CN103676030B - 一种增大输出光束空间发散角和匀化光斑的光纤及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种增大输出光束空间发散角和匀化光斑的光纤，包括圆柱状光纤主体，在圆柱状光纤主体的表面设置有光纤涂覆层，所述光纤主体一端为锥形光纤结构，所述锥形光纤结构的端面面积与圆柱状光纤主体的横截面面积比为：1：1.1～2，在所述锥形光纤结构的扇形表面镀有高反膜。本发明所述的光纤的一端为锥形结构，并且在锥形结构的扇形表面上镀有高反膜，使光纤中部分光束沿锥形结构表面的高反膜不断反射，增加光束的出射角，进而分散光斑的聚集效果，即达到匀光的目的，又实现了光束混模。
Description
技术领域
本发明涉及一种增大输出光束空间发散角和匀化光斑的光纤及其应用，属于光纤光学的技术领域。
背景技术
光纤耦合输出的半导体激光器具有使用灵活性被广泛应用于半导体激光器泵浦固体激光器、激光切割、激光照明、激光打标、激光印刷等领域。激光夜视、照明领域要求光束有大的空间发散角，同时光束的空间分布是对称、均匀的。然而，由于激光具有高方向性，而且受输出光纤数值孔径的限制，光束发散角有限，从而限制了光源的照射面积。同时，由于大功率激光器所用光纤为多模光纤，光束传输时存在多种高阶模分布形式，导致输出光束出现光斑带环、分布不均的现象。
增加光纤的光束发散角最常用的方法为在激光输出端增加透镜组，通过透镜光学变换达到增加光束发散角的目的，但是这种方式的成本较高，安装复杂，同时也不利于制备结构紧凑、体积小的设备。
对多模光纤输出光纤进行匀化可以通过对光纤进行盘绕、施加应力，例如，美国专利文件6810175提出了一种匀化输出光束能量，使光斑变为平顶光斑的方法。该方法的主要技术方案是将激光先耦合进一根渐变光纤的一端，而渐变光纤的另一端与数值孔径较大的阶跃光纤相熔接，同时对阶跃光纤进行弯曲盘绕，对模式进行混合，使输出激光能量均匀分布，从而得到平顶分布光斑。该装置的缺点是实现方式复杂，所需装置体积大，安装难度大，不利于批量生产。
美国专利6532244匀化光斑的方法为，先将激光耦合进一根多模光纤，在输出端用离轴透镜组将激光器二次耦合进一根粗芯径光纤，在第二根光纤输出端再用离轴透镜组对光斑进行匀化，同时采取盘绕和施加应力的方法或将多模光纤进行盘绕、施加应力的方法，进行混模，改善多模光纤输出光束质量。该方法的缺点是需要足够长度的光纤和多个透镜元件，导致匀化系统装置体积大，且需要经过多个透镜耦合，调节难度大。
中国专利文件CN101630045公开了一种改善多模光纤输出光束空间分布的装置，该装置由两个相对放置的具有起伏面的工件构成，工件中间夹持一段光纤，通过对这两个工件施加压力，使传输激光的多模光纤在很短的长度上受到单点、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，从而达到匀化光斑的效果。该方法用外力对光纤进行挤压，易造成光纤损伤和能量损耗，且在传输光纤上增加挤压装置，影响产品外观。
中国专利文件CN102012564A提出了一种光纤耦合输出半导体激光器输出光斑匀化方法，是将混模材料的一端固定到插芯上，然后把光纤与混模材料缠绕在一起，同时观察光斑，使其无暗心、无光环和手电筒现象，最后固定两者的相对位置，安装上连接头并套上保护套管。该方法在光纤保护套管内增加混模材料增大了套管直径，激光器尾纤的硬度也会大大增加，使用时不易弯折，因此降低了激光器摆放位置的灵活性。
发明内容
针对以上的技术不足，本发明提供一种增大输出光束空间发散角和匀化光斑的光纤。
本发明还提供一种利用上述光纤对光束匀化光斑的方法。
本发明的技术方案如下：
