CN113325570A

CN113325570A - 光纤参数设计方法、锥形光纤及激光水束高效耦合装置

Info

Publication number: CN113325570A
Application number: CN202110542199.0A
Authority: CN
Inventors: 袁松梅; 张家齐; 张伟; 危家勇
Original assignee: Beihang University; AVIC Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute
Current assignee: Beihang University; AVIC Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute
Priority date: 2021-05-18
Filing date: 2021-05-18
Publication date: 2021-08-31
Anticipated expiration: 2041-05-18
Also published as: CN113325570B

Abstract

本发明提供一种光纤参数设计方法、锥形光纤及激光水束高效耦合装置。该光纤参数设计用于激光水束高效耦合装置中的锥形光纤，且包括：对多个光纤参数进行优先级排序；基于第一耦合基本条件选取安全系数k，基于加工精度和水束稳定性设计柱形光纤直径d，并预选聚焦透镜以获取入射角α和高斯激光束腰半径ω₀；基于数学归纳法，选定激光在锥形光纤中发生全内反射次数n和锥形光纤的半锥角β；基于高效耦合方法，计算锥形光纤的高度h和耦合端部直径D；将多个光纤参数分别代入第一耦合基本条件和第二耦合基本条件中进行验算；以及基于验算结果，按照优先级顺序调整锥形光纤的多个光纤参数，直到满足第一耦合基本条件和第二耦合基本条件为止。

Description

光纤参数设计方法、锥形光纤及激光水束高效耦合装置

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，尤其涉及一种光纤参数设计方法、锥形光纤及激光水束高效耦合装置。

背景技术

随着光纤激光在民用工业、国防工业、以及医疗行业的运用逐渐增多，光纤激光技术在近些年也有着飞速的发展。目前该技术已广泛应用于金属板材的切割，并且同时在焊接、熔覆、清洗等领域都展现出巨大的潜力。但随着光纤激光技术运用覆盖的领域的增多，其面临的问题和挑战也日益增长。

现有的耦合激光加工装置通常使激光从装置上方入射，透过玻璃片，在经过聚焦透镜后，耦合到充满水的液腔中，并且水中的激光由于发生全内反射而向下传导直至工件表面，从而进行材料的去除加工。此外，现有的光纤与水导激光耦合加工装置设计了柱形光纤，形成激光-水束-光纤的三者耦合。

然而，现有的大功率耦合激光加工装置缺少对液体缩流装置的曲线形状的研究，在具体设计并实施时缺乏设计参数理论支撑，使得在高效耦合方面亟待优化设计。不仅如此，现有的光纤与水导激光耦合加工装置在激光耦合入柱形光纤时，由于光纤尺寸较小，容易发生耦合对准失败而导致的激光损坏耦合装置故障。此外，柱形光纤耦合端部尺寸较小，在耦合时容易发生激光泄漏，限制耦合效率的提高。

发明内容

本发明提供一种光纤参数设计方法、锥形光纤及激光水束高效耦合装置，旨在解决柱形水束或柱形光纤存在的激光耦合泄漏和激光损坏耦合装置的问题，达到能够根据加工需求与现有条件科学合理地设计高效耦合装置的设计目的，进而提高装置的耦合效率和使用寿命。

