本發(fā)明屬于光纖激光領(lǐng)域，涉及一種基于錐形光纖的高功率光纖端帽。

背景技術(shù)：

二十世紀(jì)八十年代后期，隨著光纖制作工藝的成熟和固體激光器的發(fā)展，光纖激光器開始成為研究熱點(diǎn)，而隨著雙包層光纖和包層泵浦技術(shù)的日漸成熟，高功率光纖激光器開始取得突破性的進(jìn)展。由于光纖激光器具有體積小、重量輕、熱管理方便、光束質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，近幾年來(lái)，光纖輸出的高功率光纖激光器已經(jīng)在光通信、材料加工、醫(yī)學(xué)診療、信息存儲(chǔ)、激光印刷、激光測(cè)控、激光光譜學(xué)以及非線性頻率轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

隨著光纖激光輸出功率的不斷提高，光纖纖芯中的功率密度也隨之不斷攀升。而由于光纖的輸出端面在切割、研磨、拋光等處理的過(guò)程中，不可避免的會(huì)在光纖的端面留下缺陷與損傷，使得局部電場(chǎng)加強(qiáng)，造成材料破壞，所以在大功率光纖激光系統(tǒng)中，光纖輸出端面處理是一項(xiàng)重要的核心技術(shù)。光纖端帽就是實(shí)現(xiàn)光纖端面保護(hù)的高功率光纖無(wú)源器件，通過(guò)對(duì)輸出光纖的擴(kuò)束降低輸出端的光功率密度，從而保護(hù)光纖端面不受損壞。

傳統(tǒng)的光纖端帽使用普通的纖芯尺寸均勻的光纖與擴(kuò)束石英塊相熔接來(lái)達(dá)到擴(kuò)束和保護(hù)輸出端面的作用。為了保持光束質(zhì)量，一般光纖端帽中傳能光纖的尺寸與激光器輸出光纖尺寸保持一致，在工業(yè)應(yīng)用中一般需要10-20米甚至更長(zhǎng)的光纖，這會(huì)導(dǎo)致傳能光纖中的非線性效應(yīng)產(chǎn)生，嚴(yán)重影響激光器的使用。在光纖中的非線性效應(yīng)中，以受激拉曼散射與受激布里淵散射為主。這兩種非線性效應(yīng)的閾值都與光纖系統(tǒng)中的光纖長(zhǎng)度密切相關(guān)，加入端帽后由于整體光纖長(zhǎng)度的增加，光纖纖芯中的非線性效應(yīng)相互作用距離變長(zhǎng)，使得非線性效應(yīng)的閾值大大降低，從而限制的這種傳統(tǒng)光纖端帽在大功率光纖激光系統(tǒng)、尤其是單模高光束質(zhì)量光纖激光系統(tǒng)中的應(yīng)用。

另一方面，在高功率光纖激光系統(tǒng)中，由于泵浦光吸收不完全、光纖彎曲等因素，將會(huì)不可避免的會(huì)有包層光的殘留。將包層光與信號(hào)光一同輸出將會(huì)降低輸出光束的整體質(zhì)量，所以在輸出系統(tǒng)中也需要對(duì)包層光進(jìn)行剝除。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述已有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種基于錐形光纖的高功率光纖端帽，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能夠提高提高纖芯激光輸出承受能力、有效抑制非線性效應(yīng)、有效保持激光光束質(zhì)量。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種基于錐形光纖的高功率光纖端帽，包括錐形光纖、石英塊以及端帽外殼；錐形光纖的大端從端帽外殼的一端穿入到端帽外殼內(nèi)部并固定于端帽外殼上，端帽外殼的另一端開設(shè)有供石英塊伸入的腔體，所述石英塊伸入端帽外殼內(nèi)部的一端為圓錐臺(tái)形端頭，石英塊伸出端帽外殼之外的一端為圓柱體形且石英塊伸出端帽外殼之外的圓柱端端面上鍍有增透膜；在端帽外殼內(nèi)部，石英塊的圓錐臺(tái)形端頭與錐形光纖的大端相熔接，在石英塊伸出端帽外殼之外的一端的端帽外殼上設(shè)置有輸出端帽保護(hù)窗，輸出端帽保護(hù)窗將石英塊伸出端帽外殼之外的圓柱端封閉在其內(nèi)部。

