CN112014921B - 一种用于将高斯光束整形为平顶光束的下凹型折射率光纤 - Google Patents

Abstract

一种用于将高斯光束整形为平顶光束的下凹型折射率光纤，属于激光光束整形领域。该用于将高斯光束整形为平顶光束的下凹型折射率光纤能够将高斯光束整形为平顶光束，包括纤芯和包层，纤芯设置在包层内，其中，纤芯的折射率>包层的折射率；并且纤芯折射率为下凹型折射率结构分布，其下凹型折射率结构分布满足以下函数关系：n_core＝n_s·sqrt(1+2delta·(r/a)²)；其中，n_core为纤芯区域的折射率分布，n_s为纤芯区域下凹最低点的折射率值，r为纤芯在极坐标下的径向变量，a为光纤纤芯半径，相对折射率差delta＝(n₂ ²‑n_s ²)/2/n_s ²，其中，n₂为纤芯区域折射率最大值。该下凹型折射率光纤具有结构简单稳定、制作简单、使用方便、成本低、整形效果好、可调节、降低光强、便于与光学系统结合等优势。

Description

一种用于将高斯光束整形为平顶光束的下凹型折射率光纤

技术领域

本发明设计一种用于将高斯光束整形为平顶光束的下凹型折射率光纤，属于激光光束整形领域。

背景技术

平顶光束是指在光束传输方向的横截面内光强均匀分布的光束，由于能量分布均匀的特点，在显示、全息、激光加工、激光医疗等领域中有着重要的应用。由于激光光束的光强一般服从高斯分布，所以需要对高斯光束进行整形，以便得到均匀性好的平顶光束。1994年，Gori等人提出了另外一种模型称为平坦高斯光束，其模场可以被描述为有限个拉盖尔-高斯模式或厄米-高斯模式的叠加；Li也提出了一种新的理论模型来描述圆形或非圆形的平顶光束，其模场是被看作有限个基本高斯模式的叠加，由Gori和Li所提出的模型为描述相干平顶光束提供了方便有效的方法，并且已经被广泛应用与处理平顶光束的传输问题。

获得平顶光束的方法有很多，用衍射光学原理设计的衍射光束整形器件能达到较好效果，但其制作工艺复杂，成本高，不利于进行产业化应用；采用几何光学原理设计的光束整形光学系统，存在尺寸大、安装困难、价格昂贵以及稳定性差等问题。光纤输出光束通常为单模高斯光束，具有能量分布不均匀的特点，影响激光加工质量。将高斯光束进行光束整形，转换为强度均匀分布的平顶光束，是提高加工质量的重要因素。在激光清洗中，为了得到高的清洗效率，降低基材损伤，这就要求激光束的光场分布为平顶型，平顶光束在激光强化应用中能得到更好的强化效果。

在多模光纤光束整形技术方面，全世界范围内仅德国的一家公司推出了具有光斑匀化功能的光纤。通过这种非圆光纤，可获得能量均匀分布的平顶光斑，大幅度提高加工精度。采用光纤进行光束平顶化，避免了复杂的元件调节步骤，将成为精密激光焊接、切割、表面处理等应用领域的最佳选择。

由此可见，光纤光模场整形，光束转化有着广泛的应用，而且有很好的应用前景。

而现有的光纤，根据折射率分布情况，可以分为阶跃型光纤和渐变型光纤，阶跃型光纤(结构示意图见图1(a))，其光纤的纤芯折射率高于包层的折射率，使得输入的光能在纤芯-包层交界面上不断产生全反射而进行传输，这种阶跃型光纤，光纤纤芯的折射率是均匀的，光纤纤芯到包层只有一个台阶。而渐变型光纤，其光纤纤芯中心到包层的折射率是逐渐变小的，可以使得高阶模的光按正弦形式传播，减少模间色散，提高光纤宽度，增加传输距离，但是其成本较高，现在的多模光纤多为渐变型光纤，其包层折射率是均匀的，其光纤纤芯的中心折射率最大，沿纤芯半径方向逐渐减小。

