專利名稱：光纖頭及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光纖技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種適于高功率激光傳輸?shù)墓饫w 頭及其制作方法。
背景技術(shù)：
目前，在醫(yī)療、材料加工、激光顯示等領(lǐng)域，要求光纖頭的輸出光功 率很高，傳統(tǒng)的光纖頭結(jié)構(gòu)包括固定套管和單根光纖，固定套管有利于將 光纖頭結(jié)構(gòu)固定在其他裝置上，單根光纖插入到固定套管中并且周圍用膠
(通常是353ND)粘結(jié)固定在固定套管中。光纖頭一般進行研磨、拋光等 工藝處理。如果研磨不夠精細會導(dǎo)致光纖端面出現(xiàn)毛刺等影響平面度的現(xiàn) 象，或者由于使用過程中光纖端面附著了灰塵或端面出現(xiàn)劃痕，都會導(dǎo)致 散射現(xiàn)象的發(fā)生，散射光會加熱光學(xué)膠。在較小功率激光傳輸時，這種結(jié) 構(gòu)的光纖頭還可以應(yīng)用，但是如果用于高功率激光傳輸，則熱量堆積現(xiàn)象就 會非常嚴重，光學(xué)膠就會揮發(fā)污染光纖端面，影響光纖質(zhì)量。因此若要利用 單根光纖輸出高功率激光，只能采用無膠工藝，即在光纖頭的端部制作出一 個凹槽，使單根光纖的端部附近棵露在凹槽中，但是這種結(jié)構(gòu)對光纖的剛度 要求較高，否則光纖的端部就會彎曲。另外單個激光器的輸出功率也非常有 限，這也極大地限制了與其連接的單根光纖內(nèi)傳輸激光的功率，當(dāng)然也可以 采用多個激光器向開放空間輸出激光，并用透鏡將這些激光聚焦，并耦合進 單根光纖中，這種方法雖然彌補了單個激光器輸出功率有限的問題，但是增 加了系統(tǒng)安裝和調(diào)試的難度?，F(xiàn)有技術(shù)中實現(xiàn)大功率激光傳輸?shù)墓饫w頭結(jié) 構(gòu)中的光纖多采用集束光纖，其中，較常見的結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示，將 固定套管P2的內(nèi)徑制作成能容納多根光纖Pl，固定套管P2的縱向長度可 以根據(jù)實際需要而定。根據(jù)傳輸功率的需要計算需要光纖Pl的數(shù)量，將 這些光纖Pl排列在一起形成光纖束，在光纖束的前段涂覆一定長度的光 學(xué)膠P3，然后插入到固定套管P2中， 一般來說，光學(xué)膠P3所覆蓋的長度 只要大約等于固定套管P2的長度即可。因為傳導(dǎo)大功率激光的光纖端面 的功率密度通常很高，如果光纖頭處理工藝有缺陷或者使用過程中造成的出光端面不平、劃痕較多或者表面粘有灰塵等，都會因產(chǎn)生散射光而導(dǎo)致 光纖頭局部溫度很高，因此，這種光纖頭研磨和拋光的精度要求很高，如 果使用普通的膠，由于硬度不夠高，在研磨過程中會造成剝落，形成凹凸 不平的坑，達不到精度要求，因此，人們往往使用硬度較高的有機膠來粘
結(jié)光纖，例如353ND，但是這些有機膠的導(dǎo)熱性和耐熱性通常都很差，因 此在大功率激光光纖耦合中，光纖頭局部溫度經(jīng)常很高，并且熱量不能及 時傳導(dǎo)出去，所使用的有機膠的成分為有機物，受熱易燃燒，因此最終導(dǎo) 致有機膠燃燒而使光纖頭燒毀。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的任務(wù)是克服大功率激光系統(tǒng)中使用有機膠易造成光纖
頭燒毀的缺陷，從而提供一種光纖頭。
本發(fā)明的另 一任務(wù)是提供一種上述光纖頭的制作方法。
一方面，本發(fā)明提供的光纖頭，包括套管和固定在所述套管內(nèi)的多根
光纖，其中，所述多根光纖之間以及所述套管和所述光纖之間的固定材料
