具有准直功能的光纤端帽及其制备方法

1.本发明是涉及激光器件，特别是一种具有准直功能的光纤端帽及其制备方法。


背景技术：

2.在光纤的输出端连接端帽可以扩大光斑，有效减少由于功率密度过高带来的光纤损伤。在一些特殊的使用领域，要求光纤端帽兼具有准直的功能，因此需要将端帽的一面加工成球透镜。
3.目前，光纤端帽球透镜的主体制作方式是机械加工，该方式的工艺成熟，可以满足各种不同的需求。但机械加工过程不可避免的给端面材料本身带来损伤，如划痕等，这些损伤在光纤端帽的使用过程中，会大幅降低端帽的耐受功率等性能。且机械加工方法只能适用于具有一定尺寸的材料，对于百微米甚至几十微米的材料，无法使用机械加工方法。专利cn107015320a采用离子束刻蚀的方法可以有效的避免机械加工过程中的损伤，提高光纤端帽的使用性能。但离子束刻蚀是在真空条件下，将惰性气体离子化，使其以一定的速度投射到材料表面，通过微观的机械撞击实现加工，这种加工的本质是离子撞击减薄来获得想要的球面。因此对于一定尺寸的端帽来说，采用离子束刻蚀的方法不能获得比端帽尺寸更大外径的球形准直区。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种更有效、更灵活制备带准直功能光纤端帽的方法，该方法通过加热熔融法来实现，可以适用任何常规光学材料。该方法以克服现有技术的不足，该方法可以快捷、高效、灵活的制备可获得准直激光输出的端帽。
5.本发明采用如下技术方案：
6.一种具有准直功能的光纤端帽，其特点在于，包括扩束区域和准直区域，所述的扩束区域是长度为l1、半径为r1的圆柱形，且无波导结构，所述的准直区域是曲率半径为r2的球透镜，扩束区域与光纤直接相连，光纤输出激光在扩束区域内按照发散角自由传输。准直区域将扩束区域输出的发散光准直输出，准直区域由长度为l2，半径为r1的圆柱通过热熔法直接制备。长度为l1和l2的圆柱为一体的相同材料，此材料可为任何光学材料。
7.所述的光纤端帽的外径r1的范围从80微米到2000微米，r1大于光纤纤芯直径r3。
8.所述的光纤端帽的外径l1满足θ为激光输出激光发散角。
9.所述的光纤端帽的外径r2的范围从80微米到2000微米，r2＞r1。
10.所述的长度l2满足
11.一种具有准直功能的光纤端帽的制备方法，其特点在于，该方法包括如下步骤：
12.①
确定制备所述的扩束区域的长度li和准直区域的长度l2，以及光纤端帽材料的长度l，l＝l1+l2；所述的扩束区域的长度l1满足θ为激光输出激光发散角；所述的准直区域由长度为l2，半径为r1的圆柱通过热熔法制备而成，长度为l1和l2的圆柱为一
体的光学材料，所述的准直区域的外径r2的范围为80微米到2000微米，且r2≈l1(n-1)，其中，n为端帽材料的折射率；所述的长度l2满足
13.②
剥除激光传输使用的光纤输出端的涂敷层，获得倾斜1度以下的洁净输出端面；
14.③
对光纤端帽的材料进行处理，获得倾斜1度以下的洁净输入端面，将光纤输出端与光纤端帽输入端进行熔接；
15.④
按照步骤
②
得到光纤端帽材料的长度l切割光纤端帽材料；
16.⑤
打开co2熔接机的烧球程序，设置加热功率以及需要制备的准直区域的长度l2和曲率半径为r2，加热功率需要比光纤端帽材料的校正功率高20％；
17.⑥
将待加工的光纤端帽材料置于co2熔接机的加热区，进行制备，并与设计参数比对调整，形成光纤端帽的准直区域；
18.⑦
对制备的光纤端帽进行热处理，处理温度和时间根据端帽材料的热学特性进行，消除加热过程中引入的应力；
19.⑧
