CN101241209A - 空心导光锥耦合真空传输激光装置 - Google Patents

空心导光锥耦合真空传输激光装置 Download PDF

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赵兴海
高杨
蔡林飞
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Abstract

一种基于空心导光锥耦合的真空传输高功率激光的光纤传输装置。它是在光纤输入端连接空心导光锥，通过空心导光锥获得较小的注入光斑，实现激光光纤耦合传输。并且对空心导光锥、光纤内部抽真空或注入惰性气体，增加光纤传输系统激光容量，提高输出光束质量。该装置有效的增大了激光输入端面的受光面积，减小了输入端面的激光功率密度，降低了激光损伤概率。对激光传输光路抽真空减小了激光的线性和非线性损耗，提高了光纤传输系统的传输效率。该系统结构简单、创新性强、效果明显。

Description

空心导光锥耦合真空传输激光装置
技术领域
本发明属于激光光纤传输领域，具体涉及一种基于空心导光锥耦合的高功率激光光纤真空传输装置。
背景技术
目前，通过光纤传输高功率激光在激光加工、激光切割、激光点火、激光医疗以及光纤激光器等领域有重要的应用。但是随着人们对高功率激光应用需求和激光器的发展，对光纤传输激光功率的要求越来越高，几乎达到了光纤传输激光功率的极限(GW/cm2量级)。高功率激光光纤传输系统中高功率激光特别是窄脉宽高峰值脉冲激光容易导致光纤损伤。另外，由于激光功率密度很高，不利于激光光纤耦合和传输。这些因素限制了光纤传输激光的容量，阻碍了光纤传输高功率技术的应用进程。
根据相关文献([1]R.M.Wood.Summary of the factors affecting the Power and EnergyCapabilities of Optical Fibers[C].SPIE，1996；2870：458-466.[2]李钰，张阔海，李强，左铁钏.大功率激光光纤耦合技术研究[J].应用激光.2004，24(5)：276-278.[3]赵兴海，高杨，程永生.高功率脉冲激光对阶跃折射率多模光纤损伤机理分析[J].强激光与粒子束，2007.等)报道光纤端面损伤和光纤内的非线性效应是限制激光光纤传输功率提高的主要因素。光纤端面存在大量微小颗粒、杂质、缺陷等导致大量吸收激光能量或者场效应增强，最终引起光纤端面的局部熔融或炸裂，激光注入耦合失败。当激光功率密度达到一临界值后，光纤内的非线性效应剧烈增强，比如受激拉曼散射和受激布里渊散射，导致激光能量迅速损耗，光纤传能失败。
目前的激光注入光纤耦合主要有两种方式：“伽利略望远镜”+聚焦透镜注入耦合方式和单透镜聚焦注入耦合方式。“伽利略望远镜”+聚焦透镜注入耦合方式是对光束先扩束再聚焦，因此在其内部没有焦点，但是增加了光学界面也就增大了传输损耗。但这些普通的耦合方式均要求小的注入光斑，才能得到高的耦合效率。但是小的注入光斑势必引起大的功率密度，容易导致光纤端面损伤。就算以100/100注入孔径注入激光，由于光纤的芯径较小(数μm～数百μm)，光纤端面的激光功率密度仍然很高，易损伤光纤输入端面。普通的石英光纤存在端面损伤阈值低和非线性吸收严重的问题，而空心光纤和光子晶体光纤由于其特殊的结构或者光束传输机理可以有效缓解这些问题。
发明内容
本发明提供了一种高功率激光的空心导光锥耦合真空传输装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：通过在入射激光和光纤之间加入一空心导光锥，使入射激光通过空心导光锥会聚后产生较小的光斑注入到光纤中去，空心导光锥与光纤之间密封连接，同时对空心导光锥内部和光纤纤芯内部抽真空或注入惰性气体。空心导光锥是输入端直径较大输出端直径较小的空心圆锥体，它是一种非成像光束会聚装置。激光由大端注入，小端与光纤密封连接。光纤为传输激光能量用空心光纤或光子晶体光纤，纤芯有空隙可以抽真空或注入惰性气体，以减小激光损耗，提高输出激光光束质量。
