[0001] 本申请涉及光纤器件熔接技术领域，特别是涉及一种基于在线监测的熔接参数优化光纤器件熔接方法和系统。

[0002] 目前，光纤激光器由于转化效率高、光束质量好、鲁棒性高及柔性传输等优点，已经被广泛应用于包括工业加工、科学研究以及国防等诸多领域。光纤激光器内部包含多个光纤器件，如光纤光栅、模场适配器、信号泵浦合束器、和光纤端帽等。随着半导体和光纤器件性能指标的逐步提升，光纤激光器的输出功率和光束质量也得到大幅提升。但是，随着激光器应用需求的不断拓展，对光纤激光器的性能指标也提出了特殊要求，如高转化效率和高光束质量。搭建高性能的光纤激光器需要高性能的光纤器件作为支撑，光纤器件的技术参数主要包括插入损耗和光束质量劣变等。传统的光纤器件制备过程中，尤其是通过熔接实现的光纤器件中，如模场适配器、信号泵浦合束器和光纤端帽等，熔接参数的优化显得尤为重要，是制备高性能光纤器件的前提条件，通过参数优化可获得最低的插入损耗和光束质量劣变，从而也为搭建高性能光纤激光器提供核心器件支撑。

[0003] 常规的光纤器件制备过程中，光纤器件在熔接过程中通常是由熔接机包层对准的方式实现对准熔接，基于该方法制备的器件，通常可以满足常规光纤激光器的应用，但是对于高光束质量和高插头效率的光纤激光器的搭建，常规光纤器件产品难以满足高性能指标要求。

[0030] 为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

[0031] 在一个实施例中，如图1所示，提供了一种基于在线监测的熔接参数优化光纤器件熔接方法，该方法包括以下步骤：步骤100：根据光纤器件制备的工艺细节制备光纤器件的输入部分和输出部分。

[0032] 具体的，光纤器件可以是但不限于模场适配器、信号泵浦合束器和光纤端帽。光纤器件的输入部分和输出部分根据器件制备的工艺细节分别进行制备完成，如模场适配器，依据输入光纤和输出光纤的模场直径大小进行扩芯或拉锥处理，实现输入输出光纤的模场适配。

[0033] 步骤102：将制备好的光纤器件输入部分和输出部分分别放入光纤熔接机的两侧，将输入部分的光纤接入测试光源，将输出部分输出的光通过分光镜进行分束，其中一束进入到功率计进行在线功率测试，另一束光进入到光束质量分析仪进行在线光束质量测试。

[0034] 具体的， 分束镜的分光比例一般选用分光比值较大的，比如90/10或者80/20的，经过分光镜进行分光后，能量较大的一部分光进入到功率计进行能量测试，能量比较小的一部分光进入光束质量分析仪进行光束质量测试。

[0035] 步骤104：将光束质量和功率的在线测量结果反馈给光纤熔接机对光纤熔接参数进行实时优化。

[0036] 具体的，光纤熔接机的参数实时优化分为两步：即熔接参数优化和光纤纤芯精确对准优化。第一步熔接参数优化主要包括熔接机放电电量、放电时间和重叠长度等参数的优化，通过测量光纤器件熔接后的插入损耗和光束质量劣变量，反馈给光纤熔接机进行参数调整，多次迭代实现最优的光纤熔接机参数，如放电电量、放电时间、重叠长度和电极偏移量等。

[0037] 通过精确实时在线测量技术可以获得光纤熔接机的最优放电电量、放电时间和重叠长度等参数，基于获得的最佳熔接参数和高精度在线实时测量系统就可以确保制备的光纤器件能够获得最低插入损耗和光束质量劣变光纤器件。

[0038] 步骤106：将光束质量和功率的在线测量结果实时反馈给光纤熔接机，对光纤纤芯在线监测优化对准。

[0039] 具体的，光纤熔接机的参数实时优化的第二步，在线精确实时监测纤芯精确对准优化，在光纤器件的对准过程中，根据纤芯的大小可以选择使用功率计精确在线测量或光束质量精确在线测量，或者两者同时选择最优。