為玻璃材料。
上述光纖頭中，所述玻璃優(yōu)選使用封接玻璃。
上述光纖頭中，所述套管的材料優(yōu)選金屬材料，例如銅或不銹鋼等。 另一方面，本發(fā)明提供了制作光纖頭的方法，包括以下步驟
a) 將光纖束插入盛有液態(tài)玻璃的一端封閉的套管中，然后退火和冷 卻，使玻璃固化；
b) 切除所述套管封閉端，露出其中光纖束的出光端面；
c) 對所述出光端面進行研磨和拋光，形成光纖頭。 上述方法中，所述套管的材料優(yōu)選金屬材料，例如銅或不銹鋼等。 上述方法中，所述步驟a)中液態(tài)玻璃的溫度優(yōu)選460-500°C。 上述方法中，所述退火和冷卻過程優(yōu)選分為多個降溫和保溫的步驟，
其中，每降低溫度50-150°C,就保溫10-20分鐘，直到最后降至室溫為止。 例如一種優(yōu)選的退火和冷卻步驟為
d) 在300。C下加熱10-20分鐘；
e) 降低溫度至20(TC，并加熱10 20分鐘；
f) 降低溫度至10(TC,并加熱10~20分鐘；
g) 在室溫下自然冷卻。由于玻璃材料為無機物，并且耐高溫，因此本發(fā)明的光纖頭結(jié)構(gòu)使用 玻璃作為粘合劑，在保證粘合劑硬度，保證研磨質(zhì)量的同時，還克服了目 前有機粘合劑在高溫下容易燃燒，造成光纖頭損毀的缺陷，因而整個光纖 頭的耐高溫性能得到極大增強，提高了用于大功率傳輸?shù)姆€(wěn)定性和安全 性。
同時，由于玻璃材料的熱膨脹系數(shù)與光纖材料接近，不會由于熱脹冷 縮而造成開膠或出現(xiàn)裂紋等問題，工作溫度的范圍得以進一步擴展。


以下，結(jié)合附圖來詳細說明本發(fā)明的實施例，其中
圖1是現(xiàn)有技術(shù)中的光纖頭結(jié)構(gòu)的截面圖2是現(xiàn)有技術(shù)中的光纖頭結(jié)構(gòu)的縱向剖視圖3是本發(fā)明光纖頭結(jié)構(gòu)的截面圖4是本發(fā)明光纖頭結(jié)構(gòu)的縱向剖視圖5是制作光纖頭的加熱裝置和器皿的立體圖6是圖5中的加熱裝置和器皿的剖視圖7是制作光纖頭的加熱裝置和器皿的剖視圖，其中器皿的凹槽中已 經(jīng)放入了 一端封閉的套管， 一端封閉的套管內(nèi)填入了呈粉狀的玻璃；
圖8是制作光纖頭的加熱裝置和器皿的剖視圖，其中一端封閉的套管 內(nèi)插入了光纖束，并且玻璃已經(jīng)受熱熔化成液態(tài)；
圖9是從器皿中取出的一端封閉的套管、光纖束和玻璃固定在一起的 結(jié)構(gòu)示意圖IO是經(jīng)過研磨和拋光處理后的光纖頭結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
圖3和圖4示出了本發(fā)明光纖頭的一個實施例，該光纖頭包括套管2 和12根光纖1組成的光纖束，所述光纖束安裝于套管2內(nèi)，光纖束的出 光端面與套管2的一端對齊，其中，光纖1之間以及光纖1與套管2之間 都由玻璃3牢固地粘接在一起。這種結(jié)構(gòu)的光纖頭使用玻璃取代了傳統(tǒng)的 有機膠，在大功率激光傳輸時，即使光纖頭處理工藝有缺陷或者使用過程 中造成的出光端面不平、劃痕較多或者表面粘有灰塵等，并由此產(chǎn)生散射 光導(dǎo)致光纖頭局部溫度很高的情況出現(xiàn)，但是由于玻璃的耐熱性能很好，而且即使在高溫下，玻璃也只會軟化而不會發(fā)生燃燒，因此避免了長時間
料的另外二個優(yōu)點是，i璃的i膨脹系數(shù)與光纖接近，不會由于熱脹冷縮 而破壞粘接的牢固性，也不會出現(xiàn)裂紋的情況。
本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，套管內(nèi)光纖的根數(shù)可以根據(jù)實際需要 而進行選取，上述實施例中光纖的數(shù)量只是為了示例說明，而非限制，套 管2的材料優(yōu)選金屬材料，例如銅或不銹鋼等，所述玻璃優(yōu)選為線性膨脹 系數(shù)與光纖的線性膨脹系數(shù)相近的材料制成。
