CN112180510A - 点环状激光输出的光纤器件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种点环状激光输出的光纤器件及其制备方法，所述的光纤器件由依次的输入光纤、输入光纤拉锥段和输出光纤构成，所述的输入光纤分为内层输入光纤束、外层输入光纤束、内低折射率套管和外低折射率套管，所述的内层输入光纤束的数量为1或3根，所述的外层输入光纤束的数量不低于6根，所述的内低折射率套管内光纤为内层输入光纤，位于内低折射率套管与外低折射率套管间光纤为外层输入光纤，所述的输入光纤束的输出端为拉锥端；所述的输出光纤的结构与所述的输入光纤束的拉锥端的结构相匹配并相连接。本发明能通过简单的设计调整实现输出光束能量比例可调的点环形的分布。

Description

点环状激光输出的光纤器件及其制备方法

技术领域

本发明涉及激光器件，特别是一种点环状激光输出的光纤器件及其制备方法。

技术背景

激光一般都是高斯光束，即光束强度在空间上呈现高斯分布，这样的光束具备有中心能量强度高，沿径向方向按高斯轮廓强度逐渐下降。各领域诸如激光切割、激光焊接、生物医学等，实际应用不仅需要高斯光束，还要求激光光束具有特定的要求，比如在能量分布上，具备平顶光斑、环状光斑、点阵等分布，在光束形状上，具有方形，圆形等形状。

在高功率的激光应用过程中，高斯光束能量集中在中心部分，反而不利于激光能量的高效利用，所以实际应用过程中需要采用一些方法进行光束整形，改变光束能量的输出，提升激光的应用水平。

光束能量的改变的方法主要包括以下几种：

长焦深整形原件法、多透镜阵列法、非球面透镜法、双折射透镜组法、衍射光学元件法、异形棱镜等，以上方法是利用空间光学进行激光光束整形，各具有不同的优缺点。总体而言，空间整形结构较为复杂，不利于工业化的高度集成，且空间结构总体可靠性稍差。

扰模法、柱矢量光束聚焦整形法、涡旋光束聚焦整形法等等，以上方法为光纤波导领域内进行激光光束整形几种方式，各具有不同的优缺点，总体而言操作和控制难度较高。

发明内容

本发明提出一种点环状激光输出的光纤器件及其制备方法，该光纤器件能通过简单的设计调整实现输出光束能量比例可调的点环形的分布。

本发明的技术解决方案如下：

一种点环状激光输出的光纤器件，包括输入光纤束和输出光纤，其特点在于由依次的输入光纤、输入光纤拉锥段和输出光纤构成，所述的输入光纤束至少有两层波导结构，包括所述的输入光纤分为内层输入光纤束、外层输入光纤束、内低折射率套管和外低折射率套管，所述的内层输入光纤束的数量为1或3根，所述的外层输入光纤束的数量为6根，所述的内低折射率套管内光纤为内层输入光纤，位于内低折射率套管与外低折射率套管间光纤为外层输入光纤，所述的输入光纤束的输出端为拉锥端；所述的输出光纤的结构与所述的输入光纤束的拉锥端的结构相匹配并相连接。

所述的内层输入光纤束的纤芯直径尺寸范围是20≤D1≤50un，包层直径尺寸范围是50≤D2≤200um；纤芯的数值孔径范围是0.06≤NA1≤0.1；所述的外层输入光纤束束的纤芯直径尺寸为20≤D5≤50un，包层直径尺寸为150≤D6≤250um；纤芯的数值孔径为0.06≤NA3≤0.1；

所述的内层光纤束与外层光纤束所使用光纤的类型与尺寸选择可不同也可相同。

所述的内低折射率套管，相对纯石英材料的数值孔径为0.12≤NA2≤0.22，内径170um～200um，外径201um～300um。

所述的外低折射率套管，相对纯石英材料的数值孔径为0.12≤NA4≤0.22，内径760um～900um，外径901um～1500um，所述的外低折射率套管的数值孔径NA4大于等于内低折射率套管的数值孔径NA2，即NA4≥NA2；

所述的输出光纤为多包层光纤且光纤至少有四波导结构，纤芯A直径以D.A表示；范围是40um≤D.A≤100um；包层B的直径以D.B表示；包层B的厚度以d.B表示；d.B范围是10um≤d.B≤20um；包层C的直径以D.C表示；包层C厚度以d.C表示；d.C范围是50um≤d.C≤240um；包层D的直径以D.D表示；包层D厚度以d.D表示；d.D是20um≤d.D≤40um；包层E的直径以D.E表示；包层E厚度以d.E表示；d.E范围是30um≤d.E≤250um；

