CN110429464A - 一种高功率激光器合束器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高功率激光器合束器，属于激光器领域，包括激光发生单元、传感模块；其中激光发生单元通过将多个LD模块输出的光纤熔接在合束器上，通过对石英玻璃管、光纤进行预处理，选择合适的拉锥比和切割角度，减小了拉锥损耗，提高熔接点的均匀性，减少气泡的产生，进而提高了光纤合束加工的精度，提高光纤合束器的输出功率，提高器件的稳定性；传感模块包括功率采集、温度、湿度、散射PD、传输断路的多重监控，且传感器模块位于LD模块内部，基于ARM和FPGA模块进行多重监控，在高速采集下确保了系统的空间分辨率，同时又能够对信号进行实时处理提高信号的信噪比。
Description
技术领域
本发明属于激光器领域，特别是涉及一种高功率激光器合束器。
背景技术
光纤激光器具有转化效率高、光束质量好、结构紧凑以及维护方便的优点，在科学研究、工业制造、国防安全等领域得到了广泛的应用，随着高功率、高亮度LD和双包层光纤制造工艺的发展，光纤激光器输出功率不断提高，目前单根单模光纤激光器输出功率已经达到万瓦级，并且存在一定的提升空间，然而由于热损伤、非线性效应、光纤端面损伤、热透镜效应等因素的制约，单根单模光纤激光器的输出功率不可能无限提升，因此需要通过合成技术提高光纤激光器的输出功率。
激光合束是大幅提升激光输出功率和辐射亮度的有效手段，主要是将多束激光组合成一束输出，目前激光合束的方法有空间耦合法和光纤合束法，空间耦合法是利用固体光学器件将光耦合进光纤，利用对泵浦光高透、对信号光高反的透镜将泵浦光和信号光一同耦合进双包层光纤，实现信号光的放大，采用空间耦合法效率比较低，只有60%-70%左右，且利用固体的透镜组合，稳定性较差；光纤合束法是通过熔融拉锥光纤束的基础上制备光纤合束器，光纤合束器是高功率光纤激光器的重要器件之一，对高功率光纤激光器未来的发展起着举足轻重的作用，它是无源器件，可以使得功率定向传输，在高功率全纤化激光器中扮演着重要的角色，光纤合束器具有耦合效率高、操作方便、易实现全纤化，适宜在高功率下使用等优点。
目前光纤合束器在制备工艺主要分为旋转法和套管法，旋转法通过多根光纤束缠绕，加热拉锥使光纤熔接在一起，制成光纤束，在光纤束较细的地方切割，并与输出光纤熔接，制成光纤合束器，但此方法制备的光纤合束器功率不高；套管法是通过将多根光纤穿入石英套管中，然后通过加热拉锥使套管和光纤熔融在一起，然后切割与输出光纤熔接，套管法制备的光纤合束器在输出功率上有较大的优势，但是在套管拉锥方面工艺技术要求较高，加工精度较高，操作不当容易造成光纤的结构遭到破坏。
中国专利授权公告号 CN201621024211.X ，发明名称为一种中红外波段光纤抽运/信号合束器，该发明采用的信号光纤的纤芯材料为纯二氧化锗材料，光纤组束的拉锥区的拉锥比例在1~3之间，光纤组束与输出光纤熔接，虽然该方法可以耦合高功率的激光进入输出光纤，但是其不足之处在于，拉锥比例范围较大，信号光纤在此拉锥比例范围内的损耗较大。
发明内容
针对传统光纤合束器中耦合效率低、稳定性差、操作工艺精度要求较高的问题，本发明提供了一种高功率激光器合束器，通过采用光纤合束法代替空间耦合合束法，对石英玻璃管、光纤进行预处理，选择合适的拉锥比和切割角度，减小了拉锥损耗，提高光纤合束加工的精度，提高光纤合束器的输出功率，同时基于ARM和FPGA模块进行功率采集、温度、湿度、散射PD、传输断路的多重监控。
