一种耐温涂层光纤和超连续谱光纤激光系统的制作方法

1.本发明涉及光纤领域，特别是涉及一种耐温涂层光纤和超连续谱光纤激光系统。


背景技术：

2.超连续谱激光光源(通常也称之为白光光源)同时具备了普通光源的宽光谱特性和激光的方向性好、亮度高等优点。超连续谱光源根据波长范围分为可见光波段、0.8-2.5μm的近红外波段和3μm以上的中红外波段。可见光波段应用领域主要有光学相干层析成像、荧光共焦显微成像、相干反斯托克斯拉曼散射显微成像等生物医疗方面等；近红外波段可用于非接触式粗糙度测量；中红外波段在特定材料光谱特征识别、定向对抗系统等国防安全领域具有相当广阔的应用前景。
3.超连续谱产生机理是强短脉冲在非线性介质中产生的系列非线性效应(包括自相位调制、交叉相位调制、四波混频、孤子自频移和受激拉曼散射等)和群速度色散效应共同作用下实现光谱的大幅展宽。光纤作为一种产生激光的优异介质，具备体积小、效率高、光束质量好和热管理优异等突出优点。光纤通过全内反射效应将激光充分约束在径向数微米轴向数十米尺寸的狭长空间，大幅增强了光纤内的非线性作用强度，是产生超连续谱激光的理想介质。受益于光纤材料制备技术的快速发展和光纤非线性研究成果的丰富，以特殊制备光纤(如光子晶体光纤、氟化物光纤等)作为非线性介质在近些年研制出多种多样的超连续谱光源。
4.根据目标激光波长所在谱段的差异，选择对应非线性介质光纤材料，常见有普通掺镱(铒、铥)有源光纤、无源光纤、光子晶体光纤、软玻璃光纤等。其中最为典型的是采用光子晶体光纤作为非线性介质，利用其极高的非线性系数，可以便捷地产生多种非线性过程，但同时也存在一些相应的难题。用于超连续谱产生的高非线性光子晶体光纤在结构上模场直径较小，仅为数微米或数十微米，在激光耦合过程中易出现插损，其包层中的蜂窝状空气孔结构不利于散热。超连续谱的产生涉及由非线性效应主导的波长转换过程，因波长差量子亏损、非辐射跃迁和激光辐射会产生大量的热负荷，随着功率的提升，热负荷大量增加导致光纤温度急剧提升，当温度上升到破坏阈值导致光纤表面涂层(当前主流为丙烯酸酯聚合物材料等)发生热老化和热氧老化，涂层出现工作疲劳或折射率变化，在界面形成缺陷，激光无法再通过全内反射约束在光纤中进而发生能量泄漏，导致涂层出现热致损伤或烧毁，激光器无法使用或遭到永久性破坏。热效应难题已成为目前超连续谱功率提升及长时间稳定运行所面临的主要瓶颈之一。
5.传统聚合物涂层材料尽管在涂层生产、固化、剥除、成本控制和光纤延展性、柔韧性等方面具有巨大的优势，但是在耐高温方面却有天然的缺陷和不足，最大工作温度仅为85℃，长时间持续稳定工作温度须控制在60℃以下。这种温度耐受能力无法满足以非线性效应为主的超连续谱激光光源对涂层耐高温特性的要求。尽管可以通过持续冷却(风冷、液冷)或剥离涂层以提升光纤功率负载能力，但前者持续冷却下的峰值热交换能力有限，在功率提升上难以持续实现量级突破，而后者由于需要剥离光纤外表面涂层，在缺少涂层保护
后，极易污染、断裂，无法应用于工程领域和多样的环境条件，不具备大规模应用的可能，同时还会增加系统复杂度，无法从根源上解决超连续谱光源中高热负荷问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种耐温涂层光纤和超连续谱光纤激光系统，可解决光纤涂层无法耐高温的关键问题。
7.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
8.一种耐温涂层光纤，所述耐温涂层光纤包括：光纤、包层和耐温涂层；
9.所述包层包裹在所述光纤外；
10.所述耐温涂层包裹在所述包层外。