錐形光纖是指光纖的纖芯直徑隨著光纖長(zhǎng)度的變化而逐漸變大，可以是摻稀土粒子的增益光纖和普通非摻雜的能量傳輸光纖。根據(jù)纖芯直徑大小，可以將錐形光纖的兩端分為大端和小端，錐形光纖的纖芯直徑較大一端為大端，纖芯直徑較小一端為小端。小端在端帽外殼外與光纖激光系統(tǒng)的輸出光纖相熔接，大端在端帽外殼內(nèi)與石英塊進(jìn)行熔接。錐形光纖可以是單包層錐形光纖，可以是雙包層錐形光纖，也可以是多包層即包層為三層即以上。所述單包層錐形光纖由纖芯、內(nèi)包層和涂覆層組成，纖芯的外表面從內(nèi)到外依次設(shè)有內(nèi)包層和涂覆層，纖芯和內(nèi)包層的直徑隨著光纖長(zhǎng)度的增長(zhǎng)而線性變大，涂覆層的厚度固定，并不隨光纖的長(zhǎng)度而發(fā)生變化。所述雙包層錐形光纖由纖芯、內(nèi)包層、外包層和涂覆層組成，纖芯的外表面依次設(shè)有內(nèi)包層、外包層和涂覆層，纖芯和內(nèi)包層的直徑隨著光纖的長(zhǎng)度的增長(zhǎng)而線性變大，外包層和涂覆層的厚度固定，并不隨光纖的長(zhǎng)度而發(fā)生變化。

對(duì)于雙包層錐形光纖，伸入端帽外殼內(nèi)部的雙包層錐形光纖的一端在伸入端帽外殼內(nèi)部之前需去除其涂覆層，即伸入端帽外殼內(nèi)部的雙包層錐形光纖是一段去除涂覆層的光纖。在去除涂覆層的光纖表面利用紫外固化膠進(jìn)行涂覆并固化，形成一個(gè)包層光剝離器。

本發(fā)明中的端帽外殼用于固定錐形光纖、石英塊以及輸出端帽保護(hù)窗片。在端帽外殼內(nèi)部可以設(shè)置流動(dòng)的冷卻液輔助散熱。端帽外殼內(nèi)部為空腔，錐形光纖的大端從端帽外殼的一端伸入端帽外殼內(nèi)部的空腔，石英塊的圓錐臺(tái)形端頭從端帽外殼的另一端伸入端帽外殼內(nèi)部的空腔，在端帽外殼內(nèi)部空腔中，石英塊的圓錐臺(tái)形端頭與錐形光纖的大端相熔接；所述端帽外殼的側(cè)壁上設(shè)置有冷卻液輸入接口和冷卻液輸出接口，冷卻液從冷卻液輸入接口進(jìn)入端帽外殼內(nèi)部空腔，從冷卻液輸出接口流出，在端帽外殼內(nèi)部形成流動(dòng)的冷卻液。

本發(fā)明的基本原理如下：

在大功率光纖激光系統(tǒng)中，受激非彈性散射，即受激拉曼散射(下簡(jiǎn)稱srs)與受激布里淵散射(下簡(jiǎn)稱sbs)，是限制功率提升的重要因素。在電子工業(yè)出版社出版的由g.p.agrawal所著的《非線性光纖光學(xué)原理與應(yīng)用》一書中將srs和sbs的閾值公式總結(jié)如下：

