CN114325947B - 一种基于锥形光纤的模式优化输出器 - Google Patents

Abstract

一种基于锥形光纤的模式优化输出器，采用第一绕模区，锥形光纤，第二绕模区，腐蚀区，石英端帽，用于高功率的光纤激光器进行模式优化，不仅结构简单，而且适用面广，模式优化效率高。

Description

一种基于锥形光纤的模式优化输出器

技术领域

本发明涉及模式优化输出器，尤其地涉及一种基于锥形光纤的模式优化输出器，用于高功率模式优化输出。

背景技术

近些年，光纤激光器已被应用于工业切割、焊接，科研，医疗等众多方向。光纤激光器的性价比很高，同时，光纤激光器还具有体积小，效率高、散热量少等优点，凭借以上众多优势，光纤激光器近些年逐渐快速实现了对具有传统高耗能、体积大、价格昂贵等特点的二氧化碳激光器、YAG固体激光器的替代。随着光纤激光器应用领域的不断普及，针对每个领域的应用，于是将对激光器的输出特性也会提出新的要求，例如：光束质量、输出功率，功率稳定性、中心波长等输出特性。尤其，输出激光光束质量的优劣严重影响输出激光的实际应用效果，并对后面激光接入应用系统产生一定的危害。大体上，输出激光光束质量取决于输出激光模式的多少，同时，激光输出模式又决定了输出激光横向能量分布，进而决定了输出激光的实际应用效果，使得光束质量的优劣直接对实际应用效果产生很大程度上地影响。为了实现对光束质量的提高，已经具有一些技术手段，例如：提升有源光纤散热能力，采用同带泵浦降低量子亏损，光纤绕模、光纤短拉锥等。

对输出激光光束质量的优化，目前主要采用的手段主要从抑制和优化光纤模式两个方面进行考虑。其中，采用同带泵浦降低量子亏损与提升有源光纤散热能力主要是为了降低有源光纤的热效应，进而抑制热致模式不稳定效应。而光纤绕模与光纤拉锥方法主要是为了优化激光输出模式，进而提高输出激光的光束质量。以上手段也存在一定固有缺陷。如同带泵浦方法对泵浦波长激光存具有一定的技术要求，且往往此泵浦波长激光较难获得，如掺杂镱离子激光1080nm的同带泵浦激光为1018nm，而此波长高功率激光的获得在技术上难度较大，使得该同带泵浦的性价比极低。因此，同带泵浦往往存在高功率泵浦波长激光难以获得的问题。而对于提升有源光纤散热能力：由于有源光纤外包层主要采用丙烯酸树脂材料，此材料导热性能较差，进而导致有源光纤的散热能力存在一定的局限性，散热能力很难实现较大程度上的提升。光纤绕模方法主要应用在具有低纤芯数值孔径的光纤，对于具有高纤芯数值孔径(NA＞0.1)的光纤效果较差；且为了实现模式优化作用，该方法往往需要对具有高纤芯数值孔径的光纤进行直径＜5cm小圈绕模，因此其对光纤的机械长期稳定性能具有很高要求。光纤短拉锥：对于光纤拉锥技术，该技术主要采用光纤拉锥机对光纤施行较短长度的拉锥处理，由于拉锥长度较短，无法使得低阶模成分激光很好地满足绝缘拉锥条件，将会导致纤芯内低阶模成分激光溢出至外包层，形成包层激光，即低阶模式插损较大，进而会对光学系统安全产生一定影响。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于锥形光纤的模式优化输出器，克服了现有技术的不足，设计合理。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种基于锥形光纤的模式优化输出器。

模式优化输出器包括第一(微)绕模区、(长)锥形光纤、腐蚀区、石英端帽。锥形光纤的输入端为粗端，锥形光纤的输出端为细端，即锥形光纤为从输入端开始朝向输出端逐渐变细的光纤，锥形光纤的粗端与第一(微)绕模区尾端光纤进行熔接。锥形光纤具有更加靠近输入端的第一端区域和更加靠近输出端的第二端区域。

