CN111308699B - 高功率光纤激光器用光闸中透镜参数设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高功率光纤激光器用光闸中透镜参数设计方法，包括以下步骤：步骤1、确定准直镜的几何模型，为准直镜的几何模型各部分添加相应的物理场，并将物理模型建模参数表添加到物理模型相应位置，获得可优化准直镜参数的仿真模型，即准直镜的水冷仿真模型；步骤2、根据准直镜的水冷仿真模型优化出准直镜的最优参数；步骤3、根据准直镜的最优参数，计算出聚焦镜的最优参数；步骤4、根据准直镜的水冷仿真模型获得水流速及水温的仿真结果，进而确定冷却参数。这种设计方法有助于了解透镜冷却的规律，有效得预测实践中的大量实验结果，对光闸中具有最佳冷却效果的透镜进行科学省时地设计，并对水冷参数进行合理的选择。

Description

高功率光纤激光器用光闸中透镜参数设计方法

技术领域

本发明属于光纤激光器用器件领域，具体涉及一种高功率光纤激光器用光闸中透镜参数设计方法。

背景技术

高功率光纤激光器被广泛应用于切割、焊接和材料加工中，高功率光纤激光器用光闸的应用，使得一个激光器可以同时执行多个操作。通过光闸的光路切换，一个激光器系统可以提供多个输出端，连接到不同的工作单元中，一台激光器可以成为多个工作单元的功率源，显著降低了用户对设备的投入成本。光闸上输出端光纤损坏时或者使用需求改变时，可以随时更换光纤，提高了操作的简便性。随着国内光纤激光器的发展和应用，市场上对于光闸的需求日益加大，目前国际上生产大功率光纤激光器用光闸的公司主要有瑞典的Optoskand和美国的IPG，国内还没有相关的光闸产品，其中的一个难点就在于透镜冷却上。

现有的一些高功率光纤激光器用光闸的透镜冷却方式多采用水冷却。仿真表明，透镜的冷却效果不仅与冷却装置设计有关，也与透镜本身的尺寸有关。因此，需要一种科学合理的设计方法，省时省力设计透镜的尺寸，使光学设备中透镜承受更高功率的激光，提高光闸设备用途的广泛性，提高光闸设备的耦合效率，同时提高光闸设备的安全性与稳定性。

发明内容

本发明目的在于提供一种高功率光纤激光器用光闸中透镜参数设计方法，使透镜能够达到最优冷却效果。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种高功率光纤激光器用光闸中透镜参数设计方法，包括以下步骤：步骤1、确定准直镜的几何模型，为准直镜的几何模型各部分添加相应的物理场，并将物理模型建模参数表添加到物理模型相应位置，获得可优化准直镜参数的仿真模型，即准直镜的水冷仿真模型；步骤2、根据准直镜的水冷仿真模型优化出准直镜的最优参数；步骤3、根据准直镜的最优参数，计算出聚焦镜的最优参数；步骤4、根据准直镜的水冷仿真模型获得水流速及水温的仿真结果，进而确定冷却参数，冷却参数包括水循环体入口温度T_w和水循环体流速F_w。这种设计方法有助于了解透镜冷却的规律，有效地预测实践中的大量实验结果，对光闸中具有最佳冷却效果的透镜进行科学省时地设计，并对水冷参数的进行合理的选择。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)可以在考虑冷却的条件下，对光闸中透镜参数进行合理设计；(2)可以使光纤激光器用光闸中透镜达到最优冷却效果，使透镜承受更高功率的激光；(4)通过冷却减少透镜带来的热像差，提高光闸设备的耦合效率；(5)透镜承受更高功率的激光同时，提高了光闸设备用途的广泛性；(6)将光闸中透镜降低至安全温度以下，提高光闸设备的安全性与稳定性。

