CN107991781B - 一种利用光谱合束消除光纤输出激光光斑不均匀性的方法 - Google Patents

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Abstract

一种利用光谱合束消除光纤输出激光光斑不均匀性的方法，包括以下步骤：选取好符合预设规格的高低通镜片；提供至少两个中心波长不同的激光束，全部的激光束波长以加工激光波长为中心并覆盖大于某个临界值N的波长区间。将所有激光束通过高低反透镜进行合束，成为用于激光加工的宽谱激光束，该宽谱激光束的线宽为所有激光束的线宽的和，临界值N将确保合束后的激光束中所有高阶模与基模的相位差覆盖0到2π范围。本发明缓解了输出光场的横向能量不均匀性，从而解决了由多模相干引起的能量不均匀带来的加工缺陷。

Description

一种利用光谱合束消除光纤输出激光光斑不均匀性的方法
技术领域
本发明属于激光加工相关领域，更具体地说是一种利用光谱合束消除光纤输出激光光斑不均匀性的方法。
背景技术
随着各种激光器技术的成熟和成本降低，激光加工的应用领域正在迅速扩大，包括激光打标，激光切割，激光焊接等。而无论在哪种应用中，激光的光束质量都是影响激光加工质量的重要因素。
受限于单模激光器输出功率，工业加工中的激光器输出以100微米纤芯直径的尾纤为主。而如此大的纤芯会包涵数以千计的模式，这些模式之间的相干叠加会使得激光束的横向截面上的光强分布极不均匀，进而带来激光加工中的加工缺陷。这一问题在高精度激光加工领域尤为显著。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种利用光谱合束消除光纤输出激光光斑不均匀性的方法，缓解了输出光场的横向能量不均匀性，从而解决了由多模相干引起的能量不均匀带来的加工缺陷。
为了解决上述技术问题，本发明采取以下技术方案：
一种利用光谱合束消除光纤输出激光光斑不均匀性的方法，包括以下步骤：
选取好符合预设规格的高低通镜片，该高低通镜片能够对正面入射的激光束高反，背面入射的激光束高透，高反和高透的光谱范围应该覆盖入射激光束；
提供至少两个中心波长不同的激光束，全部的激光束波长以加工激光波长为中心并覆盖大于某个临界值N的波长区间，将所有激光束通过高低通镜片进行合束，成为用于激光加工的宽谱激光束，该宽谱激光束的线宽为所有激光束的线宽的和，临界值N将确保合束后的激光束中所有高阶模与基模的相位差覆盖0到2π范围。
所述各个激光束的线宽相同或者不同。
所述中心波长不同的激光束由中心波长不同的光纤激光器发射形成。
所述激光束具有五个，该五个激光束的中心波长不同，高低通镜片具有四个。
本发明有效缓解了输出光场的横向能量不均匀性，从而解决了由多模相干引起的能量不均匀带来的加工缺陷。
附图说明
图1为本发明实施例一的合束状态示意图；
图2为输出尾纤纤芯直径100微米，数值孔径0.22时的数个高阶模式在每米光纤中相对于基模所累计的相位差示意图；
图3为输出尾纤中的LP01模和LP02模在相位差为0时的相干叠加产生的能量分布示意图；
图4为输出尾纤中的LP01模和LP02模在相位差为四分之三π时的相干叠加产生的能量分布示意图；
图5为输出尾纤中的LP01模和LP02模在相位差为三分之二π时的相干叠加产生的能量分布示意图；
图6为输出尾纤中的LP01模和LP02模相位差从零到2π相干叠加的能量场积分示意图。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的特征、技术手段以及所达到的具体目的、功能，下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
本发明揭示了一种利用光谱合束消除光纤输出激光光斑不均匀性的方法，包括以下步骤：
选取好符合预设规格的高低通镜片，该高低通镜片能够对正面入射的激光束高反，背面入射的激光束高透，高反和高透的光谱范围应该覆盖入射激光束。
提供至少两个中心波长不同的激光束，全部的激光束波长以加工激光波长为中心并覆盖大于某个临界值N的波长区间。将所有激光束通过高低通镜片进行合束，成为用于激光加工的宽谱激光束，该宽谱激光束的线宽为所有激光束的线宽的和，临界值N将确保合束后的激光束中所有高阶模与基模的相位差覆盖0到2π范围。
此外，可设定多台中心波长不同的光纤激光器，进行激光束的发射。
下面以具体的实施例进行说明。
实施例一
如附图1所示，所述激光束具有五个，该五个激光束的线宽相同、中心波长不同，线宽为8纳米，高低通镜片具有四个。其中五个激光束分别为第一激光束1、第一激光束2、第一激光束3、第一激光束4、第一激光束5，四个高低通镜片分别为第一高低通镜片6、第一高低通镜片7、第一高低通镜片8、第一高低通镜片9。四个高低通镜片按照一定方位排布，该排布并无特定要求，只需要保证最后能够将所有激光束合束即可。五个激光束的中心波长分别为：第一激光束1044纳米，第二激光束1052纳米，第三激光束1060纳米，第四激光束1068纳米，第五激光束1076纳米。
