长为10.6wimm的⑶2激光的吸收系数较高，因此C02激光可以用于制备外表面有刻蚀点的石英套管，其具体方法为:以平均功率为29.6w?39.6w，重复频率为3570Hz?4545Hz，扫描速度为lmm/min?4000mm/min，扫描间隔为0 ? 1mm?0 ? 5mm的C〇2激光照射石英套管的外表面；
[0046]如需制备内表面有刻蚀点的石英套管，则需石英套管对该激光的吸收系数较为适中，既能够成功制备获得刻蚀点，又不至于使得石英套管由于吸收过多的能量而破坏其表面形貌和机械强度，因此波长为432nm?632nm的绿色激光可以用于制备内表面有刻蚀点的石英套管，其具体方法为:以平均功率为8kw?lOOkw，重复频率为1Hz?3000Hz，扫描速度为 1点/s?2800点/s，扫描间隔为0.1?0.5mm的激光照射石英套管的内表面。
[0047]激光照射获得的刻蚀点的深度和密度，与C02激光的功率、频率、扫描速度、扫描间隔、石英套管的尺寸以及照射的时间都有关。
[0048]该光纤包层光功率剥离器的制备方法如下:
[0049](1)去除光纤的涂覆层，使其仅剩高折射率的玻璃芯以及低折射率的硅玻璃包层；
[0050](2)将表面有刻蚀点的石英套管嵌套于所述光纤上，并以内包层填充所述石英套管与所述光纤之间的空隙，固化所述内包层，获得光纤包层光功率剥离器；[〇〇51]或将表面有刻蚀点的石英套管嵌套于所述光纤上，1700°C?2100°C加热所述石英套管，该温度使其足以达到熔融态并与硅玻璃包层结合，同时避免表面的刻蚀点被高温破坏，获得所述光纤包层光功率剥离器，因此，该方法更加适用于外表面有刻蚀点的石英套管。
[0052] 实施例1[〇〇53]实施例1的光纤包层光功率剥离器从内至外包括裸光纤3、内包层9以及石英套管 4,所述光纤从内至外包括400wii的高折射率玻璃芯，以及50mi厚的低折射率硅玻璃包层，内包层9的厚度为450mi，为折射率为1.55的紫外固化胶，石英套管4的厚度为300mi，所述石英套管的内表面6具有深度为0.1mm、密度为11个/mm2的刻蚀点，如图la所示。[〇〇54]该光纤包层光功率剥离器的制备过程包括以下步骤:
[0055]1)本实施例选用的光纤材料为柏汉激光技术有限公司提供的光纤1，芯径/包层直径比为400/500M1(即从内至外包括400mi的高折射率玻璃芯，以及50wii厚的低折射率硅玻璃包层)，数值孔径约0.22,带有厚度为650mi的涂覆层2。
[0056]在室温条件下，用打火机将涂覆层2烧至融化，然后用剥线钳将涂覆层表层剥掉， 暴露出裸光纤3,再用无水乙醇沿单向将裸光纤3表面剩余的涂覆层物质擦拭干净，至裸光纤3表面没有深色残留物为止，并将其切割为35_长，如图lb所示。[〇〇57]2)制备石英套管:本实施例选用的石英套管4的外径为2.00mm，内径为1.40mm，长度为30mm。我们用经过调制的脉冲绿光激光器12产生的激光13,其参数为:峰值功率8kw，重复频率3000Hz，扫描速度为2800点/min，扫描间隔为0.2mm，对该石英套管4的内表面6进行毛化处理，如图lc所示。处理过后，使得石英套管4的外表面光滑，内表面6上形成深度为 0 ? 1mm，密度为11个/mm2的刻蚀点，如图1 d所示。
