CN102135668B - 光纤激光器的准直器及光纤激光器 - Google Patents

光纤激光器的准直器及光纤激光器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光纤激光器的准直器，其包括镜筒、固定于该镜筒前端的输出尾纤以及固定于该镜筒内的光学透镜，该输出尾纤的后端面位于该光学透镜的焦点处，所述光学透镜包括沿光路顺次设置的同光轴的双凹透镜和双凸透镜。本发明的准直器，其光学透镜主要是由正球差的双凹透镜和负球差的双凸透镜组成的双透镜组，该双透镜组可以消除系统像差，从而保证准直扩束后输出光束的光束质量基本不降低，维持了光纤激光器光束质量高的优势；而且，该双透镜组制作工艺简单、成本低，降低了准直器的加工成本。同时，本发明还公开了一种具有上述准直器的光纤激光器。

Description

光纤激光器的准直器及光纤激光器
技术领域
本发明涉及一种光学准直器，尤其是一种光纤激光器的准直器，以及一种具有该准直器的光纤激光器。 
背景技术
光纤激光器是激光领域的一项革命性技术，它拥有输出功率高、亮度高、光束质量高(光束质量接近衍射极限)、光电转换效率高、可靠性高、长寿命等优点，是将要并正在取代现有多种激光器技术的一种新技术。由于光纤激光器的输出尾纤直接输出的光束的束腰直径与光纤纤芯直径相当，在数微米到数十微米量级，故光束发散角度大。因此，一般在光纤激光器的输出尾纤的后端接上准直器，把从尾纤输出的光准直扩束后再输出。为保持光纤激光器原有的技术优势，对用于光纤激光器输出端的准直器提出了如下技术要求：有效压缩光束发散角、保持较高的光束质量等。现有的准直器一般使用C-LENS(单片球透镜)或G-LENS(渐变折射率透镜)等技术，C-LENS为单片球透镜，由于存在较大球差，会使通过准直器后输出的光的光束质量下降较大；而G-LENS为渐变折射率透镜，其成本较高。公开号为WO2007061543A2的专利公开了一种紧凑型准直器，具体公开了，所属准直器包括镜筒，固定在镜筒前端的光纤的终端，以及固定在镜筒内部的沿光路依次设置的双凹透镜和凸透镜。 
发明内容
本发明的目的之一在于克服现有技术的缺陷，提供一种工艺简单、成本低、像差小的准直器。 
本发明的另一目的在于提供一种具有上述准直器的光纤激光器。 
本发明提供的一种光纤激光器的准直器，其包括准直器，该准直器包括镜筒、固定于该镜筒前端的输出尾纤以及固定于该镜筒内的光学透镜，该输出尾纤的后端面位于该光学透镜的焦点处，所述光学透镜包括沿光路顺次设置的同光轴的双凹透镜和双凸透镜。 
优选地，所述光学透镜还包括设于所述双凹透镜和所述双凸透镜之间的同光轴的弯月 透镜。 
优选地，所述镜筒的前端由支撑板封闭，所述输出尾纤的后端从该支撑板的中部穿入所述镜筒内。 
本发明提供的一种光纤激光器，其包括准直器，该准直器包括镜筒、固定于该镜筒前端的输出尾纤以及固定于该镜筒内的光学透镜，且该输出尾纤的后端面位于该光学透镜的焦点位置，所述光学透镜包括依光路顺次设置的同光轴的双凹透镜和双凸透镜。 
优选地，所述光学透镜还包括设于所述双凹透镜和所述双凸透镜之间的同光轴的弯月透镜。 
优选地，所述光纤激光器还包括球差透镜，该球差透镜设于所述准直器光路之后，并与所述光学透镜同光轴。 
优选地，所述球差透镜为双凸透镜。 
优选地，所述输出尾纤包括前部的单模光纤和后部的多模光纤，该单模光纤与该多模光纤通过熔融连接或者通过光纤连接器连接。 
优选地，所述镜筒的前端由支撑板封闭，所述输出尾纤的后端从该支撑板的中部穿入所述镜筒内。 
与现有技术相比，本发明的优点是： 
(1)本发明的准直器，其光学透镜主要是由正球差的双凹透镜和负球差的双凸透镜组成的双透镜组，该双透镜组可以消除系统像差，从而保证准直扩束后输出光束的光束质量基本不降低，维持了光纤激光器光束质量高的优势；而且，该双透镜组制作工艺简单、成本低，降低了准直器的加工成本； 
(2)本发明的准直器，通过在双凹透镜和双凸透镜之间设置同光轴的弯月透镜，对系统的正像差进行校正，进一步地消除了系统像差； 
(3)本发明的光纤激光器，通过在准直器光路之后设置球差透镜，这样，从准直器出来的高斯光束，经球差透镜聚焦后，在焦点附近可形成功率密度分布均匀性很好的光斑， 从而达高斯光束均匀化的目的；而且，该光纤激光器具有光斑功率密度较高等优点； 
(4)本发明的光纤激光器，其输出尾纤由前部的单模光纤和后部的多模光纤组成，这样，光纤激光器发出的高光束质量的光束可高效地耦合进入多模光纤，并激发出多个高阶模式，多个高阶模式混合后光斑的功率密度分布就得以均匀化，均匀化后的光束，通过准直器准直扩束，以及加工镜头的聚焦后，所得的光斑仍然为均匀光斑，从而达到了输出光斑均匀化的目的。 
附图说明
图1为本发明实施例的准直器的结构示意图。 
图2为本发明实施例的光纤激光器的结构示意图。 
图3为本发明其中一个实施例的光纤激光器的球差透镜焦点处功率密度分布图。 
图4为本发明其中一个实施例的光纤激光器的球差透镜焦点处光线分布图。 
图5为理想透镜焦点处功率密度分布图。 
图6为理想透镜焦点处光线分布图。 
