CN111596404A - 一种可传输双光束的光纤及其耦合方法 - Google Patents

一种可传输双光束的光纤及其耦合方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可传输双光束的光纤及其耦合方法，该光纤包括第一纤芯、第一包层、第二纤芯、第二包层、涂覆层，所述第一纤芯外侧设置有所述第一包层，所述第一包层外侧设置有所述第二纤芯，所述第二纤芯外侧设置有第二包层，所述第二包层外侧设置有涂覆层，所述第一纤芯为圆形纤芯，输出圆形光斑，所述第二纤芯为环形纤芯，形成环形光斑，所述第一纤芯和所述第二纤芯的折射率分别高于所述第一包层和所述第二包层的折射率，圆形光束和环形光束分别在所述第一纤芯和所述第二纤芯中进行传输。本发明实现双光束传输和耦合，对于拓展光纤激光的应用具有重要意义。

Description

一种可传输双光束的光纤及其耦合方法
技术领域
本发明涉及光纤激光技术领域，特别是涉及一种可传输双光束的光纤及其耦合方法。
背景技术
光纤激光器具有转换效率高、光束质量好、结构紧凑以及维护方便等优点，近几年得到了飞速发展，已在科学研究、工业制造和国防安全等领域得到了广泛的应用，同时也是未来高功率激光发展的重要方向之一。当前，传统的光纤激光器的输出光纤都为双包层单芯光纤，在激光输出端，包层光易损坏光纤激光器光纤器件而被包层光滤除器剥除，输出激光主要是以纤芯激光的形式实现输出，同时纤芯的大小也决定了输出光斑的形态。
随着光纤激光器工业应用领域范围的逐渐广泛，特殊应用场合环形光斑和圆形光斑结合将大大提升工业应用的效率，同时如果不同光斑间的波长可选以及不同光斑之间实现能量比例的任意可控，将大大增进工业用光纤激光器的应用效率和应用范围，尤其在焊接领域，上述的内容即为现有光纤需要解决的问题。
发明内容
为了克服上述问题，本发明提供了一种可传输双光束的光纤及其耦合方法，旨在提供一种实现双光束传输和耦合方式解决方案，对于拓展光纤激光的应用具有重要意义。
本发明所采用的技术方案是：
一种可传输双光束的光纤，包括第一纤芯、第一包层、第二纤芯、第二包层、涂覆层，所述第一纤芯外侧设置有所述第一包层，所述第一包层外侧设置有所述第二纤芯，所述第二纤芯外侧设置有第二包层，所述第二包层外侧设置有涂覆层，所述第一纤芯为圆形纤芯，输出圆形光斑，所述第二纤芯为环形纤芯，形成环形光斑，所述第一纤芯和所述第二纤芯的折射率分别高于所述第一包层和所述第二包层的折射率，圆形光束和环形光束分别在所述第一纤芯和所述第二纤芯中进行传输，圆形光束和环形光束可根据需要选择相同波长的光或不相同波长的光，两束光的能量可以按照需要任意比例可调。
其中，所述第一纤芯的直径大小为20微米-100微米，既能保证第一纤芯传输的能量大小，又能保证第一纤芯光的光束质量，所述第二纤芯的直径大小为200微米-600微米，主要是用于形成高能量的环形光束，所述第一包层的直径大小为100微米-200微米，要根据所述第一纤芯的大小确定，所述第二包层的直径大小为600微米-800微米，要根据所述第二纤芯的大小确定，所述第二包层的直径大于第二纤芯直径的20微米-100微米。
其中，所述第一包层和所述第二包层通过掺氟来降低材料的折射率。
其中，所述第一纤芯与所述第一包层所形成的数值孔径为0.22，同时也可根据需要设定不同的数值口径，所述第二纤芯与所述第一包层和所述第二包层所形成的数值孔径为0.22，同时也可根据需要设定不同的数值口径。