11.可选地，所述耐温涂层光纤，还包括：掺氟石英层；
12.所述掺氟石英层位于所述包层和所述耐温涂层之间。
13.可选地，所述耐温涂层为聚酰亚胺材料或金属材料。
14.可选地，所述包层为石英包层。
15.可选地，所述耐温涂层包括：n层耐温材料层，其中，第n层耐温材料层包裹于第n-1层耐温材料层的外侧，第1层耐温材料层包裹于所述包层的外侧，n＝2，3，...，n；
16.第n-1层所述耐温材料层的耐温特性高于第n层所述耐温材料层的耐温特性。
17.一种超连续谱光纤激光系统，所述超连续谱光纤激光系统系统包括：脉冲器、多级放大器、激光输出头和上述所述的耐温涂层光纤；
18.所述脉冲器的输出端与所述多级放大器的输入端连接；所述多级放大器的输出端与所述耐温涂层光纤的输入端连接；所述激光输出头的输入端与所述耐温涂层光纤的输出端连接；
19.所述脉冲器用于输出激光至所述多级放大器；
20.所述多级放大器用于对所述激光进行放大处理，得到放大激光，并将所述放大激光输入至所述耐温涂层光纤；
21.所述耐温涂层光纤用于对所述放大激光进行非线性效应处理，得到超连续谱激光，并将所述超连续谱激光传输至所述激光输出头。
22.可选地，所述多级放大器的输出端通过聚合物涂层光纤与所述耐温涂层光纤的输入端连接；
23.所述激光输出头的输入端通过聚合物涂层光纤与所述耐温涂层光纤的输出端连接。
24.可选地，聚合物涂层光纤与耐温涂层光纤的连接方式为：
25.将所述耐温涂层光纤的耐温涂层剥离，得到第一裸露段；
26.将所述聚合物涂层光纤的涂层剥离，得到第二裸露段；
27.所述第一裸露段和所述第二裸露段熔接，得到熔接区；
28.所述熔接区外套设有熔点固定装置；
29.所述第一裸露段长于所述第二裸露段。
30.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
31.本发明通过将耐温涂层包裹在包层外，解决了光纤涂层无法耐高温的关键问题，
突破超连续谱光源的功率瓶颈。
附图说明
32.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
33.图1为本发明实施例中耐温涂层光纤的第一种结构图；
34.图2为本发明实施例中耐温涂层光纤的第二种结构图；
35.图3为本发明实施例中耐温涂层光纤的第三种结构图；
36.图4为本发明实施例中超连续谱光纤激光系统的结构图；
37.图5为本发明实施例中聚合物涂层光纤与耐温涂层光纤的连接示意图。
38.符号说明：
39.1、光纤；2、包层；3、耐温涂层；4、掺氟石英层；5、第一耐温材料层；6、第二耐温材料层；7、脉冲器；8、多级放大器；9、耐温涂层光纤；10、激光输出头；11、聚合物涂层光纤；12、第二裸露段；13、熔接区；14、第一裸露段；15、熔点固定装置。
具体实施方式
40.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
41.在超连续谱光源中因非线性效应及其他过程产生的大量热负荷使光纤内部温度随功率提升而迅速升高，同时热量传导至光纤表层涂层使得涂层温度也相应快速提升。传统光纤涂层使用丙烯酸酯聚合物涂料，安全工作温度一般低于85℃，这限制了超连续谱光源功率和性能的提升。为克服该难题，本发明提供一种耐温涂层光纤和超连续谱光纤激光系统，通过套设耐温涂层解决光纤涂层无法耐高温的关键问题。
42.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
43.实施例1
44.如图1所示，本发明一种耐温涂层光纤包括：光纤1、包层2和耐温涂层3。