图7为本发明另一个实施例的光纤激光器的结构示意图。 
图8为本发明另一个实施例的光纤激光器的结构示意图。 
具体实施方式
本发明的准直器的光学透镜是由正球差的双凹透镜和负球差的双凸透镜组成的双透镜组，该双透镜组可以消除系统像差，从而保证准直扩束后输出光束的光束质量基本不降低，维持了光纤激光器光束质量高的优势；而且，该双透镜组制作工艺简单、成本低，降低了准直器的加工成本。下面通过具体实施例对本发明的准直器及具有该准直器的光纤激光器进行详细说明。 
实施例1 
本发明的准直器的其中一个实施例的结构示意图如图1所示，准直器由镜筒1、固定于 该镜筒1前端的输出尾纤2以及固定于该镜筒1内的双凹透镜3、弯月透镜4和双凸透镜5。镜筒1的前端由支撑板1a封闭，输出尾纤2的后端从该支撑板1a的中部伸入镜筒1内。双凹透镜3、弯月透镜4和双凸透镜5沿光路顺次固定在镜筒1内，输出尾纤2及三片透镜3、4、5组成同轴光学系统，输出尾纤2的后端面位于三片透镜3、4、5组的焦点位置。为了便于描述，以下定义每片透镜沿光路距输出尾纤2距离较近的表面为前表面，同理，每片透镜沿光路距输出尾纤2距离较远的表面为后表面。 
本实施例中，三片透镜3、4、5的材质均为融石英，直径与镜筒1的内径相匹配。双凹透镜3的前表面曲率半径为37.93mm，后表面曲率半径为29.65mm，中厚为1.31mm，双凹透镜3的前表面与输出尾纤2的后端面之间的距离为15.72mm。弯月透镜4的前表面曲率半径为26.59mm，后表面曲率半径为11.59mm，中厚为1.83mm。双凸透镜5的前表面曲率半径为63.24mm，后表面曲率半径为12.503mm，中厚为2.89mm。双凹透镜3后表面中心到弯月透镜4前表面中心的距离为0.9mm，弯月透镜4后表面中心到双凸透镜5前表面中心的距离为0.635mm。输出尾纤2为纤芯直径5um的单模光纤，数值孔径为0.14。 
输出尾纤2输出的光束为理想的高斯光束，光束的M平方因子为1，光束束腰直径为6.2um，发散全角为0.219rd。通过本实施例的三片透镜3、4、5组后，光束得到准直扩束，光束的束腰直径扩大到4.91mm，发散角度压缩到0.282mrd，光束的M平方因子保持为1.01。可见，本实施例所述准直器有效地把光纤激光器输出的光束进行了准直扩束，并保持了输出光束的高光束质量。 
实施例2 
本发明的光纤激光器的其中一个实施例的结构示意图如图2所示，光纤激光器包括实施例1所述的准直器以及设置在该准直器光路之后的具有球差的双凸透镜6，具有球差的双凸透镜6与准直器的三片透镜3、4、5组同光轴。具有球差的双凸透镜6的前后面曲率半径均为25mm，中厚为2mm，材质为融石英。准直器输出的光束通过具有球差的双凸透镜6后聚焦于距透镜后表面26.67mm处。图3为距透镜后表面26.67mm处的功率密度分布图，可见功率密度近似为均匀分布，图4为距透镜后表面26.67mm处的光线分布图。图5为把具有球差的双凸透镜6置换成焦距26.67mm的理想透镜所得的功率密度分布图，图6为把具有球差的双凸透镜6置换成焦距26.67mm的理想透镜所得的光线分布图。从图3、图4及图5、图6两组图对比可见，在距透镜后表面26.67mm处，功率密度分布已从无球差的 理想透镜聚焦所得的高斯分布变成近似均匀的分布，且该处光斑直径不足0.1mm，具有高功率密度，很好地保持了光纤激光器功率密度高的优势。 
实施例3 
如图7所示，与实施例2不同的是，本实施例的光纤激光器的输出尾纤2由前部的单模光纤21和后部的多模光纤通过熔融连接而成。单模光纤21的纤芯直径为5um，数值孔径为0.14。多模光纤的纤芯直径为50um，数值孔径为0.22。从单模光纤21过来的单模激光通过熔接点进入多模光纤后，激发出多种模式，功率分布趋于均匀化，均匀化后的光束通过准直器输出。单模光纤21和多模光纤通过熔融连接，光损失少。 
实施例4 
如图8所示，与实施例3不同的是，单模光纤21和多模光纤22通过光纤连接器连接而成。从单模光纤21过来的单模激光通过连接点进入多模光纤22后，激发出多种模式，功率分布趋于均匀化。单模光纤21和多模光纤22通过光纤连接器连接具有安装和拆卸方便的优点。 
由于单模光纤激光器输出的光束为近似理想的高斯光束，光斑功率密度分布为高斯形，因此，在许多应用中，需要对光束进行整形，以得到功率密度均匀分布的光斑。现有技术的光束整形(高斯光束平顶化)技术一般通过使用积分镜或匀光管的方法达成，积分镜由很多块小平面镜组成，工艺复杂，成本高；匀光管用于光纤激光器需要很长的长度，且损耗高。当用于光纤激光器时，两者均匀化后的光斑都较大，难以保持光纤激光器高亮度、高光斑功率密度的优势。而本发明的光纤激光器，通过在准直器光路之后设置球差透镜(实施例2)或者通过在输出尾纤上连接一段多模光纤(实施例3、4)对光束整形，与积分镜相比，两种光纤激光器均具有工艺简单，成本低的优点；而与匀光管相比，实施例3、4所述的光纤激光器具有工艺简单、成本低、柔性、功率密度高、体积小等优点。 
以上仅为本发明的具体实施例，并不以此限定本发明的保护范围；在不违反本发明构思的基础上所作的任何替换与改进，均属本发明的保护范围。 