但是以上两种形式的光纤均不能够将高斯光束整形为平顶光束。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提出了一种用于将高斯光束整形为平顶光束的下凹型折射率光纤，本发明通过改变纤芯折射率的分布由原始均匀的阶跃分布改变为下凹型分布，使得基模在该光纤纤芯内传输时，顶部光强由高斯分布变得均匀，实现平顶光束输出。该下凹型折射率光纤具有结构简单稳定、制作简单、使用方便、成本低、整形效果好、可调节、降低光强、便于与光学系统结合的优势，可理论模拟出平顶光束平顶面积、有效模场面积、损耗等性能参数。

为了实现本发明的目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的一种用于将高斯光束整形为平顶光束的下凹型折射率光纤，用于将高斯光束整形为平顶光束，包括纤芯和包层，纤芯设置在包层内，其中，纤芯的折射率>包层的折射率；并且纤芯折射率为下凹型折射率结构分布，其下凹型折射率结构分布满足以下函数关系：

n_core＝n_s·sqrt(1+2delta·(r/a)²)

其中，n_core为纤芯区域的折射率分布，n_s为纤芯区域下凹最低点的折射率值，r为纤芯在极坐标下的径向变量，a为光纤纤芯半径，相对折射率差delta＝(n₂ ²-n_s ²)/2/n_s ²，其中，n₂为纤芯区域折射率最大值。

所述的纤芯区域下凹最低点的折射率值n_s，根据设计的光纤结构尺寸进行仿真计算，直到出现平顶光束时，得到纤芯区域下凹最低点的折射率值n_s的确定值。

进一步的，纤芯的下凹型折射率结构分布中，纤芯区域下凹最低点的折射率值n_s>包层的折射率。

进一步的，以纤芯在极坐标下的径向变量r为自变量，通过改变r的值，求得纤芯区域任意半径位置对应的折射率分布n_core，从而控制纤芯呈现下凹型折射率结构分布。

所述的纤芯材料选用掺杂高折射率材料的石英(SiO₂)，纤芯的下凹型折射率结构分布，通过改变石英中高折射率材料的掺杂浓度实现。其中，纤芯和包层分界处的掺杂率最高，随着折射率降低，其高折射率材料的掺杂浓度降低。

所述的高折射率材料为以Sellmeier方程描述的折射率大于SiO₂折射率的材料，本发明的高折射率材料优选为GeO₂材料。所述的包层选用的材料为纯石英(SiO₂)，或掺杂低折射率材料的石英(SiO₂)，所述的低折射率材料为以Sellmeier方程描述的折射率小于SiO₂折射率的材料，低折射率材料优选为F材料。

所述的纤芯材料选用掺杂高折射率材料的石英(SiO₂)，进一步的，所述的纤芯选用石英(SiO₂)掺杂GeO₂材料，其纤芯区域的折射率分布n_core取值范围为1.45～1.46，纤芯区域下凹最低点的折射率值n_s取值范围为1.45～1.4575，包层选用的材料为石英(SiO₂)，其折射率n₁，通过Sellmeier公式计算得到n₁＝1.444。

进一步的，用于将高斯光束整形为平顶光束的下凹型折射率光纤，其光纤纤芯直径优选为10μm～80μm。

进一步的，用于将高斯光束整形为平顶光束的下凹型折射率光纤，其包层直径优选为50μm～125μm。

进一步的，当纤芯区域的折射率分布在1.45～1.46，当光纤纤芯直径为10μm～80μm，其随着光纤纤芯直径的增加，通过将高斯光束整形的平顶光束的平顶面积从20μm²增加到366μm²。

进一步的，当光纤纤芯直径为10μm～80μm，随着光纤纤芯直径的增加，用于将高斯光束整形为平顶光束的下凹型折射率光纤的有效模场面积从114μm²增加到3400μm²。