一种高功率激光器合束器，包括激光发生单元、传感模块；其中激光发生单元通过将多个LD模块输出的光纤熔接在合束器上，传感模块包括功率采集、温度、湿度、散射PD、传输断路的多重监控，且传感器模块位于LD模块内部。
进一步，所述合束器包括多根输入光纤和一根输出光纤，输入光纤的数量与光纤激光器的数量一致，所述多根输入光纤的一端分别与多个光纤激光器模块的输出信号光纤熔接，另一端经熔融拉锥后，截断锥区与输出光纤的一端熔接。
进一步，所述合束器的制备方法，包括以下步骤：
（1）玻璃管准备：准备一根石英玻璃管，玻璃套管端口使用金刚石进行光滑处理，光滑处理后进行超声波清洗；
（2）玻璃管第一次拉锥：将玻璃管进行第一次拉锥，使玻璃套管内径略大于光纤束直径；
（3）光纤处理：将输入光纤一端除去涂覆层，另一端用胶带固定；
（4）穿入光纤：将光纤的裸纤部分从靠近短锥区一端在酒精润滑作用下缓慢插入到玻璃套管中；
（5）光纤束二次拉锥：将光纤束和玻璃管一起二次拉锥；
（6）光纤束切割和熔接：对石英玻璃管外侧加热，加热温度为1700℃，使石英玻璃管，输入光纤，石英玻璃管熔为一体，使用光纤切割刀对其进行切割，并与一根大芯径传导光纤熔接；
（7）热封装：使用外封管对熔接处进行封套保护。
进一步，所述步骤（1）中所述石英玻璃管为掺氟石英管。
由于在对玻璃管进行拉锥时，熔融状态的温度越高，玻璃管的粘性就会越小，即使在拉锥速度一样的前提下，玻璃管比较薄的地方容易变形，导致拉锥后的玻璃管不是正圆形，进而影响合束器的稳定性，而掺氟石英管的玻璃管减少了误差，因此可以减少变形导致合束器的不稳定性。
进一步，所述步骤（4）中所述光纤穿好后需要将玻璃管中的残余酒精处理干净再进行拉锥。
由于酒精没有处理干净，在高温熔融状态下，酒精挥发导致玻璃管内壁烧黑，所以实验中采用真空泵来处理玻璃管内的残留酒精，避免因酒精挥发导致玻璃管内壁烧黑。
进一步，所述步骤（4）中，当光纤束穿入玻璃管后，通过显微镜对光纤束进行微调整。
由于光纤束穿入玻璃管后，光纤之间会存在应力和交叉，导致玻璃管中光纤束中排布不均匀，因此当光纤束穿入玻璃管后，通过显微镜对光纤束进行微调整，可以确保每根光纤的裸光纤全部穿入到石英玻璃管的锥区，保证光纤中不存在应力，无盘绕，在玻璃管中排列均匀，实现光纤束的拉锥。
进一步，所述步骤（5）中，实验中输入光纤的拉锥长度设置为13mm，拉锥比例为1.3。
其中光纤的包层和纤芯随着拉锥过程的进行逐渐减小，当纤芯减小后，在纤芯中传输的光进入包层，减小拉锥损耗，提高器件的稳定性。
进一步，所述步骤（6）中光纤束的切割角度控制在0.5度以内。
在光纤束切割过程中，切割角度过大容易造成熔接点不均匀，有气泡产生，当切割角度较小时，可以提高熔接点的均匀性，减少气泡的产生，进而提高器件的稳定性。
进一步，所述步骤（6）中对石英玻璃管外侧加热采用的三电极环火方式进行加热。
采用三电极环火方式进行加热光纤组束受热均匀，拉锥出的光纤束椎体均匀变化，且电极不易损害及氧化，使用寿命相对较长，节约成本，相较于氢氧焰加热拉锥，无需控制气体流速，操作安全。
进一步，所述传感模块为基于ARM和FPGA模块进行多重监控。
由于ARM处理器有着指令长度固定、性能较好、成本较低等优点，在本发明中，ARM处理器主要负责两个功能：接收客户端传入的配置信息并对传感系统进行流程控制，将传感器得到的功率、温度、湿度、散射PD、传输断路的数据进行处理计算；FPGA模块用于将ARM传输的数据做分析运算，FPGA模块既能够对背向散射信号进行高速采集确保了系统的空间分辨率，同时又能够对信号进行实时处理提高信号的信噪比。
