一种基于锥形光纤的高功率光纤端帽制造技术

一种基于锥形光纤的高功率光纤端帽，包括锥形光纤、石英块以及端帽外壳；锥形光纤的大端从端帽外壳的一端穿入到端帽外壳内部并固定于端帽外壳上，端帽外壳的另一端开设有供石英块伸入的腔体，所述石英块伸入端帽外壳内部的一端为圆锥台形端头，石英块伸出端帽外壳之外的一端为圆柱体形且石英块伸出端帽外壳之外的圆柱端端面上镀有增透膜；在端帽外壳内部，石英块的圆锥台形端头与锥形光纤的大端相熔接，在石英块伸出端帽外壳之外的一端的端帽外壳上设置有输出端帽保护窗，输出端帽保护窗将石英块伸出端帽外壳之外的圆柱端封闭在其内部。本实用新型专利技术结构简单、能够提高光纤中激光功率承受能力、在有效抑制非线性效应的同时保持良好的激光光束质量。

A high power fiber end cap based on a conical fiber

A high power fiber end cap based on tapered fiber, including tapered fiber, quartz block and end cap shell; end tapered fiber from one end into the inside of the housing housing end cap end cap and fixed to the housing end cap on the other end of the housing end cap is provided with a cavity for quartz block into the. One end of the inner housing into the quartz block end cap is a conical end, quartz block extends out beyond one end of the end cap is a cylinder shaped shell and cylindrical quartz block out end outside the housing end cap is coated with an antireflection film; the internal end cap shell, circular cone shaped quartz block end and the end the tapered fiber phase welding, the end cap shell extends beyond one end housing end cap in the quartz block is arranged on the output end of the output end cap cap protection window, window of protection will block out outside the housing end cap quartz cylindrical end closed inside. The utility model has simple structure, can improve the laser power bearing capacity of the optical fiber, and effectively suppress the nonlinear effect while maintaining good laser beam quality.