一种增大输出光束空间发散角和匀化光斑的光纤，包括圆柱状光纤主体，在圆柱状光纤主体的表面设置有光纤涂覆层，所述光纤主体一端为锥形光纤结构，所述锥形光纤结构的端面面积与圆柱状光纤主体的横截面面积比为：1：1.1～2，在所述锥形光纤结构的扇形表面镀有高反膜。在锥形光纤结构表面镀有的高反膜是根据光纤传导光束的波长而选定的，其作用是对要折射出光纤的光束进行反射，最终在锥形光纤结构的端面形成出射光，从而起到匀化光斑的作用。
根据本发明优选的，所述锥形光纤结构的锥度夹角θ的范围为：10-40°。进一步优选的，所述锥度夹角θ的范围为：15-20°。
根据本发明优选的，所述圆柱状光纤主体的直径范围：200-1000μm。
一种利用上述光纤对光束匀化光斑的方法，包括步骤如下：
（1）将所述光纤穿入保护管中，在保护管的一端露出锥形光纤结构，在保护管的另一端露出一段圆柱状光纤主体；
（2）将上述露出的圆柱状光纤主体穿过进灌胶的连接头，露出部分；
（3）将连接头中的灌胶进行固化；
（4）固化后，将露于连接头外部的圆柱状光纤主体去掉，形成光纤端面，对光纤端面进行研磨，得到与光纤中心轴垂直的光学平面，制成光纤跳线，其中锥形光纤结构为光纤跳线的输出端，所述的连接头为光纤跳线的连接端；
（5）使用时，用法兰将上述光纤跳线的连接头和激光器的连接头连接在一起，其光纤跳线的输出端对激光器所发出的光束进行匀化光斑。
根据本发明优选的，所述步骤（3）中固化是指将装好连接头的光纤跳线放置在光纤固化架上、放入60-80℃烘箱烘烤1-6h使连接头中的灌胶进行固化。
本发明的有益效果：
本发明所述的光纤的一端为锥形结构，并且在锥形结构的扇形表面上镀有高反膜，使光纤中部分光束沿锥形结构表面的高反膜系不断反射，增加光束的出射角，进而分散光斑的聚集效果，即达到匀光的目的，又实现了光束混模。
本发明是经过大量的实验而得出的具体尺寸的锥形结构，并不是所有尺寸的锥形结构能够实现较高的匀化光斑的效果。采用本发明所述的光纤对激光器的光束进行传导，经检测，其光束质量因子M2下降70-75%，亮度提高6倍左右。
附图说明
图1是本发明所述光纤的结构示意图；
图2是实施例1、2所述光纤对光束的匀化光斑的效果图；
图3是对比例所述光纤对光束的匀化光斑的效果图；
图4是通过改变所述锥形光纤结构的锥度夹角度数，测量统计得到的输出光线的光束质量因子M2分布图；
图5是本发明所述光纤增大光纤输出光束空间发散角的原理图；
图1-2中：1、光纤涂覆层；2、锥形光纤结构；3、圆柱状光纤主体；4、高反膜；5、锥形光纤结构的端面；6、圆柱状光纤主体的横截面。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明做详细的说明，但不限于此。
实施例1、
一种增大输出光束空间发散角和匀化光斑的光纤，包括圆柱状光纤主体3，在圆柱状光纤主体3的表面设置有光纤涂覆层1，所述光纤主体3一端为锥形光纤结构2，所述锥形光纤结构的端面5面积与圆柱状光纤主体的横截面6面积比为：1：1.5，在所述锥形光纤结构2的扇形表面镀有一层高反膜4。所述的高反膜4为650nm的高反膜。
所述锥形光纤结构2的锥度夹角θ为：20°。所述圆柱状光纤主体3的直径：308μm。
实施例2、
一种利用实施例1所述光纤对光束匀化光斑的方法，包括步骤如下：
（1）将所述光纤穿入保护管中，在保护管的一端露出锥形光纤结构2，在保护管的另一端露出一段圆柱状光纤主体3；
（2）将上述露出的圆柱状光纤主体3穿过进灌胶的连接头，露出部分；
（3）将连接头中的灌胶进行固化；
（4）固化后，将露于连接头外部的圆柱状光纤主体3去掉，形成光纤端面，对光纤端面进行研磨，得到与光纤中心轴垂直的光学平面，制成光纤跳线，其中锥形光纤结构2为光纤跳线的输出端，所述的连接头为光纤跳线的连接端；
（5）使用时，用法兰将上述光纤跳线的连接头和激光器的连接头连接在一起，其光纤跳线的输出端对激光器所发出的650nm光束进行匀化光斑。
所述步骤（3）中固化是指将装好连接头的光纤跳线放置在光纤固化架上、放入60-80℃烘箱烘烤1-6h使连接头中的灌胶进行固化。