圖5-圖IO示出了本發(fā)明的光纖頭結(jié)構(gòu)的一種制作方法，包括以下步
驟
1) 在加熱臺4上》文置器皿5，如圖5和圖6所示，該器皿5的內(nèi)徑近 似等于待制作光纖頭的套管外徑，選用一端封閉的銅套管8，將其封閉端 插入所述器皿5中，將適量的粉狀的玻璃6填充到所述銅套管8內(nèi)，此處 所述的適量以粉狀的玻璃6受熱熔化成液態(tài)后，光纖束插入到銅套管8中 以后呈液態(tài)的玻璃不會溢出為度，最佳的適量選擇為液態(tài)玻璃剛好不會溢 出，即當(dāng)插入光纖束以后呈液態(tài)的玻璃剛好充滿銅套管8。如圖7所示， 本實施例中呈粉狀的玻璃6為封接玻璃中的一種，即低溫玻璃粉，采用的 是天力創(chuàng)玻璃科技開發(fā)有限公司生產(chǎn)的牌號為0118的低熔點封接玻璃， 并且該低溫玻璃粉的轉(zhuǎn)化溫度為323°C，軟化溫度為39(TC,封接溫度為 430°C-460°C。優(yōu)選地，所述器皿5的內(nèi)壁高度大于所述銅套管8的長度， 這樣，器皿5的內(nèi)壁對光纖束還可以進行一定的約束，使得制作過程中更 好的對光纖束進行控制；
2) 啟動加熱臺，將所述粉狀的玻璃6加熱至完全熔化成液態(tài)，以粉 狀的玻璃6的材料為低溫玻璃粉為例，加熱溫度應(yīng)控制在460°C ~ 500°C;
3) 將光纖束7浸入到液態(tài)的玻璃6中，使各光纖之間、以及光纖與 銅套管8之間都充滿液態(tài)的玻璃6，如圖8所示；然后控制加熱臺4根據(jù) 玻璃6的特性控制溫度逐步降低，即進行退火過程，退火過程是為了使玻 璃6在冷卻固化的過程中產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力能夠消除，提高玻璃6的韌性， 降低脆性。同時由于玻璃6的材料選為線形膨脹系數(shù)與光纖相近的材料， 因此在退火的過程中，玻璃6與所有光纖之間保持固定，不會出現(xiàn)由于玻 璃6與光纖之間的空隙增大而使玻璃6從光纖束間脫落的現(xiàn)象，也不會出 現(xiàn)由于玻璃6與光纖之間的夾持力不斷增大而使光纖被夾壞或玻璃6被擠裂的現(xiàn)象。為了達到上述目的，必須將退火和冷卻過程分為多個降溫和保
溫的步驟，其中，每降低溫度50-150°C,就保溫10-20分鐘，直到最后降 至室溫為止。對于本實施例的低溫玻璃粉，所采用的退火過程具體為降 低溫度至30(TC,然后保溫10~20分鐘，接著降溫到200°C,再保溫10 ~ 20分鐘，然后降溫到IO(TC，接著保溫10~ 20分鐘，最后在室溫下自然 冷卻至室溫，上述退火和冷卻過程在常壓的空氣中進行。
經(jīng)過退火處理，銅套管8中的玻璃6由液態(tài)轉(zhuǎn)為固態(tài)，將光纖束7和 銅套管8固定在一起；
4) 將固定有銅套管8的光纖束7取出，如圖9所示，沿虛線橫向切 割，露出內(nèi)部的光纖束出光端面；
5) 對所述出光端面進行研磨和拋光，最終得到圖IO所示的光纖頭結(jié)構(gòu)。
上述步驟3)中，由于各型號粉狀玻璃的配方不同，采取的退火過程 也不同，因為不同配方的玻璃在冷卻的過程中內(nèi)部應(yīng)力也不同，這對本領(lǐng) 域普通技術(shù)人員是可以理解的。例如，在另一個實施例中，對同樣的低溫 玻璃粉，退火和冷卻過程為每降低50°C，就保溫10分鐘，直至冷卻至室 溫為止；而在又一個實施例中，對上述同樣的低溫玻璃粉，退火和冷卻過 程為每降低150。C,就保溫20分鐘，直至冷卻至室溫為止，都可以實現(xiàn)消 除玻璃內(nèi)部應(yīng)力、提高韌性、降低脆性的目的。