优选地，第一端区域和第二端区域的分界点优选地可以采用锥形光纤的长度的中心位置，即第一端区域和第二端区域各自为具有锥形光纤总长度的一半。

优选地，第一端区域长度具有2/3的锥形光纤全长，第二端区域具有1/3的锥形光纤全长。

在锥形光纤的更加靠近输出端的第二端区域具有腐蚀区，优选地腐蚀区采用氢氟酸溶液或者氢氟酸磨砂膏对锥形光纤(细端)包层腐蚀。

锥形光纤尾端与石英端帽连接，优选地石英端帽尾端可与锥形光纤尾端进行直接熔接。

优选地，(长)锥形光纤为一段包层直径和纤芯直径都逐渐缩小的光纤，光纤优选地由光纤预制棒拉丝而成。优选地，锥形光纤粗端与微绕模区尾端光纤进行熔接，该熔接可采用传统钨电极放电方法对其进行熔接。优选地，该锥形光纤拉制锥度需要满足绝缘拉锥条件，使得整段锥形光纤都需要满足光纤内衍射角≥光纤拉锥角。

优选地，(长)锥形光纤为纤芯、包层等比例拉锥光纤。

优选地，锥形光纤的长度应当满足L≥1m。

优选地，锥形光纤的长度为2m-50m。

腐蚀区：腐蚀区采用氢氟酸溶液或者氢氟酸磨砂膏对锥形光纤(细端)包层腐蚀，可以剥除包层光。优选地，将其包层由200μm腐蚀至约100μm。优选地，腐蚀有效光纤长度为15cm。

石英端帽：该石英端帽优选地由石英材料制作而成，用于对激光输出。优选地，端帽注入端为锥形结构，该锥度大小远大于锥形光纤数值孔径全角度7.44°。优选地，该锥形端尾端可与锥形光纤尾端进行直接熔接。

优选地，在锥形光纤的第二端区域设置第二微绕模区，第二微绕模区位于腐蚀区的前侧(更靠近锥形光纤输入端的那一侧)，使得被锥形光纤从纤芯滤除的具有低数值孔径的高阶纤芯模式激光成分进行高数值孔径转化，以便于后端腐蚀区对其进行剥除。

本发明提供了一种基于锥形光纤的模式优化输出器。

本发明的有益效果是：

1、本发明提供了一种采用锥形光纤作为模式优化输出器；选用不同锥度的光纤，可选择性对不同模式进行滤除，灵活控制激光输出模式。

2、、同带泵浦降低量子亏损与提升有源光纤散热能力方法只是对其高阶模式起到抑制作用，而锥形光纤模式优化可实现高阶模式的直接滤除，因此其效果更明显。

3、相对于传统绕模技术，该技术不局限于具有低纤芯数值孔径的光纤，而且也同样适用于具有高数值孔径的光纤。

4、相对于传统光纤短拉锥技术，由于该锥形光纤具有较长的长度，且锥度更小，因此其更利于低阶模式的高效传输，减少低阶模式的传输损耗。

5、该方法结合了光纤绕模与光纤拉锥两种技术，可在滤除高阶模的同时将输入光的包层光滤除，并且结合后端的(微)绕模，可以提升高阶模的滤除效率。

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，下面将对现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1是本发明的具体实施例示意图；

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。

本发明实施例提供了一种基于锥形光纤的模式优化输出器，可用于对光纤输出激光的光束质量优化。

模式优化输出器主要包括第一(微)绕模区1、第二(微)绕模区2、(长)锥形光纤3、腐蚀区4、输出部(输出部优选地采用石英端帽5)。锥形光纤的输入端为粗端，锥形光纤的输出端为细端，即锥形光纤为从输入端开始朝向输出端逐渐变细的光纤(包层直径和纤芯直径都是从输入端开始朝向输出端逐渐变小)，锥形光纤的粗端与第一(微)绕模区1尾端光纤进行熔接。锥形光纤具有更加靠近输入端的第一端区域和更加靠近输出端的第二端区域，第一端区域为从锥形光纤输入端开始向锥形光纤输出方向延伸一段距离L1的区域，第二端区域为从锥形光纤输出端开始背向光纤输出方向延伸一段距离L2的区域(第一端区域和第二端区域的分界点优选地可以采用锥形光纤的长度的中心位置，即第一端区域和第二端区域各自为具有锥形光纤总长度的一半，当然分界点也可以选择本领域常规的分界位置，如第一端区域长度L1具有2/3的锥形光纤全长Lz，第二端区域长度L2具有1/3的锥形光纤全长Lz；或是第一端区域长度具有2/5的锥形光纤全长，第二端区域长度具有3/5的锥形光纤全长)，在锥形光纤的更加靠近输出端的第二端区域具有腐蚀区，腐蚀区采用氢氟酸溶液或者氢氟酸磨砂膏对锥形光纤(细端)包层腐蚀。锥形光纤尾端与石英端帽连接，优选地石英端帽尾端可与锥形光纤尾端进行直接熔接(锥形光纤尾端也可以通过连接光纤结构与石英端帽连接，即锥形光纤尾端连接一段连接光纤，再将连接光纤与石英端帽尾端连接)。

