CN109273971A - 一种光纤包层光剥离器及其冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光纤包层光剥离器及其冷却系统。光纤包层光剥离器包括双包层光纤和用于放置双包层光纤的金属板，双包层光纤具有一剥离掉涂覆层的包层裸露段，金属板上设有用于剥离包层光的异形光纤槽，包层裸露段设于异形光纤槽内，异形光纤槽和包层裸露段之间填充有折射胶层，折射胶层的折射率沿光纤轴向依次递增。通过在异形光纤槽和包层裸露段之间填充折射率沿光纤轴向依次递增的折射胶层，可将高功率包层光沿光纤轴向均匀剥离，避免因剥离热量聚集导致的局部高温，提高了能剥离的包层光的最大功率；所述第二曲形光纤槽的设置，解决了小孔径角包层光剥离不彻底的问题。该剥离器具有极高的泄露比，结构和工艺简单，材料和制作成本低。

Description

一种光纤包层光剥离器及其冷却系统

技术领域

本发明涉及光纤激光技术领域，具体涉及一种光纤包层光剥离器及其冷却系统。

背景技术

目前，光纤激光器中主要采用大模场双包层增益光纤来获取高功率激光输出，在工作过程中双包层光纤的内包层为纯石英介质、用来传输高功率泵浦光，纤芯中均匀掺杂一定浓度的稀土离子、吸收泵浦光实现粒子数反转。一方面，高功率光纤激光器中增益光纤长度存在最佳值，需要在泵浦吸收效率与光光转换效率之间选择平衡，因此泵浦光不能被完全吸收，为了不对后端应用造成不利影响，剩余泵浦光需要高效剥离；另一方面，高功率光纤激光器中往往因熔接问题造成的纤芯光逃逸进入包层或少量高阶模激光与自发辐射光溢出纤芯，可以采用包层光剥离溢出纤芯的激发光来提高激光光束质量；此外，客户使用高功率光纤激光器时，往往会遇到激光反打进入光纤的问题，包层光剥离器件在一定程度上可以起到反馈光隔离作用。因此，光纤包层光的彻底剥离对高功率的光纤激光系统非常重要。

目前，包层光剥离技术主要分两类：第一种是高折射率胶涂覆法，主要针对外包层直接为低折射率涂覆层光纤，即采用较高折射率的涂覆胶替代一段原有涂覆层，减小光纤剥离段的包层数值孔径(NA)，从而实现包层光剥离；第二种是光纤包层表面改性法，即采用一定工艺对光纤包层的表面处理，改变包层光与包层外表面的夹角射角，使传播到光纤包层外表面时光发生漫反射或漫透射，例如机械刻蚀、激光刻蚀、化学试剂腐蚀等。

根据以上两种包层光剥离技术，为了实现均匀散热和高效剥离，衍射出多种具体的方案：

采用高折射率胶涂覆的方案：CN104297841A公开了一种双包层光纤包层功率剥离器，该剥离器通过调节重新涂覆于光纤包层外涂覆胶的折射率沿光纤轴向的递增分布，使包层光按孔径角的大小沿光纤轴向逐步、分散的剥离，该方案改善了剥离段热聚集的问题，提高了包层功率剥离器的功率耐受能力。但是，经试验该方案存在一些问题，即包层光中小孔径角的光很难被剥离。

采用光纤包层表面改性的方案：CN105204117A公开了一种高功率双包层光纤包层光剥离器装置及制作方法，将前一段包层腐蚀成相向锥形，锥形包层增大了所有包层光在包层外表面的夹角，因不满足全反射阈值而透射出包层。理论上该方案有很高的泄露比，但是工艺复杂，腐蚀程度很难把握，同时也会出现剥离热集中的问题，无法用于高功率包层光的剥离(虽然设置有水冷管，但是水冷管带走的只是器件整体的热量，无法集中对光纤某一小段进行降温。如果在光纤某一小段如相向锥形腐蚀段有很大功率的光泄露，这些光转换为热全部集中在这一小段，则无法很快传到到水冷板上，所以水冷管是很难迅速的将这段温度降低)。