在所述的准直区域的球面外表面镀增透膜。
20.所述的步骤
③‑⑤
采用光纤切割刀和/或研磨机。
21.与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
22.1)光纤输出端帽包含有光斑扩大区及光斑准直球透镜区，可直接获得准直输出的激光，不需要额外的准直系统，降低激光器的使用成本。
23.2)该方法对端帽材料的尺寸容忍度大，可以弥补常规光学加工不能在百微米量级进行透镜加工的问题，且制备的球形区不存在划痕、微粒等缺陷，可以大幅提高光纤端帽的耐受功率。
24.3)可方便、灵活的精确控制球面镜准直区域的大小和曲率半径，获得不同尺寸的准直光斑，填补光学加工无法在百微米尺寸进行透镜加工的缺陷。
25.4)可最大程度减小端帽材料在机械加工过程中造成的不可控机械损伤，提高光纤端面端帽的表面性能，提高输出功率耐受性。
附图说明
26.图1是本发明具有准直功能光纤端帽的示意图；
27.图2是实施例1制备的具有准直功能的光纤端帽。
具体实施方式
28.下面结合附图对本发明的技术方案做进一步说明，但不局限如此，凡是对本发明方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围中。
29.一种具有准直功能的光纤输出端帽，包括一段常规圆柱形区域，即扩束区域2和一段具有一定曲率的球透镜区域，即准直区域3。圆柱形区域用来将光纤输出激光光斑进行扩大，球透镜区域将输出的发散激光整形为准直光斑输出。通过co2激光器对已经与光纤熔接的圆柱形光学材料进行加热，采用控制加热功率、送速度料、旋转速度的来控制生成的球透镜准直区。
30.实施例：
31.1微米激光输出光纤为30/250的石英光纤1，输出光斑为25微米，发散角为7度；制备准直输出端帽，使其输出光斑为250
±
20微米，发散角约为1度；根据激光输出光纤的波长，选择250微米外径的纯石英棒作为端帽制备材料；具体制备步骤如下：
32.1)根据输出光斑尺寸确定准直透镜直径为400微米，根据体积相等原则，制备球透镜需要的250微米外径的纯石英棒长度l1为682微米；
33.2)根据发散角确定出需要的250微米外径的纯石英棒的长度l2为1883微米，需要的端帽材料总长度l＝l1+l2为2565微米；
34.3)将30/250光纤输出端的涂敷层进行剥除，通过vytran401光纤切割刀获得倾斜角度小于1度的完整、洁净端面；
35.4)将250微米的石英棒放置在vytran401光纤切割刀上进行切割，端面倾斜角度小于1度，采用藤仓100p+熔接机，将步骤3处理的光纤与之相熔接；
36.5)使用vytan401切割刀对250微米的石英棒进行切割，切割后端面角度小于1度，切割后从熔接点到切割端面的长度为2526
±
30微米；
37.6)打开co2熔接机，对250微米石英棒进行功率校正为470bit，打开烧球程序，将球形半径设置为200微米，加热功率设置为590bit，从石英棒端面开始进行旋转加热，制备球形准直透镜；
38.7)对制作的端帽球形区进行轮廓扫描，通过与设计尺寸的对比来调整旋转速度及送料速度参数，直至获得与设计相同的端帽球形准直区；
39.8)在900摄氏度下对输出端帽进行10分钟保温，自然冷却至室温来减低残存应力；
40.9)对端帽的球形表面镀1微米增透膜。测试如图2所示的输出端帽的输出光斑的发散角约为1.2度，具有一定的准直长度。
41.本发明通过对常规圆柱形加热熔融可直接获得具有准直功能的球透镜，常规圆柱形及球透镜尺寸可以从微米变化到毫米，这是常规光学加工端帽无法实现的。