[0040] 在线精确检测系统和实时参数优化是通过优化算法实现的，通过编制优化算法程序，功率计和光束质量分析仪的测试值实时反馈给光纤熔接机进行参数优化，直到达到最优结果。

[0041] 优化算法程序是指在输入部分和输出部分的纤芯对准过程中，首先设定步进精度，根据实时的功率和光束质量测试值，按照步进精度在轴线纵向移动光纤器件输出部分位置，移动后根据功率和光束质量在线测量结果的优劣判断移动方向的准确性，若在线测量结果变好将持续该方向移动，如若变差将改变移动方向，直到功率得到最大值和光束质量得到最小值，此时判断实现了光纤器件纤芯的精确对准。

[0042] 实现光纤器件前后两部分的纤芯精确对准，可通过在线测试的光束质量和输出功率值反馈给熔接机，通过优化迭代实现光纤器件的精确对准，实现最低的插入损耗和光束质量劣变。

[0043] 步骤108：在熔接机参数进行在线监测优化和光纤纤芯在线监测优化对准完后，进行光纤器件熔接，然后再对光纤器件进行性能指标的测试。

[0044] 具体的，引入了光纤器件的中间测试环节，可以提前筛选出劣质光纤器件，在光纤器件输入部分和输出部分的制备过程中，都需要对光纤进行预处理，在预处理的过程中部分光纤可能会断裂、有灰尘侵入或者气泡产生，但是这些劣质部分难以用肉眼观察到，在熔接过程中引入在线监测系统，有缺陷的器件将无法通光或损耗极大或光束质量极差，即在线监测遇到差的测试结果可提前判定光纤器件在预处理时引入了缺陷，可及时报废，而不是熔接完毕后再进行性能指标测试时发现光纤器件有缺陷而无法使用再报废。在线精确测试系统在遇到劣质器件时可以提前预判，节省了后续熔接和测试带来的时间和人工成本。

[0045] 上述基于在线监测的熔接参数优化光纤器件熔接方法中，所述方法对光纤器件的熔接参数在线进行监测优化和光纤纤芯在线监测优化对准完后，进行光纤器件熔接，然后在对光纤器件进行性能指标的测试。本方法可实现低插入损耗、低光束质量劣变光纤器件的制备，插入损耗的降低可以有效降低光纤器件本身的发热量和温升系数，在同样情况下，可以提升光纤器件的功率承载能力，同时在搭建光纤激光器时能量的有效利用率更高，可有效提升系统的转化效率；通过激光系统提升光束质量难以实现，如果通过降低光纤器件引入的额光束质量劣变量，同样可以提升系统的光束质量，基于该方法可以有效提升器件的光束质量保持特性，为高功率光纤激光系统的搭建提升光束质量。

[0046] 在其中一个实施例中，步骤104中对光纤熔接参数进行实时优化的步骤包括：通过测量光纤器件熔接后的插入损耗和光束质量劣变量，反馈给光纤熔接机进行参数调整，多次迭代实现最优的光纤熔接机参数；其中光纤熔接参数包括：熔接机放电电量、放电时间和重叠长度。

[0047] 具体的，在常规的熔接参数下实现光纤器件输入部分和输出部分的熔接，通过在线测试系统对功率和光束质量进行测试，得到一组测试结果，通过设定参数的步进量，改变熔接机的放电时间，然后对光纤器件输入部分和输出部分的进行熔接，再次测试得到一组光束质量和功率值，与前面的测试值进行对比，如果测试结果变好，则说步进改变量正确，可持续进行步进测试，若果测试结果变差，则朝反方向改变步进量，再进行在线数据测试，以此原则，实现熔接参数的优化并获得最优值。