本发明还提供一种可传输双光束的光纤耦合方法，采用熔融拉锥束的耦合方式，其中熔融拉锥束包括外围输入光纤、中心输入光纤、中心光纤外低折玻璃管、组束光纤外低折玻璃管，所述第一纤芯的光通过熔融拉锥束的所述中心输入光纤的光耦合进入，所述第二纤芯的光通过熔融拉锥束的所述外围输入光纤的光耦合进入，所述中心输入光纤需要用所述中心光纤外低折玻璃管作为套管，所述外围输入光纤利用所述组束光纤外低折玻璃管作为套管；然后对组束光纤进行熔融拉锥，熔融拉锥后的直径根据双芯光纤的直径确定。
其中，所述中心光纤外低折玻璃管作拉锥后中心输入光纤的包层，所述组束光纤外低折玻璃管用于组束光纤紧密排布的夹具，熔束拉锥后形成组束光纤的包层，并包裹在所述外围输入光纤的外侧壁。
其中，在预设使用波长处，作为套管的所述中心光纤外低折玻璃管、所述组束光纤外低折玻璃管的折射率分别小于作为包层的所述中心光纤外低折玻璃管、所述组束光纤外低折玻璃管的折射率。
其中，所述中心光纤外低折玻璃管、所述组束光纤外低折玻璃管为掺氟石英玻璃套管，作为包层的所述中心光纤外低折玻璃管、所述组束光纤外低折玻璃管包括石英玻璃结构，除所述中心输入光纤之外的六根所述外围输入光纤的结构相同，六根所述外围输入光纤的输入纤芯包括石英玻璃结构。
本发明的优点如下：
1、双芯光纤第一纤芯为圆形纤芯，将传输圆形光斑，第二纤芯为环形纤芯，将传输环形光斑，第一包层位于第一纤芯和第二纤芯中间，第二包层位于第二纤芯和涂覆层之间，第一纤芯和第二纤芯的折射率大于第一包层和第二包层的折射率，所以光在第一纤芯和第二纤芯中进行传输，两个纤芯对应两个传输的光斑，圆形光斑和环形光斑；
2、耦合方式引入熔融拉锥束的方式实现，将7根输入光纤通过两圈方式紧密排布为一束，中心为一根中心输入光纤，外围是6根外围输入光纤，中心输入光纤在组束之前套一根中心光纤外低折玻璃管，中心输入光纤的光通过熔融拉锥束后耦合进入双芯光纤的第一纤芯，第二纤芯的光通过熔融拉锥6根外围输入光纤的光耦合进入，整个光纤束外围基于基于组合光纤外低折玻璃管作为套管；然后对组束光纤进行熔融拉锥，熔融拉锥后的直径根据双芯光纤的直径确定，然后将组束拉锥光纤束和双芯光纤进行熔接，实现光的双芯耦合，组束光纤中心光纤的光进入双芯光纤的第一纤芯，形成圆形光斑，外围的6根外围输入光纤的光耦合进入第二纤芯，形成环形光斑；
3、实现双光束传输和耦合，对于拓展光纤激光的应用具有重要意义。
附图说明
图1是本发明所述一种可传输双光束的光纤的横截面结构示意图；
图2是本发明所述一种可传输双光束的光纤的纵向结构示意图；
图3是本发明的熔融拉锥束横截面示意图；
图4是本发明的双芯光纤与熔融拉锥束熔接后纵向界面示意图；
图5是本发明的双芯光纤耦合方式实现过程图。
附图标记说明如下：
1、第一纤芯；2、第一包层；3、第二纤芯；4、第二包层；5、涂覆层；6、外围输入光纤；7、中心输入光纤；8、中心光纤外低折玻璃管；9、组束光纤外低折玻璃管；10、拉锥束过渡区域；11、拉锥束锥腰区域。
具体实施方式
下面对本发明作进一步的说明，但本发明并不局限于这些内容。
实施例1
一种可传输双光束的光纤，包括第一纤芯1、第一包层2、第二纤芯3、第二包层4、涂覆层5，第一纤芯1外侧设置有第一包层2，第一包层2外侧设置有第二纤芯3，第二纤芯3外侧设置有第二包层4，第二包层4外侧设置有涂覆层5；第一纤芯1为圆形纤芯，输出圆形光斑，第二纤芯3为环形纤芯，形成环形光斑；第一纤芯1和第二纤芯3的折射率分别高于第一包层2和第二包层4的折射率，圆形光束和环形光束分别在第一纤芯1和第二纤芯3中进行传输，圆形光束和环形光束选择相同波长的光，两束光的能量可以按照需要任意比例可调；第一纤芯1的直径大小为60微米，既能保证第一纤芯1传输的能量大小，又能保证第一纤芯1光的光束质量，第二纤芯3的直径大小为500微米，主要是用于形成高能量的环形光束，第一包层2的直径大小为120微米，第二包层4的直径大小为600微米；第一包层2和第二包层4通过掺氟来降低材料的折射率；第一纤芯1与第一包层2所形成的数值孔径为0.22，第二纤芯3与第一包层2和第二包层4所形成的数值孔径为0.22。
