专利名称：高功率光纤准直器及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种光纤准直器及其制造方法，具体涉及一种可以承载高功率 激光输入输出的光纤准直器及其制造方法。
背景技术：
近几年来，在1064nm波段附近实现单模光纤输出激光的高功率光纤激光器 已在光通信、材料加工、医学、信息存储、激光印刷、监测以及激光光谱等领 域得到迅速的应用。随着激光输出功率的不断提高，光路中必须应用高功率光 纤准直器来实现高功率激光的聚焦或输出。传统的光纤通信系统中应用的光纤 准直器都为低功率器件，其承载功率通常在500mW以下，且其应用波段多为 1310nm和1550nm附近的通信窗口，这类光纤准直器不能应用在1064nm激光输出 系统中。而现有的1064nm光纤准直器采用的单模光纤芯径为6.2um左右，光纤准 直器所能承载的激光功率受光纤纤芯在表面膜层处激光损伤阈值的限制。
中国专利申请02154783. 1，"高功率光纤耦合"，提出的在单模光纤出射端 熔接一段无包层玻璃光纤的方法，并采用自聚焦透镜实现准直输出。该专利的 实现方案存在如下缺点
1) 单模光纤的芯层材料为石英材料，其软化温度在175(TC左右，而玻璃光 纤在100(TC就会被软化，它们之间的熔接不容易实现；
2) 自聚焦透镜是由多种材料组成，其折射率沿径向呈梯度变化，高功率激 光入射，更易产生自聚焦现象，这种现象会使局部区域的光束温度增加几个数 量级，限制了激光输出的峰值功率；
3) 自聚焦透镜材料中通常含有铂夹杂物，这些夹杂物会吸收光能而被加热， 随着吸收热量的增多，夹杂物将会被汽化，导致透镜开裂。
发明内容
本发明的目的在于提出了一种可以承载高功率激光输入输出的光纤准直器及其制造方法，可以应用在1064nm波段附近的高功率光纤隔离器和高功率光纤 激光器中。
本发明的技术解决方案是
一种高功率光纤准直器，包括从内到外层层相套的毛细管102，玻璃管105 以及铜套管107，所述毛细管102与玻璃管105以及玻璃管105与铜套管107均 通过环氧胶A106粘接，
其特殊之处在于
还包括双包层光纤101，所述双包层光纤101固定于毛细管102中，并通过 环氧胶B103粘接，所述环氧胶B103的折射率低于内包层光纤101的折射率， 这样可以有效减少光纤在毛细管102中传输的漏光现象，提高传输效率；
所述固定于一起的双包层光纤101和毛细管102具有一个研磨抛光的出射端 面108，所述出射端面108出射处还设置有耦合透镜104，所述固定于一起的双包 层光纤IOI、毛细管102、出射端面108以及耦合透镜104均位于玻璃管105内，所 述耦合透镜104与玻璃管105通过环氧胶A106粘接。其中环氧胶A106与环氧胶 B103可以采用353ND胶或者其它类似性能的胶。
上述双包层光纤101芯层直径为15 30um，内包层直径为130 400um，涂 覆层直径为250um 550um。
上述出射端面108镀制有耐高功率减反射膜。
上述出射端面108为平端面或斜端面；当其为斜端面时，斜角为2 10度， 可以减少出射光的回波损耗。。
上述毛细管102为石英玻璃毛细管或硼酸盐玻璃毛细管。
上述耦合透镜104两边镀制有耐高功率减反射膜。
上述玻璃管105为石英玻璃管或硼酸盐玻璃管。
上述铜套管107表面为镀金表面，这样便于和其它部件的焊接封装。
一种制造高功率光纤准直器的方法，其特殊之处在于，该制造方法包括以
下步骤
1)除去双包层光纤101—端的部分表面涂覆层，并用酒精清洁干净备用；
62) 选定与所用双包层光纤101直径匹配的毛细管102，把毛细管102经过超 声波清洗干净，置于固定夹具中，固定夹具保持恒定温度70 11(TC;
3) 在毛细管102喇叭口处点上适量环氧胶B103，环氧胶B103快速融化，立 即把双包层光纤101剥完涂覆层的部分插入到毛细管102的内孔里并露出一部分 到毛细管102的无喇叭口的端面之外，几分钟之后，双包层光纤101固定于毛细 管102之中；