具体地，本发明实施例提供了以下技术方案：

第一方面，本发明的实施例提供一种光纤参数设计方法，该方法用于激光水束高效耦合装置中的锥形光纤，且包括：

对多个光纤参数进行优先级排序；

基于第一耦合基本条件选取安全系数k，基于加工精度和水束稳定性设计柱形光纤直径d，并预选聚焦透镜以获取入射角α和高斯激光束腰半径ω₀；

基于数学归纳法，选定激光在锥形光纤中发生全内反射次数n和锥形光纤的半锥角β；

基于高效耦合方法，计算锥形光纤的高度h和耦合端部直径D；

将多个光纤参数分别代入第一耦合基本条件和第二耦合基本条件中进行验算；以及

基于验算结果，按照优先级顺序调整锥形光纤的多个光纤参数，直到满足第一耦合基本条件和第二耦合基本条件为止。

进一步地，该光纤参数设计方法还包括：

对多个光纤参数进行优先级排序，包括：

将半锥角β、入射角α和高斯激光束腰半径ω₀设置成第一优先级光纤参数；

将空气介质的折射率n₁、光纤介质的折射率n₂设置成第二优先级光纤参数；

将安全系数k、柱形光纤直径d设置成第三优先级光纤参数；以及

将全内反射次数n设置成第四优先级光纤参数。

进一步地，该光纤参数设计方法还包括：

基于高效耦合方法，计算锥形光纤的高度h和耦合端部直径D包括：

高效耦合方法为使经锥形光纤全反射一次的光线再汇聚至束腰时所对应的中心点与柱形光纤端部在竖直方向上平齐。

进一步地，该光纤参数设计方法还包括：

基于验算结果，按照优先级顺序调整锥形光纤的多个光纤参数，直到满足第一耦合基本条件和第二耦合基本条件为止包括：

若耦合端部直径D不满足第一耦合基本条件，则调整第一优先级光纤参数，重新计算锥形光纤的高度h和耦合端部直径D并验算多个光纤参数，直到耦合端部直径D满足第一耦合基本条件为止；以及

若耦合端部直径D满足第一耦合基本条件而不满足第二耦合基本条件，则根据差值大小按照优先级顺序依次调整多个光纤参数，重新计算锥形光纤的高度h和耦合端部直径D并验算多个光纤参数，直到耦合端部直径D满足第一耦合基本条件且满足第二耦合基本条件为止。

进一步地，该光纤参数设计方法还包括：

根据差值大小按照优先级顺序依次调整多个光纤参数包括：

若差值小于或等于15°，则调整第一优先级光纤参数，并重新计算锥形光纤的高度h和耦合端部直径D并验算多个光纤参数，直到耦合端部直径D满足第一耦合基本条件且满足第二耦合基本条件为止；以及

若差值大于15°，则按照优先级顺序逐级调整调整第一优先级光纤参数、第二优先级光纤参数、第三优先级光纤参数，并重新计算锥形光纤的高度h和耦合端部直径D并验算多个光纤参数，直到耦合端部直径D满足第一耦合基本条件且满足第二耦合基本条件为止。

第二方面，本发明的实施例还提供一种锥形光纤，包括：

该锥形光纤通过上述光纤参数设计方法设计而成，其中：

该锥形光纤被构造成适配半锥角β、入射角α、高斯激光束腰半径 ω₀、光纤介质的折射率n₂和安全系数k，并且具有高度h和耦合端部直径 D。

第三方面，本发明的实施例还提供一种激光水束高效耦合装置，包括：

主体单元，包括被构造成发射激光的激光器，被构造成扩束激光的扩束镜组，被构造成反射激光的半透镜，被构造成聚焦激光的聚焦透镜，被构造成传导激光的柱形光纤和上述锥形光纤，和被构造成成像的CCD相机；以及

固定与调整单元，用于对主体单元进行固定和调整。

进一步地，该激光水束高效耦合装置还包括：

主体单元进一步包括反射镀层，并且固定与调整单元进一步包括密封圈

进一步地，该激光水束高效耦合装置还包括：

激光器、扩束镜组、柱形光纤和锥形光纤固定在壳体内。

进一步地，该激光水束高效耦合装置还包括：

CCD相机、聚焦透镜、柱形光纤和锥形光纤与壳体同轴安装，并且经半透镜反射的激光与由CCD相机发出的CCD照明光同轴传输。

由上面技术方案可知，本发明实施例提供的一种光纤参数设计方法、锥形光纤及激光水束高效耦合装置，达到了能够根据加工需求与现有条件科学合理地设计高效耦合装置的设计目的，提高了装置的耦合效率和使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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是本发明一实施例提供的锥形光纤结构示意及光路传输几何图；