输出光纤各包层直径与各包层厚度的数值关系如下：

D.B＝D.A+2*d.B

D.C＝D.A+2*(d.B+d.C)

D.D＝D.A+2*(d.B+d.C+d.D)

D.D＝D.A+2*(d.B+d.C+d.D+d.E)；

所述的输出光纤整体使用纯石英和掺氟下陷层，所述的输出光纤包层B掺氟层与纤芯形成的数值孔径NA5小于等于输出光纤包层D与输出光纤包层B形成的数值孔径NA6即NA5≤NA6；包层B内圈掺氟层数值孔径0.08≤NA5≤0.22，包层D外圈的掺氟层数值孔径，0.20≤NA6≤0.46。

上述点环状激光输出的光纤器件的制备方法，包括下列步骤：

1)根据实际定输出光纤的尺寸对输入光纤束物料的尺寸进行设计，确定内层输入光纤束、内低折射率套管、外层输入光纤束、外低折射率套管的参数，包括数量、内径、外径、长度；截取一定长度的光纤若干根，剥除尾纤涂覆层15cm，采用激光刻蚀、化学腐蚀或其他的物理方法的方式预先处理输入光纤束，调整输入光纤束的包层的直径D2至设计范围，预处理后的的光纤长度大于10cm，或者直接使用通过拉丝塔制备的满足纤芯和包层直径参数的光纤；

2)将内层输入光纤束预处理后以密堆积的方式组合成束，水平穿入所述的内低折射率套管中，保持内低折射率套管的内光纤相对平行无打结纠缠情况出现，生成组件1；

3)将外层输入光纤束与所述的组件1以密堆积的方式组合成束，组件1居于组束的几何中心，水平穿入所述的外低折射率套管中，保持外低折射率套管内的光纤之间，光纤与组件1之间相对平行无打结纠缠情况出现，生成组件2；

4)在满足绝热拉锥的前提下，将所述的组件2进行拉锥，控制拉锥后的组件2的尺寸满足入如下条件：

D3≤D.A＜D.B≤D4；D7≤D.C＜D.D≤D8≤D.E；

控制输入组件2的拉锥比控制在1～10(拉锥比＝拉锥前输入光纤束尺寸/拉锥后输入光纤束尺寸)；

5)将拉锥后的组件2从平锥区域切割开，与所述的输出光纤进行对应熔接；

令内层输入光纤束束的纤芯直径D1，包层直径D2；内低折射率套管的内径D3、外径D4；外层输入光纤束的纤芯直径D5、包层直径D6；外低折射率套管的内径D7、外径D8；输出光纤纤芯直径D.A，输出光纤包层的厚度分别为d.B、d.C、d.D、d.E，则

D3≤D.A＜D.B≤D4，通过控制内层输入光纤束的尺寸，使通过内层输入光纤束束的激光被输出光纤纤芯A全部接收，并实现点状光斑输出；

D7≤D.C＜D.D≤D8≤D.E；通过控制外层输入光纤束的尺寸，使通过外层输入光纤束的激光被输出光纤的包层C全部接收，并实现环状光斑输出。本发明的技术效果如下:

(1)本发明可实现输出激光平顶光斑与环形光斑的输出与自由切换；

(2)本发明可实现激光点光斑与环形光斑的同时输出；

(3)本发明可根据实际使用需求灵活调整输出点环光斑的功率分配；

(4)本发明可根据实际使用需求灵活调整输入与输出光纤光纤类型及光学指标，光学适应面宽；

(5)本发明具有传输低损耗，可承受阈值功率高的优点。

附图说明

图1为本发明点环状激光输出的光纤器件总体结构示意图；

图2为本发明组件1结构示意图；

图3为本发明组件2结构示意图；

图4为本发明输出光纤结构示意图；

图5为本发明输出光纤数值孔径分布示意图。

具体实施方式

下面结合实施例好附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

请先参阅图1，图1为本发明点环状激光输出的光纤器件总体结构示意图，由图可见，本发明点环状激光输出的光纤器件，包括输入光纤束和输出光纤，由依次的输入光纤、输入光纤拉锥段和输出光纤构成，所述的输入光纤至少有两层波导结构，所述的输入光纤分为内层输入光纤束、外层输入光纤束、内低折射率套管和外低折射率套管，所述的内层输入光纤束的数量为1或3根，所述的外层输入光纤束的数量为6根，所述的内低折射率套管内光纤为内层光纤，位于内低折射率套管与外低折射率套管间光纤为外层光纤，所述的输入光纤的输出端为拉锥端；所述的输出光纤的结构与所述的输入光纤束的拉锥端的结构相匹配并相连接，所述的拉锥端包括相连的锥腰区和平锥区。