还有一些将上述两种剥离技术混合使用的方案：CN105068181A公开了一种光纤包层光滤除器及其制作方法，在包层涂覆两段不同折射率胶之间留白一段，刻蚀其表面，第一段剥离大孔径角的包层光，剩余小孔径角包层光经过刻蚀段包层外表面时发生漫反射，孔径角发生改变，再经过第二段涂覆处时更容易被剥离，该方法虽提高了剩余小孔径角包层光的剥离比例。但是，因为经过刻蚀段包层光的孔径角是随机改变，一部分光孔径角未变大，进入到第二段涂覆段时不被剥离，故仍有较大比例的剩余小孔径角包层光不能被剥离，且该种滤除器在制作的过程中刻蚀的程度很难把握，使用时热量极易在刻蚀段聚集，造成局部高温。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于：针对现有技术的不足，提供一种光纤包层光剥离器，克服现有技术中小孔径角包层光剥离不彻底和剥离高功率包层光时因热量聚集而导致的局部高温的问题。

为解决上述技术问题所采用的技术方案是：提供一种光纤包层光剥离器，所述光纤包层光剥离器包括具有涂覆层的双包层光纤，还包括：用于放置双包层光纤的金属板；所述双包层光纤具有一剥离掉涂覆层的包层裸露段，所述金属板上设有用于剥离包层光的异形光纤槽，所述包层裸露段设于所述异形光纤槽内，所述异形光纤槽和包层裸露段之间填充有折射胶层，所述折射胶层的折射率沿光纤轴向依次递增；所述异形光纤槽包括：用于剥离较大孔径角的包层光的第一直线光纤槽和用于剥离较小孔径角的包层光的第二曲形光纤槽。

本发明的更进一步优选方案是:所述折射胶层折射率大于原涂覆层折射率。

本发明的更进一步优选方案是:所述包层裸露段沿其长度方向分为多个区段，所述金属板上设有刻度线，所述刻度线用于将不同折射率的折射胶准确的注入相应的区段内。

本发明还提供一种光纤包层光剥离器冷却系统，所述光纤包层光剥离器冷却系统包括冷却装置及上述所述的光纤包层光剥离器，所述光纤包层光剥离器贴合设置于所述冷却装置上。

本发明的更进一步优选方案是:所述冷却装置包括风冷机箱和导热硅脂，所述导热硅脂用于将金属板和风冷机箱进行贴合。

本发明的更进一步优选方案是:所述冷却装置包括水冷板，所述金属板贴合于所述水冷板上。

本发明的更进一步优选方案是:所述光纤包层光剥离器为一个或多个，多个光纤包层光剥离器串行设置于冷却装置上。

本发明的更进一步优选方案是:多个所述光纤包层光剥离器的金属板并排设置于冷却装置上，所述双包层光纤串行设置于金属板的异形光纤槽内。

本发明的有益效果在于，通过设置包括第一直线光纤槽和第二曲形光纤槽的异形光纤槽，在异形光纤槽和包层裸露段之间填充折射率沿光纤轴向依次递增的折射胶层，可将高功率包层光沿光纤轴向均匀剥离，避免因剥离热量聚集导致的局部高温，提高了能剥离的包层光的最大功率；同时，第二曲形光纤槽的设置可以增大前段未剥离的包层光的孔径角，使其全部泄露，解决了小孔径角包层光剥离不彻底的问题。该光纤包层光剥离器将包层光从大孔径角到小孔径角沿着光纤轴向均匀剥离，可以避免因剥离热量聚集导致的局部高温，解决了小孔径角包层光剥离不彻底的问题，具有极高的泄露比，结构和工艺简单，材料和制作成本低；而与光纤包层光剥离器贴合设置的冷却装置，则进一步地完美的解决了热量集中和热量扩散的问题，适于大批量生产和应用。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明光纤包层光剥离器的结构示意图；