技术特征：
1.一种具有准直功能的光纤端帽，其特征在于，由扩束区域(2)和准直区域(3)一体而成，所述的扩束区域(2)是长度为l1、半径为r1的圆柱形，且无波导结构；所述的准直区域(3)是曲率半径为r2的球透镜，所述的扩束区域(2)的输入端与光纤(1)相连，所述的光纤(1)输出激光在扩束区域(2)内按照发散角自由传输，并经所述的准直区域(3)将由扩束区域(2)输出的发散光准直输出。2.根据权利要求1所述的具有准直功能的光纤端帽，其特征在于，所述的扩束区域(2)的内径r1的范围为80微米到2000微米，且r1＞r3，r3为光纤(1)的纤芯直径。3.根据权利要求1所述的具有准直功能的光纤端帽，其特征在于，所述的扩束区域(2)的长度l1满足θ为激光(1)输出激光发散角。4.根据权利要求1所述的具有准直功能的光纤端帽，其特征在于，所述的准直区域(3)的外径r2的范围为80微米到2000微米，且r2≈l1(n-1)，其中n为端帽材料的折射率。5.根据权利要求1所述的具有准直功能的光纤端帽，其特征在于，所述的准直区域(3)由长度为l2，半径为r1的圆柱通过热熔法制备而成，长度为l1和l2的圆柱为一体的相同材料，此材料可为任何光学材料。6.根据权利要求5所述的具有准直功能的光纤端帽，其特征在于，所述的长度l2满足7.一种具有准直功能的光纤端帽的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
①
确定制备所述的扩束区域(2)的长度l1和准直区域(3)的长度l2，以及光纤端帽材料的长度l，l＝l1+l2；
②
剥除激光传输使用的光纤(1)输出端的涂敷层，获得倾斜1度以下的输出端面；
③
对光纤端帽的材料进行处理，获得倾斜1度以下的输入端面，将光纤(1)输出端与光纤端帽的输入端熔接；
④
根据光纤端帽材料的长度l，对光纤端帽的另一端进行切割；
⑤
对步骤
④
获得的端面进行处理，形成曲率半径为r2的球面；
⑥
对光纤端帽进行热处理，消除加热过程中引入的应力；
⑦
在所述的球面外表面镀增透膜。8.根据权利要求7所述具有准直功能的光纤端帽的制备方法，其特征在于，所述的步骤
①
确定制备所述的扩束区域(2)的长度l1和准直区域(3)的长度l2，以及光纤端帽材料的长度l，l＝l1+l2；具体是：所述的扩束区域(2)的长度l1满足θ为激光(1)输出激光发散角；所述的准直区域(3)由长度为l2，半径为r1的圆柱通过热熔法制备而成，长度为l1和l2的圆柱为一体的光学材料，所述的准直区域(3)的外径r2的范围为80微米到2000微米，且r2≈l1(n-1)，其中，n为端帽材料的折射率；所述的长度l2满足9.根据权利要求7所述具有准直功能的光纤端帽的制备方法，其特征在于，所述的步骤
⑤
对光纤端帽的输出端进行处理，形成曲率半径为r2的球面，具体步骤是：步骤5.1打开co2熔接机的烧球程序，设置加热功率以及需要制备的准直区域(3)的曲率
半径r2，加热功率需要比光纤端帽材料的校正功率高20％；步骤5.2将待加工的光纤端帽材料置于co2熔接机的加热区，设置送料速度进行制备，根据制备结果与设计参数的差别，调整送料速度与加热功率进行优化。10.根据权利要求7所述的具有准直功能的光纤端帽的制备方法，其特征在于，所述的步骤
③‑⑤
采用光纤切割刀和/或研磨机。

技术总结
一种具有准直功能光纤端帽，光纤输出端帽包括一段常规圆柱形区域和一段具有一定曲率的球透镜区域。该方法通过加热熔融法来实现，可以适用任何常规光学材料。端帽包括一段常规圆柱形区域以及一段具有一定曲率的球透镜区域。圆柱形区域用来将光纤输出激光光斑进行扩大，球透镜区域将输出的发散激光整形为准直光斑输出。该方法通过对常规圆柱形加热熔融可直接获得具有准直功能的球透镜，常规圆柱形及球透镜尺寸可以从微米变化到毫米，这是常规光学加工端帽无法实现的。是常规光学加工端帽无法实现的。是常规光学加工端帽无法实现的。


技术研发人员：冯素雅 张磊 王孟 王世凯 于春雷 胡丽丽
受保护的技术使用者：中国科学院上海光学精密机械研究所
技术研发日：2021.11.15
技术公布日：2022/3/8