本發(fā)明屬于高功率光纖激光器領(lǐng)域，具體涉及一種大模場雙包層光纖熔接的光功率對準(zhǔn)系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

高功率光纖激光器是集結(jié)了激光二極管光纖模塊及其泵浦技術(shù)、雙包層光纖制作技術(shù)和光纖光柵技術(shù)于一身的新型激光器。它因轉(zhuǎn)換效率高、光束質(zhì)量好、閾值低、散熱性能好、結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高、工作壽命長、維護(hù)費用和功率消耗低、性價比高等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于科技、軍事、醫(yī)療、工業(yè)加工和通信等領(lǐng)域。近年來，高功率光纖激光器的功率輸出水平不斷提高，并在空間光通信、工業(yè)加工、激光焊接、印刷、打標(biāo)、醫(yī)療以及軍事等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。在工業(yè)加工領(lǐng)域中，它可以作為高強度光源，用于切割、打孔、焊接等；在軍事領(lǐng)域可用于車載、艦載激光武器，也可作為激光武器的信標(biāo)光源，并且在光電對抗、激光制導(dǎo)和激光誘導(dǎo)核聚變等領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用。

高功率激光器主要由泵浦合束器、光纖光柵、增益光纖、包層光功率剝離器、qbh等組成，要將上述光纖器件及增益光纖有效地連接起來，光纖熔接必不可少。熔接點的質(zhì)量直接影響光纖激光器的輸出性能，質(zhì)量差的熔接點會產(chǎn)生幾瓦甚至幾十瓦的功率損耗，一方面降低了激光輸出效率，增加了系統(tǒng)的熱處理負(fù)擔(dān)，另一方面，質(zhì)量差的熔接會激發(fā)出激光器中的高階模，影響激光的光束質(zhì)量。

高功率光纖激光器中的光纖器件及增益光纖大多采用大模場雙包層光纖，該種光纖主要由纖芯、內(nèi)包層和外包層構(gòu)成，與普通的光纖相比最大的特點是具有兩個包層，不僅纖芯可以導(dǎo)光，內(nèi)包層也可導(dǎo)光。為了降低纖芯中傳輸激光的功率密度，大模場光纖的模場直徑比普通單模光纖的模場直徑大，且支持多個模式的激光傳輸。此外，為了提高摻雜離子的吸收效率，作為增益光纖使用時，雙包層光纖的內(nèi)包層通常不使用圓對稱結(jié)構(gòu)。因此，雙包層光纖的熔接中，尤其是圓對稱結(jié)構(gòu)的雙包層傳能光纖和非圓對稱結(jié)構(gòu)的增益光纖熔接中，采用商用熔接機中基于包層影像的輪廓對準(zhǔn)技術(shù)，很容易出現(xiàn)熔接纖芯錯位，影響激光器的輸出效率及光束質(zhì)量。

目前市場上所有的光纖熔接機釆用的對準(zhǔn)技術(shù)有透鏡成像輪廓對準(zhǔn)系統(tǒng)（l-pas）、高清晰成像對準(zhǔn)系統(tǒng)(hdcm)、熱成像控制對準(zhǔn)（wisp）、光功率探測對準(zhǔn)系統(tǒng)。其中l(wèi)-pas對準(zhǔn)技術(shù)使用范圍最廣，絕大部分光纖熔接機都是釆用該技術(shù)，然而由于熔接機中的對準(zhǔn)成像系統(tǒng)存在誤差，對準(zhǔn)未必準(zhǔn)確，只有光功率探測對準(zhǔn)技術(shù)才能算得上是真正意義上的高精度光纖直接對準(zhǔn)技術(shù)。該技術(shù)測量待熔光纖在不同徑向偏移情況下的輸出功率變化，根據(jù)測量結(jié)果的反饋控制熔接機的馬達(dá)，最終實現(xiàn)光纖的高精度對準(zhǔn)。傳統(tǒng)的光功率對準(zhǔn)技術(shù)大多針對單?；蚨嗄９饫w的熔接，針對大模場雙包層光纖的熔接對準(zhǔn)技術(shù)并不多見。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種大模場雙包層光纖熔接的光功率對準(zhǔn)系統(tǒng)和方法，解決了采用商用熔接機中采用的基于包層影像的輪廓對準(zhǔn)技術(shù)進(jìn)行光纖對準(zhǔn)時，很容易出現(xiàn)熔接纖芯錯位問題，提高了高功率光纖激光器中熔接點質(zhì)量。