本发明的工作原理：通过采用非相干合束进行辐射功率的叠加，采用光纤合束法通过熔融拉锥光纤束的基础上制备光纤合束器，在使用套管法制备光纤合束器的过程中使用掺氟石英管减少拉锥过程中变形所造成的合束器的不稳定性；通过显微镜对光纤束进行微调整保证光纤中不存在应力，无盘绕，在玻璃管中排列均匀，实现光纤束的拉锥；设置适宜的拉锥比例以及切割角度，减小了拉锥损耗，提高熔接点的均匀性，减少气泡的产生，进而提高器件的稳定性。
有益效果
（1）本发明采用光纤合束法代替空间耦合合束法，对石英玻璃管、光纤进行预处理，选择合适的拉锥比和切割角度，减小了拉锥损耗，提高光纤合束加工的精度，提高光纤合束器的输出功率，同时基于ARM和FPGA模块进行功率采集、温度、湿度、散射PD、传输断路的多重监控。
（2）本发明中光纤剥除采用热剥除法进行，与机械剥除和化学剥除相比，减少了光纤包层表面的损伤，提高了合束器的稳定性。
（3）本发明使用三电极环火方式进行加热，使光纤组束受热均匀，拉锥出的光纤束椎体均匀变化，且电极不易损害及氧化，使用寿命相对较长，节约成本，相较于氢氧焰加热拉锥，无需控制气体流速，操作安全。
（4）本发明实验中设置了合适的拉锥比，减小了在光纤束和玻璃管一起进行拉锥过程中的拉锥损耗，提高器件的稳定性。
（5）本发明光纤束的切割角度控制在0.5度以内，在光纤束切割过程中，切割角度过大容易造成熔接点不均匀，有气泡产生，当切割角度较小时，可以提高熔接点的均匀性，减少气泡的产生，进而提高器件的稳定性。
附图说明
图1为7×1合束器单臂输出功率测试光路图；
图2为7×1合束器单臂输入功率测试光路图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
实施例1
一种高功率激光器合束器，包括激光发生单元、传感模块；其中激光发生单元通过将多个LD模块输出的光纤熔接在合束器上，传感模块包括功率采集、温度、湿度、散射PD、传输断路的多重监控，且传感器模块位于LD模块内部。
进一步，所述合束器包括多根输入光纤和一根输出光纤，输入光纤的数量与光纤激光器的数量一致，所述多根输入光纤的一端分别与多个光纤激光器模块的输出信号光纤熔接，另一端经熔融拉锥后，截断锥区与输出光纤的一端熔接。
进一步，所述合束器的制备方法，包括以下步骤：
（1）玻璃管准备：准备一根石英玻璃管，玻璃套管端口使用金刚石进行光滑处理，光滑处理后进行超声波清洗；
（2）玻璃管第一次拉锥：将玻璃管进行第一次拉锥，使玻璃套管内径略大于光纤束直径；
（3）光纤处理：将输入光纤一端除去涂覆层，另一端用胶带固定；
（4）穿入光纤：将光纤的裸纤部分从靠近短锥区一端在酒精润滑作用下缓慢插入到玻璃套管中；
（5）光纤束二次拉锥：将光纤束和玻璃管一起二次拉锥；
（6）光纤束切割和熔接：对石英玻璃管外侧加热，加热温度为1700℃，使石英玻璃管，输入光纤，石英玻璃管熔为一体，使用光纤切割刀对其进行切割，并与一根大芯径传导光纤熔接；
（7）热封装：使用外封管对熔接处进行封套保护。
进一步，所述步骤（1）中所述石英玻璃管为掺氟石英管。
由于在对玻璃管进行拉锥时，熔融状态的温度越高，玻璃管的粘性就会越小，即使在拉锥速度一样的前提下，玻璃管比较薄的地方容易变形，导致拉锥后的玻璃管不是正圆形，进而影响合束器的稳定性，而掺氟石英管的玻璃管减少了误差，因此可以减少变形导致合束器的不稳定性。
