(19)国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202210546552.7
(22)申请日 2022.05.18
(71)申请人 江苏师范大学
地址 221116 江苏省徐州市铜山新区上海
路101号
(72)发明人 杨志勇 田康振 李宇海 杨海波
李森森 黄梓轩 祁思胜 冯宪
(74)专利代理机构 南京经纬专利商标代理有限
公司 32200
专利代理师 余俊杰
(51)Int.Cl.
G02B 6/26(2006.01)
G02B 6/28(2006.01)
G02B 6/255(2006.01)
通用机关零件
G02B 6/036(2006.01)
G02B 1/00(2006.01)
(54)发明名称
备方法
(57)摘要
本发明公开了中波和长波红外集成型光纤
相册内页合束器及其制备方法，所述光纤合束器由m根中
波红外光纤和n根长波红外光纤紧密堆积并熔融
拉锥而成，包括1个锥形输出端和m+n个分散排布
的圆形输入端，其中m≥3、n≥3；中波和长波红外
光纤由内向外依次为硫系玻璃纤芯、硫系玻璃内
包层和聚合物外包层；中波红外光纤的纤芯材料
的化学组成为Ge a As b S 1‑a ‑b ，a＝0～0.1,b＝0.24
～0.4，其内包层材料的化学组成为Ge c As d S 1‑c ‑d ，
c＝0～0.1,d＝0.22～0.39；长波红外光纤的纤
芯材料的化学组成为Ge e As f Se g Te 1‑e ‑f ‑g ，e＝0.1
～0.15,f＝0.2～0.3,g＝0.35～0.4，其内包层
材料的化学组成为Ge h As i Se j Te 1‑h ‑i ‑j ，h＝0.1～
0.15,i＝0.2～0.3,j＝0.37～0.42。所述光纤合
红外激光器的输出激光进行合束，可应用于红外
激光对抗领域。在工作过程中，相邻光纤间无明显激光串扰，
合束效率高。权利要求书2页 说明书5页 附图1页CN 115113335 A 2022.09.27
C N 115113335
A
1.中波和长波红外集成型光纤合束器，其特征在于，所述光纤合束器由m根中波红外光纤和n根长波红外光纤紧密堆积并熔融拉锥而成，包括1个锥形输出端和m+n个分散排布的圆形输入端，其中m≥3、n≥3；中波和长波红外光纤由内向外依次为硫系玻璃纤芯、硫系玻璃内包层和聚合物外包层；中波红外光纤的纤芯材料的化学组成为Ge a As b S 1‑a ‑b ，a＝0～0.1,b＝0.24～0.4，其内包层材料的化学
组成为Ge c As d S 1‑c ‑d ，c＝0～0.1,d＝0.22～0.39，中波红外光纤纤芯材料的折射率n 1大于其内包层材料的折射率n 2；长波红外光纤的纤芯材料的化学组成为Ge e As f Se g Te 1‑e ‑f ‑g ，e＝0.1～0.15,f＝0.2～0.3,g＝0.35～0.4，其内包层材料的化学组成为Ge h As i Se j Te 1‑h ‑i ‑j ，h＝0.1～0.15,i＝0.2～0.3,j＝0.37～0.42，长波红外光纤纤芯材料的折射率n 3大于其内包层材料的折射率n 4。
2.根据权利要求1所述的中波和长波红外集成型光纤合束器，其特征在于，所述聚合物外包层材料为聚醚酰亚胺或聚醚砜树脂。
3.根据权利要求1所述的中波和长波红外集成型光纤合束器，其特征在于，中波红外光纤和长波红外光纤的纤芯直径均为100～200μm。
4.根据权利要求1所述的中波和长波红外集成型光纤合束器，其特征在于，中波红外光纤和长波红外光纤的纤芯和内包层直径比为0.65～0.8。
5.权利要求1‑4任一所述中波和长波红外集成型光纤合束器的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1，采用棒管法制备三层同轴结构的中波红外光纤和长波红外光纤；
步骤2，截取长度相同的m根中波红外光纤和n根长波红外光纤，将光纤一端长度为L的部分放入有机溶