其中，gr和gb分別為拉曼增益系數(shù)與布里淵增益系數(shù)。aeff為光纖的有效截面積，leff為光纖的有效長(zhǎng)度。在光纖材料一定的情況下，拉曼與布里淵散射的增益系數(shù)為常數(shù)，那么這兩種非線性效應(yīng)的閾值則與光纖有效截面積成正比而與光纖有效長(zhǎng)度成反比。通常在光纖端帽中所使用的光纖(一般稱為尾纖)是與光纖系統(tǒng)光纖尺寸相匹配的傳能光纖，而尾纖的加入使得系統(tǒng)光纖有效長(zhǎng)度增加而引起非線性效應(yīng)的閾值降低。而在錐形光纖中，我們可以使錐形光纖的小端尺寸與光纖激光系統(tǒng)光纖尺寸保持一致，而后隨著長(zhǎng)度的變化，光纖的纖芯尺寸不斷變大。這樣，光纖有效截面積隨著光纖長(zhǎng)度的增加而增加，從而提高了非線性效應(yīng)的閾值，可以比較有效地抑制光纖激光系統(tǒng)中有害非線性效應(yīng)的產(chǎn)生。請(qǐng)參閱說(shuō)明書附圖4，圖4展示了理論計(jì)算的芯徑直徑為20微米增益光纖(圖4(a))和芯徑從20微米逐漸增大至45微米的長(zhǎng)錐形增益光纖(圖4(b))中的拉曼信號(hào)強(qiáng)度對(duì)比。從圖4中可以看出，長(zhǎng)錐形光纖的拉曼強(qiáng)度要遠(yuǎn)低于普通的芯徑為20微米。同時(shí)，由于錐形光纖沿正向芯徑逐漸增加，那么對(duì)于后向回光來(lái)說(shuō)，芯徑就是逐漸減小的，而芯徑減小所帶來(lái)的后向回光損耗不僅能夠有效防止有害反饋對(duì)光纖激光系統(tǒng)的損傷，還能夠從一定程度上從抑制后向光的角度抑制受激布里淵散射。另一方面，根據(jù)理論分析(參見(jiàn)shicheng,etal.,theoreticalstudyofmodeevolutioninactivelongtaperedmultimodefiber.opticsexpress,2016.24(17):p.19473-19490)，錐形光纖本身具有能夠保持注入激光光束質(zhì)量的特點(diǎn)。請(qǐng)參閱說(shuō)明書附圖5，圖5展示了長(zhǎng)錐形光纖光束質(zhì)量演化以及輸出光斑的仿真結(jié)果，輸出的光束質(zhì)量與輸入的光束質(zhì)量基本保持一致，也就是說(shuō)長(zhǎng)錐形光纖在纖芯直徑逐漸增大的過(guò)程中并不會(huì)引起光束質(zhì)量的嚴(yán)重退化，從而可以保持激光系統(tǒng)原本優(yōu)良的光束質(zhì)量。

本發(fā)明中的石英塊位于端帽殼體外側(cè)的激光輸出端面上鍍有增透膜。增透膜可以有效降低激光功率的損耗，同時(shí)減小后向回光反饋，保護(hù)光纖激光系統(tǒng)不受損傷。

本發(fā)明中，石英塊與錐形光纖相熔接的一端為圓錐臺(tái)形，即兩端為圓形端面的圓錐形。石英塊伸出端帽殼體之外的一端為圓柱形。其中位于端帽殼體內(nèi)部的圓錐臺(tái)形結(jié)構(gòu)可以使得反向回光無(wú)法耦合進(jìn)尾纖中，減少可能的后向回光反饋，有效提高了光纖激光的安全性和工作地穩(wěn)定性。

進(jìn)一步地，本發(fā)明在端帽外殼的內(nèi)部可以設(shè)置冷卻空腔與冷卻介質(zhì)循環(huán)通道用以應(yīng)對(duì)高功率激光的應(yīng)用場(chǎng)景。冷卻介質(zhì)的出入口與冷卻空腔連通，可以通過(guò)外置循環(huán)設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻介質(zhì)的循環(huán)，從而提高端帽的冷卻效果。

采用本發(fā)明可以達(dá)到以下技術(shù)效果：

(1)使用錐形光纖作為端帽的尾纖，在對(duì)光纖激光系統(tǒng)光纖輸出端面提供保護(hù)的同時(shí)，可以有效抑制大功率光纖激光系統(tǒng)中可能存在的非線性效應(yīng)(如srs和sbs)以及有害的后向回光；

(2)在對(duì)光纖激光系統(tǒng)光纖輸出端面提供保護(hù)的同時(shí)，可以保持良好的光束質(zhì)量，特別適合于單模高光束質(zhì)量激光的功率傳輸；

(3)通過(guò)對(duì)光纖端帽的殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以使之應(yīng)對(duì)各種應(yīng)用場(chǎng)景，諸如大功率光纖激光器等。

附圖說(shuō)明

圖1基于單包層錐形光纖的高功率光纖端帽結(jié)構(gòu)示意圖

圖2雙包層錐形光纖結(jié)構(gòu)示意圖

圖3單包層錐形光纖結(jié)構(gòu)示意圖

圖4不采用和采用本發(fā)明時(shí)在不同泵浦形式下的激光器輸出拉曼功率對(duì)比圖；其中圖4(a)是不采用本發(fā)明時(shí)在不同泵浦形式下的激光器輸出拉曼功率圖；其中圖4(b)是采用本發(fā)明時(shí)在不同泵浦形式下的激光器輸出拉曼功率圖