4) 把固定在一起的双包层光纤101与毛细管102从固定夹具中取出，除去毛 细管102的无喇叭口的端面之外多余的双包层光纤101，进行研磨、抛光；
5) 把玻璃管105再置于固定夹具中，固定夹具保持恒定温度70 11(TC，把 耦合透镜104插入玻璃管105的一端中，点上适量环氧胶A106，该环氧胶在3分钟 之内固化。
6) 把带双包层光纤101的毛细管102插入玻璃管另一端，尾纤接上功率大于 20W的光源，在温度70 11(TC下调节毛细管102和耦合透镜104的相对位置和相 对角度，待毛细管102和耦合透镜104的相对位置和相对角度调节好后，在毛细 管102与玻璃管105的缝隙处点上适量环氧胶，环氧胶在几分钟之内由融化到固 化；
7) 带尾纤的毛细管102和耦合透镜104通过玻璃管105固定后，从固定夹具 中取出，再插入置于温度为70 11(TC的夹具中的铜套管107内，在铜套管107内 侧点上适量环氧胶A106，该环氧胶在3分钟之内固化后，再置于温度为70 110 'C的烤箱中烘烤2小时，得该高功率光纤准直器。
上述各步骤中恒定温度70 11(TC通过加热装置和传感器实现，即用传感器 读取温度数据，如果温度低于70 11(TC的范围用加热装置加热升温，如果温度 高于70 11(TC的范围关闭加热装置降温。
在上述步骤6)中，在毛细管102与玻璃管105的缝隙处点上适量环氧胶之前 还包括一检测步骤，该检测步骤具体为在耦合透镜104的另一侧放置标准光纤准 直器和功率计，来检测所制造的光纤准直器的插入损耗、工作距离和可承载峰 值功率的参数；当这些参数符合要求时，再进行在毛细管102与玻璃管105的缝隙处点上适量环氧胶的步骤。 本发明的优点在于
1) 采用双包层光纤实现单模输入输出，可以大大提高光纤的承载峰值功率，
该双包层光纤比传统芯径为6. 2um的单模光纤承载的功率密度提高了6 23倍。
2) 采用一种折射率略低于内包层折射率的环氧胶固定裸纤于毛细管中，可 以有效减少光纤在毛细管中传输的漏光现象，提高传输效率。
3) 采用高温加热固化方法，只采用一种环氧胶，工艺过程简单有序，大大 减少了制造时间。传统的采用环氧胶固化的方法复杂、工艺流程多、制造时间 长，比如光纤和毛细管之间的固定、耦合透镜和玻璃管之间的固定、带尾纤的 毛细管和玻璃管之间的固定、玻璃管和铜套管之间的固定，都是先点上适量环 氧胶，然后再点紫外固化胶，紫外固化胶用紫外光源照射固化后，再把光纤和 毛细管、耦合透镜和玻璃管、带尾纤的毛细管和玻璃管、玻璃管和铜套管，分 别拿到烤箱中烘烤2小时左右，这样往复循环的烘烤，不仅会影响产品的性能参 数，而且极大的消耗了产品制造时间。
4) 采用高温下测试封装的方法，可以使高功率光纤准直器的性能参数优化 在高温，这与高功率光纤准直器的使用环境一致。因为高功率光纤准直器应用 在高功率激光传输系统中，在入射出射界面会产生一定的高温，这样高温下性 能参数得到有效保证的光纤准直器在使用时其性能参数会更可靠。
5) 采用高温下及时封装的方法，可以在封装过程中对带尾纤的毛细管进行 微调，可以使高功率光纤准直器的性能参数达到最佳。因为用环氧胶加热固化 几分钟后，其性能参数可以稳定下来，再烘烤2小时，只是除去环氧胶中的微量 水分，增加产品的可靠性和使用寿命，对其光学性能参数几乎没有影响。环氧 胶在前几分钟内固化产生的应力释放导致粘接物位置的微移，是使得产品在烘 烤后性能参数发生变化的主要原因，而传统的采用紫外固化胶先固定，再烘烤 环氧胶的方法，不能在烘烤的前几分钟内对粘接物的位置进行微调，使得烘烤 后产品的性能参数发生恶化而无法再进行修正。
8图l是本发明结构示意图。
附图标号说明101—双包层光纤；102—毛细管；103—环氧胶B; 104—
耦合透镜；105—玻璃管；106—环氧胶A; 107—铜套管；108—出射端面。
具体实施例方式