第一(微)绕模区的光纤输入部分可以作为模式优化器的输入部分。

第一(微)绕模区(如图1)的作用可以使接入该模式优化输出器端的激光光学模块的低数值孔径包层激光进行高数值孔径转化，以便于后端腐蚀区域对其进行剥离，进而可以对最终输出激光光束质量起到一定优化作用。

(长)锥形光纤3(如图1)为一段包层直径和纤芯直径都逐渐缩小的光纤，光纤优选地由光纤预制棒拉丝而成，由于锥形光纤的光纤输出端光纤的纤芯直径减小很多，其光纤支持输出模式将很大程度上减少，起到模式优化的作用。优选地，锥形光纤粗端与微绕模区1尾端光纤进行熔接，该熔接可采用传统钨电极放电方法对其进行熔接。为了减少低阶模式成分激光经过锥形光纤而产生过多损耗，因此该锥形光纤拉制锥度需要满足绝缘拉锥条件，使得整段锥形光纤都需要满足光纤内衍射角≥光纤拉锥角。为了保持整段光纤都能一致的保持绝缘拉锥，优选地，(长)锥形光纤为纤芯、包层等比例拉锥光纤。为了保持效果良好的绝缘拉锥以及模式优化，优选地，锥形光纤的长度应当满足L≧1m。锥形光纤可实现选择性模式滤除的作用，因此可以实现低阶模式透过，而高阶模式剥除的作用，即输出光纤模式优化，进而实现输出激光的光束质量优化。优选地，锥形光纤的输入端的纤芯直径为20微米-100微米，锥形光纤输出端的纤芯直径为10微米-50微米。

腐蚀区(如附图1)：腐蚀区采用氢氟酸溶液或者氢氟酸磨砂膏对锥形光纤(细端)包层腐蚀，例如，将其包层由200μm腐蚀至约100μm，在一些实施例下，腐蚀有效光纤长度为5-30cm，例如为15cm。该腐蚀区域一方面可以滤除由第一微绕区域1作用而引入在包层里的高数值孔径包层激光，另一方面又可以对由锥形光纤滤除的高阶纤芯模式而成包层激光进行剥除。此处将腐蚀区设置在锥形光纤上，相对于常规的将腐蚀区设置在通常的后端的输出部等直径光纤上，由于其剥离的是锥形光纤的包层，其腐蚀区的前端包层更薄，外加纤芯为锥形，具有更优的包层光剥除效果。

输出部优选地采用石英端帽(输出部也可以采用锥形光纤的输出端直接输出)：该石英端帽由石英材料制作而成，用于对激光输出。因为采用了锥形光纤，其与通常的光纤结构连接容易造成耦合效率降低。为了使得激光耦合效率提高，端帽注入端为锥形结构，该锥度大小远大于锥形光纤数值孔径全角度7.44°。该锥形端尾端可与锥形光纤尾端进行直接熔接。

即发明采用第一(微)绕模区、(长)锥形光纤与腐蚀区的配合，不仅滤除了输入激光中的包层激光，同时实现了高阶模滤除后，又将锥形光纤滤除的高阶模式而成的包层激光进行滤除，实现了优良的激光模式优化。

然而，在上述结构中，发明人意识到，仍然有可能有高阶模式激光在经过了锥形光纤后以较低的数值孔径的形式存在于锥形光纤的近纤芯区域，这部分激光是很难被后端的腐蚀区滤除的，为了解决这个技术问题，在(长)锥形光纤3的第二端区域设置第二(微)绕模区2，第二(微)绕模区2位于腐蚀区的前侧(更靠近锥形光纤输入端的那一侧)，使得被锥形光纤从纤芯滤除的具有低数值孔径的高阶纤芯模式激光成分进行高数值孔径转化，以便于后端腐蚀区对其进行剥除。