[0058]3)把步骤1)中获得的裸光纤3插入步骤3)所制备的石英套管中，石英套管和裸光纤3之间用在近红外光区的折射率为1.55的N0A紫外固化胶9填充，紫外固化胶填充时注意排出间隙及紫外固化胶本身的气泡，填充完毕用紫外灯照射石英套管3min，使紫外固化胶9 凝固，成为内包层，获得所述光纤包层光功率剥离器。紫外固化胶为N0A86,折射率1.55,25 摄氏度时粘度200?300cps，拉伸极限75%，弹性模量360460psi，硬度75(shore D)。[〇〇59] 实施例2[〇〇6〇]实施例2的光纤包层光功率剥离器从内至外包括裸光纤3、内包层9以及石英套管 4,所述光纤从内至外包括400wii的高折射率玻璃芯，以及50mi厚的低折射率硅玻璃包层，内包层9的厚度为450mi，为折射率为1.55的紫外固化胶，石英套管4的厚度为300mi，所述石英套管的外表面7具有深度为0.1mm、密度为25个/mm2的刻蚀点。
[0061]该光纤包层光功率剥离器的制备过程包括以下步骤:
[0062]1)以所述的相同步骤重复实施例1的步骤1);[〇〇63]2)制备石英套管:本实施例选用的石英套管4的外径为2.00mm，内径为1.40mm，长度为30mm。我们用经过调制的脉冲C02激光器10产生的激光11，其参数为，中心波长为10.9y m，平均功率29.6w?39.4w，重复频率3570?4545Hz，扫描速度为4000mm/min，扫描间隔为 0.2mm，如图2所示。对石英套管的外表面7进行毛化处理，处理过后，石英套管的内表面6光滑，外表面7形成上形成深度为0.1mm，密度为25个/mm2的刻蚀点。
[0064]3)封装:把去掉涂覆层的裸光纤3插入3)所制备的石英套管中，加热石英套管使温度达到1750°C，，熔融态的石英与光纤内表面接触，并与内表面6与光纤2紧密粘贴，加热时注意排出间隙中的气泡。
[0065]4)清洗光纤:用无水乙醇单向擦拭石英套管外表面以及裸光纤3,获得所述光纤包层光功率剥离器。
[0066]实施例3
[0067]实施例3的光纤包层光功率剥离器从内至外包括裸光纤3、内包层9以及石英套管 4,所述光纤的型号为600/720,直径为720mi，内包层9的厚度为20mi，石英套管4的厚度为 200_，所述石英套管的外表面7具有深度为0.05_、密度为50个/mm2的刻蚀点。
[0068]实施例4
[0069]实施例4的光纤包层光功率剥离器从内至外包括裸光纤3、内包层9以及石英套管 4,所述光纤的直径为600/720,直径为720mi，内包层9的厚度为100_，石英套管4的厚度为 500mi，所述石英套管的外表面7具有深度为0.15_、密度为5个/mm2的刻蚀点。
[0070]对比例1[〇〇71] 对比例1选用柏汉激光技术有限公司的芯径/包层直径比为400/500M1的光纤1，数值孔径约0.22,带有橡胶缓冲层和650wii的尼龙涂覆层。实验前将涂覆层和橡胶缓冲层去掉并清理干净，取35mm的裸光纤，并将两个端面用光纤切割刀切割平整。
[0072] 对比例2[〇〇73]在对比例1的裸光纤表面涂覆厚度为650wii，折射率为1.55长度为35mm的紫外固化胶。
[0074] 对比例3[〇〇75]对比例3跟对比例2相同，区别在于，裸长纤和涂覆层的长度都为60mm。实验结果分析
[0076]实验所用的激光光源为北京榜首科技的二极管栗浦固态激光器14,最高输出功率为1.5w，中心波长为532nm，光束发散角1.2mrad、光斑直径1.2mm，可配合VD-1I系列电源连续调节功率。使用风冷散热方式，实验环境温度将保证在18°C?30°C之间。[〇〇77] 我们把激光器14发出的激光15,经过焦距40mm，口径20mm的单片聚焦透镜偏心耦合进实施例1的裸光纤3,然后在裸光纤3的输出端40mm处架设维视图像(Microvis1n)的工业相机MV-1300 MM18，该工业相机连接电脑，对其光强进行测量;该工业相机能够采集最大 1280pixel*1024pixel的黑白图像，帧率可在15?45fps之间调节，兼容标准的C/CS镜头接口，测量时在相机镜头前放置衰减片，如图3所示。其输出图像结果和光强结果如图4所示。 对对比例1-3进行相同的测试，其输出图像结果和光强结果分别如图5、图6以及图7所示。 [〇〇78] 再把工业相机放置到裸光纤3的光纤输出侧面40mm处，获得实施例1、对比例2-3的图像结果和光强结果分别如图8、图9以及图10所示。