所述的内层输入光纤束的纤芯直径尺寸范围是20≤D1≤50un，包层直径尺寸范围是50≤D2≤200um；纤芯的数值孔径范围是0.06≤NA1≤0.1；所述的外层输入光纤束束的纤芯直径尺寸为20≤D5≤50un，包层直径尺寸为150≤D6≤250um；纤芯的数值孔径为0.06≤NA3≤0.1；

所述的内层光纤束与外层光纤束所使用光纤的类型与尺寸选择可不同也可相同。

所述的内低折射率套管，相对纯石英材料的数值孔径为0.12≤NA2≤0.22，内径170um～200um，外径201um～300um。

所述的外低折射率套管，相对纯石英材料的数值孔径为0.12≤NA4≤0.22，内径760um～900um，外径901um～1500um，所述的外低折射率套管的数值孔径NA4大于等于内低折射率套管的数值孔径NA2，即NA4≥NA2；

输出光纤为多包层光纤且光纤至少有四波导结构，光纤的尺寸结构如图4所示；

纤芯A直径D.B表示；范围是40≤D.A≤100um；

包层B的直径D.B表示；包层B厚度d.B表示；d.B范围是10≤d.B≤20um；

包层C的直径D.C表示；包层C厚度d.C表示；d.C范围是50≤d.C≤240um；

包层D的直径D.D表示；包层D厚度d.D表示；d.D是20≤d.D≤40um；

包层E的直径D.E表示；包层E厚度d.E表示；d.E范围是30≤d.E≤250um；

输出光纤各包层直径与各包层厚度的数值关系如下：

D.B＝D.A+2*d.B

D.C＝D.A+2*(d.B+d.C)

D.D＝D.A+2*(d.B+d.C+d.D)

D.D＝D.A+2*(d.B+d.C+d.D+d.E)

输出光纤整体使用纯石英和掺氟下陷层，输出光纤包层B掺氟层与纤芯形成的数值孔径NA5小于等于输出光纤包层D与输出光纤包层B形成的数值孔径NA6即NA5≤NA6；包层B内圈掺氟层数值孔径0.08≤NA5≤0.22，包层D外圈的掺氟层数值孔径，0.20≤NA6≤0.46。

输出光纤的数值孔径分布如图5所示；

内层输入光纤束1光纤纤芯直径D1，包层直径D2；低折射率套管1内径D3、外径D4；外层输入光纤束2光纤纤芯直径D5、包层直径D6；低折射率套管2内径D7、外径D8；输出光纤纤芯直径D.A，输出光纤包层厚度d.B、d.C、d.D、d.E。

制作过程根据实际定输出光纤的尺寸进行输入端光纤物料的尺寸设计，其中包含：内层输入光纤束1、低折射率套管1、外层输入光纤束2、低折射率套管2；

D3≤D.A＜D.B≤D4，通过控制内层输入光纤束1的尺寸，使通过内层输入光纤束1的激光被输出光纤纤芯A全部接收，并实现点状光斑输出；

D7≤D.C＜D.D≤D8≤D.E；通过控制外层输入光纤束2的尺寸，使通过外层输入光纤束2的激光被输出光纤包层C全部接收，并实现环状光斑输出；

本器件通过控制内层输入光纤束束和外层输入光纤束束的激光注入情况，可实现输出激光的功率、光斑形状、及输出时间的自由控制；

上述点环状激光输出的光纤器件的制备方法，包括下列步骤：

1)根据实际定输出光纤的尺寸对输入光纤束物料的尺寸进行设计，确定内层输入光纤束、内低折射率套管、外层输入光纤束、外低折射率套管的参数，包括数量、内径、外径、长度；截取一定长度的光纤若干根，剥除尾纤涂覆层15cm，采用激光刻蚀、化学腐蚀或其他的物理方法的方式预先处理输入光纤束，调整输入光纤束的包层的直径D2至设计范围，预处理后的的光纤长度大于10cm，或者直接使用通过拉丝塔制备的满足纤芯和包层直径参数的光纤；