下面进一步结合说明书附图5说明本发明所述光纤增大光纤输出光束空间发散角和匀化光斑的原理：
如图5所示，A、B为两束在光纤中传播方向相同的光线，分别照射到锥形光纤结构侧壁和圆柱状光纤的侧壁。可知，入射角α＜β，由于侧壁镀有高反膜，光线A被反射到光纤端面5，光线B经侧壁全反射后也到达光纤端面，A、B的反射光线在光纤端面的入射角分别为δ、γ，可知δ>γ，光线折射出光纤端面，折射角ψ>φ，由此可见，所述的具有锥形结构的光纤有利于增大光束发散角，其均化光斑的效果明显。
对比例、
该对比例中所使用的光纤为圆柱状光纤的直径、长度和材质与实施例1和2中圆柱状光纤主体是完全相同的，而且所采用的激光器光源的光束参数也与实施例2完全相同。
采用CCD记录光斑图形，对实施例1、2所述光纤和现有圆柱状光纤的匀化光斑作用做对比试验：图2是实施例1、2所述光纤对光束的匀化光斑的效果图，图2中光斑中心散斑明显减少，光斑变均匀；而图3是对比例述光纤对光束的匀化光斑的效果图，图3中光斑存在大量散斑。
利用本发明所制备出的光纤跳线较普通光纤传输光束，其光束质量因子M2下降75%，亮度提高6倍，匀化光斑效果良好。
实施例3、
如实施例1所述的一种增大输出光束空间发散角和匀化光斑的光纤，其区别在于，所述锥形光纤结构的端面5面积与圆柱状光纤主体的横截面6面积比为：1：2，在所述锥形光纤结构的扇形表面镀有高反膜4。所述的高反膜为808nm的高反膜4。
所述锥形光纤结构2的锥度夹角θ为：35°。所述圆柱状光纤主体3的直径：440μm。
利用该实施例所制备出的光纤跳线较普通光纤传输光束，其光束质量因子M2下降71%，亮度提高6倍，匀化光斑效果明显。
实施例4、
如实施例1所述的一种增大输出光束空间发散角和匀化光斑的光纤，其区别在于，在所述锥形光纤结构2的扇形表面镀有高反膜4。所述的高反膜为980nm的高反膜4。
所述锥形光纤结构的锥度夹角θ为：40°。所述圆柱状光纤主体3的直径：308μm。
利用该实施例所制备出的光纤跳线较普通光纤传输光束，其光束质量因子M2下降70%，亮度提高6倍，匀化光斑效果明显。
Claims (5)
1.一种利用增大输出光束空间发散角和匀化光斑的光纤对光束匀化光斑的方法，其中，所述光纤包括圆柱状光纤主体，在圆柱状光纤主体的表面设置有光纤涂覆层，所述圆柱状光纤主体一端为锥形光纤结构，所述锥形光纤结构的端面面积与圆柱状光纤主体的横截面面积比为：1：1.1～2，在所述锥形光纤结构的扇形表面镀有高反膜；其特征在于，所述方法包括步骤如下：
(1)将所述光纤穿入保护管中，在保护管的一端露出锥形光纤结构，在保护管的另一端露出一段圆柱状光纤主体；
(2)将上述露出的圆柱状光纤主体穿过灌胶的连接头，露出部分；
(3)将连接头中的灌胶进行固化；
(4)固化后，将露于连接头外部的圆柱状光纤主体去掉，形成光纤端面，对光纤端面进行研磨，得到与光纤中心轴垂直的光学平面，制成光纤跳线，其中锥形光纤结构为光纤跳线的输出端，所述的连接头为光纤跳线的连接端；
(5)使用时，用法兰将上述光纤跳线的连接头和激光器的连接头连接在一起，上述光纤跳线的输出端对激光器所发出的光束进行匀化光斑。
2.根据权利要求1所述匀化光斑的方法，其特征在于，所述锥形光纤结构的锥度夹角θ的范围为：10-40°。
3.根据权利要求2所述匀化光斑的方法，其特征在于，所述锥度夹角θ的范围为：15-20°。
4.根据权利要求1所述匀化光斑的方法，其特征在于，所述圆柱状光纤主体的直径范围：200-1000μm。
5.根据权利要求1所述匀化光斑的方法，其特征在于，所述步骤(3)中固化是指将装好连接头的光纤跳线放置在光纤固化架上、放入60-80℃烘箱烘烤1-6h使连接头中的灌胶进行固化。
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