附图说明

图1为光闸简化光路设计示意图。

图2为本发明光纤激光器用光闸中透镜和冷却系统参数设计方法的流程图。

图3为本发明中准直镜水冷仿真模型的几何模型和物理模型图，其中图(a)表示几何模型图，图(b)表示物理模型图，其中4表示光纤激光器输出光纤(即光闸输入光纤)输出激光与准直镜相互作用形成的光线，5表示准直镜的温度分布(颜色深浅表示温度高低)，6表示水循环的方向。

图4为准直镜不同焦距最优结构温度分布的曲线图，横坐标表示透镜表面距离光轴的距离，中心距为零处表示透镜的表面中心处。纵坐标表示温度。

图5(a)为水循环体入口温度对透镜温度分布影响的曲线图，图5(b)为水循环体流速对透镜温度分布影响的曲线图，其中横坐标表示透镜表面距离光轴的距离，中心距为零处表示透镜的表面中心处，纵坐标表示温度。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

所述光纤激光器用光闸中光闸耦合系统包括准直镜和聚焦镜。准直镜和聚焦镜均选用平凸透镜。透镜选择热膨胀系数低和对红外光吸收系数小的熔石英材料，透镜由表面增透膜层和熔石英基体组成，其中熔石英熔点高，可承受温度高，而表面增透膜层考虑到其膜层结构，随工艺不同可承受温度略有差异，但可承受温度比熔石英基体低，所以仿真只需关注透镜表面的温度分布即可。除此之外，在高功率激光条件下，透镜会由于温度分布差异产生不同程度的热形变，引起热像差。对透镜设计要求是：(1)通过冷却使透镜各处温度达到可承受范围内；(2)通过冷却减少透镜由于温度差产生的热像差。故透镜表面温度差(表面最高温度与表面最低温度之差)和透镜表面最高温度是仿真所关注的两个重要参数。图1所示为光闸简化光路设计示意图，光纤激光器的输出光纤作为光闸的输入光纤，光闸的输入光纤所输出的激光经过准直镜的准直作用，近似为平行光，再经过聚焦镜的聚焦作用，将激光耦合到光闸的输出光纤中去。

结合图2，本发明所述的光纤激光器用光闸中透镜参数设计方法，步骤如下：

步骤1、确定准直镜的几何模型，为准直镜的几何模型各部分添加相应的物理场，并将物理模型建模参数表添加到物理模型相应位置，获得可优化准直镜参数的仿真模型，即准直镜的水冷仿真模型，具体如下：

本发明透镜的冷却仿真采用有限元仿真分析的方法，冷却方式采用水冷却方式。可以选用仿真软件进行研究，comsol是一款有限元仿真分析软件，步骤中内容在comsol软件中实现。在comsol软件中建立图3所示关于准直镜的几何模型和物理模型。几何模型包括准直镜1(材料属性设置为熔石英)、水循环体2(材料属性设置为水)、光线冻结面3(光线冻结面即光线消失的面)。准直镜1为平凸透镜，水循环体2两端开口，一端为入水口，另一端为出水口，水循环体2环绕准直镜1的圆周外壁面设置，两端端面不接触形成缺口，水循环体2对准直镜1起到水循环冷却的目的。光线冻结面3位于准直镜1的后方，光线冻结面3与准直镜1的平面同侧且平行，起到冻结光线，减少仿真运算量的目的。将物理场添加到几何模型中去，添加的物理场包括几何光学模块(添加到准直镜1区域)、流体流动中的层流模块(添加到水循环体2区域)、传热模块(添加到准直镜1和水循环体2区域)、几何光学模块与传热模块耦合的射线热源多物理场(添加到准直镜1区域)、以及层流模块与传热模块耦合的非等温流动多物理场(添加到水循环体2区域)，构成物理模型如图3(b)所示。该物理模型为准直镜的仿真模型，其含义是光纤激光器输出光纤作为光闸输入光纤，所发出的光近似为一点所发出一定发散角的均匀锥形光，该点位于准直镜焦点上，锥形光经过准直镜准直作用变成平行光，在光纤冻结面消失。光透过准直镜时，部分微量光被准直镜吸收转化为热量，使准直镜产生一定温度，通过准直镜边缘的恒温水循环持续带走准直镜的热量，对准直镜进行冷却，减少准直镜因热形变所带来的像差。

