CN109683235A - 一种多层光纤以及实现双激光输出的激光器系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多层光纤以及实现双激光输出的激光器系统。该光纤包括自内而外依次同轴设置的内芯层、分隔层、外芯层以及保护介质层；该多层光纤的激光在工作平面上能呈现出中间为实心光斑，外部为环形中空光斑两种形态，并且两种形式的光斑能够单独控制，使得光斑控制更加灵活。同时本发明还提供了一种实现双激光输出的激光器系统，其包括第一激光器、第一准直镜组、第一棱锥镜片、第二棱锥镜片、上述多层光纤、第二激光器、第二准直镜组以及第三准直镜组；该系统能够在激光器端对激光光斑的能量分布进行控制，减少了外部激光加工头的体积，并且光斑可单独控制，控制更加灵活。

Description

一种多层光纤以及实现双激光输出的激光器系统

技术领域

本发明属于光学设计领域，具体涉及一种多层光纤以及实现双激光输出的激光器系统。

背景技术

激光器是激光加工系统的重要能量源，是产生激光的核心系统。激光器输出激光，一般可以是空间输出或者使用光纤传输输出。为了更适合工业的灵活应用，很多高功率激光器都选择光纤进行传输，比如光纤激光器和半导体激光器。光纤传输激光除了灵活性的优点外，还可以优化光束质量，使作用于工作平面上的激光光斑尺寸更小。基于光纤本身的限制，一般高功率光纤激光器采用的是通过光纤合束器将多个低功率光纤激光进行耦合并输出到一根传输光纤中。传输光纤所输出的激光经过激光加工头的准直镜组和会聚镜组，最终落在工作平面上。在工作平面上产生的光斑根据激光光束焦点位置，其能量分布一般为平顶分布或者高斯分布。

激光光斑的能量分布对激光加工工艺效果影响很大，主要是其能量分布决定的温度场分布。在一些特殊激光加工需求上，特殊的激光光斑能量分布十分重要。

根据光学特性和光纤结构特点，光纤激光器或者半导体光纤输出激光器都可以采用光纤介质进行输出，并且以一定发散角进行输出。

激光光纤传输激光的原理是利用介质折射率的不同，使激光在介质交界处完成全反射，构建不同的光纤介质结构，就可以实现两种激光在该光纤不同结构层中耦合并输出。

现阶段改变激光光斑的能量分布状态主要有以下几种方式：

1.控制激光光束焦点与工作平面的距离(离焦量)，从而改变激光光束落在工作平面上的光斑大小；

2.通过整形镜片将激光光斑的能量分布进行切换，将高斯分布光束整形成平顶分布激光光斑；

3.激光光束整形成环形空心光斑。

但是以上这三种方法都是通过激光加工头的外部整形来实现了激光能量，通过这种方式会使使用成本大大提高，并且激光加工头的尺寸会变得非常大，不适合于实际工业应用。之前还未有公开资料显示直接通过改变激光器结构进行激光光斑能量分布的改变。

发明内容

本发明设计了一种多层光纤，使得通过该多层光纤的激光在工作平面上能呈现出中间为实心光斑，外部为环形中空光斑两种形态，并且两种形式的光斑能够单独控制。

同时，本发明还基于上述多层光纤提供了一种激光系统，该系统的提出在激光器端对就实现了激光光斑的能量分布变化，减少外部激光加工头的体积，并且光斑可单独控制，控制更加灵活。

本发明提供了一种多层光纤，包括自内而外依次同轴设置的内芯层、分隔层、外芯层以及保护介质层；

内芯层、分隔层、外芯层以及保护介质层需满足以下关系：

N_内>N_外>N_分>N_保；

其中，N_内为內芯层的光折射率；N_外为外芯层的光折射率；N_中为分隔层的光折射率；N_保为保护介质层的光折射率；β为激光在內芯中的光反射角；′为激光在外芯中的光反射角。

进一步地，为了方便后续结构中耦合进激光光束，同时方便在光纤线一段进行切割或镀膜，上述內芯层的激光入射端高于外芯层的激光入射端，所述內芯层的激光入射端高于外芯层的激光入射端的部分设置有45°斜切面，所述斜切面上镀有反射膜。

进一步地，上述反射膜通过气相沉积法制作，反射膜采用铜质材料制成。

进一步地，上述内芯层、分隔层、外芯层以及保护介质层采用含有锗氧化物或铝氧化物或钛氧化物或磷氧化物的二氧化硅玻璃材料制成。

基于上述多层光纤结构的描述，现对该光纤的制作方法进行介绍，具体包括以下步骤：

【1】准备基层

准备內芯层、外芯层、分隔层以及保护介质层的基层，各个基层均为含有锗氧化物或铝氧化物或钛氧化物或磷氧化物的二氧化硅玻璃材料；

內芯层的基层为棒状结构；外芯层、分隔层以及保护介质层的基层均为环状结构；

且各基层间需要满足以下关系：

N_内>N_外>N_分>N_保；

【2】装配基体

将內芯层、外芯层、分隔层以及保护介质层的基层按照过盈配合的方式依次同轴套装为一个基体；

【3】高温拉丝

旋转基体，让其一个端面在高温火焰烧融的同时，在对该端面施加一个外力，将该端面向外拉伸，从而制造出多层光纤。

另外，本发明还提供了一种实现双激光输出的激光器系统，包括第一激光器、第一准直镜组、第一棱锥镜片、第二棱锥镜片、上述多层光纤、第二激光器、第二准直镜组以及第三准直镜组；