當(dāng)然，上述制作方法僅用于示例說明，而非對本發(fā)明的限制，例如， 還可以使用夾具夾持所述一端封閉的套管進行加熱，或者可以直接將已經(jīng) 熔化的液態(tài)玻璃加入所述套管中，等等。
最后應(yīng)說明的是，以上各附圖中的實施例僅用以說明本發(fā)明的光纖頭 結(jié)構(gòu)及其制作方法，但非限制。盡管參照實施例對本發(fā)明進行了詳細說明， 本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對本發(fā)明的技術(shù)方案進行各種組合、修 改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在 本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.一種光纖頭，其特征在于，包括套管和固定在所述套管內(nèi)的多根光纖，其中，所述多根光纖之間以及所述套管和所述光纖之間的固定材料為玻璃材料。
2. 權(quán)利要求l所述的光纖頭，其特征在于，所述玻璃為封接玻璃。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖頭，其特征在于，所述套管的材料為 金屬材料。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的光纖頭，其特征在于，所述金屬材料為銅 或不銹鋼。
5. 制作光纖頭的方法，包括以下步驟a) 將光纖束插入盛有液態(tài)玻璃的一端封閉的套管中，然后退火和冷 卻，使玻璃固化；b) 切除所述套管封閉端，露出其中光纖束的出光端面；c) 對所述出光端面進行研磨和拋光，形成光纖頭。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述套管的材料為金 屬材料。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述金屬材料為銅或 不銹鋼。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述步驟a)中液態(tài)玻 璃的溫度為460-500°C。
9. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述退火和冷卻過程 分為多個降溫和保溫的步驟，其中，每降低溫度50-150°C,就保溫10-20 分鐘，直到最后降至室溫為止。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述退火和冷卻過程 包括以下步驟d) 在300。C下保溫10~20分鐘；e) 降低溫度至2G0。C,并保溫1G 2Q分鐘；f) 降低溫度至100。C，并保溫10-20分鐘；g) 冷卻至室溫。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光纖頭，其特征在于，包括套管和固定在所述套管內(nèi)的多根光纖，其中，所述多根光纖之間以及所述套管和所述光纖之間的固定材料為玻璃材料；本發(fā)明的光纖頭結(jié)構(gòu)由于使用玻璃作為粘合劑，在保證粘合劑硬度，保證研磨質(zhì)量的同時，還克服了目前有機粘合劑在高溫下容易燃燒，造成光纖頭損毀的缺陷，同時，由于玻璃材料的熱膨脹系數(shù)與光纖材料接近，不會由于熱脹冷縮而造成開膠等問題，工作溫度的范圍得以擴展。
文檔編號G02B6/26GK101587209SQ20081011239
公開日2009年11月25日 申請日期2008年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月23日
發(fā)明者濤 房, 勇 畢, 光 鄭 申請人:北京中視中科光電技術(shù)有限公司;中國科學(xué)院光電研究院