图2是本发明一实施例提供的激光水束高效耦合装置的结构示意图；以及

图3是本发明一实施例提供的光纤参数设计方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明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。

现有技术中，当激光耦合入柱形光纤时，由于柱形光纤尺寸较小，容易发生耦合对准失败，从而导致激光损坏耦合装置故障。此外，由于柱形光纤的耦合端部尺寸较小，在耦合时容易发生激光泄漏，限制耦合效率的提高。

针对于此，第一方面，本发明的一实施例提出一种锥形光纤，其旨在提高激光水束的耦合效率和耦合装置的使用寿命。

下面结合图1描述本发明的锥形光纤。

图1是本发明一实施例提供的锥形光纤结构示意及光路传输几何图。

在本实施例中，需要说明的是，锥形光纤被构造成适配半锥角β、入射角α、高斯激光束腰半径ω₀、光纤介质的折射率n₂和安全系数k，并且具有高度h和耦合端部直径D。

具体地，如图1所示，高度h包括h₁和h₂₁，其中h₁和h₂₁分别是锥形光纤端部到第1次全内反射、第1次到第2次全内反射激光传播的高度。换言之，h、h₁和h₂₁满足以下关系：

h₁+h₂₁＝h

具体地，如图1所示，耦合端部直径D为锥形光纤入口处直径。

在该实施例中，具有高度h和耦合端部直径D的锥形光纤可以满足如下文所述的：经锥形光纤全反射一次的光线再汇聚至束腰时所对应的中心点与柱形光纤端部在竖直方向上平齐。即，经锥形光纤全反射一次的光线再汇聚时，将汇聚至柱形光纤端部的端面的中心点。

基于同样的发明构思，另一方面，本发明又一实施例提供了一种激光水束高效耦合装置。

下面结合图2描述本发明的激光水束高效耦合装置。

在本实施例中，需要说明的是，激光水束高效耦合装置包括：主体单元，包括被构造成发射激光的激光器10，被构造成扩束激光的扩束镜组20，被构造成反射激光的半透镜30，被构造成聚焦激光的聚焦透镜40，被构造成传导激光的柱形光纤50和上述锥形光纤60，和被构造成成像的CCD相机70；以及固定与调整单元，用于固定与调整该主体单元。

具体地，由激光器10发射的高斯激光束具有高斯激光束腰半径ω₀。

具体地，聚焦透镜40的数值孔径为NA。例如，数值孔径NA可以满足但不限于以下示例：

NA＝0.2

具体地，聚焦透镜40与锥形光纤60之间的介质可以为空气，其折射率为n₁(即，空气介质的折射率为n₁)。

具体地，柱形光纤50和上述锥形光纤60具有折射率n₂(即，光纤介质的折射率为n₂)。

具体地，聚焦透镜40的镜口角为α(即，激光入射到锥形光纤端部的入射角α)。例如，镜口角α可以满足但不限于以下示例：

在进一步的实施例中，主体单元进一步包括反射镀层120，并且固定与调整单元进一步包括密封圈100，但显而易见地本发明的实施例并不限于此，本领域普通技术人员可以根据实际需要对该实施例中的部件进行添加、修改、替换和/或删除。

具体地，反射镀层120的材料可以使用但不限于折射率比水更小的聚四氟乙烯，或者使用反射率更高的镀银层并镀SiO2以制成银镜。

在进一步的实施例中，激光器10、扩束镜组、柱形光纤和锥形光纤固定在壳体内。

在进一步的实施例中，CCD相机70、聚焦透镜20、柱形光纤50 和锥形光纤60与壳体110同轴安装，并且经半透镜30反射的激光与由CCD相机70发出的CCD照明光同轴传输。