45.包层2包裹在光纤1外。
46.耐温涂层3包裹在包层2外。若耐温涂层3只包括一种材料如图1所示，则耐温涂层光纤在使用中可承受数百摄氏度级别的高温。
47.如图2所示，耐温涂层光纤，还包括：掺氟石英层4。
48.掺氟石英层4位于包层2和耐温涂层3之间。掺氟石英层4主要用来限制包层2中的部分低功率激光无法泄露到耐温涂层3，使耐温涂层3温度进一步降低，在同等耐温涂层3水平下输出功率上限得到进一步提高。
49.耐温涂层3为聚酰亚胺材料或金属材料。耐温涂层3的材料可以是多种材料，各种
材料具有不同的高耐受温度，其中主要包括聚酰亚胺材料(300℃)和各种金属材料，金属材料中又包括铝(400℃)、铜合金(600℃)或金(700℃)等不同金属或合金。金属材料除了耐高温之外还具有高热导率的特征，可以及时将光纤1内部产生的热量通过耐温涂层3导出，通过与耐温涂层3接触的空气或其他固体或液体材料进行热交换。
50.包层2为石英包层。
51.耐温涂层3包括：n层耐温材料层，其中，第n层耐温材料层包裹于第n-1层耐温材料层的外侧，第1层耐温材料层包裹于所述包层的外侧，n＝2，3，...，n。
52.第n-1层耐温材料层的耐温特性高于第n层耐温材料层的耐温特性。
53.在实际应用中，光纤1温度分布特性是由内而外逐步降低，在经过具体设计和选型后，根据耐温需求，可以在内侧选用耐温特性更好而外侧选用耐温特性稍差的材料，比如，如图3所示，第一耐材料层5选用金属而第二耐温材料层6选用聚酰亚胺，同普通光纤相比大幅提升了耐热性能，同单一金属涂层相比集成操作难度降低，同时还有利于降低生产制造中的材料成本和提升轻量化、柔性和机械特性。
54.实施例2
55.如图4所示，一种超连续谱光纤激光系统包括：脉冲器7、多级放大器8、激光输出头10和实施例1中的耐温涂层光纤9。
56.脉冲器7的输出端与多级放大器8的输入端连接；多级放大器8的输出端与耐温涂层光纤9的输入端连接；激光输出头10的输入端与耐温涂层光纤9的输出端连接。
57.脉冲器7用于输出激光至多级放大器8。
58.多级放大器8用于对激光进行放大处理，得到放大激光，并将放大激光输入至耐温涂层光纤9。
59.耐温涂层光纤9用于对放大激光进行非线性效应处理，得到超连续谱激光，并将超连续谱激光传输至激光输出头10。
60.多级放大器8的输出端通过聚合物涂层光纤11与耐温涂层光纤9的输入端连接。
61.激光输出头10的输入端通过聚合物涂层光纤11与耐温涂层光纤9的输出端连接。
62.应用中，激光由脉冲器7产生，经多级放大器8放大后进入实施例1中的耐温涂层光纤9，在耐温涂层光纤9中经过多种非线性效应实现超连续谱产生，由激光输出头10输出，其中耐温涂层光纤9部分由于非线性效应会产生大量的热负荷，传导至耐温涂层后由耐温涂层与外界冷却系统进行热交换散射。
63.由于采用了耐温涂层光纤9，本身具备极高的耐热性能，因此在冷却时对耐温涂层光纤9无需进行特殊处理，按照常规方案对耐温涂层光纤9进行盘绕即可，采用风冷、下沉水冷或相变蓄冷方式皆可，但需使耐温涂层光纤9不与激光系统内其他采用传统聚合物材料的任意光纤涂层接触，避免因工作时接触处导热发生聚合物涂层热致损伤的问题。
64.如图5所示，聚合物涂层光纤11与耐温涂层光纤9的连接方式为：
65.将耐温涂层光纤9的耐温涂层剥离，得到第一裸露段14。
66.将聚合物涂层光纤11的涂层剥离，得到第二裸露段12。
67.第一裸露段14和第二裸露段12熔接，得到熔接区13。
68.熔接区13外套设有熔点固定装置15。
69.第一裸露段14长于第二裸露段12。为保证耐温涂层光纤9中的剧烈发热和高温不