2)将内层输入光纤束预处理后以密堆积的方式组合成束，水平穿入所述的内低折射率套管中，保持内低折射率套管的内光纤相对平行无打结纠缠情况出现，生成组件1；参见图2，图2为本发明组件1结构示意图，

3)将外层输入光纤束与所述的组件1以密堆积的方式组合成束，组件1居于组束的几何中心，水平穿入所述的外低折射率套管中，保持外低折射率套管内的光纤之间，光纤与组件1之间相对平行无打结纠缠情况出现，生成组件2；参见图3，图3为本发明组件2结构示意图，

4)在满足绝热拉锥的前提下，将所述的组件2进行拉锥，控制拉锥后的组件2的尺寸满足入如下条件：

D3≤D.A＜D.B≤D4；D7≤D.C＜D.D≤D8≤D.E；

输入组件2的拉锥比控制在1～10(拉锥比＝拉锥前输入光纤束尺寸/拉锥后输入光纤束尺寸)；

5)将拉锥后的组件2从平锥区域切割开，与所述的输出光纤进行对应熔接；参见图4，

令内层输入光纤束束的纤芯直径D1，包层直径D2；内低折射率套管的内径D3、外径D4；外层输入光纤束的纤芯直径D5、包层直径D6；外低折射率套管的内径D7、外径D8；输出光纤纤芯直径D.A，输出光纤包层的厚度分别为d.B、d.C、d.D、d.E，则

D3≤D.A＜D.B≤D4，通过控制内层输入光纤束的尺寸，使通过内层输入光纤束束的激光被输出光纤纤芯A全部接收，并实现点状光斑输出；

参见图4、图5，图4为本发明输出光纤结构示意图，图5为本发明输出光纤数值孔径分布示意图；

D7≤D.C＜D.D≤D8≤D.E；通过控制外层输入光纤束的尺寸，使通过外层输入光纤束的激光被输出光纤的包层C全部接收，并实现环状光斑输出。

实施例一：

内层输入光纤束选用纤芯/包层：20/400um，NA：0.06/0.46光纤双包层；光纤预处理至包层直径D2：70um；

外层输入光纤束选用纤芯/包层：30/250um，NA：0.06/0.46光纤双包层；外层输入光纤束不做预处理；

内低折射率套管的内径D3＝160um，外径D4＝250um；外低折射率套管内径D7＝760um，外径D8＝900um；

输出光纤纤芯直径D.A＝70um，包层厚度分别为：d.B＝15um、d.C＝100um、d.D＝20um、d.E＝10um。

按以上物料按上述制作方法组束拉锥，考虑到拉锥过程中光纤束组件中间塌缩情况，实际控制拉锥后套管平锥的直径为360um左右；

切割平锥区控制端面的尺寸：

D3≤70um；100um≤D4；通过控制内层输入光纤束的尺寸，使通过内层输入光纤束束的激光被输出光纤纤芯A全部接收，并实现点状光斑输出；

D7≤300um；340um≤D8≤360um；通过控制外层输入光纤束的尺寸，使通过外层输入光纤束的激光被输出光纤的包层C全部接收，并实现环状光斑输出。

Claims (7)

1.一种点环状激光输出的光纤器件，包括输入光纤束和输出光纤，其特征在于由依次的输入光纤、输入光纤拉锥段和输出光纤构成，所述的输入光纤至少有两层波导结构，所述的输入光纤分为内层输入光纤束、外层输入光纤束、内低折射率套管和外低折射率套管，所述的内层输入光纤束的数量为1或3根，所述的外层输入光纤束的数量不低于6根，所述的内低折射率套管内光纤为内层光纤，位于内低折射率套管与外低折射率套管间光纤为外层输入光纤，所述的输入光纤束的输出端为拉锥端；所述的输出光纤的结构与所述的输入光纤束的拉锥端的结构相匹配并相连接。

2.根据权利要求1所述的点环状激光输出的光纤器件，其特征在于所述的内层输入光纤束的纤芯直径尺寸范围是20≤D1≤50un，包层直径尺寸范围是50≤D2≤200um；纤芯的数值孔径范围是0.06≤NA1≤0.1；所述的外层输入光纤束束的纤芯直径尺寸为20≤D5≤50un，包层直径尺寸为150≤D6≤250um；纤芯的数值孔径为0.06≤NA3≤0.1。