在进一步的实施例中，聚焦透镜20固定在透镜固定座80上。

在进一步的实施例中，锥形光纤60固定在锥形光纤固定座90上。

在进一步的实施例中，密封圈100安装在壳体110与柱形光纤50 之间。

下面结合图2进一步说明激光水束高效耦合装置的耦合过程。通过对该耦合过程的说明，本领域的普通技术人员能够充分理解本实施例并予以实施。

如图2所示，由激光器发射的高斯激光束经过扩束镜组进行扩束，再经半透镜反射后进入聚焦透镜中进行聚焦，经聚焦的光束依次进入上述锥形光纤、柱形光纤以及水束中。高斯激光束由于发生全内反射被“锁定”(即，耦合)在光纤和水束中并进行传导，从而实现激光- 光纤-水束三者耦合。水束分别从壳体两侧的水束入口处流入，由壳体底端喷口处射出，最终到达工件表面，将材料去除。

此外，CCD相机发出的照明光透过半透镜，经聚焦透镜后，落在光纤上，反射的照明光和激光经过聚焦透镜和半透镜进入CCD相机中成像。而且，通过旋转竖向调整旋钮可以使透镜固定座在壳体内上下移动，当使用CCD观察到清晰的锥形光纤端面和最小的亮斑时，聚焦透镜在竖直方向上调整完毕，此时聚焦后的激光束腰恰好落在光纤端面所在水平面上。而后，激光经上述锥形光纤进行传导，并且经锥形光纤全反射一次的光线再汇聚至束腰时所对应的中心点与柱形光纤端部在竖直方向上平齐，进而完成后续高效耦合。

现有技术中，未讨论液体缩流装置的曲线形状，并且在具体设计并实施时缺乏设计参数理论支撑，使得在高效耦合方面缺乏优化设计。

针对于此，并且基于同样的发明构思，另一方面，本发明的一实施例提出一种光纤参数设计方法，其旨在克服现有技术中的缺乏设计参数理论的问题，并予以优化。

下面结合图3描述本发明的光纤参数设计方法。

图3是本发明一实施例提供的光纤参数设计方法的流程图。

在本实施例中，需要说明的是，光纤参数设计方法用于包括锥形光纤的激光水束高效耦合装置，且包括：

S1：对多个光纤参数进行优先级排序；

S2：基于第一耦合基本条件选取安全系数k，基于加工精度和水束稳定性设计柱形光纤直径d，并预选聚焦透镜以获取入射角α和高斯激光束腰半径ω₀；

S3：基于数学归纳法，选定激光在锥形光纤中发生全内反射次数n 和锥形光纤的半锥角β；

S4：基于高效耦合方法，计算锥形光纤的高度h和耦合端部直径 D；

S5：将多个光纤参数分别代入第一耦合基本条件和第二耦合基本条件中进行验算；以及

S6：基于验算结果，按照优先级顺序调整锥形光纤的多个光纤参数，直到满足第一耦合基本条件和第二耦合基本条件为止。

在进一步的实施例中，该光纤参数设计方法进一步包括：

步骤S1具体包括：将半锥角β、入射角α和高斯激光束腰半径ω₀设置成第一优先级光纤参数；将空气介质的折射率n₁、光纤介质的折射率n₂设置成第二优先级光纤参数；将安全系数k、柱形光纤直径d 设置成第三优先级光纤参数；以及将全内反射次数n设置成第四优先级光纤参数。

在进一步的实施例中，该光纤参数设计方法进一步包括：

步骤S4具体包括：高效耦合方法为使经锥形光纤全反射一次的光线再汇聚至束腰时所对应的中心点与柱形光纤端部在竖直方向上平齐。

在进一步的实施例中，该光纤参数设计方法进一步包括：

步骤S6具体包括：

在进一步的实施例中，该光纤参数设计方法进一步包括：

根据差值大小按照优先级顺序依次调整多个光纤参数包括：

若与第二耦合基本条件相差小于或等于15°，则调整第一优先级光纤参数，并重新计算锥形光纤的高度h和耦合端部直径D并验算多个光纤参数，直到耦合端部直径D满足第一耦合基本条件且满足第二耦合基本条件为止；以及

