CN101122659A - 大功率固体激光高效率光纤耦合方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大功率固体激光高效率光纤耦合方法，属于大功率固体激光光纤耦合技术领域。对于大功率固体激光，输出的激光为多模激光，不能简单的看作是基模，所以高斯光束束宽定义不能直接作为设计耦合系统的依据，针对这种情况，我们在多模激光束内引入等效高斯光束，并将多模激光束内包含光斑98％能量的环围圆径作为等效高斯光束的束宽直径，以此来设计光学耦合系统。本系统具有耦合效率高，稳定性好的优点。

Description

大功率固体激光高效率光纤耦合方法

技术领域

本发明涉及一种大功率固体激光高效率光纤耦合方法，属于大功率固体激光光纤耦合技术领域。

背景技术

大功率固体激光在金属材料的切割、焊接、熔覆等工业加工中有重要的应用价值，其主要优势在于大功率固体激光可在光纤中传输，实现柔性化三维激光加工。大功率固体激光光纤耦合效率的提高，不仅可将激光器输出的激光有效地传输到工件，最大限度地利用激光器输出功率，而且耦合损耗的降低可提高光纤耦合、传输系统的可靠性。

大功率固体激光光纤传输系统的高传输效率，包括光纤的传输效率和激光与光纤耦合的效率。由于传输大功率固体激光的多模光纤自身的损耗已很低，小于0.1db/km，大功率固体激光光纤传输系统的效率，主要取决于激光与光纤耦合的效率。对于工业用大功率固体激光器，输出激光功率较大，数千瓦；为满足加工过程对不同功率的需要，输出功率有较大的范围，从额定功率到额定功率的10％；输出激光的模式为多模，光束质量随着输出功率的增加而变化。因此提高耦合效率具有很重要的现实意义。

大功率激光光纤耦合过程中的关键问题是在光束质量变化的范围内如何将高功率的激光全部耦合进光纤，所以光束质量就成为光纤耦合技术中很关键的因素，只有明确现有激光器输出激光的光束质量才能进行耦合系统的设计，进而把握耦合效率。高耦合效率的激光输出不仅能够保证激光器的稳定工作，也提高了光纤激光的可靠应用程度。

目前耦合技术存在的问题主要有：

如何准确测得现有激光器的光束质量取决于激光束束宽的测算，目前常采用高斯束宽的定义：能量降至中心能量的1/e²(约86.5％)时到光束中心的距离。大功率固体激光器输出激光为多模光束，当按照高斯光束束宽定义采集数据、计算光束质量，并以此设计光纤耦合系统，发现在大功率输出时按照86.5％的能量定义进行耦合的效率不到80％，即使按耦合光纤芯径的2/3设计耦合系统，耦合效率不到85％。

发明内容

为了克服现有计算方法的上述缺陷，本发明提供了一种大功率固体激光高效率光纤耦合方法，使用本方法能够有效的提高光纤耦合效率。

对于大功率固体激光，输出的激光为多模激光，不能简单的看作是基模，所以高斯光束束宽定义不能直接作为设计耦合系统的依据，针对这种情况，我们在多模激光束内引入等效高斯光束，并将多模激光束内包含光斑98％能量的环围圆径作为等效高斯光束的束宽直径，它与高斯光束束宽之间存在以下数量关系：

$\frac{R}{r}=1.4,\frac{a}{b}=1.4$

其中R、a分别为等效高斯光束的束宽(半径)和远场发散角(半角)，r、b分别为高斯光束的束宽(半径)和远场发散角(半角)。

常用描述光束质量的参量有光束质量因子M²、光束参数积BPP等，实验应用中为了便于计算和直观比较采用光束参数积BPP，光束参数积BPP定义为被测激光束的束腰半径和远场发散角的乘积，等效高斯光束BPP_等效与高斯光束BPP_高斯之间的关系为：

明确以上数量关系后，利用包含能量98％(而非86.5％)的光斑参数作为设计多模激光束耦合装置的理论依据更准确合理。

本发明所采用的技术方案如下：

大功率固体激光高效率光纤耦合方法，从激光器输出的激光，经第一透镜1、第二透镜2准直后入射到第三透镜3上，又经第三透镜3聚焦后耦合进光纤4；其特征在于，该方法是按以下步骤实现的：

1)用“打相纸法”采集输出多模激光束束腰位置附近的光斑，用游标卡尺读取光斑的直径，每个光斑测量多次取其算术平均，根据采集到的数据，利用双曲线拟合法计算光束参数积BPP_等效，并判定是否满足光纤耦合的条件；