将表1中参数添加到物理模型相应位置。

表1物理模型建模参数表

其中λ、P、θ、D_in为光纤激光器输出光纤(光闸输入光纤)参数，不同的光纤激光器具有差异性，将模型中参量的表达式(值)查找光纤激光器手册补全。λ为光纤激光器输出波长，一般在1030nm—1090nm之间。P为光纤激光器输出功率，一般在1kw—30kw之间。θ为光纤激光器输出光纤所输出激光的发散角，小于光纤激光器输出光纤(光闸输入光纤)的NA。D_in为光纤激光器输出光纤(光闸输入光纤)纤芯直径，一般为50um或100um。

D_out为光闸输出光纤纤芯直径。

f^c为准直镜焦距，可以在30mm到50mm随便给了一个合适的初始值，需要在步骤2中扫描确定最优值。

R^c为准直镜曲率半径，准直镜可近似为薄平凸透镜，其曲率半径与其焦距一一对应，曲率半径由薄平凸透镜焦距公式变换得到

R^c＝(n₀-1)f^c (1)

其中n₀为透镜材料熔石英的实部常温折射率。

D^c为准直镜口径。将点光源在准直镜1主平面处光斑半径记为R_L，光斑半径R_L与准直镜焦距f关系如下

从冷却效果方面看，准直镜口径D^c越小，准直镜1表面最高温度才会越低。但准直镜口径D^c不可以无限小，需要大于光斑直径2R_L，即

考虑到设备安全性问题，光斑边缘到准直镜1边缘需要有一个半安全距离，取R_P为光斑边缘到准直镜1边缘的距离，也就是半安全距离，则准直镜口径D^c为

R_P取3mm较为适宜。式(4)为准直镜口径D^c的最优表达式。

为准直镜边缘厚度。边缘厚度是平凸透镜的重要参数之一，也是影响透镜温度的重要因素。模型中准直镜的热量是从准直镜边缘的液体循环体被导出，准直镜边缘厚度

决定了与准直镜1与水循环体2接触面积的大小；同时准直镜1也是一个吸收率较低的吸光体，准直镜边缘厚度

也影响光在准直镜1经过的路程长短，影响准直镜1吸收光而产生的热量。根据经验，透镜最佳的边缘厚度约为透镜口径的五分之一，故将准直镜边缘厚度T_e初值设置为D^c/5。

T_w为水循环体的入水口的水温，F_w为水循环体中的液体流速。其中水循环体的入水口的水温T_w为常用水冷水温，通常为15-25℃，水循环体流速F_w先设置一个远大于正常值的流速50[L/min]，以保证水循环体2能最大程度上将准直镜1热量带走。

将表1添加到物理模型相应位置后，水冷仿真模型建立完毕，水冷仿真模型中部分参量通过光纤激光器参数及输出光纤参数直接给定，其中准直镜参数可由准直镜焦距f^c通过公式直接或间接的得出，通过对准直镜焦距f^c参数化扫描可得到不同焦距的准直镜，且每个不同焦距的准直镜都是在该焦距下水冷效果较优的准直镜如图4所示。