图2是图1中A的局部放大结构示意图；

图3是本发明光纤包层光剥离器冷却系统(包含多个光纤包层光剥离器)的立体结构示意图。

具体实施方式

现结合附图，对本发明的较佳实施例作详细说明。

如图1、图2所示，所述光纤包层光剥离器包括具有涂覆层的双包层光纤10，还包括：用于放置双包层光纤10的金属板20；所述双包层光纤10具有一剥离掉原涂覆层的包层裸露段101，所述金属板20上设有用于剥离包层光的异形光纤槽30，所述包层裸露段101设于所述异形光纤槽30内，所述异形光纤槽30和包层裸露段101之间填充有折射胶层，所述折射胶层的折射率沿光纤轴向依次递增。进一步地，所述异形光纤槽30包括：用于剥离较大孔径角的包层光的第一直线光纤槽31和用于剥离较小孔径角的包层光的第二曲形光纤槽32。所述双包层光纤包括纤芯、包层和涂覆层。本发明所述光纤包层光剥离器，利用调节光纤包层外涂覆胶的折射率沿光纤的轴向分布，使大功率包层光从大孔径角到小孔径角沿着光纤轴向均匀剥离，大大的提高了该剥离器的功率耐受能力。所述光纤包层光剥离器分为两步对包层光进行剥离，第一步对较大孔径角的包层光进行逐步剥离，第二步对前段未被剥离的、剩余的较小孔径角的包层光进行逐步剥离。具体地，是将异形光纤槽30分成两段来实现，前段即第一直线光纤槽31，将较大孔径角的包层光进行逐步剥离；后段即第二曲形光纤槽32，采用曲形结构增大前段未剥离包层光的孔径角，使其全部泄露。其中，所述金属板20可以采用铜、铁、铝等。

通过在金属板20上设置异形光纤槽30，所述异形光纤槽30包括第一直线光纤槽31和第二曲形光纤槽32，在异形光纤槽30和包层裸露段101之间填充折射率沿光纤轴向依次递增的折射胶层，将高功率包层光沿光纤轴向均匀剥离，避免因剥离热量聚集导致的局部高温，提高了能剥离的包层光的最大功率；在所述第一直线光纤槽31对较大孔径角的包层光进行逐步剥离后，所述第二曲形光纤槽32的曲形结构可以增大前段未剥离的包层光的孔径角，使其全部泄露，解决了小孔径角包层光剥离不彻底的问题。该光纤包层光剥离器可以将包层光从大孔径角到小孔径角沿着光纤轴向均匀剥离，可以避免因剥离热量聚集导致的局部高温，同时也解决了小孔径角包层光剥离不彻底的问题，具有极高的泄露比，结构和工艺简单，材料和制作成本低，适于大批量生产。

具体地，所述双包层光纤10包括去除原涂覆层只剩下包层的包层裸露段101和两端完整段，包层裸露段101完全置于异形光纤槽30内，两端完整段均有一小段置于异形光纤槽30内。设于金属板20上的异形光纤槽30分为两段：前段为直线段，即第一直线光纤槽31，后段为曲线段，即第二曲形光纤槽32。

光纤的结构由内到外，包括纤芯、包层和涂覆层。若纤芯折射率为n₀，包层折射率为n₁，原涂覆层折射率为n₂。激光要在光纤中通过须满足：n₀＞n₁；包层光要泄露出去须满足：n₁＜n₂。

其中，在异形光纤槽30和包层裸露段101之间填充折射率依次递增的折射胶，形成折射胶层，所述折射胶层折射率大于原涂覆层折射率，小于包层折射率。在本实施例中，所述折射胶层由多段折射胶组成，所述多段折射胶的折射率的要求如下：

若直线段的第一段的折射率为n_i，第二段的折射率为n_i+1......依次递增，最后段为n_i+m,则n_i+m＞n_i＞n₂＞n₁，即n_i大于原涂覆层折射率n₂，n_i+m大于包层折射率n₁；

若曲线段的第一段的折射率为n_j，第二段的折射率为n_j+1......依次递增，最后段为n_j+n,则n_j+n＞n_j＞n₂＞n₁，即即n_j大于原涂覆层折射率n₂，n_j+n大于包层折射率n₁。

从直线段到曲线段，所述折射胶层的折射率是依次递增的，因此，n_j+n＞n_j＞n_i+m＞n_i＞n₂＞n₁。

其中，所述包层裸露段101沿其长度方向分为多个区段，所述多个区段与所述多段折射胶相对应。所述金属板20上设有刻度线21，所述刻度线21用于将不同折射率的折射胶准确的注入相应的区段内。

前段第一直线光纤槽31，用于剥离的较大孔径的包层光，通过调节折射胶层的折射率沿轴向的递增分布，改变剥离段光纤的数值孔径NA，使剥离段光纤的数值孔径NA逐渐减小到0，可将包层光沿光纤轴向均匀的逐步剥离，避免了热量聚集。但是小孔径角的包层光在此段却很难剥离，透射出包层，该部分的剥离的包层光约占总功率的98％。具体剥离的原理如下：