[0048] 在其中一个实施例中，步骤106包括：将光束质量和功率的在线测量结果实时反馈给光纤熔接机；根据纤芯的规格选择对应光纤器件的对准方法进行光纤纤芯对准。

[0049] 在其中一个实施例中，根据纤芯的规格选择对应光纤器件的对准方法进行光纤纤芯对准，包括：如果光纤器件的纤芯是单模光纤或者纤芯直径小于第一预设阈值时，则根据光束功率的在线测量结果对光纤纤芯进行在线精确对准；如果光纤器件的纤芯直径大于等于第二预设阈值时，则根据光束质量的在线测量结果对光纤纤芯进行在线精确对准；其中，第一预设阈值小于第二预设阈值；如果光纤器件的纤芯直径大于等于第一预设阈值且小于第二预设阈值时，则根据光束质量和功率的在线测量结果对光纤纤芯进行在线精确对准。

[0050] 具体的，在选择精确在线对准方法时，如果光纤器件的纤芯是单模光纤或者纤芯小于15微米，可以选择选用功率在线精确对准方法；如果纤芯为超大芯径光纤，如大于等于40微米，优选光束质量对准，此时功率对准误差较大，纤芯精确对准调整功率测试变化量少，难以给熔接机优化迭代参数；对于纤芯直径为15微米‑40微米光纤器件的熔接，可以两者同时采用，熔接的光纤器件可以获得最佳的插入损耗和光束质量劣变。

[0051] 在其中一个实施例中，光纤器件的输出尾纤要接一个端帽和准直器，对输出的光进行准直后进入分光镜。

[0052] 应该理解的是，虽然图1的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

[0053] 在一个实施例中，如图2所示，提供了一种基于在线监测的熔接参数优化光纤器件熔接系统，该光纤器件熔接系统包括：测试光源1、无源传能光纤2、光纤器件输入部分3、光纤器件输出部分4、光纤端帽和准直器5、分光镜6、光束质量分析仪7、光功率计8以及光纤熔接机11。

[0054] 光纤器件输入部分3和光纤器件输出部分4分别放置与光纤熔接机的两侧夹具上。

[0055] 测试光源1通过无源传能光纤2与光纤器件输入部分3连接，光纤器件输出部分4与光纤端帽和准直器5通过无源传能光纤2连接，光纤端帽和准直器输出的光纤进入分光镜，分光镜6，用于将输入的光进行分束，得到第一束光和第二束光；第一束光进入到光束质量分析仪7，第二束光进入到光功率计8。

[0056] 光束质量分析仪7，用于对第一束光进行光束质量分析，得到光束质量的在线测量结果，并通过光束质量分析仪7与光纤熔接机11之间的第一数据线9将光束质量的在线测量结果反馈至光纤熔接机11。

[0057] 光功率计8，用于对第二束光进行功率测量，得到光束功率的在线测量结果，并通过功率计8与光纤熔接机11之间的第二数据线10将光束功率的在线测量结果反馈至光纤熔接机11。

[0058] 光纤熔接机11，用于根据光束质量分析仪7以及光功率计8反馈的光束质量和光束功率的在线测量结果进行熔接参数在线监测优化和光纤纤芯在线监测优化对准；还用于在熔接机参数进行在线监测优化和光纤纤芯在线监测优化对准完后，进行光纤器件熔接，然后在对光纤器件进行性能指标的测试。

[0059] 具体的，采用本申请提出的基于在线监测的熔接参数优化光纤器件熔接系统制备光纤器件的方式与传统的光纤器件制备方式相同，具体的工作过程包括：首先准备好信号泵浦合束器熔融拉锥组束部分，也就是合束器的输入部分，如图2中的光纤器件输入部分3，准备好反向信号泵浦合束器的输出部分4，并分别放置于光纤熔接机11的两侧夹具上；然后通过无源传能光纤2将测试光源1和光纤器件输入部分3进行连接，同时将光纤器件输出部分4与光纤端帽和准直器5通过无源传能光纤2进行连接，通过端帽和准直器5输出的光纤进入分光镜6进行分光，小部分光进入到光束质量分析仪7中进行光束质量测试，并通过第一数据线9与光纤熔接机11进行连接，另一束经分光镜分束的光进入到功率计8进行功率测试，并通过第二数据线10与光纤熔接机进行连接，所有系统连接完成。