参见图l， 一种高功率光纤准直器，包括一种芯径为15um、内包层为130um、 涂覆层为250um的双包层光纤101，与双包层光纤101匹配的毛细管102，环氧胶 B103，耦合透镜104，玻璃管105，种环氧胶A106，铜套管107，双包层光纤101 和毛细管102之间通过环氧胶B103粘接，耦合透镜104和玻璃管105之间、毛细管 102和玻璃管105之间、玻璃管105和铜套管107之间都是通过环氧胶A106粘接。
其中双包层光纤101可以是芯径为20um、内包层为400um以及涂覆层为550um 的双包层光纤，可以是芯径为30um、内包层为250um以及涂覆层为400um的双包 层光纤，还可以是芯径为30um、内包层为400um、涂覆层为550um的双包层光纤。
一种制造上述高功率光纤准直器的方法，包括以下步骤
1) 除去双包层光纤101—端的部分表面涂覆层，并用酒精清洁干净备用；
2) 选定与所用双包层光纤101直径匹配的毛细管102，把毛细管102经过超 声波清洗干净，置于固定夹具中，固定夹具保持恒定温度70 11(TC;
3) 在毛细管102喇叭口处点上适量环氧胶B103，环氧胶B103快速融化，立 即把双包层光纤101剥完涂覆层的部分插入到毛细管102的内孔里并露出一部分 到毛细管102的无喇叭口的端面之外，3分钟之内环氧胶B103固化，双包层光纤 101固定于毛细管102之中；
4) 把固定在一起的双包层光纤101与毛细管102从固定夹具中取出，除去毛 细管102的无喇叭口的端面之外多余的双包层光纤101，进行研磨、抛光；
5) 把玻璃管105再置于固定夹具中，固定夹具保持恒定温度70 11(TC，把 耦合透镜104插入玻璃管105的一端中，点上适量环氧胶A106，该环氧胶A106在3 分钟之内固化。
6) 把带双包层光纤101的毛细管102插入玻璃管105另一端，尾纤接上功率 大于20W的光源，在温度70 110。C下调节毛细管102和耦合透镜104的相对位置和相对角度，待毛细管102和耦合透镜104的相对位置和相对角度调节好后，在 耦合透镜104的另一侧放置标准光纤准直器和功率计，来检测所制造的光纤准直 器的插入损耗、工作距离和可承载峰值功率的参数；当这些参数符合要求时， 在毛细管102与玻璃管105的缝隙处点上适量环氧胶A106，该环氧胶A106在3分钟 之内由融化到固化；
7)带尾纤的毛细管102和耦合透镜104通过玻璃管105固定后，从固定夹具 中取出，再插入置于温度为70 110'C的夹具中的铜套管107内，在铜套管107内 侧点上适量环氧胶A106，该环氧胶A106在3分钟之内固化后，再置于温度为70 11(TC的烤箱中烘烤2小时，得该高功率光纤准直器。
各步骤中恒定温度70 11CTC通过加热装置和传感器实现，即用传感器读取 温度数据，如果温度低于70 11(TC的范围用加热装置加热升温，如果温度高于 70 11(TC的范围关闭加热装置降温。
权利要求
1.一种高功率光纤准直器，包括从内到外层层相套的毛细管(102)，玻璃管(105)以及铜套管(107)，所述毛细管(102)与玻璃管(105)以及玻璃管(105)与铜套管(107)均通过环氧胶A(106)粘接，其特征在于还包括双包层光纤(101)，所述双包层光纤(101)固定于毛细管(102)中，并通过环氧胶B(103)粘接，所述环氧胶B(103)的折射率低于内包层光纤(101)的折射率；所述固定于一起的双包层光纤(101)和毛细管(102)具有一个研磨抛光的出射端面(108)，所述出射端面(108)出射处还设置有耦合透镜(104)，所述固定于一起的双包层光纤(101)、毛细管(102)、出射端面(108)以及耦合透镜(104)均位于玻璃管(105)内，所述耦合透镜(104)与玻璃管(105)通过环氧胶A(106)粘接。
2. 根据权利要求1所述高功率光纤准直器，其特征在于所述双包层光纤 (101)芯层直径为15 30um，内包层直径为130 400um，涂覆层直径为250um 550um。
3. 根据权利要求1所述高功率光纤准直器，其特征在于:所述出射端面(108)镀制有耐高功率减反射膜。