3)满足光纤耦合条件后，根据选定光纤4的芯径d_core(直径)和数值孔径N.A确定第三透镜3的焦距大小；

φ为激光束在第三透镜3主面上的光斑直径，为了保证实际调节中留有余量，使第三透镜3的外径尺寸的90％为最大的通光孔径(φ＝20*90％＝18mm)，使光纤芯径的90％为通光孔径：

$N.A=\frac{\mathrm{\φ}}{2\·f_3}$

整理得：

其中：f₃为第三聚焦透镜3的焦距值；

4)根据第一透镜1材料的损伤阈值确定第一透镜1与激光器输出镜间的距离d₁；通过扩束比f₂/f₁确定第一透镜1、第二透镜2的焦距，其中，f₁为第一透镜1的焦距值，f₂为第二透镜2的焦距值；

5)根据第一透镜1、第二透镜2的焦距f₁、f₂确定第一透镜1、第二透镜2间距l₁为：

l₁＝f₁+f₂-Δ；其中Δ为第一透镜1的离焦量，下式中的Z₀为等效光束的共焦参数，ω₀为等效光束束腰半径，

$\mathrm{\Δ}=\frac{{f_1}^2(f_1-d_1)}{{Z_0}^2+{(f_1-d_1)}^2},$

6)根据经第二透镜2出射的激光束束腰的位置确定第二透镜2、第三透镜3的间距l₂，即第三透镜3的主面位于经第二透镜2出射的激光束束腰处：

7)根据透镜3的焦距确定光纤端面4的位置l₃：

l₃＝f₃

本发明的优点：应用包含能量98％的光斑参数设计多模激光束的光纤耦合装置，具有耦合效率高，稳定性好。

附图说明

图1耦合装置简图

图2在激光输入功率为2000W时采用本发明得到的耦合效率曲线

图3光纤耦合条件

图中：1、第一透镜，2、第二透镜，3、第三透镜，4、光纤。

具体实施例

下面结合图1详细说明本实施例。本实施例采用如图1所示的耦合装置采用透镜组合变换后再聚焦进光纤。

大功率固体激光输出的为多模激光束，光束质量随输出激光功率的增加而变化，其变化主要体现为：随着激光输出功率的增加，输出激光束的束腰大小和远场发散角变大，当激光功率稳定输出到最高时，光束参数积BPP到某一最大值恒定，此时的光束质量达到最差，单透镜聚焦不能保证聚焦后束腰的大小、位置及发散角固定不变，因此输出激光必须经过组合透镜的光束扩束准直后再聚焦，保证在光束质量变化的范围内具有稳定的高功率输出和高的耦合效率。

具体步骤如下：

本实施例的设计简图如图1所示：1、2、3均为平凸消球差镀1064nm增透膜透镜，材料为石英，对应焦距为：f₁、f₂、f₃，透镜1、2的外径尺寸分别为：40mm、40mm，透镜3的外径尺寸限定为20mm。第一透镜1左侧为激光器输出的多模光束，束腰半径为等效光束的束腰半径ω₀，光束参数积为BPP_等效，光束经过第一透镜1被聚焦，后经第二透镜2扩束，再经第三透镜3聚焦最后进入光纤4。

个参数的具体确定方法如下：

1)用“打相纸法”采集输出多模激光束束腰位置附近的光斑，因为相纸能够感应出包含光斑98％以上的能量轮廓，用游标卡尺读取光斑的直径，每个光斑测量3次取其平均，根据采集到的数据，利用双曲线拟合法计算光束参数积BPP_等效，并判定是否满足光纤耦合的条件：

d_in＜d_core，

θ_in＜θ_max＝2N.A

d_in为经过第三透镜3聚焦后的光束的束腰直径，即耦合进光纤4的光斑的直径，θ_in为经过第三透镜3聚焦后的光束的远场发散全角，各参数详见附图3

2)根据选定光纤的芯径d_core(直径)和数值孔径N.A确定聚焦透镜3的焦距大小，φ为激光束在第三透镜3主面上的光斑直径，为了保证实际调节中留有余量，使第三透镜3的外径尺寸的90％为最大的通光孔径(φ＝20*90％＝18mm)，使光纤芯径的90％为通光孔径：

$N.A=\frac{\mathrm{\φ}}{2\·f_3}$

整理得：

3)根据等效光束的束腰半径、远场发散角和第一透镜1的通光孔径φ₁确定d₁的大小：

${\mathrm{\&omega;}}_1={\mathrm{\&omega;}}_0\&CenterDot;{[1+{\left(\frac{d_1}{Z_0}\right)}^2]}^{\frac{1}{2}},$ 一般取： ${2\mathrm{\&omega;}}_0<{\mathrm{\&omega;}}_1<\frac{{\mathrm{\&phi;}}_1}{4}$