圖5本發(fā)明提供的錐形光纖保持光束質(zhì)量的計(jì)算結(jié)果；其中圖5(a)為錐形光纖中基模和高階模功率變化曲線；圖5(b)為錐形光纖光束質(zhì)量m²變化曲線；圖5(c)、(d)分別為錐形光纖輸入和輸出光斑形態(tài)圖。

圖6基于雙包層錐形光纖的高功率光纖端帽結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1、單包層錐形光纖；2、端帽外殼；3、石英塊；4、增透膜；5、輸出端帽保護(hù)窗；6、雙包層錐形光纖；7、去除涂覆層的光纖；8、紫外固化膠；9、冷卻液輸入接口；10、冷卻液輸出接口；11、空腔；2-1、纖芯；2-2、內(nèi)包層；2-3、外包層；2-4、涂覆層；

本發(fā)明目的的實(shí)現(xiàn)、功能特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)將結(jié)合實(shí)施例，參照附圖做進(jìn)一步說(shuō)明。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。

本發(fā)明提出的錐形光纖是指光纖的纖芯直徑隨著光纖長(zhǎng)度的變化而逐漸變大，可以是摻稀土粒子的增益光纖和普通非摻雜的能量傳輸光纖。根據(jù)纖芯直徑大小，可以將錐形光纖的兩端分為大端和小端。參閱圖2和圖3。圖2中展示了雙包層錐形光纖的示意圖，其由纖芯2-1、內(nèi)包層2-2、外包層2-3以及涂覆層2-4組成，纖芯2-1的外表面依次設(shè)有內(nèi)包層2-2、外包層2-3和涂覆層2-4，纖芯2-1和內(nèi)包層2-2的直徑隨著光纖的長(zhǎng)度的增長(zhǎng)而線性變大，外包層2-3和涂覆層2-4的厚度固定，并不隨光纖的長(zhǎng)度而發(fā)生變化。圖3中展示了單包層錐形光纖，其由纖芯2-1、內(nèi)包層2-2以及涂覆層2-4組成；纖芯2-1的外表面依次設(shè)有內(nèi)包層2-2和涂覆層2-4，纖芯2-1和內(nèi)包層2-2的直徑隨著光纖的長(zhǎng)度的增長(zhǎng)而線性變大，涂覆層2-4的厚度固定，并不隨光纖的長(zhǎng)度而發(fā)生變化。錐形光纖與傳統(tǒng)光纖的不同之處在于其內(nèi)包層與纖芯的幾何尺寸隨著光纖長(zhǎng)度的增加逐漸變大，通常這種芯徑變化在光纖制作過(guò)程中通過(guò)改變拉絲速度來(lái)實(shí)現(xiàn)。錐形光纖中芯徑較大和較小的端口分別被稱為大端與小端。雙包層錐形光纖其小端纖芯直徑的典型尺寸為10μm～50μm，大端纖芯直徑的典型尺寸為50μm～200μm。單包層錐形光纖其小端纖芯直徑的典型尺寸為6μm～10μm，大端纖芯直徑的典型尺寸為20μm～50μm。

實(shí)施例1：請(qǐng)參閱圖1，一種基于單包層錐形光纖的高功率光纖端帽，包括單包層錐形光纖1、石英塊3以及端帽外殼2，單包層錐形光纖1的大端從端帽外殼2的一端穿入到端帽外殼2內(nèi)部并固定于端帽外殼2上，端帽外殼2的另一端開設(shè)有供石英塊3伸入的腔體，所述石英塊3伸入端帽外殼內(nèi)部的一端為圓錐臺(tái)形端頭，石英塊3伸出端帽外殼2之外的一端為圓柱體形且石英塊3伸出端帽外殼2之外的圓柱端端面上鍍有增透膜4；在端帽外殼2內(nèi)部，石英塊3的圓錐臺(tái)形端頭與錐形光纖1的大端相熔接，在石英塊3伸出端帽外殼2之外的一端的端帽外殼2上設(shè)置有輸出端帽保護(hù)窗5，輸出端帽保護(hù)窗5將石英塊伸出端帽外殼之外的圓柱端封閉在其內(nèi)部，防止輸出端面污染。