优选地，第二(微)绕模区为采用(长)锥形光纤3直接盘绕而成，即第二(微)绕模区为直接对(长)锥形光纤3进行绕模，属于锥形光纤绕模区，相对于常规的等直径光纤绕模，锥形光纤盘绕能够提升低数值孔径的高阶模式激光向高数值孔径转化的效率，同时，这样的结构更易制造，便于工业化生产。

优选地，第二(微)绕模区位于第二端区域是指锥形光纤绕模区与锥形光纤非绕模区的连接处(交汇处)位于第二端区域，优选地，第二端区域的长度L2包括第二(微)绕模区的有效光纤长度。

在一些实施例下，第一(微)绕模区可以采用大直径的等直径光纤绕模(纤芯直径为20微米-100微米)，或是，优选地，第一(微)绕模区也可以为锥形光纤绕模区，以提升输入激光的包层激光的滤除效率，优选地，第一绕模区可以采用与(长)锥形光纤3为同一根的锥形光纤的前侧(输入测)部分区域的光纤直接盘绕而成，以定义该部分区域为第一(微)绕模区，以制作方便，或是，优选地，第一绕模区也可以采用单独的另外的外接锥形光纤绕模之后与(长)锥形光纤3连接，连接优选地可以采用熔接，优选地，熔接可以采用现有技术的各种熔接技术手段。

优选地实施例如下：模式优化输出器主要由第一(微)绕模区1；(长)锥形光纤3；第二(微)绕模区2；腐蚀区4；石英端帽5。

第一(微)绕模区1(如附图1)：微绕模区光纤参数在一些实施例下可选择50/400/0.065，绕模直径为3cm-30cm(优选地绕模直径为5cm-25cm，优选地为5cm-10cm，例如为10cm)，绕模圈数为2-15圈(例如为5圈)，有效光纤长度为0.3-5m(例如为1.6m)。该绕模区的作用可以使接入该模式优化输出器端的激光光学模块的低数值孔径包层激光进行高数值孔径转化，以便于后端腐蚀区域对其进行剥离，进而可以对最终输出激光光束质量起到一定优化作用。

(长)锥形光纤3(如附图1)：优选地，(长)锥形光纤为纤芯、包层等比例拉锥光纤，该光纤由光纤预制棒拉丝而成，该锥形光纤长度为在一些实施例下可选择1-50m(优选地为5m-50m，例如为15m)。在一些实施例下，该光纤两端对应的参数为50/400/0.065(粗端)，20/160/0.065(细端)。锥形光纤粗端与微绕模区1尾端光纤进行熔接。为了减少低阶模式成分激光经过锥形光纤而产生过多损耗，因此该锥形光纤拉制锥度需要满足绝缘拉锥条件，使得整段锥形光纤都需要满足光纤内衍射角≥光纤拉锥角。由于该锥形光纤为等比例拉锥光纤，在整段光纤上，其锥度大小为1.0*10^-6rad。衍射公式λ/(π*n*a)，其中λ为工作波长，n为纤芯折射率，a为纤芯直径。根据衍射公式可得a为最大时，衍射角度最小，因此取λ＝1080nm，n＝1.45，a＝50μm处的衍射角度为4.74*10^-3rad，光纤内衍射角远远大于锥度光纤锥度角，即该15m锥度光纤满足绝缘拉锥条件，因此该锥形光纤低阶模式成分激光传输损耗较低。归一化频率计算公式ν＝(2π*NA*r)/λ，其中NA为纤芯数值孔径，r为纤芯半径，λ为工作波长。根据该公式计算可得，光纤参数为50/400/0.065对应的归一化频率υ1＝9.45，支持光纤横向模式数量为13个；光纤参数为20/160/0.065对应的归一化频率υ2＝3.78，支持光纤横向模式数量为2个。因此该锥形光纤可实现选择性模式滤除的作用，因此可以实现低阶模式透过，而高阶模式剥除的作用，即输出光纤模式优化，进而实现输出激光的光束质量优化。

第二(微)绕模区2(如附图1)：第二(微)绕模区2对锥形光纤的尾端进行优选地直径为3-30cm(优选地绕模直径为5cm-25cm，优选地为5cm-10cm，例如10cm)、圈数为2-15圈(例如为5圈)的微绕模，有效光纤长度约为0.3-5m(例如为1.6m)，使得被锥形光纤从纤芯滤除的具有低数值孔径的高阶纤芯模式激光成分进行高数值孔径转化，以便于后端腐蚀区对其进行剥除。

