CN114280721B - 一种反高斯型传能光纤及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种反高斯型传能光纤及其应用。所述反高斯型传能光纤包括多个同心嵌套的独立传输波导结构；所述波导结构包括较内层和较外层，所述较内层的折射率大于所述较外层；所述较内层的径向折射率分布存在凹陷；光功率分布于所述波导结构的较内层，形成反高斯光。其应用于制作多合一传能型合束器或可调模式光束激光器。本发明提供的反高斯型传能光纤，在具有光功率分布的波导结构的较内层，采用折射率分布凹陷设计，起到一定的匀化效果，与多个同心嵌套的独立传输波导结构相结合，形成反高斯光斑，使光纤具备了累加传递更高更均匀功率能力。

Description

一种反高斯型传能光纤及其应用

技术领域

本发明属于特种光纤领域，更具体地，涉及光纤激光器里一种可调光束加工应用的传能光纤。

背景技术

传能光纤也称为能量传输光纤，相对于传统通信光纤追求的低损耗，少模式，低功率，长距离传输，传能光纤要求的是大芯径，高功率，短距离传输能量。从严格意义上说，能实现较高的激光能量传输的光纤都可以称为传能光纤，因此通常被用于激光器相关工业中。

激光切割和焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密加工材料方法。随着激光技术深入发展，对高品质激光切割及焊接的质量、效率与运营成本要求越来越高，于是一种可调模式光束(AMB)激光器应运而生。它可以根据加工要求，任意切换输出模式，将小光斑高能量高亮度核心光束与较大环形光束任意组合，在焊接过程中能有效抑制飞溅产生，实现薄金属切割所需的精度，以及更厚金属所需的质量和速度，并提高切割和焊接的灵活性。

在激光加工领域，很多应用对光纤输出光束的空间分布有着较高的要求，但实际通常使用的是单模激光，光斑属于高斯型分布，中间能量最强，周围能量随离心的距离逐渐减弱，这种功率的不均匀会导致加工区域过渡曝光或曝光不足，加工过程中产生的热效应也难以消除，从而影响加工质量。比如在医疗美容领域，光斑的不均匀性会导致能量阈值的差异，使得接受面的功率密度大小不一，从而弱化治疗效果，而且具有匀化功能的医疗设备往往也具备更高的效率和更好的安全性。

因此，需要设计出一款光纤，通过应用到可调模式光束激光器中，可实现两种波导结构传输光功率的独立或同时输出。另外当独立输出纤芯和环区光功率时，输出光斑能量为非高斯型分布，可实现近似匀化效果。

发明内容

为更准确描述本发明内容，定义如下概念：

相对折射率差△＝(纤芯折射率-包层折射率)/包层折射率(％)，包层可以是纯石英，也可以是相邻掺杂包层。

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种反高斯型传能光纤、其应用及光纤激光器，其目的在于采用具有凹陷设计的光波导较内层结合独立工作嵌套设置的光波导，形成更高功率的反高斯光斑，由此解决高功率下形成高斯光斑的传能光纤，能量集中，局部温升过高的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种反高斯型传能光纤，其包括多个同心嵌套的独立传输波导结构；所述波导结构包括较内层和较外层，所述较内层的折射率大于所述较外层；所述较内层的径向折射率分布存在凹陷；光功率分布于所述波导结构的较内层，形成反高斯光。

优选地，所述反高斯型传能光纤，其所述较内层凹陷为倒三角形或下凹弧型。

优选地，所述反高斯型传能光纤，其对于一波导结构，其较内层折射率凹陷最低点与其较内层折射率最高点的相对折射率差Δn_凹在-0.05％～0之间；优选其较内层折射率最高点与纯石英层折射率的相对折射率差Δn_内外在-0.05％～0.05％。

优选地，所述反高斯型传能光纤，其所述较内层为纯石英层或掺杂石英层，优选所述较内层的数值孔径在0.01～0.05之间。

优选地，所述反高斯型传能光纤，其较外层为掺杂石英，其对于纯石英层相对折射率差在-0.5％～-1.25％，转换为数值孔径(NA)在0.15～0.25之间，厚度在10um以上，优选在20um以下。