實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種大模場雙包層光纖熔接的功率對準(zhǔn)系統(tǒng)，包括光源、模場匹配器、第一大模場雙包層光纖、第二大模場雙包層光纖、光纖熔接機、功率計和兩個包層光功率剝離器，光源通過單模光纖與模場匹配器輸入端連接，模場匹配器的輸出端接有第一大模場雙包層光纖，第一大模場雙包層光纖上設(shè)有一個包層光功率剝離器，第一大模場雙包層光纖待熔接的一端設(shè)置在光纖熔接機內(nèi)，第二大模場雙包層光纖待熔接的一端設(shè)置在光纖熔接機內(nèi)，第二大模場雙包層光纖上設(shè)有另一個包層光功率剝離器，第二大模場雙包層光纖輸出端位于功率計前方，由第二大模場雙包層光纖輸出端輸出的光被功率計接收。

所述第二大模場雙包層光纖輸出端端面為斜面，角度為8°。

所述功率計為帶靶面的功率計，靶面用于接收第二大模場雙包層光纖輸出端輸出的光。

所述第一大模場雙包層光纖和第二大模場雙包層光纖基本參數(shù)相同。

所述光源發(fā)出的光，其中心波長λ為1050nm~1100nm。

對第二大模場雙包層光纖進(jìn)行盤繞，盤繞位置位于包層光功率剝離器與第二大模場雙包層光纖的輸入端之間。

所述光纖熔接機中兩個待熔接端面的間距z大于傳播光的干涉長度。

當(dāng)熔接其他元件時，待熔接元件一端與大模場雙包層光纖熔接，另一端設(shè)置在光纖熔接機內(nèi)。

一種采用大模場雙包層光纖熔接的功率對準(zhǔn)系統(tǒng)的對準(zhǔn)方法，步驟如下：

步驟1、分別將第一大模場雙包層光纖和第二大模場雙包層光纖的待熔接端剝離涂敷層、切割、清洗后放入光纖熔接機中：

待熔接的第一大模場雙包層光纖和第二大模場雙包層光纖的切割角度控制在0.3°以內(nèi)，光纖熔接機中光纖擺放角度在0.1°以內(nèi)。

步驟2、運行光纖熔接機到光纖對準(zhǔn)處后，打開光源，模場匹配器對光源輸出光纖與第一大模場雙包層光纖的模場進(jìn)行匹配，通過包層光剝離器剝離第一大模場雙包層光纖中的包層光，實現(xiàn)纖芯中基模激光的輸出，從第一大模場雙包層光纖的待熔接端耦合至第二大模場雙包層光纖，經(jīng)盤繞的第二大模場雙包層光纖，濾出第二大模場雙包層光纖纖芯中的高階模，再經(jīng)后方的包層光剝離器剝離第二大模場雙包層光纖中的包層光及濾除纖芯中的高階模，實現(xiàn)纖芯中基模激光的輸出，被功率計靶面接收，功率計靶面通過熱傳感器將輸出功率轉(zhuǎn)化為電壓信號，功率計再將電壓信號進(jìn)行分析與處理轉(zhuǎn)換為實際功率并顯示。

步驟3、調(diào)節(jié)光纖熔接機x/y方向馬達(dá)控制光纖的徑向偏移量d，每調(diào)節(jié)δd，記錄輸出功率p。

步驟4、根據(jù)輸出功率p，繪制徑向偏移量-輸出功率曲線，在輸出功率最大處即為光纖對準(zhǔn)處，進(jìn)行熔接。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點在于：（1）提升了高功率光纖激光器中大模場雙包層光纖之間的熔接點質(zhì)量，特別是內(nèi)包層是圓對稱結(jié)構(gòu)的傳能光纖與內(nèi)包層為非圓對稱結(jié)構(gòu)的增益光纖的熔接點。

（2）減小了熔接點的功率損耗，提高了高功率光纖激光器的光光轉(zhuǎn)換效率，優(yōu)化了光束質(zhì)量。

（3）使用包層光剝離器，提高了包層光使輸出功率對光纖徑向偏移量的敏感度。

（4）使用模場匹配器，解決了由于光源輸出光纖與大模場雙包層光纖的模場不匹配熔接后產(chǎn)生高階模問題。

（4）通過盤繞解決纖芯中高階模使輸出功率不穩(wěn)定影響對準(zhǔn)精度問題。

（5）方法簡單有效，對科學(xué)實驗、工程開發(fā)和產(chǎn)品制造都有著積極的作用。

附圖說明

圖1為本發(fā)明大模場雙包層光纖熔接的光功率對準(zhǔn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明實施例1中接入待熔元件的大模場雙包層光纖熔接的光功率對準(zhǔn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明實施例1中大模場雙包層光纖熔接的光功率對準(zhǔn)方法的輸出功率隨光纖徑向偏移量的關(guān)系曲線。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

