CN112531452A - 激光光束调节器件 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例涉及光纤激光器技术领域，公开了一种激光光束调节器件，包括：依次布置的高功率单模组光纤激光器、分光光学元件、聚焦光学元件和具有多芯层光纤的输出光缆；高功率单模组光纤激光器输出光斑能量分布为高斯型或者近高斯型分布；分光光学元件用于对高斯光束按不同比例透射和反射；聚焦光学元件用于把透射光耦合进多芯层光纤的光波导芯层。本发明实施例提供的激光光束调节器件，高功率单模组光纤激光器通过不同的透镜组将激光以可调节的比例分别耦合进多芯层光纤的中芯和环芯，或者同时耦合进中芯和环形。另外，不同于多模块单独耦合进纤芯和环形，采用高功率单模组耦合，更高的功率可以单独耦合进中芯或环芯，功率利用率更高。

Description

激光光束调节器件
技术领域
本发明涉及光纤激光器技术领域，尤其涉及一种激光光束调节器件。
背景技术
光纤激光器由于具备体积小，结构紧凑，热管理简单，全光纤结构免维护，输出光束质量好、功率高等优点而广泛的应用于工业加工，国防，科研等领域。
光纤激光器作为一种加工工具，在工业加工领域，光纤激光器凭借其以上优点正逐步取代传统激光器如二氧化碳激光，固态激光器等的市场份额。
在工业加工领域，对于不同的应用场景，需要激光器输出不同的光学参数如波长、功率、光谱、光束质量、光束分布、连续或脉冲模式等，随着激光器朝着只能加工方向发展，需激光器提供可调的激光能力分布输出，以灵活应对复杂的工业加工的工艺要求，实现一机多用，应对市场个性化需求。
发明内容
本发明实施例提供一种激光光束调节器件，用以解决或部分解决传统激光光束调节器件性能单一的问题。
本发明实施例提供一种激光光束调节器件，包括：依次布置的高功率单模组光纤激光器、分光光学元件、聚焦光学元件以及具有多芯层光纤的输出光缆；
所述高功率单模组光纤激光器，输出光斑能量分布为高斯型或者近高斯型分布；
所述分光光学元件，用于对高斯光束按不同比例透射和反射；
所述聚焦光学元件，用于把透射光耦合进多芯层光纤的光波导芯层。
在上述技术方案的基础上，所述激光光束调节器件还包括将所述高功率单模组光纤激光器输出的发散光准直成平行光的准直光学元件，所述准直光学元件位于所述高功率单模组光纤激光器和所述分光光学元件之间。
在上述技术方案的基础上，所述准直光学元件可移动地安装在所述高功率单模组光纤激光器和所述分光光学元件之间。
在上述技术方案的基础上，通过移动或者旋转所述分光光学元件，以实现不同分光比例的连续调谐。
在上述技术方案的基础上，所述分光光学元件呈长条形或者圆形结构。
在上述技术方案的基础上，通过移动所述聚焦光学元件以改变激光光束的模式。
在上述技术方案的基础上，所述输出光缆的光波导芯层为纯二氧化硅玻璃结构。
在上述技术方案的基础上，所述输出光缆的光波导包层为掺氟玻璃结构。
在上述技术方案的基础上，所述输出光缆的中芯的直径为35～100μm，所述输出光缆的环芯的直径为60～300μm。
在上述技术方案的基础上，所述输出光缆的光波导芯层的数值孔径0.1～0.22。
本发明实施例提供的一种激光光束调节器件，分光光学元件对高功率单模组光纤激光器发出的高斯光束按不同比例透射和反射，透射光通过聚焦光学元件耦合进多芯层光纤的光波导芯层。本发明实施例提供的激光光束调节器件，将高功率单模组光纤激光器通过不同的透镜组将激光以可调节的比例分别耦合进多芯层光纤的中芯和环芯，或者同时耦合进中芯和环形。另外，不同于多模块单独耦合进纤芯和环形，本发明实施例采用高功率单模组耦合，更高的功率可以单独耦合进中芯或环芯，功率利用率更高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的激光光束调节器件获得三个环芯的光斑输出的示意图；
图2为本发明实施例的激光光束调节器件获得一个环芯的光斑输出的示意图；
图3为本发明实施例的激光光束调节器件获得二个环芯的光斑输出的示意图；
图4为本发明实施例的四个光波导芯层的输出光缆的剖面和折射率分布示意图；
图5为本发明实施例的两个光波导芯层的输出光缆的剖面和折射率分布示意图；
图6为本发明实施例的长条形分光光学元件的示意图；
图7为本发明实施例的圆形分光光学元件的示意图；
图8为本发明实施例的一种高斯型光斑输出的示意图；
图9为本发明实施例的另一种高斯型环形光斑输出的示意图；
图10为本发明实施例的一种平顶型光斑输出的示意图；
图11为本发明实施例的另一种平顶型环形光斑输出的示意图；
图12为本发明实施例的一种高斯型和平顶型混合光斑输出的示意图；
图13为本发明实施例的另一种高斯型和平顶型混合光斑输出的示意图；
