阅读说明：本技术 一种超低损耗的大模场光纤侧面泵浦合束器及其制作方法 (Ultra-low-loss large-mode-field optical fiber side pumping beam combiner and manufacturing method thereof ) 是由 熊波波 邹达 于 2020-04-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种超低损耗的大模场光纤侧面泵浦合束器及其制作方法,该方法包括以下步骤：将大模场信号光纤和泵浦光纤中对应熔融结合部处的涂覆层除去,露出内部的包层；将两根泵浦光纤中裸露的包层分别紧密贴合在大模场信号光纤中包层的两侧以形成光纤束；而后对光纤束中的包层区域进行熔烧加热；在加热至熔融状态时拉伸光纤束,使大模场信号光纤中熔融区域的尺寸被拉细变小形成两端对称的锥形结构,而后使光纤束恢复至室温后形成固态,将大模场信号光纤和泵浦光纤熔接形成一体。本发明通过在熔烧过程中适当拉细光纤,减弱机器、夹具、重力和热应力因素对大模场信号光纤产生的微小形变,从而使得基模信号通过熔烧区时发生畸变的程度非常小。(The invention discloses an ultra-low loss large mode field optical fiber side pumping beam combiner and a manufacturing method thereof, wherein the method comprises the following steps: removing the coating layer at the corresponding fusion joint part in the large mode field signal fiber and the pump fiber to expose the inner cladding; respectively and tightly attaching the bare cladding layers of the two pump optical fibers to two sides of the cladding layer of the large mode field signal optical fiber to form an optical fiber bundle; then, carrying out sintering heating on the cladding region in the optical fiber bundle; and stretching the optical fiber bundle when the large mode field signal optical fiber is heated to a molten state, so that the size of a molten area in the large mode field signal optical fiber is thinned and reduced to form a tapered structure with two symmetrical ends, then the optical fiber bundle is restored to room temperature to form a solid state, and the large mode field signal optical fiber and the pump optical fiber are welded into a whole. The invention reduces the tiny deformation of the large mode field signal optical fiber caused by machine, clamp, gravity and thermal stress factors by properly thinning the optical fiber in the sintering process, thereby ensuring that the distortion degree of the basic mode signal is very small when the basic mode signal passes through the sintering area.)

一种超低损耗的大模场光纤侧面泵浦合束器及其制作方法

技术领域

本发明属于光纤技术领域，具体涉及一种超低损耗的大模场光纤侧面泵浦合束器及其制作方法。

背景技术

高功率光纤激光器已被广泛应用于工业加工、医疗、国防军事等领域。在光纤激光器中，高功率光纤器件的性能显得尤为重要。由于大模场光纤的芯径面积较大，可以提高非线性效应(SPM、SBS、SRS等)的阈值，从而保证信号光的脉宽、频谱宽度等特性不被改变。因此，大模场光纤适合于高平均功率的传输，并已广泛应用于高功率光纤激光领域。

光纤设计中有一个很重要的参数：归一化频率(V参数)，来衡量光纤中可允许传输的模式数量；当V<2.405时，则只能传输基模，我们称为单模光纤，单模光纤的光纤本体一般都很小(<6um),NA较大；而大模场光纤一般都不是单模光纤，V>2.405，芯径一般很大(10-50um)，通过降低NA，来减小 V参数，控制可允许传输的模式数目，从而维持较好的光束质量。

大模场光纤的归一化频率(V参数)较大，因此它不是单模光纤，可允许多个模式在光纤中传输；在实际应用中，大模场光纤由于受外界因素的影响，或者自身形态结构的变化，部分基模信号转化为高阶模，导致光束质量下降。

大模场光纤用来制作高功率光纤器件时，经常需要进行熔烧的工艺步骤，将光纤加热软化，达到熔融状态，然后跟其他光纤熔合在一起。例如，制作信号输入和输出均为大模场光纤的侧面泵浦合束器时，需要将泵浦光纤贴合在大模场信号光纤的表面一起熔烧，传统的制作工艺都是单纯熔烧，保持大模场光纤包层和纤芯的尺寸不变，但在熔烧过程中，大模场光纤无法避免地发生微小形变。目前该类器件在工业应用上的基模信号损耗一般在0.5dB以上。