若包层折射率为n₁，原涂覆层折射率为n₂，则可以在光纤包层中传播的光的数值孔径NA的范围为：

去掉原涂覆层，第一段涂覆折射率为n_i的折率胶，则可以继续在光纤包层中传播的光的数值孔径NA的范围为：

故，第一段被剥离的包层光数值孔径NA_i′的范围为：

同理，第二段被剥离的包层光数值孔径NA_i+1′的范围为：

因此，通过调整每一段涂覆胶的折射率，可控制该小段剥离的光功率比例，使热量沿着光纤轴方向在每一小段上均匀分配，避免热量集中引起的局部高温。

后段第二曲形光纤槽32，用于剥离前段未被剥离的、剩余的较小孔径角的包层光，该部分约只占总功率的2％。将后段光纤槽改为曲形，即将放置在光纤槽内的光纤弯曲，小孔径角包层光进入曲形光纤时孔径角变大，传输到包层表面时因不满足全反射而全部透射出包层，将在前段极难剥离的小孔径角彻底剥离。具体剥离的原理如下：

若纤芯折射率为n₀，包层折射率为n₁，原涂覆层折射率为n₂，去掉原涂覆层，涂覆折射率为n_j的折率胶，光纤弯曲半径为ρ，纤芯半径为α，包层半径为b，入射处距离中心轴距离为h；

则光纤弯曲时可以继续在纤芯中传播的光的数值孔径NA₀的范围为：

可以继续在包层中传播的光的数值孔径NA₁的范围为：

调整光纤弯曲半径ρ的值，使得NA₀趋近于0，即在纤芯中传播的泵浦光会全部透射到包层中传播；同理，透射到包层中的泵浦光再经过包层外表面时被全部泄露出去。

基于以上所述原理和方法，该剥离方法可以完全剥离小孔径角的包层光。

在对包层光进行剥离时，所述第一直线光纤槽31和第二曲形光纤槽32相互配合，使光纤包层光剥离器具有极高的总泄露比，同时在一定尺寸内可大幅度提升剥离总功率。在包层裸露段101涂覆折射率依次递增的折射胶层的前提下，若无第二曲形光纤槽32的设置，光纤全部呈直线设置，则只能剥离较大数值孔径的包层光，还有一部分小数值孔径的包层光很难被剥离；若无第一直线光纤槽31的设置，光纤全部呈曲线或曲形设置，则会对所有包层光的孔径角产生改变，使得所有包层光(包括大孔径角包层光和小孔径角包层光)均在弯曲段泄露，在剥离较大功率或高功率包层光时会导致大量的热量在弯曲段集中。而本发明所述的光纤包层光剥离器的剥离方法，只改变前段未被剥离的、剩余的小孔径角的包层光，使小孔径角的包层光在弯曲段泄露，因此，在剥离高功率包层光时，不会引起大量的热量在弯曲处集中，在对包层光特别是小孔径角包层光彻底剥离的同时，也避免了因剥离热量聚集导致的局部高温，具有极高的泄露比，结构和工艺简单。

如图3所示，本发明还提供一种光纤包层光剥离器冷却系统。所述光纤包层光剥离器冷却系统包括冷却装置及以上所述的光纤包层光剥离器，所述光纤包层光剥离器贴合设置于所述冷却装置上。

作为冷却装置的优选实施例，所述冷却装置包括风冷机箱和导热硅脂，所述导热硅脂用于将金属板20和风冷机箱进行贴合。

作为冷却装置的另一优选实施例，所述冷却装置包括水冷板40，所述金属板20贴合于所述水冷板40上。

在剥离较低功率的包层光时，可用导热硅脂将光纤包层光剥离器的金属板20直接与激光器的风冷机箱紧密贴合；若需要快速降温，可将金属板20与水冷板贴合，使用循环冷水带走金属板20上的热量。

进一步地，所述光纤包层光剥离器为一个或多个，多个光纤包层光剥离器串行设置于冷却装置上。多个所述光纤包层光剥离器的金属板20并排设置于冷却装置上，所述双包层光纤10串行设置于金属板20的异形光纤槽30内。

在剥离更高功率的包层光时，可将多个光纤包层光剥离器串行拼接，重新调整每块金属板20上涂覆的折射胶的折射率分布，使包层光逐步、逐块的剥离，将热量平均分散到不同的金属板20上。

所述光纤包层光剥离器冷却系统，与光纤包层光剥离器贴合设置的冷却装置，则进一步地完美的解决了热量集中和热量扩散的问题，结构和工艺简单，材料和制作成本低，适于大批量生产和应用。