結(jié)合圖1，一種大模場雙包層光纖熔接的功率對準(zhǔn)系統(tǒng)，包括光源、模場匹配器(modefieldadapter，簡稱mfa)、第一大模場雙包層光纖（fiber-1）、第二大模場雙包層光纖（fiber-2）、光纖熔接機、功率計和兩個包層光功率剝離器（claddingpowerstripper，簡稱cps），光源通過單模光纖與模場匹配器輸入端連接，模場匹配器的輸出端接有第一大模場雙包層光纖，第一大模場雙包層光纖上設(shè)有一個包層光功率剝離器，第一大模場雙包層光纖待熔接的一端（即輸出端）設(shè)置在光纖熔接機的v形槽內(nèi)，第二大模場雙包層光纖待熔接的一端（即輸入端）也設(shè)置在光纖熔接機的v形槽內(nèi)，第二大模場雙包層光纖上設(shè)有另一個包層光功率剝離器，第二大模場雙包層光纖輸出端位于功率計前方，由第二大模場雙包層光纖輸出端輸出的光被功率計接收。

所述第二大模場雙包層光纖輸出端端面為斜面，角度為8°。

功率計為帶靶面的功率計，靶面用于接收第二大模場雙包層光纖輸出端輸出的光。

所述第一大模場雙包層光纖和第二大模場雙包層光纖基本參數(shù)相同。

所述光源發(fā)出的激光，其中心波長λ為1050nm~1100nm，且?guī)挦摩俗銐虼?。所述光纖熔接機中兩個待熔接端面的間距z大于傳播光的干涉長度，。

對第二大模場雙包層光纖進(jìn)行盤繞，盤繞位置位于包層光功率剝離器與第二大模場雙包層光纖的輸入端之間。

包層光功率剝離器：將大模場雙包層光纖上一段涂敷層剝離，然后涂上高折率膠使得大模場雙包層光纖中的包層光被剝除，實現(xiàn)包層光剝離的功能。也可采用市購的包層光功率剝離器。

一種采用大模場雙包層光纖熔接的功率對準(zhǔn)系統(tǒng)的對準(zhǔn)方法，步驟如下：

步驟1、分別將第一大模場雙包層光纖和第二大模場雙包層光纖的待熔接端剝離涂敷層、切割、清洗后放入光纖熔接機中。

待熔接的第一大模場雙包層光纖和第二大模場雙包層光纖的切割角度控制在0.3°以內(nèi)，光纖熔接機中光纖擺放角度在0.1°以內(nèi)。

步驟2、運行光纖熔接機到光纖對準(zhǔn)處后，打開光源，模場匹配器對光源輸出光纖與第一大模場雙包層光纖的模場進(jìn)行匹配，通過包層光剝離器剝離第一大模場雙包層光纖中的包層光，實現(xiàn)纖芯中基模激光的輸出，從第一大模場雙包層光纖的待熔接端耦合至第二大模場雙包層光纖，經(jīng)盤繞的第二大模場雙包層光纖，濾出第二大模場雙包層光纖纖芯中的高階模，再經(jīng)后方的包層光剝離器剝離第二大模場雙包層光纖中的包層光及濾除纖芯中的高階模，實現(xiàn)纖芯中基模激光的輸出，被功率計靶面接收，功率計靶面通過熱傳感器將輸出功率轉(zhuǎn)化為電壓信號，功率計再將電壓信號進(jìn)行分析與處理轉(zhuǎn)換為實際功率并顯示。

步驟3、調(diào)節(jié)光纖熔接機x/y方向馬達(dá)控制光纖的徑向偏移量d，每調(diào)節(jié)δd，記錄輸出功率p。

步驟4、根據(jù)輸出功率p，繪制徑向偏移量-輸出功率（d-p）曲線，在輸出功率最大處即為光纖對準(zhǔn)處，進(jìn)行熔接。

實施例1

結(jié)合圖2，以熔接高功率光纖激光器系統(tǒng)中兩個元件（輸入/輸出光纖均為nufern，lma-gdf-20/400-m）的熔接為例進(jìn)一步說明。

一種大模場雙包層光纖熔接的功率對準(zhǔn)系統(tǒng)，包括光源（上海瀚宇，型號:vass-1060-b-13-gf，中心波長1064nm，帶寬46nm（fwhm）輸出功率穩(wěn)定性優(yōu)于1%，輸出光纖為corninghi1060，由可知該光源的相干長度為24.62um）、模場匹配器(modefieldadapter，簡稱mfa，深圳朗光，輸入光纖為hi1060，輸出光纖為大模場雙包層光纖nufern，lma-gdf-20/400-m)、第一大模場雙包層光纖（fiber-1，nufern，lma-gdf-20/400-m）、第二大模場雙包層光纖（fiber-2，nufern，lma-gdf-20/400-m）、光纖熔接機（fujikura100p+）、功率計和兩個包層光功率剝離器（claddingpowerstripper，簡稱cps）。光源通過單模光纖與模場匹配器輸入端連接，模場匹配器的輸出端接有第一大模場雙包層光纖，第一大模場雙包層光纖上設(shè)有一個包層光功率剝離器，第一大模場雙包層光纖的輸出端（即上文中待熔接的一端）與第一元件的輸入端熔接，第一元件的輸出端設(shè)置在光纖熔接機的v形槽內(nèi)，第二大模場雙包層光纖輸入端（即上文中待熔接的一端）與第二元件的輸出端熔接，第二元件的輸入端也設(shè)置在光纖熔接機的v形槽內(nèi)，第二大模場雙包層光纖上設(shè)有另一個包層光功率剝離器，第二大模場雙包層光纖輸出端位于功率計前方，由第二大模場雙包層光纖輸出端輸出的光被功率計接收。