大模场光纤在熔烧过程中发生微小形变，主要跟以下因素有关：

1)机器、夹具的影响，机器的振动会使熔融状态的光纤发生形变，两侧固定夹具的微小错位导致熔烧区也发生微观上的错位。

2)热应力的影响：熔烧过程只是发生在大模场直径光纤中间的一小段区域，熔烧区被加热至熔融状态，但两侧光纤仍然是固态，熔烧区受热应力的影响会发生弯曲。

3)重力使得光纤熔融区域下垂，发生微观上的弯曲。

在目前的工业应用上，大模场光纤的芯径一般都是10-30um，上述因素导致的微小形变很容易就达到10um以上，对芯径的形状结构、同轴性、对称度都有明显的改变，注入的基模信号，经过熔烧区就会被激发为高阶模式，导致基模信号的损耗变大。

光纤器件的大损耗会导致激光器需要更高的泵浦功率以到达同样的功率输出，这样会引入更多的噪声，从而降低整机性能和可靠性，同时，畸变的高阶模式也会降低激光器的输出光束质量。

发明内容

本发明目的在于为克服现有的技术缺陷，提供一种超低损耗的大模场光纤侧面泵浦合束器的制作方法，通过在熔烧过程中适当拉细光纤束，减弱机器、夹具、重力和热应力因素对大模场光纤产生的微小形变，从而使得基模信号通过熔烧区时发生畸变的程度非常小。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种超低损耗的大模场光纤侧面泵浦合束器的制作方法，用于将两根泵浦光纤和一根大模场信号光纤通过熔融拉锥形成一体，所述制作方法包括以下步骤：

S1、将大模场信号光纤和泵浦光纤两者中对应熔融结合部处的涂覆层除去，露出大模场信号光纤和泵浦光纤内部的包层；

S2、将两根泵浦光纤预先拉细，然后将拉细部位分别紧密贴合在大模场信号光纤中裸露的包层的两侧以形成光纤束；

S3、而后对光纤束中各光纤贴合的包层区域进行熔烧加热；

S4、在贴合的包层区域被加热至熔融状态时拉伸光纤束，使大模场信号光纤中熔融区域的尺寸被拉细变小形成两端对称的锥形结构，拉伸结束后逐步降低熔烧的温度直至完全退出加热，使光纤束恢复至室温后形成固态，从而将大模场信号光纤和泵浦光纤熔接形成一体。

进一步的，步骤S1中，去除涂覆层后，通过酒精擦拭的方式将大模场信号光纤和泵浦光纤中裸露的包层清洁干净。

进一步的，步骤S2中，大模场信号光纤和泵浦光纤两者的包层贴合后，在贴合区域的两端用胶纸将两者固定。

进一步的，步骤S2和S3之间还包括以下步骤：

S21、将大模场信号光纤的两端分别接入信号光源和功率计中，且大模场信号光纤和泵浦光纤两者间贴合的包层区域位于信号光源和功率计之间；在大模场信号光纤与信号光源和功率计之间均设有光纤模场适配器，大模场信号光纤的两端分别接入两个光纤模场适配器中，且光纤模场适配器与信号光源和功率计之间均通过单模光纤连通。

进一步的，步骤S3中，将光纤束置于拉锥机上，并用对称设置的两个夹具分别夹紧光纤束中贴合区域的两端，而后用拉锥机上的氢氧焰对贴合区域进行熔烧加热，而后通过贴合区域两端的夹具分别朝相反的方向缓慢移动分离的方式拉伸光纤束。