[0079]通过对比图4-图7,很容易看到，对比例1-3端面输出的激光，外圈的光环更亮，而实施例1中外圈的光环几乎不可见，证实增加了石英套管的光纤包层光功率剥离器，具有减少在端面的激光聚集的功能。
[0080]通过对比图8、图9以及图10,很容易看到，对比例2和对比例3沿轴向导出光的能量分布并不均匀，如果传输功率提高，热量就会在输入端积累，从而影响光纤包层光功率剥离器的工作效率;而实施例1与对比例2和对比例3相比，沿轴向导出光的能量分布，在均匀性上明显提高了很多，避免了能量在输入端积累这个现象的发生。
[0081]通过上述实验就可以看出，表面具有刻蚀点的石英套管在包层光模式剥离中所起到的作用，无论从包层光剥离的效果(外侧光环变弱)，还是轴向的温度分布(从曲线上来看，明显均匀性好了很多)，都有了明显的改善。
[0082]本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种光纤包层光功率剥离器，其特征在于，从内至外依次包括玻璃芯、硅玻璃包层以 及石英套管，所述石英套管的表面具有均匀分布的刻蚀点，所述刻蚀点的密度为5个/mm2? 50个/mm2，深度为0.05mm?0 ? 15mm。2.如权利要求1所述的光纤包层光功率剥离器，其特征在于，所述玻璃芯、硅玻璃包层 以及石英套管的折射率依次递减。3.如权利要求1所述的光纤包层光功率剥离器，其特征在于，所述玻璃芯的直径为 0.2mm?0.6mm，所述娃玻璃包层的厚度为20mi?10mi，所述石英套管的厚度为0.2mm? 0.5mm〇4.如权利要求3所述的光纤包层光功率剥离器，其特征在于，所述光纤包层光功率剥离 器还包括内包层，所述内包层设置于所述硅玻璃包层以及石英套管之间，所述内包层的厚 度为 0 ? 45mm ?0.75mm。5.如权利要求1所述的光纤包层光功率剥离器，其特征在于，所述刻蚀点的密度为11 个/mm2 ?25 个/mm2 〇6.用于如权利要求1-5中任意一项所述光纤包层光功率剥离器的石英套管，其特征在 于，其表面具有均匀分布的刻蚀点，所述刻蚀点的密度为5个/mm2?50个/mm2，深度为0.05_ ?0?15mm〇7.如权利要求6所述的石英套管，其特征在于，所述刻蚀点的密度为11个/mm2?25个/mm2。8.如权利要求6或7所述的石英套管的制备方法，其特征在于，以功率为29.6w?39.6w， 扫描间隔为〇.1mm?〇.5mm的C〇2激光照射所述石英套管的外表面，获得均勾分布的刻蚀点。9.如权利要求6或7所述的石英套管的制备方法，其特征在于，以波长为432nm?632nm 或964nm?1164nm，功率为8kw?100kw，扫描间隔为0.1mm?0.5mm的激光照射所述石英套管 的内表面，获得均匀分布的刻蚀点。
【文档编号】H01S3/042GK106019476SQ201610552746
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月14日
【发明人】朱晓, 陈永骞, 邱禹力, 朱琛, 王海林, 朱广志, 朱长虹, 齐丽君
【申请人】华中科技大学