CN101630045A

CN101630045A - 改善多模光纤输出光束空间分布的装置

Info

Publication number: CN101630045A
Application number: CN200910157367A
Authority: CN
Inventors: 王仲明; 朱晓鹏; 陈晓华
Original assignee: BWT Beijing Ltd
Current assignee: BWT Beijing Ltd
Priority date: 2009-07-28
Filing date: 2009-07-28
Publication date: 2010-01-20

Abstract

本发明为一种用来改善多模光纤输出光束空间分布的装置。其原理是将传输激光的多模光纤在很短的长度上施加单点、多点或连续分布的外应力，改变光在多模光纤内的传播模式分布，从而使从光纤端面输出的光束的空间分布得到改变。本装置尤其适用于通过光纤耦合输出的半导体激光器件，在封装完成后，针对特定使用需求改善输出光束空间分布。本装置使用简单、快捷、适用性好。

Description

改善多模光纤输出光束空间分布的装置

技术领域

本发明应用于各种激光尤其是半导体激光的光纤耦合封装，属于激光应用领域。

背景技术

有很多激光应用需要通过多模光纤输出激光，例如半导体激光器泵浦固体激光器、激光打标、激光切割、激光制版、激光照明等。这其中很多应用都要求从多模光纤输出的光束的空间分布必须是平滑、对称，或者均匀的，例如平顶形的分布、类高斯形分布等。但是多模光纤由于其固有的特性，在实用当中很难直接满足这些要求。例如通过多模光纤耦合输出的大功率半导体激光器，激光器管芯的发射光束在快轴方向的发散角为30°～40°，慢轴发散角为6°～10°，为了将这种极不对称的光束高效耦合到光纤中，需要经过一次或一次以上的整形，整形后的光照射到光纤端面并耦合入光纤时，通常不会是均匀对称的光束，往往是含有各种特定的子午和倾斜光分量。这种光束经过多模光纤传输，从端面输出的光束通常会分布不均匀，并且还容易受光纤所处环境的温度、外力等因素的影响而发生变化，例如形成环状、螺旋状或者不对称的分布。这种情况在许多应用场合，例如夜视、照明等中是不可接受的。

可以通过改善耦合光学系统，控制激光耦合到多模光纤端面时的能量分布来改善激光在光纤中的传输模式分布，从而改善输出光束空间分布，但是这种方式的成本和难度都比较高。另外一类改善多模光纤输出光束质量的方法在光纤本身上做文章，通过一种或多种手段的组合，使光功率在多模光纤内的不同模式之间的分配更加平均，从而获得更均匀的输出光束，例如美国专利6532244、6810175等所描述的将一定长度的多模光纤进行盘绕或施加分布式的应力，并辅以离轴耦合、将不同直径光纤对接的方法。但是这些现有方案都不够简单，需要体积比较大的装置和足够长度的光纤，安装、调节都不方便，批量制作的时候一致性难以保证。而且一旦在使用过程中光纤的环境、位置、外力、温度等发生变化从而导致输出光束的分布发生变化时，重新调节比较困难。因此，在实用当中特别需要一种简单、可靠、灵活的方法来改变并获得质量优良的均匀的多模光纤输出光束分布。本发明即可满足这种需要。

发明内容

当光在多模光纤中传输时，其能量分布在不同的传输模式中，这种分布具有一定的随机性，并易受外界环境的影响。本发明提供了一种改善多模光纤输出光束空间分布的装置，使光能能够更均匀地分布于尽可能多的传输模式中，使输出光斑更加均匀，并且降低输出光束空间分布对外界环境变化的敏感度。这种方法和相应的装置尤其适用于通过光纤耦合输出的半导体激光器件，在耦合封装完成后，针对特定使用需求改善输出光束空间分布。

在传输激光的多模光纤的一小段长度上，在局部一点或多点施加应力，造成光纤的局部形变，或通过施加连续分布的应力，形成一定长度上的连续形变。这种形变会扰动光纤内部传导光的模式，造成不同模式之间发生能量耦合，导致光功率更均匀地在不同模式和更多的模式间分配，从而使从光纤输出的光束的空间分布更加均匀。施加应力的光纤长度通常可以小于50mm，因此可以很方便地做成紧凑、实用的装置。

采用具有一个或多个表面起伏结构的两个加工件，二者的起伏能够互相配合，将起伏面相对，中间夹持一段光纤，对两个工件实施压力，就能够对被加持光纤产生一点或多点压力，造成光纤的形变。在一定范围内施加不同的压力，可以调整形变量，从而调整输出光束。

还可以利用一个或多个可调整螺钉在光纤的不同位置加压的结构，这样每个位置都可以在一定范围内进行压力调整，从而对输出光斑的光分布进行连续的调整，自由度很高。这种方案特别适用于需要灵活调节光束的场合。调整范围根据光纤的直径、光纤所能承受的最大应力以及对输出光束的要求确定。