本发明的一种用于将高斯光束整形为平顶光束的下凹型折射率光纤，与现有技术相比，其优点在于：

本发明所述一种用于将高斯光束整形为平顶光束的下凹型折射率光纤，通过对光纤纤芯的折射率进行合理设计，纤芯折射率的分布由原始的均匀阶跃分布改变为下凹型分布，使得从激光器输出的基模高斯光束通过该光纤纤芯内传输后，光强分布变得均匀，实现平顶光束输出。与传统匀化整形的方法相比，能够直接和激光器连接，实现将高斯光束整形为平顶光束，并无需配合任何整形元件，具有制作简单，使用方便，成本低，光束匀化和整形效果好，可调节，能够降低光强等优势。通过对纤芯进行高折射率掺杂，利用有限元方法分析其基本特性，得到三维模场分布以及光束传输方向平顶区域面积，并对提出结构的有效模场面积、损耗等参数进行仿真计算，分析得到，区别于常规阶跃结构，提出的下凹型结构的有效模场面积随波长的增加逐渐减小。对于损耗，虽然总体水平大于常规阶跃型光纤，但损耗值仍低于0.1dB/km，且不作为通信光纤进行长距离传输，故可忽略不计。

附图说明

图1(a)为普通阶跃型光纤结构示意图，其中，101为普通阶跃型光纤的纤芯，201为包层；

图1(b)为普通阶跃型光纤对应折射率分布图；

图1(c)为普通阶跃型光纤对应x-y平面基模二维模场图；

图1(d)为普通阶跃型光纤对应x-y-z空间基模三维模场图；

图2(a)为一种用于将高斯光束整形为平顶光束的下凹型折射率光纤结构示意图；其中，102为下凹型折射率光纤的纤芯，201为包层；

图2(b)为一种用于将高斯光束整形为平顶光束的下凹型折射率光纤对应折射率分布图；

图2(c)为一种用于将高斯光束整形为平顶光束的下凹型折射率光纤对应x-y平面基模二维模场图；

图2(d)为一种用于将高斯光束整形为平顶光束的下凹型折射率光纤对应x-y-z空间基模三维模场图；

图3为一种用于将高斯光束整形为平顶光束的下凹型折射率光纤(三角形实线)与普通阶跃型光纤(菱形点划线)沿直径方向的能量密度时间均值对比图；

图4为一种用于将高斯光束整形为平顶光束的下凹型折射率光纤(三角形实线)与普通阶跃型(菱形点划线)有效模场面积对比图；

图5为一种用于将高斯光束整形为平顶光束的下凹型折射率光纤(三角形实线)与普通阶跃型(菱形点划线)损耗对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述

为使上述目的，优点更加易懂，下面将通过实施例详细描述本发明一种用于将高斯光束整形为平顶光束的下凹型折射率光纤特性。但是本领域的技术人员应该意识到在权利要求的范围内，可以做出形式和细节上多种变形，因此本发明绝不仅限于以下所述的实施例。

实例：以优选的纤芯直径12μm的光纤为例，以下实施例方案中：采用软件COMSOL进行仿真。

实施例1

1.一种用于将高斯光束整形为平顶光束的下凹型折射率光纤结构示意图如图2(a)所示。以纤芯102直径12μm，其材质采用石英(SiO₂)中掺杂高折射率GeO₂，具体纤芯区域的折射率分布n_core范围为1.45～1.46；包层201采用纯石英(SiO₂)，其折射率n₁＝1.444，直径优选为50μm。

2.普通阶跃型光纤对应折射率分布图如图1(b)所示，其中，纤芯的折射率为1.4578，包层的折射率为1.444，纤芯的折射率呈均匀阶跃分布。

利用仿真软件对光模场整形的下凹型折射率光纤的传输性能进行理论模拟，通过对光纤纤芯折射率材料表达式中代表纤芯区域下凹最低点的折射率值变量n_s进行参数化扫描，改变为下凹型折射率分布并对光纤进行仿真计算，当下凹型折射率结构获得平顶光束时，纤芯区域下凹最低点的折射率值n_s＝1.4517。