步骤2、根据准直镜的水冷仿真模型优化出准直镜的最优参数，包括准直镜最优焦距、准直镜最优口径、准直镜最优曲率半径、准直镜最优边缘厚度，具体如下：

设准直镜可承受温度Tp为90℃，准直镜可承受温度Tp含义是在常温到该温度内，准直镜1可认为是安全的，产生的热像差是可接受的。

将准直镜1焦距f^c以30-50mm中的任意值为初值，间隔为5mm进行参数化扫描，直到准直镜1表面最高温度在一个可承受温度以下为止，其中每一个焦距的值对应该焦距下准优化准直镜(边缘厚度并非最优)。由图3仿真结果所示，f1为30-50mm中的任意值为初值，f'为将间隔值5mm，准直镜焦距f^c在一定范围内，准直镜焦距f^c越大，即准直镜到光源距离越远，准直镜处光斑越大，能量越分散，准直镜表面最高温度越低，且表面温度差减小。但准直镜焦距f^c的增大也会引起准直镜口径D^c的增大，以及光闸光纤端口到准直镜1的距离增大，引起光闸设备体积增大。

对准直镜焦距f^c的扫描，准直镜焦距f^c越大，准直镜便面温度越低，使得准直镜表面最高温度在准直镜可承受温度Tp之下，且准直镜焦距f^c最大，此时的准直镜焦距f^c的数值为准直镜最优焦距，记为f1^c，将物理模型建模参数表中准直镜焦距f^c表达式(值)改为f1^c的数值。准直镜其他相关参数可在物理模型建模参数表中得到，准直镜最优焦距记为f1^c、准直镜最优口径记为D1^c、准直镜最优曲率半径记为R1^c、准直镜准优边缘厚度记为

由于准直镜边缘厚度

在建模中求得的是近似最佳边缘厚度值，但并非最佳边缘厚度值，将f1^c记入准直镜焦距参数表中的表达式(值)中，在准直镜最优焦距记为f1^c的条件下，参数化扫描准直镜边缘厚度

的数值为初值，间隔为0.2mm，分别向准直镜边缘厚度

增大和减小两个方向扫描，准直镜表面温度最低时得到准直镜最优边缘厚度

综上可知，准直镜最优焦距为f1^c、准直镜最优口径为D1^c、准直镜最优曲率半径为R1^c，准直镜最优边缘厚度为

至此，准直镜各个参数已经全部得知。

步骤3、根据准直镜的最优参数，计算出聚焦镜的最优参数，包括聚焦镜最优焦距、聚焦镜最优口径、聚焦镜最优曲率半径、聚焦镜最优边缘厚度。

聚焦镜设计需要满足光闸内光耦合条件：(1)聚焦镜输出光斑直径小于输出光纤纤芯直径。(2)聚焦镜会聚角小于输出光纤接收角。

设聚焦镜焦距为f^f，聚焦镜曲率半径为R^f。

聚焦镜最优口径与准直镜最优口径相同，为D1^c。

聚焦镜最优边缘厚度与准直镜最优边缘厚度相同，为

聚焦镜也可以近似为薄平凸透镜，聚焦镜焦距f^f与聚焦镜曲率半径R^f满足如下关系，即R^f＝(n₀-1)f^f。

定义输入光斑经准直镜聚焦镜作用后的输出光斑直径记为D_L-out，需满足输出光斑直径小于输出光纤纤芯直径的条件，即D_L-out＜D_out。输入光斑直径即光闸输入光纤纤芯直径D_in，经过准直镜聚焦镜作用，存在一个放大倍数M

使得输出光斑直径D_L-out＝MD_in，也就是说聚焦镜曲率半径R^f越大(聚焦镜焦距f^f越大)，输出光斑直径D_L-out也会变大，输出光纤纤芯的光功率密度会变小，当输出光斑直径D_L-out大于输出光纤纤芯直径D_out，会不符合要求。为了让聚焦镜温度，输出光纤纤芯的光功率密度处于一个合理水平，且满足D_L-out＜D_out条件，M取[1.2,1.5]，使输出光斑相对于输入光斑放大，且使光斑更容易，效率更高的耦合到输出光纤纤芯中去。

