CN107132619A - 激光合束系统以及激光复合合束系统 - Google Patents

Abstract

发明公开了一种激光合束系统以及激光复合合束系统，包括至少两根输入输入光纤，各所述输入光纤上至少设置有一个拉锥匀化段，在所述拉锥匀化段，各所述输入光纤形成一体式结构；所述拉锥匀化段包括位于中部的圆筒熔融部和连接于所述圆筒熔融部两端的拉锥圆台部。本发明提供的激光合束系统以及激光复合合束系统，突破空间合束的光学器件限制，极易实现光源小型化和多波长的复合。同时，经过多次匀化混光处理，极易实现高质量光束的输出，光斑规则，色散和散斑得到很好的控制等。

Description

激光合束系统以及激光复合合束系统

技术领域

本发明涉及激光技术，具体涉及一种激光合束系统以及激光复合合束系统。

背景技术

激光作为一种特殊光源，广泛应用于激光显示、特种照明、生物医疗设备、舞台演示、军警设备等领域。现有技术中，单束激光的能量较为有限，为获取大功率激光，常通过激光合束装置对多个激光进行合束。

现有技术中的激光合束装置包括单波长高功率激光器和多波长复合高功率激光器，其中，单波长高功率激光器多采用半导体激光器空间合束而成，光束质量较差，输出光斑不规则，散斑严重，且受到单波长合光原理和光学合光器件的限制，功率扩展有限。多波长复合高功率激光器，同样多采用半导体激光器空间合束而成，色散严重，光斑不规则，散斑严重，且受到多波长合光器件镀膜和光学合光器件的限制，功率扩展有限。如申请号为201310446965.9，申请公布日为2013.0927，名称为“光纤激光合束器”提供的就是这一种光纤合束装置，其仅经过单次合束混光，效果有限。

发明内容

本发明的目的是提供一种激光合束系统以及激光复合合束系统，以解决现有技术中的上述不足之处。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种激光合束系统，包括至少两根输入输入光纤，其特征在于，各所述输入光纤上至少设置有一个拉锥匀化段，在所述拉锥匀化段，各所述输入光纤形成一体式结构；

所述拉锥匀化段包括位于中部的圆筒熔融部和连接于所述圆筒熔融部两端的拉锥圆台部。

上述的激光合束系统，各所述输入光纤的芯径相同或不同。

上述的激光合束系统，所述拉锥部的轴向尺寸所述圆筒熔融部的长度的1.2-2.5倍之间。

上述的激光合束系统，各所述输入光纤上位于所述拉锥匀化段输入端和/或输出端的部位内置有固定插芯。

上述的激光合束系统，各所述输入光纤位于所述拉锥匀化段的两端被限位形成输入光纤束。

上述的激光合束系统，还包括输出光纤，各所述输入光纤的输出端熔融形成一圆台端，所述圆台端与所述输出光纤同轴等径熔接。

上述的激光合束系统，所述输入光纤和输出光纤的尺寸满足以下关系：

D1*NA1≥Sqrt(M)D0*NA0；

其中，M为所述输入光纤的根数，D0为所述输入光纤的芯径，NA0为所述输入光纤的数值孔径，D1为所述输出光纤的芯径，NA1为所述输出光纤的数值孔径。

一种激光复合合束系统，包括至少两个上述的激光合束系统，各所述输出光纤上至少设置有一个拉锥匀化段，在所述拉锥匀化段，各所述输出光纤形成一体式结构；

所述拉锥匀化段包括位于中部的圆筒熔融部和连接于所述圆筒熔融部两端的拉锥圆台部。

在上述技术方案中，本发明提供的激光合束系统，突破空间合束的光学器件限制，极易实现光源小型化和多波长的复合。

同时，多个光纤输入的结构形式，极易实现高功率扩展；经过多次匀化混光处理，极易实现高质量光束的输出，光斑规则，色散和散斑得到很好的控制等。

由于上述激光合束系统具有上述技术效果，包含该激光合束系统的激光复合合束系统也应具有相应的技术效果。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种实施例提供的激光合束系统的原理示意图；

图2为本发明另一种实施例提供的激光合束系统的原理示意图；

图3为本发明再一种实施例提供的激光合束系统的原理示意图；

图4为本发明一种实施例提供的激光合束系统的结构示意图；

图5为本发明另一种实施例提供的管夹的部分结构示意图；

图6为本发明再一种实施例提供的板件连接体和压紧件的结构示意图；

图7为本发明一种实施例提供的激光复合合束系统的结构示意图；

图8为本发明另一种实施例提供的激光复合合束系统的部分结构示意图。

附图标记说明：

1、激光发生模块；2、耦合模块；3、输入光纤；4、拉锥匀化段；4.1、圆筒熔融部；4.2、拉锥圆台部；5、输出光纤；6、圆台端。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。