剂中溶解掉该部分光纤的聚合物外包层，其中L≥5cm；
步骤3，将上述m+n根光纤的已溶解掉聚合物外包层的一端紧密堆积，然后插入内径、长度均匹配的硫系玻璃毛细管中，所述硫系玻璃毛细管的化学组成与中波红外光纤的内包层材料的化学组成相同；
步骤4，将硫系玻璃毛细管两端涂胶，使m+n根光纤与硫系玻璃毛细管粘结在一起，形成预制件；
步骤5，将预制件放入拉锥装置的气氛保护型管式加热炉中，使硫系玻璃毛细管的中部位于管式加热炉的高温区；
步骤6，启动管式加热炉，待炉温升至玻璃软化温度附近，对预制件进行拉锥，使锥腰的直径缩小为硫系玻璃毛细管外径的2/5～1/4，形成光纤合束器坯件；
药盒步骤7，在光纤合束器坯件的锥腰中心处切断，获得具有m+n个输入端和1个输出端的光纤合束器；
步骤8，将光纤合束器铠装，然后对m+n个输入端和1个输出端进行抛光，即制得中波和长波红外集成型光纤合束器。
6.根据权利要求5所述的中波和长波红外集成型光纤合束器的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂为二甲基乙酰胺或二氯甲烷。
网络中控系统7.根据权利要求5所述的中波和长波红外集成型光纤合束器的制备方法，其特征在于，硫系玻璃毛细管由以下方法制得：首先采用旋管法制备内外直径比为0.65～0.8的硫系玻璃套管，然后将硫系玻璃套管在其玻璃软化温度附近拉制成硫系玻璃毛细管。
8.根据权利要求5所述的中波和长波红外集成型光纤合束器的制备方法，其特征在于，
硫系玻璃毛细管的内径等于或大于m+n根去除外包层的光纤紧密堆积后形成的光纤束的外切圆直径。
中波和长波红外集成型光纤合束器及其制备方法
技术领域
[0001]本发明属于红外光纤材料和器件领域，涉及一种可同时工作在3～5μm中波红外波段和 8～12μm长波红外波段的集成型光纤合束器，具体为中波和长波红外集成型光纤合束器及其制备方法。
背景技术
[0002]在国防安全领域，大部分红外激光对抗装备工作在3～5μm中波红外波段和8～12μm长波红外波段，因为这两个波段是大气的高透明窗口，激光在这两个波段内能够实现几公里到几十公里的远距离传输。中波红外激光光源主要有量子级联激光器(QCL)、光纤激光器、气体激光器、激活离子掺杂固
体激光器和光学参量振荡器(OPO)；长波红外激光光源主要有 QCL、OPO和气体激光器。与其它激光器相比，QCL通过电‑光转换实现激光输出，具有电光转换效率高、重量轻、结构紧凑等优点，是目前所有中波和长波红外激光器中唯一能够满足整个3～5μm和8～12μm波段的小型可实用激光器。
[0003]目前实验室报道的近单模、连续输出的QCL的输出功率已超过8瓦，商用的QCL最高功率达到了4～5瓦。为了进一步提高基于QCL的激光光源的输出功率，研究人员提出并尝试了激光合束技术，即通过多个激光器的输出光束合成来实现单个激光器无法达到的高功率水平。激光合束技术主要包括光谱合束技术、相干合束技术和光纤合束技术。尽管光谱合束技术和相干合束技术可在不牺牲激光输出光束质量的同时，将多个激光器输出的激光合束，但是，这两类合束技术通常用到各类自由空间光学元件(譬如反射镜、光栅和透镜)，因此，在使用时对环境的温度和振动等扰动比较敏感，且其封装复杂、设计较笨重。另一方面，光纤合束技术是通过将多根光纤经过拉锥实现合束，这样可以实现结构紧凑、鲁棒性好的高功率光纤器件。光纤合束器作为一种无源器件，由于没有额外能量输入，其光束质量不会获得提高，因此，光纤合束技术主要被用于对光束质量要求不高的激光合束场景。[0004]与光纤激光器不同，QCL采用的是空间光输出模式，其输出发散角大，光谱合束技术和相干合束技术难以实现有效的激光功率耦合。因此，通过光纤耦合输出激光、继而通过光纤合束的技术方案把多个QCL的功率叠加起来实现更高功率的激光输出，是最适合QCL提升功率的技术路线。目前，美国海军已研制出用于中波红外QCL激光合束的光纤合束器。[0005]随着红外探测器技术和红外激光技术的进