进一步的，步骤S4中，在贴合的包层区域被加热至熔融状态且熔烧加热 100-500s后再缓慢拉伸光纤束。

进一步的，步骤S4中，拉伸时的速率控制在5mm/min，且拉伸的长度控制在8mm以内。

进一步的，步骤S1和S2之间还包括以下步骤：

S11、先将泵浦光纤置于拉锥机上，而后采用熔融拉锥的方式将泵浦光纤中裸露的包层拉细。

进一步的，步骤S4中，拉伸结束后分四个阶段逐步降低熔烧的温度，最后使光纤束冷却恢复至室温；所述四个阶段包括：

第一阶段：降温至1400℃熔烧加热20s；

第二阶段：降温至1000℃熔烧加热20s；

第三阶段：降温至500℃熔烧加热20s；

第四阶段：直接去除加热，使光纤束冷却恢复至室温。

还提供了一种超低损耗的大模场光纤侧面泵浦合束器，其特征在于，由权利要求1-9任一项所述的制作方法制作而成。

本发明具有以下有益效果：

本发明通过在光纤束熔烧过程中适当拉细熔融结合部处的光纤，利用拉伸力的作用来减弱机器、夹具、重力和热应力因素对大模场光纤产生的微小形变，从而使得基模信号通过熔烧区时发生畸变的程度尽量少，可有效控制在制作大模场光纤器件时的基模信号插损，大大提高器件本身的综合性能，从而进一步提高激光器的信号输出功率和光束质量，提高激光器产品的性能、可靠性和稳定性，提高工业生产效率；还在熔烧光纤束前将大模场信号光纤的两端分别接入信号光源和功率计中，可用于测试大模场光纤的信号损耗程度，使得在熔烧和拉伸过程中，能实时观测光纤信号经过熔烧区域的变化情况，确保熔融拉伸的质量；泵浦光纤与大模场信号光纤贴合后用胶带固定，确保两者有效的紧密贴合在一起，并使两者间的相对位置保持稳定，不会发生移位，使熔融拉伸后的质量更高、更稳定；还通过对称设置的两个夹具分别夹紧光纤束中贴合区域的两端，进一步保障两者间的相对位置不发生移动，且通过两个夹具分别朝相反的方向缓慢移动分离的方式来拉伸光纤束，使光纤束被拉伸时成一条直线，避免拉伸时因错位导致光纤发生形变的问题；并且本发明控制熔烧加热100-500s后再缓慢拉伸光纤束，确保包层区域整体达到熔融态，避免因熔烧加热时间不够出现包层的表面是熔融态而包层中心还是固态导致拉伸时光纤束被拉断的问题。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1为实施例中大模场信号光纤与监控光路连接的示意图；

图2为实施例中两个对称设置的夹具的示意图；

图3为实施例中将泵浦光纤贴合于大模场信号光纤两侧的示意图；

图4为实施例中光纤束被熔融拉伸后的示意图。

其中，1-夹具，11-第一夹口，12-第二夹口，2-泵浦光纤，3-大模场信号光纤。

具体实施方式

为了更充分的理解本发明的技术内容，下面将结合附图以及具体实施例对本发明作进一步介绍和说明。

为了说明发明构思的可行性，结合本发明的技术内容、所实现目的及效果予以说明。

实施例

如图3所示，本实施例以制作超低损耗的大模场光纤侧面泵浦合束器为例，说明将大模场光纤在熔烧过程拉细，可以实现非常小的基模损耗的合束器；具体包括两根泵浦光纤2和一根大模场信号光纤3，其中泵浦光纤的型号为105/125 0.22NA，大模场信号光纤的型号为25/250 0.07/0.46NA，需要将泵浦光纤拉细后贴合在大模场信号光纤的表面上，然后熔烧在一起，便可实现泵浦光耦合至大模场信号光纤的包层中传输，具体制作过程包括以下步骤：

a、准备好氢氧焰拉锥机和与上述光纤型号对应的夹具，而后采用热剥法或腐蚀法去除大模场信号光纤和泵浦光纤中对应熔融结合部处(即熔接区域，具体为两者的中间段处)的外层涂覆层，露出大模场信号光纤和泵浦光纤内部的包层，然后采用酒精擦拭的方式将裸露的包层区域清洁干净。