因此，通多计算可知，由公式

得，聚焦镜最优焦距为M·f1^c；由公式R^f＝(n₀-1)f^f可得，聚焦镜最优曲率半径为(n₀-1)M·f1^c。

表1物理模型建模参数表中输入光纤发散角为θ，设输出光纤接收角为θ₂，则有θ≈θ₂。设激光经过聚焦镜会聚角为θ₃，则有f^ctanθ＝f^ftanθ₃。代入具体值可得到

该式说明该聚焦镜设计满足聚焦镜会聚角θ₃小于输出光纤接收角为θ₂的条件。

综上可知，聚焦镜最优焦距为(n₀-1)M·f1^c，聚焦镜最优口径为D1^c、聚焦镜最优曲率半径为M·f1^c，聚焦镜最优边缘厚度为

至此，聚焦镜各个参数已经全部得知。

步骤4、根据准直镜的水冷仿真模型获得水流速及水温的仿真结果，进而确定冷却参数，冷却参数包括水循环体入口温度T_w和水循环体流速F_w。

根据图5(a)，水循环体入口温度T_w取值越低，透镜温度越低，水冷机水体温度即水循环体入口温度T_w，一般控制在15-25℃，所以水循环体入口温度T_w取15℃最佳。

根据图5(b)，水循环体流速F_w取值，F_w1为起始值，F_w'为间隔值，取水循环体流速F_w为∞无穷大的曲线上方相差约1℃的曲线所对应的流速，记为水循环体最小流速F_wmin，在使用时需满足F_w≥F_wmin。

综上可知，水循环体入口温度T_w取水冷的最低温度15℃最佳，水循环体流速F_w使用时要大于水循环体最小流速F_wmin。

至此，冷却参数已经全部得知。

综合上述步骤的设计与优化，可以使高功率水冷却条件下的聚焦光斑大小与低功率无水冷却的聚焦光斑的大小最为接近，从而减小光闸耦合系统的热像差，提高耦合效率。

Claims (6)

1.一种高功率光纤激光器用光闸中透镜参数设计方法，光纤激光器用光闸中光闸耦合系统包括准直镜和聚焦镜；准直镜和聚焦镜均选用平凸透镜，且选择热膨胀系数低，以及对红外光吸收系数小的熔石英材料，其特征在于，具体步骤如下：

步骤1、确定准直镜的几何模型，为准直镜的几何模型各部分添加相应的物理场构成物理模型，并将物理模型建模参数表添加到物理模型相应位置，获得可优化准直镜参数的仿真模型，即准直镜的水冷仿真模型；

其中，建立关于准直镜的几何模型和物理模型，几何模型包括准直镜、水循环体、光线冻结面，水循环体两端开口，一端为入水口，另一端为出水口，水循环体环绕准直镜的圆周外壁面设置，两端端面不接触形成缺口，光线冻结面位于准直镜的后方，光线冻结面与准直镜的平面同侧且平行；

将物理场添加到几何模型中去，添加的物理场包括几何光学模块、流体流动中的层流模块、传热模块、几何光学模块与传热模块耦合的射线热源多物理场、以及层流模块与传热模块耦合的非等温流动多物理场，构成物理模型，将表1物理模型建模参数表中参数添加到物理模型相应位置，获得准直镜的水冷仿真模型，即透镜的水冷仿真模型；

表1 物理模型建模参数表

步骤2、根据准直镜的水冷仿真模型优化出准直镜的最优参数，包括准直镜最优焦距、准直镜最优口径、准直镜最优曲率半径、准直镜最优边缘厚度，具体如下：

将准直镜焦距f^c以30-50mm中的任意值为初值，间隔为5mm进行参数化扫描，直到准直镜表面最高温度在一个可承受温度以下为止，其中每一个焦距的值对应该焦距下准优化准直镜，其中边缘厚度并非最优，使得准直镜表面最高温度在准直镜可承受温度Tp之下，且准直镜焦距f^c最大，此时的准直镜焦距f^c为准直镜最优焦距，记为f1^c，将物理模型建模参数表中准直镜焦距f^c表达式的数值改为f1^c的数值，准直镜其他相关参数在物理模型建模参数表中获得，准直镜最优焦距记为f1^c、准直镜最优口径记为D1^c、准直镜最优曲率半径记为R1^c、准直镜准优边缘厚度记为