Claims (7)

1.一种光纤激光器的准直器，其包括镜筒、固定于该镜筒前端的输出尾纤以及固定于该镜筒内的光学透镜，该输出尾纤的后端面位于该光学透镜的焦点处，所述光学透镜包括沿光路顺次设置的同光轴的双凹透镜和凸透镜；其特征在于：所述凸透镜为双凸透镜，所述光学透镜还包括设于所述双凹透镜和所述双凸透镜之间的同光轴的弯月透镜。
2.根据权利要求1所述的光纤激光器的准直器，其特征在于：所述镜筒的前端由支撑板封闭，所述输出尾纤的后端从该支撑板的中部穿入所述镜筒内。
3.一种光纤激光器，其包括准直器，该准直器包括镜筒、固定于该镜筒前端的输出尾纤以及固定于该镜筒内的光学透镜，该输出尾纤的后端面位于该光学透镜的焦点处，所述光学透镜包括沿光路顺次设置的同光轴的双凹透镜和凸透镜，其特征在于：所述凸透镜为双凸透镜，所述光学透镜还包括设于所述双凹透镜和所述双凸透镜之间的同光轴的弯月透镜。
4.根据权利要求3所述的光纤激光器，其特征在于：还包括球差透镜，该球差透镜设于所述准直器光路之后，并与所述光学透镜同光轴。
5.根据权利要求4所述的光纤激光器，其特征在于：所述球差透镜为双凸透镜。
6.根据权利要求3所述的光纤激光器，其特征在于：所述输出尾纤包括前部的单模光纤和后部的多模光纤，该单模光纤与该多模光纤通过熔融连接或者通过光纤连接器连接。
7.根据权利要求3至6任一项所述的光纤激光器，其特征在于：所述镜筒的前端由支撑板封闭，所述输出尾纤的后端从该支撑板的中部穿入所述镜筒内。
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