b、将两根泵浦光纤分别置于氢氧焰拉锥机，而后采用熔融拉锥的方式将泵浦光纤中裸露的包层区域中间的外径拉细至大小为15-25μm。

c、将两根泵浦光纤中的拉细部位分别紧密贴合在大模场信号光纤中裸露的包层外周的两侧以形成光纤束(如图3所示)，并在贴合的包层区域的两端用胶纸将大模场信号光纤和泵浦光纤固定在一起，避免各光纤出现移位的问题。

d、将大模场信号光纤接入监控信号变化的监控光路中；具体的，将大模场信号光纤的两端分别接入信号光源和功率计中，且大模场信号光纤和泵浦光纤两者间贴合的包层区域位于信号光源和功率计之间；在大模场信号光纤与信号光源和功率计之间均设有光纤模场适配器，大模场信号光纤的两端分别接入两个光纤模场适配器中，且光纤模场适配器与信号光源和功率计之间均通过单模光纤连通(如图1所示)。

e、将光纤束置于氢氧焰拉锥机上，并用设于氢氧焰拉锥机上并左右对称设置的两个夹具分别夹紧光纤束中贴合区域的两端，而后用氢氧焰拉锥机上的氢氧焰对泵浦光纤和大模场信号光纤两者贴合的包层区域进行熔烧加热。

上述步骤e中，左右对称设置的两个夹具1的具体结构如图2所示，其中每一个夹具1均包括设于其中间并水平贯穿设置的第一夹口11(即用于放置大模场信号光纤的线槽)以及两个分设于第一夹口两侧并倾斜贯穿设置的第二夹口(即用于放置泵浦光纤的线槽)，第一夹口和第二夹口分别用于夹紧大模场信号光纤和泵浦光纤，其中第二夹口的倾斜由夹持的外侧端现象内侧端倾斜，用于更好的与泵浦光纤配合，以使位于两夹具间的泵浦光纤呈弧状结构(如图3所示)，迫使其更好的与大模场信号光纤紧密贴合在一起。

f、在贴合的包层区域被加热至熔融状态且熔烧加热100s后通过两个夹具缓慢拉伸光纤束，使大模信号光纤中熔融区域的尺寸被拉细变小形成两端对称的锥形结构(如图4所示)，拉伸结束后逐步降低熔烧的温度直至完全退出加热，使光纤束恢复至室温后形成一体的固态，从而将大模场信号光纤和泵浦光纤熔接形成一体；具体的，夹具在拉伸时，通过控制贴合区域两端的夹具均沿大模场信号光纤的径向方向并分别朝相反的方向缓慢移动，从而实现光纤束的拉伸。

上述步骤f中，为了避免熔烧区域因降温过快而影响到其固化后的品质，通过调节氢氧焰的氢起和氧气输出量来改变熔烧的温度，使拉伸结束后分四个阶段逐步降低熔烧的温度，最后使光纤束逐渐冷却恢复至室温；该四个阶段包括：

第一阶段：降温至1400℃熔烧加热20s；

第二阶段：降温至1000℃熔烧加热20s；

第三阶段：降温至500℃熔烧加热20s；

第四阶段：直接去除加热(即直接关闭氢气和氧气的输出，熄灭氢氧焰)，使光纤束逐渐冷却恢复至室温。

该实施例中，通过接入大模场信号光纤的监控光路的监控数据曲线表明，整个熔烧加热过程，大模场信号光纤的信号损耗基本不变，维持一条平坦的直线，最终变化量≤0.1db，测试泵浦效率能达到95％以上。

本发明的其它实施例中，步骤f后还包括采用外封管和填充于外封管内的导热介质对熔烧后裸露的包层区域进行封装的步骤。

本发明的其它实施例中，当将大模场信号光纤改为保偏类型的大模场光纤时，在熔接过程中适当进行拉细，基模信号的消光比变化量也很小(小于 2dB)；可见，本发明方法同时适合保偏和非保偏类型的大模场光纤。

本发明的其它实施例中，当与大模场信号光纤熔接的泵浦光纤为三根或三根以上时，多根泵浦光纤以环形阵列的方式紧密贴合在大模场信号光纤的外周。

以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。