【技术实现步骤摘要】
一种基于锥形光纤的高功率光纤端帽
本技术属于光纤激光领域，涉及一种基于锥形光纤的高功率光纤端帽。
技术介绍
二十世纪八十年代后期，随着光纤制作工艺的成熟和固体激光器的发展，光纤激光器开始成为研究热点，而随着双包层光纤和包层泵浦技术的日渐成熟，高功率光纤激光器开始取得突破性的进展。由于光纤激光器具有体积小、重量轻、热管理方便、光束质量好等优点，近几年来，光纤输出的高功率光纤激光器已经在光通信、材料加工、医学诊疗、信息存储、激光印刷、激光测控、激光光谱学以及非线性频率转换等领域得到了广泛的应用。随着光纤激光输出功率的不断提高，光纤纤芯中的功率密度也随之不断攀升。而由于光纤的输出端面在切割、研磨、抛光等处理的过程中，不可避免的会在光纤的端面留下缺陷与损伤，使得局部电场加强，造成材料破坏，所以在大功率光纤激光系统中，光纤输出端面处理是一项重要的核心技术。光纤端帽就是实现光纤端面保护的高功率光纤无源器件，通过对输出光纤的扩束降低输出端的光功率密度，从而保护光纤端面不受损坏。传统的光纤端帽使用普通的纤芯尺寸均匀的光纤与扩束石英块相熔接来达到扩束和保护输出端面的作用。为了保持光束质量，一般光纤端帽中传能光纤的尺寸与激光器输出光纤尺寸保持一致，在工业应用中一般需要10-20米甚至更长的光纤，这会导致传能光纤中的非线性效应产生，严重影响激光器的使用。在光纤中的非线性效应中，以受激拉曼散射与受激布里渊散射为主。这两种非线性效应的阈值都与光纤系统中的光纤长度密切相关，加入端帽后由于整体光纤长度的增加，光纤纤芯中的非线性效应相互作用距离变长，使得非线性效应的阈值大大降低，从而限制的这种传统光纤端帽在大功率光纤激光系统、尤其是单模高光束质量光纤激光系统中的应用。另一方面，在高功率光纤激光系统中，由于泵浦光吸收不完全、光纤弯曲等因素，将会不可避免的会有包层光的残留。将包层光与信号光一同输出将会降低输出光束的整体质量，所以在输出系统中也需要对包层光进行剥除。
技术实现思路
针对上述已有技术的不足，本技术提供了一种基于锥形光纤的高功率光纤端帽，其结构简单、能够提高提高纤芯激光输出承受能力、有效抑制非线性效应、有效保持激光光束质量。本技术的技术方案是：一种基于锥形光纤的高功率光纤端帽，包括锥形光纤、石英块以及端帽外壳；锥形光纤的大端从端帽外壳的一端穿入到端帽外壳内部并固定于端帽外壳上，端帽外壳的另一端开设有供石英块伸入的腔体，所述石英块伸入端帽外壳内部的一端为圆锥台形端头，石英块伸出端帽外壳之外的一端为圆柱体形且石英块伸出端帽外壳之外的圆柱端端面上镀有增透膜；在端帽外壳内部，石英块的圆锥台形端头与锥形光纤的大端相熔接，在石英块伸出端帽外壳之外的一端的端帽外壳上设置有输出端帽保护窗，输出端帽保护窗将石英块伸出端帽外壳之外的圆柱端封闭在其内部。锥形光纤是指光纤的纤芯直径随着光纤长度的变化而逐渐变大，可以是掺稀土粒子的增益光纤和普通非掺杂的能量传输光纤。根据纤芯直径大小，可以将锥形光纤的两端分为大端和小端，锥形光纤的纤芯直径较大一端为大端，纤芯直径较小一端为小端。小端在端帽外壳外与光纤激光系统的输出光纤相熔接，大端在端帽外壳内与石英块进行熔接。锥形光纤可以是单包层锥形光纤，可以是双包层锥形光纤，也可以是多包层即包层为三层即以上。所述单包层锥形光纤由纤芯、内包层和涂覆层组成，纤芯的外表面从内到外依次设有内包层和涂覆层，纤芯和内包层的直径随着光纤长度的增长而线性变大，涂覆层的厚度固定，并不随光纤的长度而发生变化。所述双包层锥形光纤由纤芯、内包层、外包层和涂覆层组成，纤芯的外表面依次设有内包层、外包层和涂覆层，纤芯和内包层的直径随着光纤的长度的增长而线性变大，外包层和涂覆层的厚度固定，并不随光纤的长度而发生变化。对于双包层锥形光纤，伸入端帽外壳内部的双包层锥形光纤的一端在伸入端帽外壳内部之前需去除其涂覆层，即伸入端帽外壳内部的双包层锥形光纤是一段去除涂覆层的光纤。在去除涂覆层的光纤表面利用紫外固化胶进行涂覆并固化，形成一个包层光剥离器。本技术中的端帽外壳用于固定锥形光纤、石英块以及输出端帽保护窗片。在端帽外壳内部可以设置流动的冷却液辅助散热。端帽外壳内部为空腔，锥形光纤的大端从端帽外壳的一端伸入端帽外壳内部的空腔，石英块的圆锥台形端头从端帽外壳的另一端伸入端帽外壳内部的空腔，在端帽外壳内部空腔中，石英块的圆锥台形端头与锥形光纤的大端相熔接；所述端帽外壳的侧壁上设置有冷却液输入接口和冷却液输出接口，冷却液从冷却液输入接口进入端帽外壳内部空腔，从冷却液输出接口流出，在端帽外壳内部形成流动的冷却液。本技术的基本原理如下：在大功率光纤激光系统中，受激非弹性散射，即受激拉曼散射(下简称SRS)与受激布里渊散射(下简称SBS)，是限制功率提升的重要因素。在电子工业出版社出版的由G.P.Agrawal所著的《非线性光纤光学原理与应用》一书中将SRS和SBS的阈值公式总结如下：其中，gR和gB分别为拉曼增益系数与布里渊增益系数。Aeff为光纤的有效截面积，Leff为光纤的有效长度。在光纤材料一定的情况下，拉曼与布里渊散射的增益系数为常数，那么这两种非线性效应的阈值则与光纤有效截面积成正比而与光纤有效长度成反比。通常在光纤端帽中所使用的光纤(一般称为尾纤)是与光纤系统光纤尺寸相匹配的传能光纤，而尾纤的加入使得系统光纤有效长度增加而引起非线性效应的阈值降低。而在锥形光纤中，我们可以使锥形光纤的小端尺寸与光纤激光系统光纤尺寸保持一致，而后随着长度的变化，光纤的纤芯尺寸不断变大。这样，光纤有效截面积随着光纤长度的增加而增加，从而提高了非线性效应的阈值，可以比较有效地抑制光纤激光系统中有害非线性效应的产生。请参阅说明书附图4，图4展示了理论计算的芯径直径为20微米增益光纤(图4(a))和芯径从20微米逐渐增大至45微米的长锥形增益光纤(图4(b))中的拉曼信号强度对比。从图4中可以看出，长锥形光纤的拉曼强度要远低于普通的芯径为20微米。同时，由于锥形光纤沿正向芯径逐渐增加，那么对于后向回光来说，芯径就是逐渐减小的，而芯径减小所带来的后向回光损耗不仅能够有效防止有害反馈对光纤激光系统的损伤，还能够从一定程度上从抑制后向光的角度抑制受激布里渊散射。另一方面，根据理论分析(参见ShiCheng,etal.,Theoreticalstudyofmodeevolutioninactivelongtaperedmultimodefiber.OpticsExpress,2016.24(17):p.19473-19490)，锥形光纤本身具有能够保持注入激光光束质量的特点。请参阅说明书附图5，图5展示了长锥形光纤光束质量演化以及输出光斑的仿真结果，输出的光束质量与输入的光束质量基本保持一致，也就是说长锥形光纤在纤芯直径逐渐增大的过程中并不会引起光束质量的严重退化，从而可以保持激光系统原本优良的光束质量。本技术中的石英块位于端帽壳体外侧的激光输出端面上镀有增透膜。增透膜可以有效降低激光功率的损耗，同时减小后向回光反馈，保护光纤激光系统不受损伤。本技术中，石英块与锥形光纤相熔接的一端为圆锥台形，即两端为圆形端面的圆锥形。石英块伸出端帽壳体之外的一端为圆本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于锥形光纤的高功率光纤端帽，其特征在于，包括锥形光纤、石英块以及端帽外壳；锥形光纤的大端从端帽外壳的一端穿入到端帽外壳内部并固定于端帽外壳上，端帽外壳的另一端开设有供石英块伸入的腔体，所述石英块伸入端帽外壳内部的一端为圆锥台形端头，石英块伸出端帽外壳之外的一端为圆柱体形且石英块伸出端帽外壳之外的圆柱端端面上镀有增透膜；在端帽外壳内部，石英块的圆锥台形端头与锥形光纤的大端相熔接，在石英块伸出端帽外壳之外的一端的端帽外壳上设置有输出端帽保护窗，输出端帽保护窗将石英块伸出端帽外壳之外的圆柱端封闭在其内部。