若与第二耦合基本条件相差大于15°，则按照优先级顺序逐级调整调整第一优先级光纤参数、第二优先级光纤参数、第三优先级光纤参数，并重新计算锥形光纤的高度h和耦合端部直径D并验算多个光纤参数，直到耦合端部直径D满足第一耦合基本条件且满足第二耦合基本条件为止。

下面进一步说明上述光纤参数设计方法的设计过程。通过对该光纤参数设计方法的进一步说明，本领域的普通技术人员能够充分理解本实施例并予以实施。

如图3所示，第一步骤是对各个光纤参数进行优先级排序。

具体地，优先级数字越低则代表在设计中，当不满足限定条件时，越优先考虑调整的参数。更具体地，最高优先级(即，第四优先级) 的光纤参数：全内反射次数n，在本设计中抱持恒定为1(与此相关联的设计思路将在后文中予以说明)。

如图3所示，第二步骤是基于第一耦合基本条件选取安全系数k，基于加工精度和水束稳定性设计柱形光纤直径d，并预选聚焦透镜以获取入射角α和高斯激光束腰半径ω₀。

具体地，第一耦合基本条件①(其公式将在后文与第二耦合基本条件②联立示出)为：锥形光纤耦合端部直径D须不小于激光经聚焦透镜后束腰直径2ω₀的k倍(k为大于等于1的正数)。其中在理论极限情况下，k取得最小值1。

具体地，圆柱光纤直径d是基于水导激光加工精度以及水束稳定性考虑共同决定的，并且d值不应低于上述束腰直径2ω₀。

具体地，聚焦透镜的光学参数可以例如但不限于以下示例：

NA＝0.2，ω₀＝25μm

如图3所示，第三步骤是基于数学归纳法，选定激光在锥形光纤中发生全内反射次数n和锥形光纤的半锥角β。

具体地，鉴于光束在柱形光纤中传播时，每次发生全内反射的入射角不变，而在锥形光纤中的全内反射的入射角会发生变化，因此根据几何关系，利用数学归纳法，归纳激光在在锥形光纤中第n次发生全反射时的入射角α_n的规律。入射角α_n随全内反射次数n的增大而减小，且n每增大1，α_n将随之减小2β。过小的α_n会导致其不能满足第二耦合基本条件②，即入射角须大于临界角，因此，在本设计中，我们将n恒定为1，并将n列为最高优先级参数(即，第四优先级参数)。

即，第一耦合基本条件①和第二耦合基本条件②可以记作(1)：

其中，其中，D为锥形光纤进口处直径，k为安全系数，ω₀为高斯激光束腰半径，α_inc为入射角，n_inc为入射光所在介质的折射率，n_ref为入射光所在介质的折射率。在理论极限情况下，k取最小值1。

基于上述归纳思路，基于数学归纳法，将入射角α_n归纳如下(2)：

其中，α_n为激光在光纤的锥形段中第n次发生全内反射时的入射角，α′为激光入射到锥形光纤端部的折射角，β为光纤中锥形段的半锥角，并且α′可由以下斯奈尔定律(3)确定：

n₁sinα＝n₂sinα′

其中，α为激光入射到锥形光纤端部的入射角，n₁为空气介质的折射率，n₂为光纤介质的折射率。α为聚焦透镜的镜口角，即(4)：

其中，NA为聚焦透镜的数值孔径，聚焦透镜与锥形光纤之间的介质可以为空气。

由式(2)可知，激光在锥形光纤中每多发生一次全内反射，其入射角将减小2β，这将对进一步的全内反射造成不利影响，因此，将其设计为：在锥形光纤内只允许其发生一次全内反射，即n恒为1，这在设计时通过式(5)来保证。

h₁+h₂＞h

其中，h₁和h₂分别表示锥形光纤端部到第1次全内反射、第1次到第2次全内反射激光传播的高度。

本发明实施例中设计上述锥形光纤的高效耦合方法文字表述为：经锥形光纤全反射一次的光线再汇聚至束腰时所对应的中心点与柱形光纤端部在竖直方向上平齐，其公式表述见式(6)：

h₁+h₂₁＝h

其中，h₂₁为第1次全内反射至柱形光纤端部的高度。根据图1的几何关系可知，若满足式(6)，则一定满足式(5)。h₁可由以下式 (7)至式(9)求得，其中式(7)为：