如图1-6所示，本发明实施例提供的一种激光合束系统，包括至少两根输入输入光纤3，各所述输入光纤3上至少设置有一个拉锥匀化段，在所述拉锥匀化段，各所述输入光纤3形成一体式结构；所述拉锥匀化段包括位于中部的圆筒熔融部4.1和连接于所述圆筒熔融部4.1两端的拉锥圆台部4.2。

具体的，本实施例提供的激光合束系统，由激光发生模块1发射出的激光，再经过耦合模块2的整形，消像差处理，其中激光发生模块1中的每一个激光发射单元对应一个耦合模块2的非球面镜，本实施例中，激发发生模块可以是固体激光器、气体激光器、光纤激光器、半导体泵浦激光器、半导体激光器等，但优选的，激光发生模块1为LD半导体激光器，其具有体积较小、体积小、重量轻、效率高、使用寿命长等特点，耦合模块2可以是自聚焦透镜、非球面镜、球面镜、柱面镜、自由曲面、光纤熔接器件等，优选的为非球面镜，其体积小、重量轻、矫正像差能力强。

本实施例中，各束激光经由激光发生模块1、耦合模块2进入输入光纤3，各输入光纤3通过拉锥匀化段进行合束和匀化，拉锥匀化段为这样的结构：中部的圆筒熔融部4.1和两端的拉锥圆台部4.2，拉锥圆台部4.2上较大径向的一端(简称底面)连接各光纤，拉锥圆台部4.2上较小径向的一端(简称顶面)连接圆筒熔融部4.1，拉锥圆台部4.2的较小径向尺寸的一端的芯径与圆筒熔融部4.1的径向尺寸相同，两者等轴布置，此时拉锥圆台部4.2和圆筒熔融部4.1相连的部分为平滑过渡。本实施例中，为形成拉锥匀化段，优选的，各输入光纤3上的一段先去除涂覆层，再在高温下进入熔融以连接成一体式锥形结构，即熔融以形成上述的圆筒熔融部4.1和拉锥圆台部4.2。除上述实现方式外，现有技术中其它的可以形成上述拉锥匀化段的方法亦可适用于本实施例，如先制造拉锥匀化段，再行将各输入光纤3连接到拉锥匀化段上。

本实施例中，输入光纤3在尺寸范围内可以设置有多个拉锥匀化段，如两个、三个、四个乃至更多，如此以反复的合束、匀化，实现多重匀化混光处理，以实现高质量的光束的输出。同时，可以解决散斑严重、色散严重，输出光斑不规则、光束质量差等一系列问题。

在一个实施例中，选用3根芯径105μm，数值孔径NA0.22的光纤作为输入光纤3，拉锥匀化段两端各连接两个上述尺寸的输入光纤3，最终熔接拉锥效率大于95％，效率极高。

在对比试验中，对比对象分别为本申请提供的激光合束系统和背景技术中对比文件1(申请号201310446965.9)提供的仅有一个拉锥圆台部的激光合束系统，其试验结果如下表1所示。

在表1中，均匀度描述激光光强的整体匀化效果，此参数越接近于1，匀化效果越好；平稳度描述激光的散斑情况，反映光强分布的平滑状态，此参数越接近于0，消散斑效果越好。

由表1可知，在其它参数完全相同的情况下，本实施例提供的多锥区激光合束系统相比单锥区激光合束系统，其均匀度提高了50％左右，平稳度提升了100％以上，效果极为优越。究其内在原因，本实施例提供的拉锥匀化段中的两个拉锥圆台部4.2相对设置且中间通过圆筒熔融部4.1直连，激光运行过程降低了干涉等负面因素，相比单纯两个锥区效果更为优越。

本发明实施例提供的激光合束系统，无需额外的合束匀光器件，其占据空间较小，突破空间合束的光学器件限制，极易实现光源小型化和多波长的复合。

同时，多个光纤输入的结构形式，极易实现高功率扩展；经过多次匀化混光处理，极易实现高质量光束的输出，光斑规则，色散和散斑得到很好的控制等。

本实施例中，优选的，各所述输入光纤3的芯径相同，如此光纤拉锥时较为方便。可选的，各所述输入光纤3的芯径不同，如此可以适用于不同的输入形式。

本实施例中，无论各输入光纤3的芯径相同与否，其输入的激光的参数可以相同，如均为同一波长的单色光，也可以不同，如各种波长的光。

本实施例中，无论各输入光纤3的芯径相同与否，拉锥匀化段两端的输入光纤3的数量可以相同，也可以不同，即一端熔接的输入光纤3的数量多于或少于另一端熔接的输入光纤3的数量。

本实施例中，进一步的，所述拉锥部的轴向尺寸所述圆筒熔融部4.1的长度的1.2-2.5倍之间，经试验，该尺寸下拉锥及激光匀化等效果更好，如熔接拉锥效率大于90％。

本实施例中，进一步的，各所述输入光纤3上位于所述拉锥匀化段输入端和/或输出端的部位内置有固定插芯，可选的，仅拉锥匀化段的输出端或者输入端的输入光纤3内设置有固定插芯，但优选的，拉锥匀化段的两端的输入光纤3内设置有固定插芯，固定插芯用于紧固和定位输入光纤3，便于各输入光纤3紧固以形成光纤束，同时便于输入光纤3的熔融拉锥加工。