本实施例中一种用于将高斯光束整形为平顶光束的下凹型折射率光纤对应折射率分布图如图2(b)所示，纤芯区域折射率最大值n₂为1.4578，折射率分布图呈下凹型结构分布，其下凹型结构分布满足以下函数关系：

n_core＝n_s·sqrt(1+2delta·(r/a)²)

其中，n_core为纤芯区域的折射率分布，n_s为纤芯区域下凹最低点的折射率值，r为纤芯在极坐标下的径向变量，a为光纤纤芯半径，相对折射率差delta＝(n₂ ²-n_s ²)/2/n_s ²，将上述数据带入此公式，得到delta＝0.42％，其中，n₂为纤芯区域折射率最大值；

具体为：

n_core＝1.4517·sqrt(1+2×0.42％·(r/6)²)，根据r的变化，得到其对应的下凹型结构分布曲线。

3.普通阶跃型光纤对应x-y平面基模二维模场图如图1(c)所示，普通阶跃型光纤对应x-y-z空间基模三维模场图如图1(d)所示，本实施例中一种用于将高斯光束整形为平顶光束的下凹型折射率光纤对应x-y平面基模二维模场图如图2(c)所示，一种用于将高斯光束整形为平顶光束的下凹型折射率光纤对应x-y-z空间基模三维模场图如图2(d)所示，光场匀化整形效果显著。

4.利用仿真软件进行理论模拟得到一种用于将高斯光束整形为平顶光束的下凹型折射率光纤与常规阶跃光纤能量密度时间均值的对比图如图3所示，对比可得，整形后下凹型折射率光纤能量呈平顶型分布，而普通阶跃型光纤呈高斯型分布。

5.本实施例一种用于将高斯光束整形为平顶光束的下凹型折射率光纤有效模场面积A_eff由下式进行表征：

式中F(x,y)代表传输模式的场分布函数。得到该光纤的有效模场面积随波长的变化关系。一种用于将高斯光束整形为平顶光束的下凹型折射率光纤(三角形实线)与普通阶跃型(菱形点划线)有效模场面积对比图如图4所示。经理论设计可得出所述一种用于将高斯光束整形为平顶光束的下凹型折射率光纤在波长1.55μm处有效模场面积为114.3μm²，阶跃型光纤在波长1.55μm处有效模场面积80.9μm²，特点在于一种用于将高斯光束整形为平顶光束的下凹型折射率光纤在短波长处，高折射率部分对光的束缚能力较强，光场能量的分布几乎覆盖整个纤芯区域，在长波长处，高折射率部分对光的束缚能力减弱，光场能量集中于纤芯中心区域，因此有效模场面积呈现随波长逐渐减小的趋势。

6.本实施例一种用于将高斯光束整形为平顶光束的下凹型折射率光纤，其损耗C_loss由下式进行表征：

上式中，λ为工作波长，Im(n_eff)为对应模式的有效折射率虚部。

一种用于将高斯光束整形为平顶光束的下凹型折射率光纤(三角形实线)与普通阶跃型(菱形点划线)损耗对比图如图5所示。经理论设计可得出所述一种用于将高斯光束整形为平顶光束的下凹型折射率光纤在波长1.55μm处损耗0.027dB/km，普通阶跃型光纤在波长1.55μm处损耗0.001dB/km。

实施例2

一种用于将高斯光束整形为平顶光束的下凹型折射率光纤，其光纤纤芯直径为10μm，包层直径为50μm，其光纤纤芯折射率的下凹型结构分布通过公式：n_core＝n_s·sqrt(1+2delta·(r/5)²)确定，激光器的高斯光束通过本实施例的用于将高斯光束整形为平顶光束的下凹型折射率光纤后，得到整形后的平顶光束，其平顶面积为20μm²，有效模场面积将达114μm²。

实施例3

一种用于将高斯光束整形为平顶光束的下凹型折射率光纤，同实施例2，不同之处在于，其光纤纤芯直径为80μm，其光纤纤芯的下凹型折射率结构分布通过公式：n_core＝n_s·sqrt(1+2delta·(r/40)²)确定，激光器的高斯光束通过本实施例的用于将高斯光束整形为平顶光束的下凹型折射率光纤后，得到整形后的平顶光束，其平顶面积为366μm²，有效模场面积将达3400μm²。