圖4為不采用和采用本發(fā)明時(shí)在不同泵浦形式下的激光器輸出拉曼功率對(duì)比。其中圖4(a)為不采用本發(fā)明時(shí)激光器的拉曼功率，圖4(a)中增益光纖的纖芯直徑20μm、長(zhǎng)度11m，前向泵浦時(shí)，拉曼功率大于110w；圖4(b)采用本發(fā)明提供的纖芯尺寸由20μm漸變至45μm、長(zhǎng)度11m的長(zhǎng)錐形增益光纖后激光器輸出拉曼功率，在2.3w以下。對(duì)比圖4(a)、圖4(b)可知，采用本發(fā)明提供的技術(shù)方案，可以極大降低激光器的非線性效應(yīng)。

圖5為本發(fā)明提供的錐形光纖保持光束質(zhì)量的計(jì)算結(jié)果。其中圖5(a)為錐形光纖中基模和高階模功率變化曲線；圖5(b)錐形光纖光束質(zhì)量m²變化曲線；圖5(c)、(d)分別為錐形光纖輸入和輸出光斑形態(tài)。結(jié)果表明，使用錐形光纖時(shí)，能夠保持輸入時(shí)較好的光束質(zhì)量和光斑形態(tài)。

實(shí)施例2：請(qǐng)參閱圖6，一種基于雙包層錐形光纖的高功率光纖端帽結(jié)構(gòu)示意圖。對(duì)于雙包層錐形光纖6，伸入端帽外殼2內(nèi)部的雙包層錐形光纖6的一端在伸入端帽外殼2內(nèi)部之前需去除其涂覆層2-4，即伸入端帽外殼2內(nèi)部的雙包層錐形光纖6是一段去除涂覆層的光纖7。在去除涂覆層的光纖7表面利用紫外固化膠8進(jìn)行涂覆并固化，形成一個(gè)包層光剝離器。

在端帽外殼2內(nèi)部設(shè)置流動(dòng)的冷卻液輔助散熱。本實(shí)施例中，端帽外殼2內(nèi)部為空腔11。將處理后的雙包層錐形光纖6的大端從端帽外殼2的一端穿入到端帽外殼2內(nèi)部空腔并固定于端帽外殼2上。端帽外殼2的另一端開設(shè)有供石英塊3伸入的腔體，所述石英塊3伸入端帽外殼內(nèi)部的一端為圓錐臺(tái)形端頭，石英塊3伸出端帽外殼2之外的一端為圓柱體形且石英塊3伸出端帽外殼2之外的圓柱端端面上鍍有增透膜4；在端帽外殼2內(nèi)部空腔11中，石英塊3的圓錐臺(tái)形端頭與錐形光纖1的大端相熔接，在石英塊3伸出端帽外殼2之外的一端的端帽外殼2上設(shè)置有輸出端帽保護(hù)窗5，輸出端帽保護(hù)窗5將石英塊伸出端帽外殼之外的圓柱端封閉在其內(nèi)部，防止輸出端面污染。所述端帽外殼2的側(cè)壁上設(shè)置有冷卻液輸入接口9和冷卻液輸出接口10，冷卻液從冷卻液輸入接口9進(jìn)入端帽外殼2內(nèi)部空腔11，從冷卻液輸出接口10流出，在端帽外殼2內(nèi)部空腔11中形成流動(dòng)的冷卻液。

在使用過(guò)程中，可以通過(guò)外部循環(huán)水冷機(jī)將冷卻水從端帽外殼2上的冷卻液輸入接口以及冷卻液輸出接口進(jìn)出，實(shí)現(xiàn)循環(huán)制冷以達(dá)到良好的制冷效果。將冷卻空腔內(nèi)的長(zhǎng)錐形雙包層傳能光纖的其中一段長(zhǎng)度去掉涂覆層，并在其上涂覆紫外固化膠。紫外固化膠的折射率可以與雙包層光纖內(nèi)包層材料的折射率相匹配，從而可以將光纖內(nèi)包層中的未吸收完全的泵浦光以及高階模式信號(hào)光剝除。冷卻空腔中充滿冷卻介質(zhì)，冷卻介質(zhì)可以將從紫外固化膠中剝離出來(lái)的光傳化成熱量吸收并帶走。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于上述實(shí)施例，凡屬于本發(fā)明思路下的技術(shù)方案均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理前提下的若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。