影响聚合物涂层光纤11，第一裸露段14需长于第二裸露段12的长度，为数厘米左右。
70.本发明解决了传统聚合物涂层在超连续谱光源中面临的严重发热和热致损伤难题，大幅度提升了超连续谱光源的功率上限，具备实现量级突破的潜力。同时降低了超连续谱光源中对于光纤的热负载处理难度，在工程上提升了激光器整体的可靠性和稳定性，同时具备更强的环境适应性。此外，本发明也提供了耐温涂层光纤与普通聚合物涂层光纤熔接处的处理方法，用于解决系统集成中的熔接问题。
71.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
72.本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式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。

技术特征：
1.一种耐温涂层光纤，其特征在于，所述耐温涂层光纤包括：光纤、包层和耐温涂层；所述包层包裹在所述光纤外；所述耐温涂层包裹在所述包层外。2.根据权利要求1所述的耐温涂层光纤，其特征在于，所述耐温涂层光纤，还包括：掺氟石英层；所述掺氟石英层位于所述包层和所述耐温涂层之间。3.根据权利要求1所述的耐温涂层光纤，其特征在于，所述耐温涂层为聚酰亚胺材料或金属材料。4.根据权利要求1所述的耐温涂层光纤，其特征在于，所述包层为石英包层。5.根据权利要求1所述的耐温涂层光纤，其特征在于，所述耐温涂层包括：n层耐温材料层，其中，第n层耐温材料层包裹于第n-1层耐温材料层的外侧，第1层耐温材料层包裹于所述包层的外侧，n＝2，3，...，n；第n-1层所述耐温材料层的耐温特性高于第n层所述耐温材料层的耐温特性。6.一种超连续谱光纤激光系统，其特征在于，所述超连续谱光纤激光系统系统包括：脉冲器、多级放大器、激光输出头和所述权利要求1至5中任一项所述的耐温涂层光纤；所述脉冲器的输出端与所述多级放大器的输入端连接；所述多级放大器的输出端与所述耐温涂层光纤的输入端连接；所述激光输出头的输入端与所述耐温涂层光纤的输出端连接；所述脉冲器用于输出激光至所述多级放大器；所述多级放大器用于对所述激光进行放大处理，得到放大激光，并将所述放大激光输入至所述耐温涂层光纤；所述耐温涂层光纤用于对所述放大激光进行非线性效应处理，得到超连续谱激光，并将所述超连续谱激光传输至所述激光输出头。7.根据权利要求6所述的超连续谱光纤激光系统，其特征在于，所述多级放大器的输出端通过聚合物涂层光纤与所述耐温涂层光纤的输入端连接；所述激光输出头的输入端通过聚合物涂层光纤与所述耐温涂层光纤的输出端连接。8.根据权利要求7所述的超连续谱光纤激光系统，其特征在于，聚合物涂层光纤与耐温涂层光纤的连接方式为：将所述耐温涂层光纤的耐温涂层剥离，得到第一裸露段；将所述聚合物涂层光纤的涂层剥离，得到第二裸露段；所述第一裸露段和所述第二裸露段熔接，得到熔接区；所述熔接区外套设有熔点固定装置；所述第一裸露段长于所述第二裸露段。

技术总结
本发明公开一种耐温涂层光纤和超连续谱光纤激光系统，涉及光纤领域；耐温涂层光纤包括：光纤、包层和耐温涂层；包层包裹在光纤外；耐温涂层包裹在包层外。本发明通过将耐温涂层包裹在包层外，解决了光纤涂层无法耐高温的关键问题，突破超连续谱光源的功率瓶颈。突破超连续谱光源的功率瓶颈。突破超连续谱光源的功率瓶颈。


技术研发人员：李峰云 张昊宇 舒强 董克攻 楚秋慧 代江云 刘念 郭超 张春 闫玥芳 周宏冰 黄伶俐
受保护的技术使用者：中国工程物理研究院激光聚变研究中心
技术研发日：2023.07.04
技术公布日：2023/9/23