进一步，所述步骤（4）中所述光纤穿好后需要将玻璃管中的残余酒精处理干净再进行拉锥。
由于酒精没有处理干净，在高温熔融状态下，酒精挥发导致玻璃管内壁烧黑，所以实验中采用真空泵来处理玻璃管内的残留酒精，避免因酒精挥发导致玻璃管内壁烧黑。
进一步，所述步骤（4）中，当光纤束穿入玻璃管后，通过显微镜对光纤束进行微调整。
由于光纤束穿入玻璃管后，光纤之间会存在应力和交叉，导致玻璃管中光纤束中排布不均匀，因此当光纤束穿入玻璃管后，通过显微镜对光纤束进行微调整，可以确保每根光纤的裸光纤全部穿入到石英玻璃管的锥区，保证光纤中不存在应力，无盘绕，在玻璃管中排列均匀，实现光纤束的拉锥。
进一步，所述步骤（5）中，实验中输入光纤的拉锥长度设置为13mm，拉锥比例为1.3。
其中光纤的包层和纤芯随着拉锥过程的进行逐渐减小，当纤芯减小后，在纤芯中传输的光进入包层，减小拉锥损耗，提高器件的稳定性。
进一步，所述步骤（6）中光纤束的切割角度控制在0.5度以内。
在光纤束切割过程中，切割角度过大容易造成熔接点不均匀，有气泡产生，当切割角度较小时，可以提高熔接点的均匀性，减少气泡的产生，进而提高器件的稳定性。
进一步，所述步骤（6）中对石英玻璃管外侧加热采用的三电极环火方式进行加热。
采用三电极环火方式进行加热光纤组束受热均匀，拉锥出的光纤束椎体均匀变化，且电极不易损害及氧化，使用寿命相对较长，节约成本，相较于氢氧焰加热拉锥，无需控制气体流速，操作安全。
进一步，所述传感模块为基于ARM和FPGA模块进行多重监控。
由于ARM处理器有着指令长度固定、性能较好、成本较低等优点，在本发明中，ARM处理器主要负责两个功能：接收客户端传入的配置信息并对传感系统进行流程控制，将传感器得到的功率、温度、湿度、散射PD、传输断路的数据进行处理计算；FPGA模块用于将ARM传输的数据做分析运算，FPGA模块既能够对背向散射信号进行高速采集确保了系统的空间分辨率，同时又能够对信号进行实时处理提高信号的信噪比。
实施例2
在实施例1的基础上，本实施例采用的玻璃管为低折射率掺氟玻璃管，其纤芯数值孔径为0.22，输入光纤采用的是20/250um光纤，纤芯数值孔径为0.06，输出光纤采用的是20/400um大功率传能光纤，纤芯数值孔径为0.22，拉锥比例为1.3，拉锥长度为13mm，制备出7×1型光纤合束器。
将7×1型光纤合束器进行耐受功率测试，如图1所示，图1为7×1合束器单臂输出功率测试光路图，测试前用7个DL光源分别与7×1型合束器的7根单臂光纤熔接，在输出光纤末端切一零度角，并将功率计对准出射光斑，测试时，记录相应DL加载一定电流时第n根光纤所对应的输出功率Pn，完成以上测试后，进行单臂输入功率测试，如图2所示，图2为7×1合束器单臂输入功率测试光路图，保留DL与每个臂的熔接点，将合束器的单臂减掉一段，进行光路测试相应DL加载相同电流时的第n根光纤的初始功率值Pn /，第n根光纤的传输效率ηn，ηn=Pn/Pn /，耦合损耗Li=-10log（ηn）db，可以得到该合束器的输出功率为1634w，合束器的平均耦合效率为99.1%，耦合损耗为0.03db。
对比例1
在实施例1的基础上，本实施例采用的玻璃管为低折射率掺氟玻璃管，其纤芯数值孔径为0.22，输入光纤采用的是20/250um光纤，纤芯数值孔径为0.06，输出光纤采用的是20/400um大功率传能光纤，纤芯数值孔径为0.22，拉锥比例为2，拉锥长度为20mm，制备出7×1型光纤合束器。