第一激光器发射的激光依次经过第一准直镜组、第一棱锥镜片、第二棱锥镜片、多层光纤的外芯层以及第三准直镜组后形成环形中空光斑；

第二激光器发射的激光经过第二准直镜组后被所述內芯层的斜切面反射进入內芯层，最后经过內芯层出射后被第三准直镜组准直形成实心光斑。

本发明的有益效果是：

1、本发明设计的多层光纤结构，将两种激光进行耦合并输出，在最终工作平面上产生的光斑分布情况为：中间实心光斑，外部环形中空光斑，并且这两种光斑的功率大小、出光与否等均可单独控制；在激光加工应用中，需要在激光作用在工作平面上想制造出阶梯式的温度场，因为激光能量的分布直接影响了温度场的分布，采用本发明的多层光纤结构，让产生中心光斑的激光和环形中空光斑的激光分别控制其各自的功率，就可以控制温度场。

2、本发明提供的激光器系统在激光器端就可以实现激光光斑能量分布的变化，使机器尺寸更小，控制更加灵活，减少外部激光加工头的体积。

附图说明

图1为实现双激光输出的激光器系统结构原理图。

图2为多层光纤的结构示意图。

图3为经过多层光纤生成的双激光光斑的结构示意图。

图4为多层光纤的制造过程示意图。

附图标记如下：

1-第一激光器、2-第一准直镜组、3-第一棱锥镜片、4-第二棱锥镜片、5-多层光纤、51-内芯层、511-斜切面、52-分隔层、53-外芯层、54-保护介质层、6-第二激光器、7-第二准直镜组、8-第三准直镜组、9-贝塞尔光束、10-中空环形光束、11-外部环形中空光斑、12-反射光束、13-中间实心光斑。

具体实施方式

为了更好地说明本发明需要保护的技术方案，以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的介绍：

如图1所示，一种实现双激光输出的激光器系统，包括第一激光器1、第一准直镜组2、第一棱锥镜片3、第二棱锥镜片4、多层光纤5、第二激光器6、第二准直镜组7以及第三准直镜组8；

如图2所示，多层光纤5包括自内而外依次同轴设置的内芯层51、分隔层52、外芯层53以及保护介质层54；

内芯层51、分隔层52、外芯层53以及保护介质层54需满足以下关系：

N_内>N_外>N_分>N_保；

其中，N_内为內芯层51的光折射率；N_外为外芯层53的光折射率；N_分为分隔层52的光折射率；N_保为保护介质层54的光折射率；β为激光在內芯层51中的光反射角；′为激光在外芯层53中的光反射角。

其中，内芯层51、分隔层52、外芯层53以及保护介质层54为惨有不同化学元素的二氧化硅玻璃材料，在本实例中，惨有的不同化学元素可以为锗元素，通过构建含有不同浓度锗氧化物的二氧化硅玻璃材料来满足不同的光折射率需求，一般设置为光折射率随锗氧化物的浓度增加而增加，在其他实施例中，也可以采用铝、钛或磷氧化物来替换锗氧化物，这需要根据光折射需求进行替换。

在实施例中，内芯层51的激光入射端端面高度置高，以方便后续结构中耦合进激光光束，在其他实施例中，光纤结构中的内芯层51和外芯层53可以根据需求，适当错开相应的高度差，以方便进行切割或镀膜。在内芯层51的置高处，以45度斜向切割一个斜切面511，并在斜切面511采用气相沉积法镀上一层铜制反射膜。

第一激光器1发射的激光依次经过第一准直镜组2、第一棱锥镜片3、第二棱锥镜片4、多层光纤5的外芯层53以及第三准直镜组8后形成环形中空光斑；

第二激光器6发射的激光经过第二准直镜7组后被所述內芯层的斜切面511反射进入內芯层51，最后经过內芯层51出射后被第三准直镜组8准直形成实心光斑。

上述激光器系统的工作原理为：

本实施例中采用的第一激光器1和第二激光器6生产的激光是具有一定发散角度的；

第一激光器通过第一准直镜组2将第一激光器1发散的光束进行准直，再通过第一棱锥镜片3形成贝塞尔光束9，最后经过第二棱锥镜片4形成一个具有一定会聚角度的中空环形光束10，它可以通过角度和距离调节使其耦合进行光纤结构中的外芯层53中，并且根据多层光纤中的介质层光折射率不同，使10在外芯层53和分隔层52的界面处发生了全反射，并且在外芯层53中一直发生全反射，最终通过光纤端面处的第三准直镜组8进行输出，形成准直的外部环形中空光斑11；