Claims (10)

1.一种用于将高斯光束整形为平顶光束的下凹型折射率光纤，其特征在于，该用于将高斯光束整形为平顶光束的下凹型折射率光纤能够将高斯光束整形为平顶光束，其包括纤芯和包层，纤芯设置在包层内，其中，纤芯的折射率>包层的折射率；并且纤芯折射率为下凹型折射率结构分布，其下凹型折射率结构分布满足以下函数关系：

n_core＝n_s·sqrt(1+2delta·(r/a)²)

其中，n_core为纤芯区域的折射率分布，n_s为纤芯区域下凹最低点的折射率值，r为纤芯在极坐标下的径向变量，a为光纤纤芯半径，相对折射率差delta＝(n₂ ²-n_s ²)2/n_s ²，其中，n₂为纤芯区域折射率最大值。

2.根据权利要求1所述的用于将高斯光束整形为平顶光束的下凹型折射率光纤，其特征在于，所述的纤芯区域下凹最低点的折射率值n_s，根据设计的光纤结构尺寸进行仿真计算，直到出现平顶光束时，得到纤芯区域下凹最低点的折射率值n_s的确定值。

3.根据权利要求1所述的用于将高斯光束整形为平顶光束的下凹型折射率光纤，其特征在于，纤芯的下凹型折射率结构分布中，纤芯区域下凹最低点的折射率值n_s>包层的折射率。

4.根据权利要求1所述的用于将高斯光束整形为平顶光束的下凹型折射率光纤，其特征在于，以纤芯在极坐标下的径向变量r为自变量，通过改变r的值，求得纤芯区域任意半径位置对应的折射率分布n_core，从而控制纤芯呈现下凹型折射率结构分布。

5.根据权利要求1所述的用于将高斯光束整形为平顶光束的下凹型折射率光纤，其特征在于，所述的纤芯选用的材料为掺杂高折射率材料的石英，纤芯的下凹型折射率结构分布，通过改变石英中高折射率材料的掺杂浓度实现；其中，纤芯和包层分界处的掺杂率最高，随着折射率降低，其高折射率材料的掺杂浓度降低。

6.根据权利要求5所述的用于将高斯光束整形为平顶光束的下凹型折射率光纤，其特征在于，所述的高折射率材料为以Sellmeier方程描述的折射率大于SiO₂折射率的材料；

所述的包层选用的材料为纯石英，或掺杂低折射率材料的石英，所述的低折射率材料为以Sellmeier方程描述的折射率小于SiO₂折射率的材料。

7.根据权利要求5所述的用于将高斯光束整形为平顶光束的下凹型折射率光纤，其特征在于，当纤芯材料选用石英掺杂GeO₂材料，其纤芯区域的折射率分布n_core取值范围为1.45～1.46，纤芯区域下凹最低点的折射率值n_s取值范围为1.45～1.4575，包层选用的材料为石英，其折射率n₁，通过Sellmeier公式计算得到n₁＝1.444。

8.根据权利要求1所述的用于将高斯光束整形为平顶光束的下凹型折射率光纤，其特征在于，用于将高斯光束整形为平顶光束的下凹型折射率光纤，其光纤纤芯直径为10μm～80μm；其包层直径为50μm～125μm。

9.根据权利要求7所述的用于将高斯光束整形为平顶光束的下凹型折射率光纤，其特征在于，当纤芯区域的折射率分布在1.45～1.46，当光纤纤芯直径为10μm～80μm，其随着光纤纤芯直径的增加，通过将高斯光束整形的平顶光束的平顶面积从20μm²增加到366μm²。

10.根据权利要求8所述的用于将高斯光束整形为平顶光束的下凹型折射率光纤，其特征在于，当光纤纤芯直径为10μm～80μm，随着光纤纤芯直径的增加，用于将高斯光束整形为平顶光束的下凹型折射率光纤的有效模场面积从114μm²增加到3400μm²。

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