ω₁为第一透镜1主面上的光斑半径，φ₁为第一透镜1的外径尺寸。通过光学矩阵理论计算得到扩束比f₂/f₁确定透镜1、2的焦距：

$\frac{f_2}{f_1}=\frac{{\mathrm{\&omega;}}_0}{{\mathrm{\&omega;}}_i}\&CenterDot;\frac{f_3}{Z_0}$

其中，ω₀为等效光束的束腰半径，已在步骤1)中测算得到，ω_i为耦合进光纤4的光束束腰半径，理论计算中取 ${\mathrm{\&omega;}}_i=\frac{d_{\mathrm{core}}}{2},$ 另外，第一透镜1和第

二透镜2以及第三透镜3一般选择焦距100mm以上的透镜，这样能够保证

聚焦后的光斑以及发散角都在透镜的通光孔径内。

4)根据透镜1、2的焦距确定透镜1、2间距为：l₁＝f₁+f₂-Δ，其中Δ为第一透镜1的离焦量，下式中的Z₀为等效光束的共焦参数，ω₀为原始光束束腰半径，

$\mathrm{\&Delta;}=\frac{{f_1}^2(f_1-d_1)}{{Z_0}^2+{(f_1-d_1)}^2},$

5)根据经第二透镜2出射的激光束束腰的位置确定透镜2、3的间距l₂，即第三透镜3的主面应位于经第二透镜2出射的激光束束腰附近：

6)根据透镜3的焦距确定光纤端面4的位置l₃：

l₃＝f₃

根据以上步骤，针对NCLT CW2000型大功率固体激光器设计的耦合装置的参数列表如下：

P/Wλ/μmBPP等效/mm·mradω0/mmd1/mml1/mml2/mml3/mmf1/mmf2/mmf3/mm

20001.064241.5318527420100120360100

采用此耦合装置进行光纤耦合，在激光输入功率为2000W时，耦合效率仍在94％以上，实验得到的效率曲线如图2所示。

Claims (1)

1.大功率固体激光高效率光纤耦合方法，从激光器输出的激光，经第一透镜(1)、第二透镜(2)准直后入射到第三透镜(3)上，又经第三透镜(3)聚焦后耦合进光纤(4)；其特征在于，该方法是按以下步骤实现的：

1)用“打相纸法”采集输出多模激光束束腰位置附近的光斑，相纸能够感应出包含光斑98％以上的能量轮廓，用游标卡尺读取光斑的直径，每个光斑测量多次取其算术平均，根据采集到的数据，利用双曲线拟合法计算光束参数积BPP_等效，并判定是否满足光纤耦合的条件；

3)满足光纤耦合条件后，根据选定光纤(4)的芯径d_core和数值孔径N.A确定第三透镜(3)的焦距大小；

φ为激光束在第三透镜(3)主面上的光斑直径，为了保证实际调节中留有余量，使第三透镜(3)的外径尺寸的90％为最大的通光孔径，即φ＝20*90％＝18mm，使光纤芯径的90％为通光孔径：

$N.A=\frac{\mathrm{\&phi;}}{2\&CenterDot;f_3}$

整理得：

其中：f₃为第三透镜(3)的焦距值；

4)根据第一透镜(1)材料的损伤阈值确定第一透镜(1)与激光器输出镜间的距离d₁；通过扩束比f₂/f₁确定第一透镜(1)、第二透镜(2)的焦距；其中，f₁为第一透镜(1)的焦距值，f₂为第二透镜(2)的焦距值；

5)根据第一透镜(1)、第二透镜(2)的焦距f₁、f₂确定第一透镜(1)、第二透镜(2)间距l₁为：

l₁＝f₁+f₂-Δ；其中Δ为第一透镜(1)的离焦量，下式中的Z₀为等效光束的共焦参数，ω₀为等效光束束腰半径，

$\mathrm{\&Delta;}=\frac{{f_1}^2(f_1-d_1)}{{Z_0}^2+{(f_1-d_1)}^2},$

6)根据经第二透镜(2)出射的激光束束腰的位置确定第二透镜(2)、第三透镜(3)的间距l₂，即第三透镜(3)的主面位于经第二透镜(2)出射的激光束束腰处：

7)根据透镜(3)的焦距确定光纤端面(4)的位置l₃：

1₃＝f₃

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