将此7×1型光纤合束器进行耐受功率测试，得到该合束器的输出功率为1075w，合束器的平均耦合效率为65.1%，耦合损耗为1.86db。
由实施例2和对比例1的结果可以看出，当拉锥比例较大，拉锥长度较长时，合束器的传输效率降低，这主要是因为，当拉锥比例和拉锥长度尺寸不合理时，会导致拉锥区域产生不平滑现象，进而导致锥体的传输效率降低，当拉锥比例较大，拉锥长度较长时，拉锥区域不平滑现象较严重，因此椎体的传输效率只有65.1%，当拉锥比例为拉锥比例为1.3，拉锥长度为13mm，拉锥过渡区域平滑，锥体的传输效率为99.1%，因此当拉锥比例为1.3，拉锥长度为13mm，锥体的传输效率较高。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高功率激光器合束器，其特征在于，包括激光发生单元、传感模块；其中激光发生单元通过将多个LD模块输出的光纤熔接在合束器上，传感模块包括功率采集、温度、湿度、散射PD、传输断路的多重监控，且传感器模块位于LD模块内部。
2.根据权利要求1所述的一种高功率激光器合束器，其特征在于，所述合束器包括多根输入光纤和一根输出光纤，输入光纤的数量与光纤激光器的数量一致，所述多根输入光纤的一端分别与多个光纤激光器模块的输出信号光纤熔接，另一端经熔融拉锥后，截断锥区与输出光纤的一端熔接。
3.根据权利要求1或者2所述的一种高功率激光器合束器，其特征在于，所述合束器的制备方法，包括以下步骤：
（1）玻璃管准备：准备一根石英玻璃管，玻璃套管端口使用金刚石进行光滑处理，光滑处理后进行超声波清洗；
（2）玻璃管第一次拉锥：将玻璃管进行第一次拉锥，使玻璃套管内径略大于光纤束直径；
（3）光纤处理：将输入光纤一端除去涂覆层，另一端用胶带固定；
（4）穿入光纤：将光纤的裸纤部分从靠近短锥区一端在酒精润滑作用下缓慢插入到玻璃套管中；
（5）光纤束二次拉锥：将光纤束和玻璃管一起二次拉锥；
（6）光纤束切割和熔接：对石英玻璃管外侧加热，加热温度为1700℃，使石英玻璃管，输入光纤，石英玻璃管熔为一体，使用光纤切割刀对其进行切割，并与一根大芯径传导光纤熔接；
（7）热封装：使用外封管对熔接处进行封套保护。
4.根据权利要求3所述的一种高功率激光器合束器，其特征在于，所述步骤（1）中所述石英玻璃管为掺氟石英管。
5.根据权利要求3所述的一种高功率激光器合束器，其特征在于，所述步骤（4）中所述光纤穿好后需要将玻璃管中的残余酒精处理干净再进行拉锥。
6.根据权利要求3所述的一种高功率激光器合束器，其特征在于，所述步骤（4）中，当光纤束穿入玻璃管后，通过显微镜对光纤束进行微调整。
7.根据权利要求3所述的一种高功率激光器合束器，其特征在于，所述步骤（5）中，实验中输入光纤的拉锥长度设置为13mm，拉锥比例为1.3。
8.根据权利要求3所述的一种高功率激光器合束器，其特征在于，所述步骤（6）中光纤束的切割角度控制在0.5度以内。
9.根据权利要求3所述的一种高功率激光器合束器，其特征在于，所述步骤（6）中对石英玻璃管外侧加热采用的三电极环火方式进行加热。
10.根据权利要求1所述的一种高功率激光器合束器，其特征在于，所述传感模块为基于ARM和FPGA模块进行多重监控。
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