本发明的空心导光锥耦合真空传输装置包括聚焦透镜、空心导光锥、光纤，聚焦透镜与光纤之间设置有空心导光锥。
本发明的空心导光锥耦合真空传输装置中空心导光锥大端与光学窗口密封连接。
本发明的空心导光锥耦合真空传输装置中空心导光锥小端与光纤输入端密封无缝连接。
本发明的空心导光锥耦合真空传输装置中空心导光锥可以由金属(铝、不锈钢等)直接卷曲制造而成。也可由光学玻璃直接拉制，内表面涂抗激光损伤的高反射膜。
本发明的空心导光锥耦合真空传输装置中光纤可以为普通石英光纤、一般空心光纤、光子晶体光纤中任意一种。
本发明的空心导光锥耦合真空传输装置中空心导光锥内部抽真空或注入惰性气体。
本发明的空心导光锥耦合真空传输装置中光纤(空心光纤、光子晶体光纤)内部抽真空或注入惰性气体。
本发明给出了一种提高光纤传输高功率激光容量、减少激光损伤概率、降低光纤内非线性损耗的有效方法和装置。本装置中的空心导光锥增加了注入激光的受光面积，从而减小了端面损伤概率，提高了注入激光能量。在相同的激光功率注入情况下，可以使输入端面的激光功率密度最大下降为原来的b2/a2，a为空心导光锥大端半径，b为空心导光锥小端半径。
本装置中通过对空心导光锥或光纤(空心光纤、光子晶体光纤)内部抽真空，减小了激光传输的线性和非线性损耗，增大了光纤传输系统的传输效率，提高了输出激光光束质量。本装置创新性强、结构较简单，应用前景广。
本发明尤其适用于高峰值功率脉冲激光的光纤传输。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明的进一步说明。
图1为本发明的空心导光锥耦合真空传输装置总体结构示意图
图2为本发明的空心导光锥与光纤耦合装置示意图
图中1.激光  2.聚焦透镜  3.空心导光锥  4.光纤  5.光学窗口  6.连接器
具体实施方式
本发明通过采用非成像元件空心导光锥实现了高功率激光耦合进光纤，由于增大了注入端面的受光面积，提高了光纤端面的激光损伤阈值。采用空心导光锥和光纤内部抽真空技术，提高了光纤传输系统的传输效率，减小了激光损伤，提高了光纤传输激光容量。
图1为空心导光锥耦合真空传输装置方案原理图。图中通过聚焦透镜2对激光1进行聚焦，在空心导光锥3大端获得合适注入光斑大小，在光纤4输入端与空心导光锥3小端连接。实现了激光1通过透镜2聚焦，再通过空心导光锥3注入耦合进光纤4中去。
图2为空心导光锥3与光纤4的耦合装置。图中空心导光锥3与光纤4通过连接器6密封连接。空心导光锥3前端由光学窗口5密封。
空心导光锥3的小端与光纤4纤芯大小相匹配，空心导光锥3的锥角可以通过相关的光学理论进行设计和计算得到，合适的锥角可以获得较大的耦合效率。光纤4可以为普通的石英光纤，通过连接器6与空心导光锥3密封连接，同时空心导光锥3抽真空或注入惰性气体。光纤4也可以为一般的空心光纤或光子晶体光纤，通过连接器6与空心导光锥3密封连接，空心导光锥3和光纤4内部同时抽真空或注入惰性气体。

Claims (6)

1.一种空心导光锥耦合真空传输装置，其特征在于：所述的传输装置包括聚焦透镜、空心导光锥、光纤，聚焦透镜与光纤之间设置有空心导光锥，空心导光锥大端与光学窗口密封连接，空心导光锥小端与光纤输入端密封连接。
2.根据权利要求1所述的空心导光锥耦合真空传输装置，其特征在于：所述的空心导光锥由金属铝或不锈钢直接卷曲制成。
3.根据权利要求1所述的空心导光锥耦合真空传输装置，其特征在于：所述的空心导光锥由光学玻璃直接制成，内表面涂抗激光损伤的高反射膜。
4.根据权利要求1所述的空心导光锥耦合真空传输装置，其特征在于：所述的光纤为普通石英光纤、一般空心光纤、光子晶体光纤中任意一种。
5.根据权利要求2或3所述的空心导光锥耦合真空传输装置，其特征在于：所述的空心导光锥内部空间为抽真空或注入惰性气体。
6.根据权利要求4所述的空心导光锥耦合真空传输装置，其特征在于：所述的空心光纤或光子晶体光纤的内部空间抽真空或注入惰性气体。
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