在实际应用中，具体实施例详见如下：

实施例一：

在使用10/130双包层光纤剥离10W包层光时。先使用Trace Pro(光学仿真软件)建模，调整每一小段涂覆的折射胶的折射率，追踪该小段对应的光剥离比例，当前段第一直线光纤槽31内折射率分布为：1.413、1.428、1.437、1.445、1.452、1.46，后段第二曲形光纤槽32内折射率分布1.452、1.46时，对应的光剥离比为：18％、19％、16％、17％、18％、10％、2％、1％。参考该结果制作光剥离器，实际制作的光剥离段的表面尺寸为10*30mm，以每小段3mm长按以上折射率分布涂覆折射胶，经实验验证，该光剥离器的剥离比可达到100％，且器件在各局部的温度保持在40℃内长时间稳定工作。

实施例二：

使用25/400双包层光纤剥离80W包层光时。当前段第一直线光纤槽31内折射率分布为：1.388、1.401、1.409、1.420、1.428、1.431、1.434、1.437、1.439、1.445、1.452、1.46，后段第二曲形光纤槽32内折射率分布为1.445、1.452、1.46时，建模结果对应的光剥离比例为：6％、7.6％、8.4％、8.8％、7.4％、8.2％、10％、8.7％、10.2％、8.5％、8/7％、1％、2％、1％、0％。参考该结果制作光剥离器，实际制作的光剥离段的表面尺寸为20*200mm，以每小段10mm折射率变化涂覆胶。经实验验证，该光剥离器剥离80W包层光时，在水冷环境下长时间稳定工作，且包层光剥离比达到99％。

实施例三：

将两块光剥离器串联使用时，调整两块光剥离器上各15小段的涂覆胶折射率，第一块的折射率从1.388递增到1.434，第二块的折射率从1.434递增到1.46，使剥离功率均匀分布在每一小段。参考建模的参数制作两个表面尺寸20*200mm的光剥离器，以每小段10mm折射率变化涂覆胶，经验证水冷环境下剥离160W时，器件各局部温度在40℃内长时间稳定工作，剥离比达到99％。

实施例四：

按照实用举例三所述方法将三块剥离器串联使用时，调配涂覆胶的折射率分布泄露240W包层光，经验证，泄露比同样可达到99％。

基于以上所述发明方案，本领域技术人员可以理解，若继续增加串联的剥离器个数，在保证泄露比时，理论上可剥离的包层光功率可达千瓦级别。

应当理解的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对本领域技术人员来说，可以对上述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而所有这些修改和替换，都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种光纤包层光剥离器，包括具有涂覆层的双包层光纤，其特征在于，还包括：用于放置双包层光纤的金属板；所述双包层光纤具有一剥离掉涂覆层的包层裸露段，所述金属板上设有用于剥离包层光的异形光纤槽，所述包层裸露段设于所述异形光纤槽内，所述异形光纤槽和包层裸露段之间填充有折射胶层，所述折射胶层的折射率沿光纤轴向依次递增；

所述异形光纤槽包括：用于剥离较大孔径角的包层光的第一直线光纤槽和用于剥离较小孔径角的包层光的第二曲形光纤槽。

2.根据权利要求1所述的光纤包层光剥离器，其特征在于，所述折射胶层折射率大于原涂覆层折射率。

3.根据权利要求1所述的光纤包层光剥离器，其特征在于，所述包层裸露段沿其长度方向分为多个区段，所述金属板上设有刻度线，所述刻度线用于将不同折射率的折射胶准确的注入相应的区段内。

4.一种光纤包层光剥离器冷却系统，其特征在于，包括冷却装置及权利要求1-3任一所述的光纤包层光剥离器，所述光纤包层光剥离器贴合设置于所述冷却装置上。

5.根据权利要求4所述的光纤包层光剥离器冷却系统，其特征在于，所述冷却装置包括风冷机箱和导热硅脂，所述导热硅脂用于将金属板和风冷机箱进行贴合。

6.根据权利要求4所述的光纤包层光剥离器冷却系统，其特征在于，所述冷却装置包括水冷板，所述金属板贴合于所述水冷板上。

7.根据权利要求4所述的光纤包层光剥离器冷却系统，其特征在于，所述光纤包层光剥离器为一个或多个，多个光纤包层光剥离器串行设置于冷却装置上。

8.根据权利要求7所述的光纤包层光剥离器冷却系统，其特征在于，多个所述光纤包层光剥离器的金属板并排设置于冷却装置上，所述双包层光纤串行设置于金属板的异形光纤槽内。