优选地，所述反高斯型传能光纤，其所述多个波导结构的较内层相对折射率相当，其相对折射率差的差异小于0.02％；所述多个波导结构的较外层相对折射率相当，其相对折射率差的差异小于0.2％。

优选地，所述反高斯型传能光纤，其包括两个同心嵌套的独立传输波导结构，即处于内部的第一波导结构和处于外部的第二波导结构；所述第一波导结构由其较内层纤芯和较外层第一包层构成，所述第二波导结构由其较内层第二包层和较外层第三包层构成；所述第二包层直径与纤芯直径之比大于等于3，优选小于等于8。

优选地，所述反高斯型传能光纤，其所述纤芯直径在20～100um，所述第一包层直径在40～140um，所述第二包层直径在60～600um，所述第三包层直径在80～800um。

优选地，所述反高斯型传能光纤，其包括所述处于两个嵌套的波导结构外侧的第四包层，所述第四包层为纯石英层，其直径比第三包直径大70～150um；优选第四包层外为高数值孔径的低折射率包层，数值孔径大于0.46，直径比第4包层直径大50～100um。

按照本发明的另一个方面，提供了所述的反高斯型传能光纤的应用，其应用于制作多合一传能型合束器或可调模式光束激光器。

优选的，所述反高斯型传能光纤的应用，其所述反高斯传能光纤与N×1架构合束器熔接，其中第一波导结构与N中间位置一路传能光纤耦合，第二波导结构与环绕分布的N-1路传能光纤耦合。

优选的，所述反高斯型传能光纤的应用，所述N路光纤合束拉锥后直径与所述反高斯型传能光纤包层直径一致，优选所述N卢合束器拉锥后芯包之间同心度值小于第二包层直径与芯径比值，以确保耦合芯包对准熔接。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

本发明提供的反高斯型传能光纤，在具有光功率分布的波导结构的较内层，采用折射率分布凹陷设计，起到一定的匀化效果，与多个同心嵌套的独立传输波导结构相结合，形成反高斯光斑，使光纤具备了累加传递更高更均匀能量作用。

本发明提供的反高斯型传能光纤具有两种独立传输的波导结构，相比传统单一大芯径大包层直径结构，尽管它们也可以传输很高功率，但是热效应严重，同时因为只有单层掺氟包层锁光，容易在局部出现温升高风险。本发明由于两种波导结构可独立或同步运行，可累加传递更高更均匀功率能力。

优选方案，第三包层直径同纤芯直径比要大于等于3，这个是基于独立传输互相不干扰考量的，如果直径比小于3，就会有外环第二波导结构通光，与第一波导结构相互重叠，在高功率加工应用有串扰风险，影响加工质量。

本发明提供的反高斯型传能光纤，应用于制作多合一传能型合束器或可调模式光束激光器，可做到能量可控，累计功率更高。针对复杂的加工应用，比如激光焊接，可以做到外侧波导结构预热、内测波导结构焊接，各自承担不同作用，能提高工作效率。

附图说明

图1是本发明提供的反高斯型传能光线结构及折射率剖面示意图；

图2是本发明实施例提供的反高斯型传能光线结构示意图；

图3是本发明实施例提供的反高斯型传能光线折射率剖面示意图；

图4是纯硅阶跃结构或掺锗上凸型剖面结构传能光线光斑分析结果图，其中图4A为数据结果图，图4B为光斑能量分布结果图；

图5是本发明提供的反高斯型传能光线光斑分析结果图，其中图5A为数据结果图，图5B为光斑能量分布结果图；

图6是传能光线温升测试系统结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

0为第一波导结构的较内层，1为第一波导结构的较外层，2为第二波导结构的较内层，3为第二波导结构的较外层，4为第四包层，5为低折射率包层。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供的反高斯型传能光纤，包括多个同心嵌套的独立传输波导结构；