步，新一代红外激光对抗装备不再单一地工作在3～5μm或8～12μm波段，而是同时兼顾这两个波段。因此，现阶段迫切需要可同时工作在3～5μm中波红外波段和8～12μm长波红外波段的光纤合束器，然而目前尚未见可同时工作在这两个波段的光纤合束器产品或研究报道，这种光纤合束器研制的主要难点在于如何到粘温特性匹配的中波红外光纤材料和长波红外光纤材料，并将它们在相同温度下进行可控拉锥。
发明内容
[0006]解决的技术问题：针对现有技术中存在的难以获得可同时工作在3～5μm中波红外
波段和 8～12μm长波红外波段的光纤合束器，克服构建粘温特性匹配的中波红外光纤和长波红外光纤材料的难点，并实现在相同温度条件下进行可控拉锥，本发明提供了中波和长波红外集成型光纤合束器及其制备方法。
[0007]技术方案：中波和长波红外集成型光纤合束器，所述光纤合束器由m根中波红外光纤和 n根长波红外光纤紧密堆积并熔融拉锥而成，包括1个锥形输出端和m+n个分散排布的圆形输入端，其中m≥3、n≥3；中波和长波红外光纤由内向外依次为硫系玻璃纤芯、硫系玻璃内包层和聚合物外包层；中波红外光纤的纤芯材料的化学组成为Ge a As b S 1‑a ‑b ，a＝0～0.1,b＝0.24～0.4，其内包层材料的化学组成为Ge c As d S 1‑c ‑d ，c＝0～0.1,d＝0.22～0.39，中波红外光纤纤芯材料的折射率n 1大于其内
包层材料的折射率n 2；长波红外光纤的纤芯材料的化学组成为 Ge e As f Se g Te 1‑e ‑f ‑g ，e＝0.1～0.15,f＝0.2～0.3,g＝0.35～0.4，其内包层材料的化学组成为 Ge h As i Se j Te 1‑h ‑i ‑j ，h＝0.1～0.15,i＝0.2～0.3,j＝0.37～0.42，长波红外光纤纤芯材料的折射率n 3大于其内包层材料的折射率n 4。
[0008]优选的，所述聚合物外包层材料为聚醚酰亚胺或聚醚砜树脂。
[0009]优选的，中波红外光纤和长波红外光纤的纤芯直径均为100～200μm。
[0010]优选的，中波红外光纤和长波红外光纤的纤芯和内包层直径比为0.65～0.8。
[0011]以上任一所述中波和长波红外集成型光纤合束器的制备方法，所述方法包括以下步骤：
[0012]步骤1，采用棒管法制备三层同轴结构的中波红外光纤和长波红外光纤；
[0013]步骤2，截取长度相同的m根中波红外光纤和n根长波红外光纤，将光纤一端长度为L 的部分放入有机溶剂中溶解掉该部分光纤的聚合物外包层，其中L≥5cm；
[0014]步骤3，将上述m+n根光纤的已溶解掉聚合物外包层的一端紧密堆积，然后插入内径、长度均匹配的硫系玻璃毛细管中，所述硫系玻璃毛细管的化学组成与中波红外光纤的内包层材料的化学组成相同；
[0015]步骤4，将硫系玻璃毛细管两端涂胶，使m+n根光纤与硫系玻璃毛细管粘结在一起，形成预制件；
[0016]步骤5，将预制件放入拉锥装置的气氛保护型管式加热炉中，使硫系玻璃毛细管的中部位于管式加热炉的高温区；
[0017]步骤6，启动管式加热炉，待炉温升至玻璃软化温度附近，对预制件进行拉锥，使锥腰的直径缩小为硫系玻璃毛细管直径的2/5～1/4，形成光纤合束器坯件；
[0018]步骤7，在光纤合束器坯件的锥腰中心处切断，获得具有m+n个输入端和1个输出端的光纤合束器；
[0019]步骤8，将光纤合束器铠装，然后对m+n个输入端和1个输出端进行抛光，即制得中波和长波红外集成型光纤合束器。
[0020]优选的，所述有机溶剂为二甲基乙酰胺或二氯甲烷。图像识别系统
[0021]优选的，硫系玻璃毛细管由以下方法制得：首先采用旋管法制备内外直径比为0.65～0.8 的硫系玻璃套管，然后将硫系玻璃套管在其玻璃软化温度附近拉制成硫系玻璃毛细管。
玻璃压延机
[0022]优选的，硫系玻璃毛细管的内径等于或大于m+n根去除外包层的光纤紧密堆积后形成的光纤束的外切圆直径。
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