图14为本发明实施例的输出光缆多芯层光纤的剖面图。
附图标记：
101、高功率单模组光纤激光器；102、常用传能光纤；103、准直光学元件；104、分光光学元件；105、聚焦光学元件；106、输出光缆多芯层光纤；107、输出环形光斑轮廓；108、光波导包层；109、光波导芯层。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
随着光纤激光器单纤输出功率的逐步提高，在工业加工领域，光纤激光器逐步取代一些传统激光器的应用场景。光纤激光器提高单模组单纤输出功率的方式主要有谐振器结构，主振荡功率放大(MOPA)结构，级联泵浦结构，单模组结构往往可以获得比较好的光束质量；提高多模组单纤输出功率方式主要有功率合束，光谱合成，相干合成等技术，功率合成技术虽然提高了单纤输出功率，但光束质量较差，光谱合成和相干合成技术在获得高功率的同时也能保证比较好的光束质量，但工业化难度较高。所以工业应用上，单模组光纤激光器主要采用单腔和MOPA结构，多模组光纤激光器采用功率合束技术，但两中激光器输出光束质量有很大的不同，分别应用于不同的场景。
在工业加工领域，单模组输出的单模高斯光束主要用于薄板的精密快速加工，单模组输出单模高斯光束也可通过光束整形成类高斯或平顶光束用于中厚板的加工，多模组高功率平顶光束主要用于厚板切割。此类激光器往往只能一台激光器输出一种激光能量分布，不能同时满足多种加工应用。工业还有将光纤激光和半导体激光两中波长、两种激光能量分布、两台激光器通过空间耦合的方式，将两中激光耦合形成环形光斑输出，用于一些材料的焊接。此种方式结构复杂，体积庞大，波长不同增加了耦合难道。
本发明实施例的激光光束调节器件，包括：依次布置的高功率单模组光纤激光器101、分光光学元件104、聚焦光学元件105以及具有多芯层光纤的输出光缆；
高功率单模组光纤激光器101用于输出光斑能量分布为高斯型或者近高斯型分布；其中，高功率单模组光纤激光器101输出波长为1μm附近红外波段激光，输出功率高达10kW以上；
分光光学元件104用于对高斯光束按不同比例透射和反射；其中，分光光学元件104包括反射镜、衍射镜、透射镜等镀膜光学元件，分光比例从0～100％，通过镀膜改变光纤元件的反射率、透过率或者折射率来实现不同的分光比例；
分光光学元件104可以是长条形或者是圆形结构，分别通过左右或者上下来回移动和绕轴心旋转，来实现不同分光比例的连续调谐，不同的分光比例意味着不同的功率比例可以分配到多芯层光纤不同的光波导芯层。若分光比例是零，说明此时没有进行分光，所用激光功率均被分配到多芯层光纤的中芯；
聚焦光学元件105用于把透射光耦合进多芯层光纤的光波导芯层。
其中，聚焦光学元件105可通过反射镜、衍射镜或透射镜等光学元件组成，多芯层光纤的中芯层前放置有一套聚焦光学元件105，且多芯层光纤每个环芯层处也都有一套聚焦光学元件105，每一聚焦光学元件105之前放置有一套分光光学元件104，分光光学元件104将高斯光束按不同比例透射和反射，透射光经过后面的聚焦光学元件105耦合进多芯层光纤的光波导芯层，反射光射向下一个分光光学元件104，下一个分光光学元件104又将这部分光按不同比例透射和反射，依次类推，根据分光比例的不同，可以将不同功率的光分别耦合进多芯层光纤的不同光波导芯层，从而实现环形光束输出，另外，通过改变分光比例可以实现不同芯层功率的连续可调。
通过上述组合方式可将高功率单模组光纤激光器101输出的激光实现不同光束分布、不同功率分布的连续可调的环形光束输出。
在本发明实施例中，分光光学元件104对高功率单模组光纤激光器101发出的高斯光束按不同比例透射和反射，透射光通过聚焦光学元件105耦合进多芯层光纤的光波导芯层。本发明实施例提供的激光光束调节器件，将高功率单模组光纤激光器通过不同的透镜组将激光以可调节的比例分别耦合进多芯层光纤的中芯和环芯，或者同时耦合进中芯和环形。另外，不同于多模块单独耦合进纤芯和环形，本发明实施例采用高功率单模组耦合，更高的功率可以单独耦合进中芯或环芯，功率利用率更高。
在上述实施例的基础上，激光光束调节器件还包括将高功率单模组光纤激光器输出的发散光准直成平行光的准直光学元件103，准直光学元件103位于高功率单模组光纤激光器101和分光光学元件104之间。其中，高功率单模组光纤激光器101发出的激光通过常用传能光纤102传输至准直光学元件103。
需要说明的是，准直光学元件103可由反射镜、衍射镜、透射镜等光学元件或机械应力、热应力、压电陶瓷等装置组成，准直光学元件103用于将高斯光束整形成为类高斯光束或者平顶光束。
在上述实施例的基础上，准直光学元件103可移动地安装在高功率单模组光纤激光器101和分光光学元件104之间。
