CN102882128B - 基于光纤光锥耦合的大功率高亮度激光光源 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及集成激光光源，具体为一种基于光纤光锥耦合的大功率高亮度激光光源，解决了现有集成激光光源中光纤合束输出功率和输出光斑面积相互制约的问题。基于光纤光锥耦合的大功率高亮度激光光源，包括由若干根光纤熔融拉制而成且大端侧带有散尾纤的光纤光锥；散尾纤的每根光纤上通过连接器连接有带有准直透镜组合的激光器。本发明体积小、方便灵活、安装调试简单、输出光功率密度高、输出光斑面积小，便于与后续光学系统的耦合；可广泛适用于激光照明、激光加工、以及激光为光源的显示投影系统等领域。

Description

基于光纤光锥耦合的大功率高亮度激光光源
技术领域
本发明涉及集成激光光源，具体为一种基于光纤光锥耦合的大功率高亮度激光光源。
背景技术
随着科学技术的不断进步，各个领域对激光光源的需求越来越显著，尤其是对大功率、高亮度且光束质量好的光源的需求。但目前的激光技术由于散热等问题仍不能满足输出大功率的要求，因此，需要寻求一种有效的大功率光源集成方式，以满足当前对大功率激光光源的应用需求。
目前光源集成多采用光束合成技术，典型的合成方式是非相干光束合成。非相干光束合成技术包括采用光纤束对二极管激光器阵列进行合束的方法等，但当耦合的二极管激光器个数较多时，虽然会增大光纤合束的输出功率，但由于光纤的数量也较多，使得输出光斑的面积较大，功率密度降低；同时如果光纤的芯径较小时耦合效率也会降低，所以必须选择芯径较大的光纤，但是相邻光纤之间的间隙会较大，集成后出射端的发光会不均匀，也会增加后续光学系统的结构复杂度和设计难度。
发明内容  
本发明为了解决现有集成激光光源中光纤合束输出功率和输出光斑面积相互制约的问题，提供了一种基于光纤光锥耦合的大功率高亮度激光光源。
本发明是采用如下技术方案实现的：基于光纤光锥耦合的大功率高亮度激光光源，包括由若干根光纤熔融拉制而成且大端侧带有散尾纤的光纤光锥；散尾纤的每根光纤上通过连接器连接有带有准直透镜组合的激光器。所述准直透镜组合、连接器为本领域技术人员容易实现的技术。
本发明采用大端侧带有散尾纤的光纤光锥，工作时，每个激光器发出的激光光束经准直透镜组合后垂直光纤端面入射到散尾纤的相应光纤中，再从光纤光锥小端面的相应光纤输出；这样，激光器发出的激光光束分别一对一耦合入散光纤中后再集成到小端面从而实现高效率耦合。
本发明由于光纤光锥的输出端面（即小端面）可以拉制到很小，即使单根光纤的直径较大和被耦合激光器较多时，也不会因为输出光斑面积过大而受到限制；采用的光纤光锥因只用于激光能量的传递和会聚，与传统传递图像的光纤光锥不同，不必考虑成像质量的光学特性参数，只需考虑透过率和锥度比（大端面直径和小端面直径之比）即可，对光纤光锥的制作工艺要求不高，成本低；采用带有散尾纤的光纤光锥，可以依靠散尾纤的柔韧性使激光器、准直透镜组合及散热装置有足够的空间布置，减小散热压力，增加了安装自由度。
本发明体积小、方便灵活、安装调试简单、输出光功率密度高、输出光斑面积小，便于与后续光学系统的耦合；解决了现有集成激光光源中光纤合束输出功率和输出光斑面积相互制约的问题，可广泛适用于激光照明、激光加工、以及激光为光源的显示投影系统等领域。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图中：100-光纤；101-激光器；102-准直透镜组合；103-光纤光锥。
具体实施方式
基于光纤光锥耦合的大功率高亮度激光光源，包括由若干根光纤100熔融拉制而成且大端侧带有散尾纤的光纤光锥103；散尾纤的每根光纤100上通过连接器连接有带有准直透镜组合102的激光器101。
具体实施时，所述激光器101采用边发射二极管激光器，这种激光器具有体积小，发光效率高的优点；所述准直透镜组合102采用单个非球面透镜或两个柱面透镜，能够使激光器的剩余发散角达mrad量级。所述光纤100是由石英制成的纤芯和石英制成的包层组成；纤芯和包层都为石英材料，使得整个光纤的熔点一致，有利于熔融拉制光纤光锥，而且石英材料的吸收系数小、透过率高、光能耦合效率高。光纤100的纤芯直径为1mm，这种较大芯径的光纤能够使准直以后的激光光斑全部包括在纤芯范围内，增加了耦合效率；散尾纤采用直尾纤或锥度与光纤光锥103的锥度相同的锥尾纤，散尾纤呈发散状态，增加了激光器的排布空间，有利于散热和安装调试；所述光纤光锥103的光纤100呈正六边形排列，使得相邻光纤之间的距离最紧密，减小了光纤束不发光的暗区面积，有利于提高光功率密度。所述光纤光锥103的锥度比等于光纤光锥103的出射端激光光束数值孔径与入射端能够有效传输的激光光束的数值孔径之比（数值孔径简写为N.A，它是由光纤纤芯材料折射率n1与光纤包层材料折射率n2决定，其大小由下式决定：N.A=（n1 2-n2 2）1/2）；由光纤出射端数值孔径和经准直透镜组后光束的数值孔径限制锥度比（或由光纤的出射端数值孔径和所要求的锥度比设计准直透镜组）理论上可使光线耦合效率达到100％，实际应用中可使激光光束在光纤中传输率达到95%以上；所述光纤光锥103的锥度比为2~10：1。所述连接器至少可采用FC型光纤连接器。

Claims (4)

1.基于光纤光锥耦合的大功率高亮度激光光源，其特征在于：包括由若干根较大芯径的光纤(100)熔融拉制而成且大端侧带有散尾纤的光纤光锥(103)；散尾纤的每根光纤(100)上通过连接器连接有带有准直透镜组合(102)的激光器(101)，每个激光器(101)发出的激光光束经准直透镜组合(102)后垂直光纤端面入射到散尾纤的相应光纤(100)中，再从光纤光锥(103)小端面的相应光纤输出，这样，激光器(101)发出的激光光束分别一对一耦合入散尾纤中后再集成到小端面输出。
2.根据权利要求1所述的基于光纤光锥耦合的大功率高亮度激光光源，其特征在于：所述激光器(101)采用边发射二极管激光器；所述准直透镜组合(102)采用单个非球面透镜或两个柱面透镜。
3.根据权利要求1或2所述的基于光纤光锥耦合的大功率高亮度激光光源，其特征在于：所述光纤(100)是由石英制成的纤芯和石英制成的包层组成，光纤(100)的纤芯直径为1mm；散尾纤采用直尾纤或锥度与光纤光锥(103)的锥度相同的锥尾纤。
4.根据权利要求1或2所述的基于光纤光锥耦合的大功率高亮度激光光源，其特征在于：所述光纤光锥(103)的锥度比等于光纤光锥(103)的出射端激光光束的数值孔径与入射端能够有效传输的激光光束的最大数值孔径之比；光纤光锥(103)的锥度比为2～10：1。
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