4. 根据权利要求1 3任一所述高功率光纤准直器，其特征在于所述出射 端面(108)为平端面或斜端面；当其为斜端面时，斜角为2 10度。
5. 根据权利要求4所述高功率光纤准直器，其特征在于所述毛细管(102)为石英玻璃毛细管或硼酸盐玻璃毛细管。
6. 根据权利要求5所述高功率光纤准直器，其特征在于:所述耦合透镜(104)两边镀制有耐高功率减反射膜。
7. 根据权利要求6所述高功率光纤准直器，其特征在于所述玻璃管(105)为石英玻璃管或硼酸盐玻璃管。
8. 根据权利要求7所述高功率光纤准直器，其特征在于所述铜套管(107)表面为镀金表面。
9. 一种制造权利要求l所述高功率光纤准直器的方法，其特征在于，该制造 方法包括以下步骤1) 除去双包层光纤(101) —端的部分表面涂覆层，并用酒精清洁干净备用；2) 选定与所用双包层光纤(101)直径匹配的毛细管(102)，把毛细管(102) 经过超声波清洗干净，置于固定夹具中，固定夹具保持恒定温度70 11(TC;3) 在毛细管(102)喇叭口处点上适量环氧胶B (103)，环氧胶B (103)快 速融化，立即把双包层光纤(101)剥完涂覆层的部分插入到毛细管(102)的 内孔里并露出一部分到毛细管(102)的无喇叭口的端面之外，3分钟之内环氧 胶B (103)固化，双包层光纤(101)固定于毛细管(102)之中；4) 把固定在一起的双包层光纤(101)与毛细管(102)从固定夹具中取出， 除去毛细管(102)的无喇叭口的端面之外多余的双包层光纤(101)，进行研磨、 抛光；5) 把玻璃管(105)再置于固定夹具中，固定夹具保持恒定温度70 110。C， 把耦合透镜(104)插入玻璃管(105)的一端中，点上适量环氧胶A (106)，该 环氧胶在3分钟之内固化。6) 把带双包层光纤(101)的毛细管(102)插入玻璃管(105)另一端， 尾纤接上功率大于20W的光源，在温度70 11(TC下调节毛细管(102)和耦合透 镜(104)的相对位置和相对角度，待毛细管(102)和耦合透镜(104)的相对 位置和相对角度调节好后，在毛细管(102)与玻璃管(105)的缝隙处点上适 量环氧胶A (106)，该环氧胶A (106)在3分钟之内由融化到固化；7) 带尾纤的毛细管(102)和耦合透镜(104)通过玻璃管(105)固定后， 从固定夹具中取出，再插入置于温度为70 11(TC的夹具中的铜套管(107)内， 在铜套管(107)内侧点上适量环氧胶A (106)，该环氧胶A (106)在3分钟之内 固化后，再置于温度为70 11(TC的烤箱中烘烤2小时，得该高功率光纤准直器。
10. 根据权利要求9所述制造高功率光纤准直器的方法，其特征在于在所述步骤6)中，在毛细管(102)与玻璃管(105)的缝隙处点上适量环氧胶之前还包括一检测步骤，该检测步骤具体为在耦合透镜(104)的另一侧放置标准光纤准直器和功率计，来检测所制造的光纤准直器的插入损耗、工作距离和可承载峰值功率的参数；当这些参数符合要求时，再进行在毛细管(102)与玻璃管(105)的缝隙处点上适量环氧胶A (106)的步骤。
全文摘要
一种高功率光纤准直器及其制造方法，包括从内到外层层相套的毛细管，玻璃管以及铜套管，毛细管与玻璃管以及玻璃管与铜套管均通过环氧胶A粘接，还包括双包层光纤，双包层光纤固定于毛细管中，并通过环氧胶B粘接，环氧胶B的折射率低于内包层光纤的折射率，固定于一起的双包层光纤和毛细管具有一个研磨抛光的出射端面，出射端面出射处还设置有耦合透镜，固定于一起的双包层光纤、毛细管、出射端面以及耦合透镜均位于玻璃管内，耦合透镜与玻璃管通过环氧胶A粘接。本发明大大提高光纤的承载峰值功率，可以应用在1064nm波段附近的高功率光纤隔离器和高功率光纤激光器中。
文档编号G02B6/32GK101666890SQ20081015080
公开日2010年3月10日 申请日期2008年9月4日 优先权日2008年9月4日
发明者张文松, 卫 赵 申请人:中国科学院西安光学精密机械研究所