实施例2
一种可传输双光束的光纤，包括第一纤芯1、第一包层2、第二纤芯3、第二包层4、涂覆层5，第一纤芯1外侧设置有第一包层2，第一包层2外侧设置有第二纤芯3，第二纤芯3外侧设置有第二包层4，第二包层4外侧设置有涂覆层5；第一纤芯1为圆形纤芯，输出圆形光斑，第二纤芯3为环形纤芯，形成环形光斑；第一纤芯1和第二纤芯3的折射率分别高于第一包层2和第二包层4的折射率，圆形光束和环形光束分别在第一纤芯1和第二纤芯3中进行传输，圆形光束和环形光束选择不相同波长的光，两束光的能量可以按照需要任意比例可调；第一纤芯1的直径大小为100微米，既能保证第一纤芯1传输的能量大小，又能保证第一纤芯1光的光束质量，第二纤芯3的直径大小为600微米，主要是用于形成高能量的环形光束，第一包层2的直径大小为150微米，第二包层4的直径大小为650微米；第一包层2和第二包层4通过掺氟来降低材料的折射率；第一纤芯1与第一包层2所形成的数值孔径为0.22，第二纤芯3与第一包层2和第二包层4所形成的数值孔径为0.22。
实施例3
一种可传输双光束的光纤，包括第一纤芯1、第一包层2、第二纤芯3、第二包层4、涂覆层5，第一纤芯1外侧设置有第一包层2，第一包层2外侧设置有第二纤芯3，第二纤芯3外侧设置有第二包层4，第二包层4外侧设置有涂覆层5；第一纤芯1为圆形纤芯，输出圆形光斑，第二纤芯3为环形纤芯，形成环形光斑；第一纤芯1和第二纤芯3的折射率分别高于第一包层2和第二包层4的折射率，圆形光束和环形光束分别在第一纤芯1和第二纤芯3中进行传输，圆形光束和环形光束选择相同波长的光，两束光的能量可以按照需要任意比例可调；第一纤芯1的直径大小为20微米，既能保证第一纤芯1传输的能量大小，又能保证第一纤芯1光的光束质量，第二纤芯3的直径大小为600微米，主要是用于形成高能量的环形光束，第一包层2的直径大小为100微米，第二包层4的直径大小为700微米；第一包层2和第二包层4通过掺氟来降低材料的折射率；第一纤芯1与第一包层2所形成的数值孔径为0.22，第二纤芯3与第一包层2和第二包层4所形成的数值孔径为0.22。
本发明还提供一种可传输双光束的光纤耦合方法，如图4所示，采用熔融拉锥束的耦合方式，如图3所示，其中熔融拉锥束包括外围输入光纤6、中心输入光纤7、中心光纤外低折玻璃管8、组束光纤外低折玻璃管9，第一纤芯1的光通过熔融拉锥束的中心输入光纤7的光耦合进入，第二纤芯3的光通过熔融拉锥束的外围输入光纤6的光耦合进入，中心输入光纤7需要用中心光纤外低折玻璃管8作为套管，外围输入光纤6利用组束光纤外低折玻璃管9作为套管；然后对组束光纤进行熔融拉锥，熔融拉锥后的直径根据双芯光纤的直径确定。
中心光纤外低折玻璃管8作拉锥后中心输入光纤7的包层，组束光纤外低折玻璃管9用于组束光纤紧密排布的夹具，熔束拉锥后形成组束光纤的包层，并包裹在外围输入光纤6的外侧壁；在预设使用波长处，作为套管的中心光纤外低折玻璃管8、组束光纤外低折玻璃管9的折射率分别小于作为包层的中心光纤外低折玻璃管8、组束光纤外低折玻璃管9的折射率；中心光纤外低折玻璃管8、组束光纤外低折玻璃管9为掺氟石英玻璃套管，作为包层的中心光纤外低折玻璃管8、组束光纤外低折玻璃管9包括石英玻璃结构，除中心输入光纤7之外的六根外围输入光纤6的结构相同，六根外围输入光纤6的输入纤芯包括石英玻璃结构。