在准直镜最优焦距记为f1^c的条件下，参数化扫描准直镜边缘厚度

为初值，间隔为0.2mm，分别向准直镜边缘厚度

增大和减小两个方向扫描，准直镜表面温度最低时得到准直镜最优边缘厚度

步骤3、根据准直镜的最优参数，优化出聚焦镜的最优参数，包括聚焦镜最优焦距，聚焦镜最优口径、聚焦镜最优曲率半径，聚焦镜最优边缘厚度，具体如下：

聚焦镜设计需要满足光闸内光耦合条件：1)聚焦镜输出光斑直径小于输出光纤纤芯直径；2)聚焦镜会聚角小于输出光纤接收角；

设聚焦镜焦距为f^f、聚焦镜曲率半径为R^f；

聚焦镜最优口径与准直镜最优口径相同，记为D1^c；

聚焦镜最优边缘厚度与准直镜最优边缘厚度相等，记为

定义输入光斑经准直镜聚焦镜作用后的输出光斑直径记为D_L-out，需满足D_L-out＜D_out，D_out为输出光纤纤芯直径，输入光斑直径即光闸输入光纤纤芯直径D_in，经过准直镜聚焦镜作用，存在一个放大倍数M，

使得输入光斑经准直镜聚焦镜作用后的输出光斑直径D_L-out＝MD_in；

聚焦镜最优焦距为M·f1^c；根据公式R^f＝(n₀-1)f^f得，聚焦镜最优曲率半径为(n₀-1)M·f1^c，n₀为透镜材料熔石英的实部常温折射率，f^c为准直镜焦距，f1^c为准直镜最优焦距；

步骤4、根据准直镜的水冷仿真模型获得水流速及水温的仿真结果，进而确定冷却参数，冷却参数包括水循环体入口温度T_w和水循环体流速F_w，具体如下：

水冷机水体温度即水循环体入口温度T_w，控制在15-25℃；

取水循环体流速F_w为∞无穷大的曲线上方相差1℃的流速，记为水循环体最小流速F_wmin，在使用时需满足F_w≥F_wmin。

2.根据权利要求1所述的高功率光纤激光器用光闸中透镜参数设计方法，其特征在于：准直镜的材料属性为熔石英，水循环体的材料属性为水，光线冻结面为光线消失的面。

3.根据权利要求1所述的高功率光纤激光器用光闸中透镜参数设计方法，其特征在于：几何光学模块添加到准直镜区域，流体流动中的层流模块添加到水循环体区域，传热模块添加到准直镜和水循环体区域，几何光学模块与传热模块耦合的射线热源多物理场添加到准直镜区域，层流模块与传热模块耦合的非等温流动多物理场添加到水循环体区域。

4.根据权利要求1所述的高功率光纤激光器用光闸中透镜参数设计方法，其特征在于：为了让聚焦镜温度、输出光纤纤芯的光功率密度处于一个合理水平，且满足D_L-out＜D_out条件，M取[1.2,1.5]。

5.根据权利要求1所述的高功率光纤激光器用光闸中透镜参数设计方法，其特征在于：将物理模型建模参数表中输入光纤发散角为θ，设输出光纤接收角为θ₂，则有θ≈θ₂；设激光经过聚焦镜会聚角为θ₃，则有f^ctanθ＝f^ftanθ₃；代入具体值，得

上式说明该聚焦镜设计满足聚焦镜会聚角θ₃小于输出光纤接收角为θ₂的条件。

6.根据权利要求1所述的光纤激光器用光闸中透镜参数设计方法，其特征在于，水循环体入口温度T_w取15℃最佳。

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