需要说明的是，当不需要光束整形时，可直接输出高斯光束。
在上述实施例的基础上，通过移动聚焦光学元件105以改变激光光束的模式。
需要说明的是，通过上下、前后移动聚焦光学元件105，可以实现激光光束模式的改变，可以在高斯，类高斯，平顶激光等模式间的转换。
在上述实施例的基础上，如图14所示，输出光缆多芯层光纤106的光波导芯层109为纯二氧化硅玻璃结构，提高激光损伤阈值，同时保证折射率分布的一致性。
需要说明的是，多芯层光纤的中芯和环芯均为纯二氧化硅玻璃结构。输出光缆多芯层光纤106的光波导包层108为掺氟玻璃结构，用来束缚激光传输的全反射条件。即位于中芯和环芯之间，环芯和环芯之间的光波导包层108为掺氟玻璃结构。
在上述实施例的基础上，只有两个光波导芯层109的中芯的直径为35～100μm，只有两个光波导芯层109的环芯的直径为60～300μm。
其中，有两个以上光波导芯层109的输出光缆的光波导芯层109的数值孔径0.1～0.22，保证激光的能量密度和光束质量。
可以理解的是，最后一层光波导包层108采用低折射率环氧树脂材料，使得处于最外层的光波导包层的数值孔径NA≤0.46，便于处理残余泵浦光，降低涂覆层热负荷，防止光纤涂覆层失效或者烧毁。
在本发明实施例中，图2中所示输出环形光斑轮廓107是由中芯激光和一个环芯激光组成，图3中所示输出环形光斑轮廓107是由中芯激光和两个环芯激光组成，图1中所示输出环形光斑轮廓107是由中芯激光和三个环芯激光组成。
其中，分光光学元件104可以是如图6所示的条形分光光学元件，条形分光光学元件上可分成不同的区域，如图所示的1、2、3…n+2代表不同的激光透过率和反射率，通过条形分光光学元件左右移动，可以实现不同激光透过率和反射率的调节；或者分光光学元件104可以如图7所示的圆形分光光学元件，圆形分光光学元件上可以分成不同的区域，如图所示的1、2、3…n代表不同的激光透过率和反射率，通过转动圆形分光光学元件，可以实现不同激光透过率和反射率的调节，通过以上两种或者类似的光学分光元件即可实现多芯层光纤不同芯层的功率调节。
图4和图5分别展示了一种具有两个光波导芯层和一种具有四个光波导芯层的多芯层传能光纤结构和折射率分布，光波导芯层的层数直接决定了输出激光的环形个数。
图8、图9、图10和图11展示了输出激光具备一个中芯和两个环芯的能量分布，其中图8和图9展示了输出激光能量呈高斯分布，图10和图11展示了输出激光能量呈平顶分布。
图12和图13展示了输出激光能量同时具备高斯分布和平顶分布。
本发明实施例提供的激光光束调节器件，可实现高斯分布、平顶光束分布、高斯环形光斑分布、平顶环形光斑分布之间的快速切换。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种激光光束调节器件，其特征在于，包括：依次布置的高功率单模组光纤激光器、分光光学元件、聚焦光学元件以及具有多芯层光纤的输出光缆；
所述高功率单模组光纤激光器，输出光斑能量分布为高斯型或者近高斯型分布；
所述分光光学元件，用于对高斯光束按不同比例透射和反射；
所述聚焦光学元件，用于把透射光耦合进多芯层光纤的光波导芯层。
2.根据权利要求1所述的激光光束调节器件，其特征在于，所述激光光束调节器件还包括将所述高功率单模组光纤激光器输出的发散光准直成平行光的准直光学元件，所述准直光学元件位于所述高功率单模组光纤激光器和所述分光光学元件之间。
3.根据权利要求2所述的激光光束调节器件，其特征在于，所述准直光学元件可移动地安装在所述高功率单模组光纤激光器和所述分光光学元件之间。
4.根据权利要求1至3任一项所述的激光光束调节器件，其特征在于，通过移动或者旋转所述分光光学元件，以实现不同分光比例的连续调谐。
5.根据权利要求4所述的激光光束调节器件，其特征在于，所述分光光学元件呈长条形或者圆形结构。
6.根据权利要求1至3任一项所述的激光光束调节器件，其特征在于，通过移动所述聚焦光学元件以改变激光光束的模式。
7.根据权利要求1至3任一项所述的激光光束调节器件，其特征在于，所述输出光缆的光波导芯层为纯二氧化硅玻璃结构。
8.根据权利要求7所述的激光光束调节器件，其特征在于，所述输出光缆的光波导包层为掺氟玻璃结构。
9.根据权利要求7所述的激光光束调节器件，其特征在于，所述输出光缆的中芯的直径为35～100μm，所述输出光缆的环芯的直径为60～300μm。
10.根据权利要求7所述的激光光束调节器件，其特征在于，所述输出光缆的光波导芯层的数值孔径0.1～0.22。
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