【技术特征摘要】
1.一种基于锥形光纤的高功率光纤端帽，其特征在于，包括锥形光纤、石英块以及端帽外壳；锥形光纤的大端从端帽外壳的一端穿入到端帽外壳内部并固定于端帽外壳上，端帽外壳的另一端开设有供石英块伸入的腔体，所述石英块伸入端帽外壳内部的一端为圆锥台形端头，石英块伸出端帽外壳之外的一端为圆柱体形且石英块伸出端帽外壳之外的圆柱端端面上镀有增透膜；在端帽外壳内部，石英块的圆锥台形端头与锥形光纤的大端相熔接，在石英块伸出端帽外壳之外的一端的端帽外壳上设置有输出端帽保护窗，输出端帽保护窗将石英块伸出端帽外壳之外的圆柱端封闭在其内部。2.根据权利要求1所述的基于锥形光纤的高功率光纤端帽，其特征在于，锥形光纤其光纤的纤芯直径随着光纤长度的变化而逐渐变大，锥形光纤的纤芯直径较大和较小的两端分别为大端和小端。3.根据权利要求2所述的基于锥形光纤的高功率光纤端帽，其特征在于，锥形光纤为掺稀土粒子的增益光纤或者非掺杂的能量传输光纤。4.根据权利要求3所述的基于锥形光纤的高功率光纤端帽，其特征在于，锥形光纤是单包层锥形光纤，或者双包层锥形光纤，或者包层为三层以上的多包层锥形光纤。5.根据权利要求4所述的基于锥形光纤的高功率光纤端帽，其特征在于，单包层锥形光纤小端纤芯直径为6μm～10μm，大端纤芯直径为20μm～50μm；双包层锥形光纤小端纤芯直径为10μm～50μm，大端纤芯直径为50μm～200μm。6.根据权利要求4所述的基于锥形光纤的高功率光纤端帽，其特征在于，所述单包层锥形光纤由纤芯、内包层和涂...

【专利技术属性】
技术研发人员：王小林，史尘，杨保来，张汉伟，粟荣涛，陶汝茂，马鹏飞，周朴，许晓军，司磊，陈金宝，刘泽金，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：新型
国别省市：湖南,43