所述波导结构包括较内层和较外层，所述较内层为纯石英层或掺杂石英层，相对折射率差Δn_内在-0.05％～0.05％，数值孔径(NA)在0.01～0.05之间；优选其较内层折射率最高点与折射率最低点相对折射率差Δn_凹在-0.05％～0。较外层为掺杂石英层，较外层为掺杂石英，其对于纯石英层相对折射率差在-0.5％～-1.25％，数值孔径在0.15～0.25之间，厚度在10um以上，优选在20um以下。优选方案，较内层掺锗，较外层掺氟。

所述较内层的径向折射率分布存在凹陷；所述较内层凹陷为倒三角形或下凹弧型。实验显示，如果波导结构的较内层设计为掺纯硅阶跃结构或掺锗上凸型剖面结构，其传输光斑如图4所示，为典型高斯型能量分布，能量集中，不能满足能量均匀性要求。而作为本发明设计的较内层剖面结构，其传能分布则近似匀化，如图5所示。由于纤芯掺适量锗，可以实现复杂的折射率剖面分布，相比一般传能光纤纯硅芯阶跃剖面结构，这种设计可以实现光斑近似匀化，实现反高斯型传输能力，对光束分布要求匀化功能的应用十分有效。行业内通常采用传输能量分布下降到50％和下降到13.5％两者直径比值要≥60％来量化是否为匀化光斑，即直径比≥60％为反高斯型光斑输出。

所述多个波导结构的较内层相对折射率相当，其相对折射率差的差异小于0.06％；所述多个波导结构的较外层相对折射率相当，其相对折射率差的差异小于0.2％。如果两种波导结构相对折射率差异过大，会造成能量分布不均衡问题。

优选方案，所述反高斯型传能光纤包括两个同心嵌套的独立传输波导结构，即处于内部的第一波导结构和处于外部的第二波导结构；所述第一波导结构由其较内层纤芯和较外层第一包层构成，所述第二波导结构由其较内层第二包层和较外层第三包层构成；所述第二包层直径与纤芯直径之比大于等于3，优选小于等于8。

所述纤芯直径在20～100um，所述第一包层直径在40～140um，所述第二包层直径在60～600um，所述第三包层直径在80～800um。该芯径大小涵盖和兼容了当前合束器用系列无源光纤芯径，包括掺锗型和纯硅型。

第二波导结构的折射率和尺寸设计使得在高功率(大于1000W)传能互不串扰叠加，避免同时开通第二波导结构的较内层和较外层传能时，能量重叠区对加热器件的预热不够，焊接不足。因此通过应用端(可调模式光束激光器)摸底，设计第二波导结构的较内层，即第二波导结构的“芯层”，其直径跟第一波导结构的芯层直径比在3及以上，减少第一与第二波导结构之间的能量叠加。其直径跟第一波导结构的芯层直径比小于8，以方便制备。

所述处于两个嵌套的波导结构外侧为第四包层，所述第四包层为纯石英层，其直径比第三包直径大70～150um；优选第四包层外为高数值孔径的低折射率包层，NA大于0.46，直径比第4包层直径大50～100um。如果设计小于20um，不利于光斑匀化效果体现和实施，如果设计大于100um，相应的第二波导结构按比例需要制造的直径更大，工艺实现较困难。针对纤芯NA，包层直径以及包层NA设计值均是激光器行业内较为典型的匹配值，也是为了跟相关激光器件兼容性更好。

本发明提供的反高斯型传能光纤的应用，其特征在于，应用于制作多合一传能型合束器或可调模式光束激光器。

所述反高斯传能光纤与N×1架构合束器熔接，其中第一波导结构与N中间位置一路传能光纤耦合，第二波导结构与环绕分布的N-1路传能光纤耦合。N路光纤合束拉锥后直径要与反高斯型传能光纤包层直径一致，芯包之间同心度值要小于第二包层直径与芯径比值，确保耦合芯包对准熔接，减少能量损耗和温升问题。

以下为具体实施例：

一种反高斯型传能光纤，结构如图2所示，其折射率剖面如图3所示。其结构参数如下表：

针对温升测试，是将光纤接到可输出2000W激光器，与泵源输出端光纤熔接耦合，测量待测盘圈光纤最大稳定温度值，盘圈半径通常结合应用需求的最小弯曲半径来检验，如下图6为测试温升光路图。