其中，h′为将圆台状的锥形光纤母线延长至顶点时圆锥的高度。

式(8)为：

其中，r₁为激光在锥形光纤发生第一次全内反射点所在水平面截圆的半径。根据相似三角形的性质可知式(9)：

根据图1所示几何关系，运用正弦定理可求得h₂₁，见式(10)：

其中，d为柱形光纤的直径，其值基于加工精度以及水束稳定性等因素进行确定，且参数h、β、d三者之间由式(11)限定：

D＝2h tanβ+d

联立式(6)至式(11)可求解h、D(具体求解运算过程将在下文中示出)。若D满足耦合基本条件①，则将运算结果代入耦合基本条件② 进行验算(具体验算过程将在下文中示出)，包括在光纤段和在水段的验算。

其中，光纤段具体验算见式(12)：

其中，n₄为光纤包层介质的折射率。

其中，水段具体验算见式(13)至式(14)：

其中，n₃为水介质的折射率，γ为激光从光纤传播至水束时的折射角。

整理式子(12)至式(14)，得式(15)：

想满足式(15)限定条件，可以从减小α′、β入手，但两参数的减少是有限度的。α′的减小可能会使得透镜焦距过长，从而发生对焦失败的现象，β的减小会导致D的减小，可能会导致基本条件①不成立。依照设计经验和相关验算，控制两参数α′、β的变动均在5°以内。因此，光纤参数h、D与第二耦合基本条件相差程度的判断标准为：若式 (15)两个条件中存在一个条件的等式左侧和右侧相差大于15°(即，差值大于15°)，则判断其与第二耦合基本条件相差程度为大，反之(即，差值小于或等于15°)则判断其与第二耦合基本条件相差程度为小。

若能满足式(15)，则参数设计到此完成。

下面进一步示出求解运算过程和验算过程。

在该实施例中，预设k＝3,β＝10°，d＝10μm，n₁＝1.47，n₂＝1.47， n₃＝1.33，n₄＝1.44，预选聚焦透镜NA＝0.2，ω₀＝25μm。

由式(4)得：

由式(3)得：

由式(7)至(9)得：

由式(10)得：

由式(6)得：

由式(11)又得：

D-60＝2h tan10°

联立上述两式可解得h、D，结果如下：

将运算结果代入基本条件①中，即：

D＝206μm≥2kω₀＝2×3×25＝150μm

成立，接着，代入耦合基本条件②进行验算，根据式(15)：

发现第一耦合基本条件不能满足，且与第一耦合基本条件相差较大，因此，仅调整第1优先级参数显得力不从心，我们尝试同时调整第1和第2优先级参数。于是，重设β＝8°，n₂＝1.60。在经过相同运算后，运算结果如下：

D＝189μm≥2kω₀＝2×3×25＝150μm

经过参数调整，此时已满足所有设计条件，即耦合设计到此完成。

此外，在本发明中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“具有”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

此外，在本发明中，参考术语“实施例”、“本实施例”、“又一实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