所述第二大模場雙包層光纖輸出端端面為斜面，角度為8°。

功率計為帶靶面的功率計，靶面用于接收第二大模場雙包層光纖輸出端輸出的光。

所述第一大模場雙包層光纖和第二大模場雙包層光纖基本參數(shù)相同。

為了抑制光纖對準(zhǔn)過程中由端面反射光的干涉所引起的功率波動，設(shè)置熔接機中光纖端面間距z=25um。

對第二大模場雙包層光纖進(jìn)行盤繞，盤繞位置位于包層光功率剝離器與第二大模場雙包層光纖的輸入端之間。

包層光功率剝離器：是將第一大模場雙包層光纖（fiber-1）和第二大模場雙包層光纖（fiber-2）一段光纖的涂覆層剝除，并以折射率為1.56（@λ=589nm）的紫外固化膠重新涂覆，90%以上的包層光將從這兩段重新涂覆區(qū)域漏出，實現(xiàn)包層光功率剝離器（cps，claddingpowerstripper）的功能。也可采用市購的包層光功率剝離器。

一種采用大模場雙包層光纖熔接的功率對準(zhǔn)系統(tǒng)的對準(zhǔn)方法，步驟如下：

步驟1、將第一大模場雙包層光纖的輸出端（即上文中待熔接的一端）與第一元件的輸入端熔接，第二大模場雙包層光纖輸入端（即上文中待熔接的一端）與第二元件的輸出端熔接。

步驟2、分別將第一元件的輸出端和第二元件的輸入端剝離涂敷層、切割、清洗后放入光纖熔接機中。

待熔接的第一元件的輸出端和第二元件的輸入端的切割角度控制在0.3°以內(nèi)，光纖熔接機中光纖擺放角度在0.1°以內(nèi)。

步驟3、運行光纖熔接機到光纖對準(zhǔn)處后，打開光源，模場匹配器對光源輸出光纖與第一大模場雙包層光纖的模場進(jìn)行匹配，通過包層光剝離器剝離第一大模場雙包層光纖中的包層光，實現(xiàn)纖芯中基模激光的輸出，從第一大模場雙包層光纖的輸出端進(jìn)入第一元件輸入端，由第一元件輸出端輸出耦合至第二元件輸入端，第二元件輸出端與第二大模場雙包層光纖熔接，經(jīng)盤繞的第二大模場雙包層光纖，濾出第二大模場雙包層光纖纖芯中的高階模，再經(jīng)后方的包層光剝離器剝離第二大模場雙包層光纖中的包層光及濾除纖芯中的高階模，實現(xiàn)纖芯中基模激光的輸出，被功率計靶面接收，功率計靶面通過熱傳感器將輸出功率轉(zhuǎn)化為電壓信號，功率計再將電壓信號進(jìn)行分析與處理轉(zhuǎn)換為實際功率并顯示。

步驟4、調(diào)節(jié)光纖熔接機x/y方向馬達(dá)控制光纖的徑向偏移量d，每調(diào)節(jié)0.1μm，記錄輸出功率p。

步驟5、根據(jù)輸出功率p，繪制徑向偏移量-輸出功率（d-p）曲線如圖3所示，在輸出功率最大處即為光纖對準(zhǔn)處，進(jìn)行熔接。

熔接后，從熔接機中顯示的熔接圖像可以看出熔接點處不存在纖芯錯位，熔接點質(zhì)量完好；可將第一大模場雙包層光纖輸出端（即上文中待熔接的一端）與第一元件輸入端的熔接點、第二大模場雙包層光纖輸入端（即上文中待熔接的一端）與第二元件輸出端的熔接點斷開。

通過光功率對準(zhǔn)系統(tǒng)對準(zhǔn)后熔接的熔接點質(zhì)量可以很好的提高高功率光纖激光器的輸出性能；此外，可以利用本發(fā)明系統(tǒng)對熔接機熔接程序進(jìn)行調(diào)試，將熔接機中熔接參數(shù)調(diào)到熔接的最佳狀態(tài)，對高功率光纖激光器輸出功率的提高和光束質(zhì)量的優(yōu)化具有重要意義。