从实际应用效果看，参考实施例1和2指标设计，包括芯区能量分布，独立传输能力，以及增加低折涂料层测试温升效果，均符合本发明体现的优势和价值。对比例1、2因波导结构为分别为上凸形和纯硅形，其传输光斑为高斯型，不能满足本发明应用要求，同时因为涂覆高折涂料，温升也较大。实施例3，由于波导结构2与波导结构1芯区直径比小于3，从实际检验同时通光，发现两者有光斑(能量)重叠，不能满足独立使用目的。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种反高斯型传能光纤，其特征在于，包括多个同心嵌套的独立传输波导结构；每一所述波导结构包括较内层和较外层，所述较内层的折射率大于所述较外层；所述较内层的径向折射率分布存在凹陷；光功率分布于所述波导结构的较内层，形成反高斯光；

对于每一波导结构，其较内层折射率凹陷最低点与其较内层折射率最高点的相对折射率差Δn_凹在-0.05％～0之间；其较内层折射率最高点与纯石英层折射率的相对折射率差Δn_内外在-0.05％～0.05％；

较外层为掺杂石英，其对于纯石英层相对折射率差在-0.5％～-1.25％，厚度在10um以上，且在20um以下。

2.如权利要求1所述的反高斯型传能光纤，其特征在于，所述较内层凹陷为倒三角形或下凹弧型。

3.如权利要求1所述的反高斯型传能光纤，其特征在于，所述较内层为纯石英层或掺杂石英层。

4.如权利要求3所述的反高斯型传能光纤，其特征在于，所述较内层的数值孔径在0.01～0.05之间。

5.如权利要求1所述的反高斯型传能光纤，其特征在于，所述多个波导结构的较内层相对折射率相当，其相对折射率差的差异小于0.02％；所述多个波导结构的较外层相对折射率相当，其相对折射率差的差异小于0.2％。

6.如权利要求1～5任意一项所述的反高斯型传能光纤，其特征在于，包括两个同心嵌套的独立传输波导结构，即处于内部的第一波导结构和处于外部的第二波导结构；所述第一波导结构由其较内层纤芯和较外层第一包层构成，所述第二波导结构由其较内层第二包层和较外层第三包层构成；所述第二包层直径与纤芯直径之比大于等于3。

7.如权利要求6所述的反高斯型传能光纤，其特征在于，所述第二包层直径与纤芯直径之比小于等于8。

8.如权利要求7所述的反高斯型传能光纤，其特征在于，所述纤芯直径在20～100um，所述第一包层直径在40～140um，所述第二包层直径在60～600um，所述第三包层直径在80～800um。

9.如权利要求7所述的反高斯型传能光纤，其特征在于，包括所述处于两个嵌套的波导结构外侧的第四包层，所述第四包层为纯石英层，其直径比第三包层直径大70～150um。

10.如权利要求9所述的反高斯型传能光纤，其特征在于，所述第四包层外为高数值孔径的低折射率包层，数值孔径大于0.46，直径比第四包层直径大50～100um。

11.如权利要求1至10任意一项所述的反高斯型传能光纤的应用，其特征在于，应用于制作多合一传能型合束器或可调模式光束激光器。

12.如权利要求11所述的反高斯型传能光纤的应用，其特征在于，所述反高斯型传能光纤与N×1架构合束器熔接，其中第一波导结构与所述N×1架构合束器的中间位置一路光纤耦合，第二波导结构与环绕分布的所述N×1架构合束器的N-1路光纤耦合。

13.如权利要求12所述的反高斯型传能光纤的应用，其特征在于，所述N×1架构合束器的N路光纤合束拉锥后直径与所述反高斯型传能光纤包层直径一致。

14.如权利要求12所述的反高斯型传能光纤的应用，其特征在于，所述N×1架构合束器的N路光纤合束拉锥后芯包之间同心度值小于第二包层直径与芯径比值。

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