本实施例中，进一步的，还包括输出光纤5，各所述输入光纤3的输出端熔融形成一圆台端6，所述圆台端6与所述输出光纤5同轴等径熔接，优选的，各所述输入光纤3的输出端去除涂覆层并进行拉锥，拉锥束腰处截断截面以形成圆台端6，圆台端6保持截面整洁光滑并与输出光纤5进行同轴等径熔融连接，圆台端6的端部与输出光纤5芯径相同，同轴设置。此时，激光合束系统多路输入仅有一路输出，实现激光功率的增加，且最终输出的激光光斑规则，色散和散斑得到很好的控制。

本实施例中，进一步的，所述输入光纤3和输出光纤5的尺寸满足以下关系：

D1*NA1≥Sqrt(M)D0*NA0；

其中，M为所述输入光纤的根数，D0为所述输入光纤的芯径，NA0为所述输入光纤的数值孔径，D1为所述输出光纤的芯径，NA1为所述输出光纤的数值孔径。在一个实施例中，输入光纤3有三根，其芯径105μm，数值孔径NA0.22，输出光纤5芯径400μm，数值孔径NA0.22,最终熔接拉锥效率大于92％，效率极高。多路输入单路输出不可避免的降低了熔接拉锥效率，符合上式参数的输出输入可以较大的实现熔接拉锥效率的最大化，进而实现更高功率更高质量的光束输出。

相应的，在对比试验中，其获取的技术效果如下表2所示：

由上表2可知，当各技术参数满足上式的要求时，熔接拉锥效率在85％以上甚至可以达到90％以上，而不满足上述公式则熔接拉锥效率显著减低乃至无法应用。

如图7-8所示，本发明实施例还提供一种激光复合合束系统，包括至少两个上述的激光合束系统，各所述输出光纤5上至少设置有一个拉锥匀化段，在所述拉锥匀化段，各所述输出光纤5形成一体式结构；所述拉锥匀化段包括位于中部的圆筒熔融部4.1和连接于所述圆筒熔融部4.1两端的拉锥圆台部4.2。

具体的，即输出光纤5本身并不是直接由激光发生模块1、耦合模块2直接连接的，而是已经经过上述激光合束系统合束混光匀化后输出的光纤，如此设置后，可以实现海量的输入光纤3的激光的混合，如100个，1000个，乃至一万个，10个输入光纤3输入形成一路输出光纤5，再10路输出光纤5再形成一路输出光纤5，循环往复；相应的，海量的光纤输入可以实现极高功率的激光输出，由于上述激光合束系统具有上述技术效果，包含该激光合束系统的激光复合合束系统也应具有相应的技术效果。

以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。

Claims (8)

1.一种激光合束系统，包括至少两根输入输入光纤，其特征在于，各所述输入光纤上至少设置有一个拉锥匀化段，在所述拉锥匀化段，各所述输入光纤形成一体式结构；

所述拉锥匀化段包括位于中部的圆筒熔融部和连接于所述圆筒熔融部两端的拉锥圆台部。

2.根据权利要求1所述的激光合束系统，其特征在于，各所述输入光纤的芯径相同或不同。

3.根据权利要求1所述的激光合束系统，其特征在于，所述拉锥部的轴向尺寸所述圆筒熔融部的长度的1.2-2.5倍之间。

4.根据权利要求1所述的激光合束系统，其特征在于，各所述输入光纤上位于所述拉锥匀化段输入端和/或输出端的部位内置有固定插芯。

5.根据权利要求1所述的激光合束系统，其特征在于，各所述输入光纤位于所述拉锥匀化段的两端被限位形成输入光纤束。

6.根据权利要求1所述的激光合束系统，其特征在于，还包括输出光纤，各所述输入光纤的输出端熔融形成一圆台端，所述圆台端与所述输出光纤同轴等径熔接。

7.根据权利要求1所述的激光合束系统，其特征在于，所述输入光纤和输出光纤的尺寸满足以下关系：

D1*NA1≥Sqrt(M)D0*NA0；

其中，M为所述输入光纤的根数，D0为所述输入光纤的芯径，NA0为所述输入光纤的数值孔径，D1为所述输出光纤的芯径，NA1为所述输出光纤的数值孔径。

8.一种激光复合合束系统，其特征在于，包括至少两个权利要求6-7任一项所述的激光合束系统，各所述输出光纤上至少设置有一个拉锥匀化段，在所述拉锥匀化段，各所述输出光纤形成一体式结构；

所述拉锥匀化段包括位于中部的圆筒熔融部和连接于所述圆筒熔融部两端的拉锥圆台部。