指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种可传输双光束的光纤，其特征在于，包括第一纤芯(1)、第一包层(2)、第二纤芯(3)、第二包层(4)、涂覆层(5)，所述第一纤芯(1)外侧设置有所述第一包层(2)，所述第一包层(2)外侧设置有所述第二纤芯(3)，所述第二纤芯(3)外侧设置有第二包层(4)，所述第二包层(4)外侧设置有涂覆层(5)，所述第一纤芯(1)为圆形纤芯，输出圆形光斑，所述第二纤芯(3)为环形纤芯，形成环形光斑，所述第一纤芯(1)和所述第二纤芯(3)的折射率分别高于所述第一包层(2)和所述第二包层(4)的折射率，圆形光束和环形光束分别在所述第一纤芯(1)和所述第二纤芯(3)中进行传输。
2.根据权利要求1所述的一种可传输双光束的光纤，其特征在于：所述第一纤芯(1)的直径大小为20微米-100微米，所述第二纤芯(3)的直径大小为200微米-600微米，所述第一包层(2)的直径大小为100微米-200微米，所述第二包层(4)的直径大小为600微米-800微米，所述第二包层(4)的直径大于第二纤芯(3)直径的20微米-100微米。
3.根据权利要求1所述的一种可传输双光束的光纤，其特征在于：所述第一包层(2)和所述第二包层(4)通过掺氟来降低材料的折射率。
4.根据权利要求1所述的一种可传输双光束的光纤，其特征在于：所述第一纤芯(1)与所述第一包层(2)所形成的数值孔径为0.22，所述第二纤芯(3)与所述第一包层(2)和所述第二包层(4)所形成的数值孔径为0.22。
5.根据权利要求1所述的一种可传输双光束的光纤耦合方法，其特征在于：采用熔融拉锥束的耦合方式，其中熔融拉锥束包括外围输入光纤(6)、中心输入光纤(7)、中心光纤外低折玻璃管(8)、组束光纤外低折玻璃管(9)，所述第一纤芯(1)的光通过熔融拉锥束的所述中心输入光纤(7)的光耦合进入，所述第二纤芯(3)的光通过熔融拉锥束的所述外围输入光纤(6)的光耦合进入，所述中心输入光纤(7)需要用所述中心光纤外低折玻璃管(8)作为套管，所述外围输入光纤(6)利用所述组束光纤外低折玻璃管(9)作为套管；然后对组束光纤进行熔融拉锥，熔融拉锥后的直径根据双芯光纤的直径确定。
6.根据权利要求1所述的一种可传输双光束的光纤耦合方法，其特征在于：所述中心光纤外低折玻璃管(8)作拉锥后所述中心输入光纤(7)的包层，所述组束光纤外低折玻璃管(9)用于组束光纤紧密排布的夹具，熔束拉锥后形成组束光纤的包层，并包裹在所述外围输入光纤(6)的外侧壁。
7.根据权利要求6所述的一种可传输双光束的光纤耦合方法，其特征在于：在预设使用波长处，作为套管的所述中心光纤外低折玻璃管(8)、所述组束光纤外低折玻璃管(9)的折射率分别小于作为包层的所述中心光纤外低折玻璃管(8)、所述组束光纤外低折玻璃管(9)的折射率。
8.根据权利要求6所述的一种可传输双光束的光纤耦合方法，其特征在于：所述中心光纤外低折玻璃管(8)、所述组束光纤外低折玻璃管(9)为掺氟石英玻璃套管，作为包层的所述中心光纤外低折玻璃管(8)、所述组束光纤外低折玻璃管(9)包括石英玻璃结构，除所述中心输入光纤(7)之外的六根所述外围输入光纤(6)的结构相同，六根所述外围输入光纤(6)的输入纤芯包括石英玻璃结构。
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