以上局部一点或多点施加应力的方式由于其施加压强大，可以在很小的区域获得非常大的应力，光束分布的调整效果比较明显。但是过大的压强容易损伤光纤。可以采用应力连续分布的装置避免这种情况。即将起伏面制作得连续、光滑、平缓，施加夹持力使光纤被压产生形变与起伏面形状完全匹配，这样将形成光纤内的连续应力。也可以制作一个有弯曲槽结构的工件，将光纤镶嵌在弯曲槽内，在光纤内产生连续分布的应力。采用这两种方法，当安装完毕后，光纤所受的应力及其分布是固定的，由起伏面或弯曲槽的形状所决定，不可调谐。

附图说明

图1在多点对光纤施加应力的装置示意图。

图2通过可调螺钉对光纤施加多点应力装置示意图。

图3一种利用可调螺钉对光纤施加多点应力的实用装置。

图4一种对光纤施加连续应力的装置示意图。

图5通过图3装置的调整，一个环形分布的光束被调整成均匀的类似平顶形的分布，图中为光束的强度角分布。

图中：1.在一个表面上具有起伏结构的工件，2.光纤，3.螺钉，4.螺钉座，5.调节筒，6.在一个表面上具有比较小的、光滑的连续起伏结构的工件，7.使用改善装置之前的多模光纤输出光的强度角分布，8.改善后的光束强度角分布。

具体实施方式

对一小段光纤实施多点应力，可以通过如图1所示的结构实现。制作两个有锯齿状表面起伏的工件(1)，锯齿交错配合排列，将光纤(2)夹持在两侧锯齿之内，加压力。这时光纤(2)将在与每个锯齿的接触点处受到强压力而弯折，在其内部产生应力。通过改变压力，可以使通过光纤(1)输出的光达到理想的分布状况，这时用胶或螺钉将工件(1)和光纤(2)固定。此例中工件(1)上的起伏是锯齿状，实际使用当中也可以设计成其他凹凸不平的形状。

图2展示了一种可以对光纤各个受压点的压力进行分别调整的结构。螺钉(3)拧在螺钉座(4)上，光纤从螺钉头之间穿过，将螺钉(3)拧进，压迫光纤(2)，使它在多点产生形变。这样的结构增加了调节的余地，可以对输出光斑进行比较细微的调节。图3为一种更为实用的可调螺钉方案，光纤(2)穿过调节筒(5)的中孔，在调节筒(5)侧壁上有多个螺钉(3)，将螺钉(3)拧入中孔即可以对光纤实施压力。这种结构便于与各种光纤连接头集成，适合多种实际应用场合。图5给出了通过使用这种装置对光纤输出光束空间角分布进行改善的一个实例，可以看到，使用改善装置之前，空间分布为环形(7)，使用装置之后，分布(8)变为类似平顶，得到了极大的改善。

如需对光纤实施连续应力，则可以采用图4所示的一种结构，类似图1的结构，只不过两个工件(6)的表面为连续的光滑的比较小的起伏，见左图。将起伏面相对，把一根光纤(2)夹在中间。只要施加足够的压力，即可将光纤(2)压成与工件(6)起伏完全一样，为密配合，见右图，再用胶粘或螺钉将加工件与光纤固定。这种结构的光纤形变固定，应力分布稳定，不容易受环境变化影响，但是应力不可调整。

Claims

1.一种改善多模光纤输出光束空间分布的装置，其特征是：在传输激光的多模光纤的一段长度上，在局部一点或多点施加应力造成光纤的局部形变，或通过施加连续分布的应力在一定长度上产生连续形变，使从光纤输出的光束的空间分布更加均匀。

2.根据权利要求1所述的改善多模光纤输出光束空间分布的装置，其特征为：光纤被施加应力的长度小于50mm。

3.根据权利要求1所述的改善多模光纤输出光束空间分布的装置，其特征为：在局部一点或多点所施加应力的装置，由两个具有个表面起伏结构的加工件实施，两个加工件的表面起伏能够互相配合，将起伏面相对，中间夹持一段光纤，对两个加工件实施压力，实现被加持光纤上产生一点或多点应力，造成光纤的形变。

4.根据权利要求3所述的改善多模光纤输出光束空间分布的装置，其特征为：对两个工件实施的压力是可调整的。

5.根据权利要求1所述的改善多模光纤输出光束空间分布的装置，其特征为：对光纤一点或多点施加应力还可以通过一个或多个可调整螺钉在光纤的不同位置加压来实现，每个位置都通过调整螺钉进行压力调整。

6.根据权利要求1所述的改善多模光纤输出光束空间分布的装置，其特征为：对光纤施加连续分布的应力的装置，其结构为两个起伏面制作得连续、光滑、平缓，两个加工件的表面起伏能够互相配合，将起伏面相对，中间夹持一段光纤，对两个工件实施压力，使光纤被压产生形变与起伏面形状完全匹配；或制作一个具有弯曲的槽的工件，将光纤镶嵌在弯曲槽内。