[0060] 接着，对光纤熔接机11参数优化，开启测试光源1、光纤熔接机11、光束质量分析仪7和功率计8等设备准备熔接，首先通过光束质量分析仪7和功率计8的测试结果反馈迭代给光纤熔接机11进行熔接参数优化，将放电电量、放电时间和重叠长度等参数优化固定，针对同种类型同种参数光纤器件可以选择同样的参数进行熔接。

[0061] 然后，对实现光纤器件输入部分3和光纤器件输出部分4的在线精确检测对准，由于光纤器件的制备需要对光纤进行预处理，如对光纤包层进行腐蚀、组束拉锥等处理，使得光纤器件输入部分3中心纤芯并不是严格对称的中心，基于传统的包层直接对准熔接将导致光纤器件输入部分3和光纤器件输出部分4的纤芯难以精确对准，导致熔接后的器件插入损耗大和光束质量劣变严重，难以支撑高效率高光束质量光纤系统的搭建，基于本申请提出的基于在线监测的熔接参数优化光纤器件熔接系统可以通过在线测量光束质量和功率实现纤芯的精确对准，通过测量结果实时反馈给光纤熔接机，通过优化算法实现输入部分和输出部分的最精确对准。

[0062] 最后，在光纤熔接机参数进行在线监测优化和光纤纤芯在线监测优化对准完后，进行光纤器件熔接，然后在对光纤器件进行性能指标的测试。

[0063] 基于本申请提出的基于在线监测的熔接参数优化光纤器件熔接系统实现的光纤器件与传统方法制备的相比，光纤器件技术指标具有明显的提升：（1）基于常规方法熔接的反向信号泵浦合束器，插入损耗一般为3‑5%，光束质量劣变一般大于20%，但是基于本申请的基于在线监测的熔接参数优化光纤器件熔接方法，可以实现插入损耗一般小于2%，光束质量劣变为5‑10%，大大降低了插入损耗，为器件承载高功率和实现系统高转化效率提供了保证，同时光束质量的劣变，也为搭建高光束质量系统提供了保障。

[0064] （2）基于常规方法制备的光纤端帽，存在光斑不圆或者光斑缺失现象，也有部分端帽光束质量退化严重，通过采用在线实时监测熔接参数优化后，光纤端帽的成功几乎达到100%。

[0065] （3）基于高精度在线监测技术，其他光纤器件如模场适配器、光纤熔接点等的性能指标都可以较好的控制。

[0066] 本发明未尽事宜为公知技术。

[0067] 在其中一个实施例中，光纤熔接机对光纤纤芯进行在线监测优化对准的具体过程包括：如果光纤器件的纤芯是单模光纤或者纤芯直径小于第一预设阈值时，则根据光束功率的在线测量结果对光纤纤芯进行在线精确对准；如果光纤器件的纤芯直径大于等于第二预设阈值时，则根据光束质量的在线测量结果对光纤纤芯进行在线精确对准；其中，第一预设阈值小于第二预设阈值；如果光纤器件的纤芯直径大于等于第一预设阈值且小于第二预设阈值时，则根据光束质量和功率的在线测量结果对光纤纤芯进行在线精确对准。

[0068] 作为优选，第一预设阈值选用15微米，第二预设阈值选用40微米。

[0069] 在其中一个实施例中，测试光源的功率应为毫瓦量级。

[0070] 具体的，测试光源的功率应为毫瓦量级，如果功率太大，在光纤器件对准过程中容易对熔接机的压脚带来损坏，同时也会对熔接机的对准相机产生影响同时在放电过程中要关闭测试光源，确保熔接机正常工作。

[0071] 在其中一个实施例中，分光镜采用分光比值大于预设阈值的分光镜，其中第一束光为能量较小部分，第二束光为能量较大部分。

[0072] 以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

[0073] 以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。