3.根据权利要求1所述的点环状激光输出的光纤器件，其特征在于所述的内层光纤束与外层光纤束所使用光纤的类型与尺寸选择可不同也可相同。

4.根据权利要求1所述的点环状激光输出的光纤器件，其特征在于所述的内低折射率套管，相对纯石英材料的数值孔径为0.12≤NA2≤0.22，内径170um～200um，外径201um～300um。

5.根据权利要求1所述的点环状激光输出的光纤器件，其特征在于所述的外低折射率套管，相对纯石英材料的数值孔径为0.12≤NA4≤0.22，内径760um～900um，外径901um～1500um，所述的外低折射率套管的数值孔径NA4大于等于内低折射率套管的数值孔径NA2，即NA4≥NA2。

6.根据权利要求1所述的点环状激光输出的光纤器件，其特征在于所述的输出光纤为多包层光纤且光纤至少有四波导结构，纤芯A的直径以D.A表示；范围是40um≤D.A≤100um；包层B的直径以D.B表示；包层B的厚度以d.B表示；d.B范围是10um≤d.B≤20um；包层C的直径以D.C表示；包层C厚度以d.C表示；d.C范围是50um≤d.C≤240um；包层D的直径以D.D表示；包层D厚度以d.D表示；d.D的范围是20um≤d.D≤40um；包层E的直径以D.E表示；包层E厚度以d.E表示；d.E的范围是30um≤d.E≤250um；

输出光纤各包层直径与各包层厚度的数值关系如下：

D.B＝D.A+2*d.B

D.C＝D.A+2*(d.B+d.C)

D.D＝D.A+2*(d.B+d.C+d.D)

D.D＝D.A+2*(d.B+d.C+d.D+d.E)；

所述的输出光纤整体使用纯石英和掺氟下陷层，所述的输出光纤包层B掺氟层与纤芯形成的数值孔径NA5小于等于输出光纤包层D与输出光纤包层B形成的数值孔径NA6即NA5≤NA6；包层B内圈掺氟层数值孔径0.08≤NA5≤0.22，包层D外圈的掺氟层数值孔径，0.20≤NA6≤0.46。

7.权利要求1所述的点环状激光输出的光纤器件的制备方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

1)根据实际定输出光纤的尺寸对输入光纤束物料的尺寸进行设计，确定内层输入光纤束、内低折射率套管、外层输入光纤束、外低折射率套管的参数，包括数量、内径、外径、长度；截取一定长度的光纤若干根，剥除尾纤涂覆层一定长度，采用激光刻蚀、化学腐蚀或其他的物理方法的方式预先处理输入光纤，调整输入光纤束的包层的直径D2至设计范围，，或者直接使用通过拉丝塔制备的满足纤芯和包层直径参数的光纤；

2)将内层输入光纤束预处理后以密堆积的方式组合成束，水平穿入所述的内低折射率套管中，保持内低折射率套管的内光纤相对平行且无打结纠缠情况出现，生成组件1；

3)将外层输入光纤束与所述的组件1以密堆积的方式组合成束，组件1居于组束的几何中心，水平穿入所述的外低折射率套管中，保持外低折射率套管内的光纤之间，光纤与组件1之间相对平行无打结纠缠情况出现，生成组件2；

4)在满足绝热拉锥的前提下，将所述的组件2进行拉锥，控制拉锥后的组件2的尺寸满足入如下条件：

D3≤D.A＜D.B≤D4；D7≤D.C＜D.D≤D8≤D.E；

控制输入组件2的拉锥比控制在1～10(拉锥比＝拉锥前输入光纤束尺寸/拉锥后输入光纤束尺寸)；

5)将拉锥后的组件2从平锥区域切割开，与所述的输出光纤进行对应熔接；

令内层输入光纤束束的纤芯直径D1，包层直径D2；内低折射率套管的内径D3、外径D4；外层输入光纤束的纤芯直径D5、包层直径D6；外低折射率套管的内径D7、外径D8；输出光纤纤芯直径D.A，输出光纤包层的厚度分别为d.B、d.C、d.D、d.E，则

D3≤D.A＜D.B≤D4，通过控制内层输入光纤束的尺寸，使通过内层输入光纤束束的激光被输出光纤纤芯A全部接收，并实现点状光斑输出；

D7≤D.C＜D.D≤D8≤D.E；通过控制外层输入光纤束的尺寸，使通过外层输入光纤束的激光被输出光纤的包层C全部接收，并实现环状光斑输出。

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