第二激光器6光束通过第二准直镜组7将第二激光器6发散的光束进行准直，并在內芯层51激光入射端面处的斜切面511进行反射，形成反射光束12，该反射光束可以在內芯层51进行全反射传播，最终通过第三准直镜组8形成中间实心光斑13；如图3所示，通过以上结构，就可以在激光光纤端面处形成了中间实心光斑13和外部环形中空光斑11。通过控制第一激光器1和第二激光器6可以实现激光光束的功率大小和出光与否，实现了激光光斑能量分布变化的特异性，并且控制多层光纤外芯层53和內芯层51的尺寸大小，可以控制光束的尺寸大小或者比例，来实现激光光斑的能量分布变化。形成如图3后的光斑后，就可以耦合进传输光纤，进而通过激光加工头传输至工作平面上。

如图4所示，本实施例多层光纤的制作方式如下：

【1】准备基层

准备內芯层、外芯层、分隔层以及保护介质层的基层，各个基层均为含有锗氧化物或铝氧化物或钛氧化物或磷氧化物的二氧化硅玻璃材料；

內芯层的基层为棒状结构；外芯层、分隔层以及保护介质层的基层均为环状结构；

且各基层间需要满足以下关系：

N_内>N_外>N_分>N_保；

内芯层51的基层芯径大小设置为200微米，分隔层52的基层外径为300微米，外芯层53的基层外径为400微米，保护介质层54的基层外径为600微米；通过不同锗氧化物浓度的使其光折射率发生变化，使得波长为915nm的激光光束可以在内芯层51中以至少0.1rad全反射角进行传播，使得波长为1064nm的激光光束可以在外芯层53中以至少0.05rad全反射角进行传播。在其他实施例中，也可以根据激光光束波长的不同构建以不同全反射角进行光路传播的光纤结构。

【2】装配基体

将內芯层、外芯层、分隔层以及保护介质层的基层按照过盈配合的方式依次同轴套装为一个基体；

【3】高温拉丝

旋转基体，让其一个端面在高温火焰(温度控制在2000摄氏度左右)烧融的同时，在对该端面施加一个外力，将该端面向外拉伸，从而制造出多层光纤。

Claims (6)

1.一种多层光纤，其特征在于：包括自内而外依次同轴设置的内芯层、分隔层、外芯层以及保护介质层；

内芯层、分隔层、外芯层以及保护介质层需满足以下关系：

N_内>N_外>N_分>N_保；

其中，N_内为內芯层的光折射率；N_外为外芯层的光折射率；N_中为分隔层的光折射率；N_保为保护介质层的光折射率；β为激光在內芯中的光反射角；β′为激光在外芯中的光反射角。

2.根据权利要求1所述的多层光纤，其特征在于：所述內芯层的激光入射端高于外芯层的激光入射端，所述內芯层的激光入射端高于外芯层的激光入射端的部分设置有45°斜切面，所述斜切面上镀有反射膜。

3.根据权利要求2所述的多层光纤，其特征在于：所述反射膜通过气相沉积法制作，反射膜为铜质材料。

4.根据权利要求3所述的多层光纤，其特征在于：所述内芯层、分隔层、外芯层以及保护介质层采用含有锗氧化物或铝氧化物或钛氧化物或磷氧化物的二氧化硅玻璃材料制成。

5.基于权利要求1所述的多层光纤的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

【1】准备基层

准备內芯层、外芯层、分隔层以及保护介质层的基层，各个基层均为含有锗氧化物或铝氧化物或钛氧化物或磷氧化物的二氧化硅玻璃材料；

內芯层的基层为棒状结构；外芯层、分隔层以及保护介质层的基层均为环状结构；

且各基层间需要满足以下关系：

N_内>N_外>N_分>N_保；

【2】装配基体

将內芯层、外芯层、分隔层以及保护介质层的基层按照过盈配合的方式依次同轴套装为一个基体；

【3】高温拉丝

旋转基体，让其一个端面在高温火焰烧融的同时，在对该端面施加一个外力，将该端面向外拉伸，从而制造出多层光纤。

6.一种实现双激光输出的激光器系统，其特征在于：包括第一激光器、第一准直镜组、第一棱锥镜片、第二棱锥镜片、光纤、第二激光器、第二准直镜组以及第三准直镜组；

所述光纤采用权利求要4所述的多层光纤；

第一激光器发射的激光依次经过第一准直镜组、第一棱锥镜片、第二棱锥镜片、多层光纤的外芯层以及第三准直镜组后形成环形中空光斑；

第二激光器发射的激光经过第二准直镜组后被所述內芯层的斜切面反射进入內芯层，最后经过內芯层出射后被第三准直镜组准直形成实心光斑。