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

1.一种光纤参数设计方法，其特征在于，所述方法用于激光水束高效耦合装置中的锥形光纤，且包括：

对多个光纤参数进行优先级排序；

基于数学归纳法，选定激光在锥形光纤中发生全内反射次数n和所述锥形光纤的半锥角β；

基于高效耦合方法，计算所述锥形光纤的高度h和耦合端部直径D；

将所述多个光纤参数分别代入所述第一耦合基本条件和第二耦合基本条件中进行验算；以及

基于验算结果，按照优先级顺序调整所述锥形光纤的多个光纤参数，直到满足所述第一耦合基本条件和所述第二耦合基本条件为止。

2.根据权利要求1所述的光纤参数设计方法，其特征在于，

所述对多个光纤参数进行优先级排序，包括：

将所述半锥角β、所述入射角α和所述高斯激光束腰半径ω₀设置成第一优先级光纤参数；

将所述安全系数k、所述柱形光纤直径d设置成第三优先级光纤参数；以及

将所述全内反射次数n设置成第四优先级光纤参数。

3.根据权利要求1所述的光纤参数设计方法，其特征在于，

所述基于高效耦合方法，计算所述锥形光纤的高度h和耦合端部直径D包括：

所述高效耦合方法为使经所述锥形光纤全反射一次的光线再汇聚至束腰时所对应的中心点与柱形光纤端部在竖直方向上平齐。

4.根据权利要求1所述的光纤参数设计方法，其特征在于，

所述基于验算结果，按照优先级顺序调整所述锥形光纤的多个光纤参数，直到满足所述第一耦合基本条件和所述第二耦合基本条件为止包括：

若所述耦合端部直径D不满足所述第一耦合基本条件，则调整第一优先级光纤参数，重新计算所述锥形光纤的高度h和所述耦合端部直径D并验算所述多个光纤参数，直到所述耦合端部直径D满足所述第一耦合基本条件为止；以及

若所述耦合端部直径D满足所述第一耦合基本条件而不满足所述第二耦合基本条件，则根据差值大小按照所述优先级顺序依次调整所述多个光纤参数，重新计算所述锥形光纤的高度h和所述耦合端部直径D并验算所述多个光纤参数，直到所述耦合端部直径D满足所述第一耦合基本条件且满足所述第二耦合基本条件为止。

5.根据权利要求4所述的光纤参数设计方法，其特征在于，

所述根据差值大小按照所述优先级顺序依次调整所述多个光纤参数包括：

若所述差值小于或等于15°，则调整所述第一优先级光纤参数，并重新计算所述锥形光纤的高度h和所述耦合端部直径D并验算所述多个光纤参数，直到所述耦合端部直径D满足所述第一耦合基本条件且满足所述第二耦合基本条件为止；以及

若所述差值大于15°，则按照优先级顺序逐级调整调整第一优先级光纤参数、第二优先级光纤参数、第三优先级光纤参数，并重新计算所述锥形光纤的高度h和所述耦合端部直径D并验算所述多个光纤参数，直到所述耦合端部直径D满足所述第一耦合基本条件且满足所述第二耦合基本条件为止。

6.一种锥形光纤，其特征在于，

所述锥形光纤通过如权利要求1所述的光纤参数设计方法设计而成，其中：

所述锥形光纤被构造成适配半锥角β、入射角α、高斯激光束腰半径ω₀、光纤介质的折射率n₂和安全系数k，并且具有高度h和耦合端部直径D。

7.一种激光水束高效耦合装置，其特征在于，

主体单元，包括被构造成发射激光的激光器，被构造成扩束激光的扩束镜组，被构造成反射激光的半透镜，被构造成聚焦激光的聚焦透镜，被构造成传导激光的柱形光纤和如权利要求6所述的锥形光纤，和被构造成成像的CCD相机；以及

固定与调整单元，用于对所述主体单元进行固定和调整。

8.根据权利要求7所述的激光水束高效耦合装置，其特征在于，所述主体单元进一步包括反射镀层，并且所述固定与调整单元进一步包括密封圈。

9.根据权利要求7所述的激光水束高效耦合装置，其特征在于，所述激光器、所述扩束镜组、所述柱形光纤和所述锥形光纤固定在壳体内。

10.根据权利要求7所述的激光水束高效耦合装置，其特征在于，所述CCD相机、所述聚焦透镜、所述柱形光纤和所述锥形光纤与壳体同轴安装，并且经所述半透镜反射的所述激光与由所述CCD相机发出的CCD照明光同轴传输。