第一高低通镜片6对中心波长为1044纳米的第一激光束1反射，对中心波长为1052纳米的第二激光束2透射；第二高低通镜片7对中心波长为1044和第一纳米激光束1、中心波长为1025纳米的第二激光束2反射，对中心波长为1060纳米的第三激光束3透射；第三高低通镜片8对中心波长为1044纳米的第一激光束1、中心波长为1052纳米的第二激光束2、中心波长为1060纳米的第三激光束3反射，对中心波长为1068纳米的第五激光束5透射；第四高低通镜片9对中心波长为1044纳米的第一激光束1、中心波长为1052纳米的第二激光束2、中心波长为1060纳米的第三激光束3、中心波长为1068纳米的第五激光束5反射，对中心波长为1076纳米的第四激光束4透射。
所述的中心波长为1044纳米的第一激光束1在第一高低通镜片6反射后，与中心波长为1052纳米的第二激光束2经第一镜片6透射后，以相同传输方向入射在第二高低通镜片7上的同一位置；所述的中心波长为1060纳米的第三激光束3经第二高低通镜片7透射后，与经第二高低通镜片7反射的中心波长为1044纳米的第一激光束1、中心波长为1052纳米的第二激光束2以相同的传输方向入射在第三高低通镜片8上同一位置；所述的中心波长为1068纳米的第五激光束5经第三高低通镜片片8透射后，与经第三高低通镜片8反射的中心波长为1044纳米的第一激光束1、中心波长为1052纳米的第二激光束2、中心波长为1060纳米的第三激光束3以相同的传输方向入射在第四高低通镜片9上同一位置；所述的中心波长为1076纳米的第四激光束4经第四高低通镜片9透射后，与经第四高低通镜片9反射的中心波长为1044纳米的第一激光束1、中心波长为1052纳米的第二激光束2、中心波长为1060纳米的第三激光束3、中心波长为1068纳米的第五激光束5以相同的传输方向出射。
然后，所述的激光束经各个高低通镜片后被合束为一束激光束。合束后的激光束是中心波长为1060纳米，谱宽为40纳米的宽谱激光束，在加工截面同一点上相干叠加的激光模式之间的相位差覆盖0到2π，该点附近的能量将在很大程度上均匀化，最终实现激光加工的效果优化。
本发明提供的一种利用光谱合束消除光纤输出激光光斑不均匀性的方法，通过宽谱激光进行激光加工，基于激光本身谱宽使得输出光场中的模式相位差覆盖从0到2π，极大的缓解了输出光场的横向能量不均匀性，从而解决了由多模相干引起的能量不均匀带来的加工缺陷。
以上实施例仅是一种列举说明。对于激光束的数量，还可以为7束、8束、9束或者其他，高低通镜片的数量也相对的调整，并无具体限定。对于高低通镜片的位置排布也并无特别限定，只需要保证能够满足各个激光束的反射和透射后能够最终成并为一束激光束即可。
按照本发明方法处理之后，可以得到更加均匀的激光光斑。如附图2所示，以1060纳米波长的激光束为中心，40纳米的光谱宽度可以令所有高阶模式与基模的相位差覆盖0到2π范围。
如附图3-6所示，则是输出尾纤中的LP01模和LP02模在不同的相位差时产生的能量分布，从0到2π周期的分布也可看出，当两个模式的相位差覆盖整个2π周期时，能量分布将很大程度上均匀化。
需要说明的是，以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种利用光谱合束消除光纤输出激光光斑不均匀性的方法，包括以下步骤：
选取好符合预设规格的高低通镜片，该高低通镜片能够对正面入射的激光束高反，背面入射的激光束高透，高反和高透的光谱范围应该覆盖入射激光束；
提供至少两个中心波长不同的激光束，全部的激光束波长以加工激光波长为中心并覆盖大于某个临界值N的波长区间，将所有激光束通过高低通镜片进行合束，成为用于激光加工的宽谱激光束，该宽谱激光束的线宽为所有激光束的线宽的和，临界值N将确保合束后的激光束中所有高阶模与基模的相位差覆盖0到2π范围。
2.根据权利要求1所述的利用光谱合束消除光纤输出激光光斑不均匀性的方法，其特征在于，所述至少两个中心波长不同的激光束的线宽相同或者不同。
3.根据权利要求2所述的利用光谱合束消除光纤输出激光光斑不均匀性的方法，其特征在于，所述中心波长不同的激光束由中心波长不同的光纤激光器发射形成。
4.根据权利要求3所述的利用光谱合束消除光纤输出激光光斑不均匀性的方法，其特征在于，所述激光束具有五个，该五个激光束的中心波长不同，高低通镜片具有四个。
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