腐蚀区4(如附图1)：腐蚀区采用氢氟酸溶液或者氢氟酸磨砂膏对锥形光纤(细端)包层腐蚀，优选地，将其包层由200μm腐蚀至约100μm，腐蚀有效光纤长度为3-50cm(例如为15cm)。该腐蚀区域一方面可以滤除由微绕区域1作用而引入在于包层里的高数值孔径包层激光，另一方面又可以对由锥形光纤滤除的高阶纤芯模式而成包层激光进行剥除。

石英端帽5(如附图1)：该石英端帽由石英材料制作而成，石英材料对1080nm具有超低吸收的特点，因此可实现对1080nm激光的极高透过率，且对其输出端镀制1080nm高透膜，因此其具有耐受万瓦级超高功率的特点。该端帽注入端为锥形结构，该锥度大小远大于锥形光纤数值孔径全角度7.44°。该锥形端尾端可与锥形光纤尾端进行直接熔接，该熔接方法可采用CO2激光熔接法对其熔接处理。

在满足绝缘拉锥的条件下，可将光纤的拉锥比例增加，将其拉锥至纤芯更小尺寸，进一步实现模式优化输出。

为了搭配不同的光纤系统，可选用不同规格参数的锥度光纤。

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 (12)

1.一种基于锥形光纤的模式优化输出器，其特征在于，包括第一绕模区，锥形光纤，腐蚀区；锥形光纤为包层直径和纤芯直径均从输入端开始朝向输出端逐渐变小的光纤，锥形光纤具有输入侧的粗端和输出侧的细端；锥形光纤的粗端与第一绕模区尾端光纤进行连接；锥形光纤包括第一端区域和第二端区域，其中第一端区域为锥形光纤从输入端开始向锥形光纤输出方向延伸一段距离的区域，第二端区域为锥形光纤从输出端开始背向光纤输出方向延伸一段距离的区域；腐蚀区位于锥形光纤的第二端区域；整段锥形光纤都满足光纤内衍射角≥光纤拉锥角。

2.根据权利要求1的基于锥形光纤的模式优化输出器，其特征在于，包括第二绕模区，第二绕模区位于锥形光纤的第二端区域，且位于腐蚀区的前侧，使得被锥形光纤从纤芯滤除的高阶纤芯模式激光成分进行高数值孔径转化，然后经过后端腐蚀区滤除。

3.根据权利要求1的基于锥形光纤的模式优化输出器，其特征在于，锥形光纤的长度L≧1m。

4.根据权利要求1的基于锥形光纤的模式优化输出器，其特征在于，第一绕模区绕模直径为5cm-25cm。

5.根据权利要求2的基于锥形光纤的模式优化输出器，其特征在于，第二绕模区绕模直径为5cm-25cm。

6.根据权利要求1的基于锥形光纤的模式优化输出器，其特征在于，锥形光纤为纤芯、包层等比例拉锥光纤。

7.根据权利要求1的基于锥形光纤的模式优化输出器，其特征在于，包括输出部，输出部采用石英端帽，端帽注入端为锥形端结构，锥度大于锥形光纤数值孔径全角度，该锥形端尾端与锥形光纤尾端进行直接熔接，锥形光纤的粗端与第一绕模区尾端光纤的连接方式为熔接。

8.根据权利要求1的的基于锥形光纤的模式优化输出器，其特征在于，第一端区域长度L1具有2/3的锥形光纤全长Lz，第二端区域长度L2具有1/3的锥形光纤全长Lz。

9.根据权利要求3的基于锥形光纤的模式优化输出器，其特征在于，锥形光纤的长度L为5m-50m。

10.根据权利要求1的基于锥形光纤的模式优化输出器，其特征在于，锥形光纤的输入端的纤芯直径为20微米-100微米，锥形光纤输出端的纤芯直径为10微米-50微米。

11.根据权利要求4的基于锥形光纤的模式优化输出器，其特征在于，第一绕模区绕模圈数为 2-15 圈。

12.根据权利要求5的基于锥形光纤的模式优化输出器，其特征在于，第二绕模区绕模圈数为 2-15 圈。