CN114603251A - 通过多阶梯光纤改变光束参数积的光学搅拌器及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种通过多阶梯光纤改变光束参数积的光学搅拌器及方法，包括：光源、第一多阶梯折射率分布光纤、传输光波导以及第二多阶梯折射率分布光纤；其中，第一多阶梯折射率分布光纤的长度为激光束在第一多阶梯折射率分布光纤内重复光线轨迹最小距离的四分之一，或，重复光线轨迹最小距离的四分之一的奇数整数倍。通过第一多阶梯折射率分布光纤对激光束进行第一次折射，传输光波导对激光束传导后形成旋转对称分布的激光束，第二多阶梯折射率分布光纤对激光束进行第二次折射，从而实现对激光束的光束参量积进行改变，无需增加复杂机加件结构，制作方法简单，体积小，结构紧凑，稳定性好，可以兼容现有的光纤激光加工系统。
Description
技术领域
本发明涉及光纤激光领域技术，尤其是指一种通过多阶梯光纤改变光束参数积的光学搅拌器及方法。
背景技术
光纤激光器是目前工业应用主流激光器，其优势在于光纤柔软可弯曲，可以做到小型轻量化，不易受外界环境影响，稳定性高，可通过泵源的串联或并联设计，实现单腔高功率输出，在工业加工、材料处理、国防科研等领域具有广泛的应用前景。工业应用主要包括激光切割、焊接、打标、清洗、熔覆等。过去用于钣金切割的设备主要是CO2激光等，随着技术发展，光纤激光器逐步挤占固体激光器和气体激光器的市场，成为钣金加工市场最大激光器品种。光纤激光器在切割薄板方面优势明显，但是对于30mm以上的厚板材，困难显著。首先，由于加工用的激光光斑直径普遍较小，通过透镜汇聚后焦距深度有限。在切割此类板材时，尽管能够维持切深内较高的激光功率密度，但由于光束直径较小，切缝较细，不利于切割排渣。其次，由于切割速度降低使得切割区域热量损失增加。另外，对加工不同厚度和不同材质的板材，需要变更加工头内部镜头的垂直位置，改变焦平面的位置，因此对一台加工设备，需要了解详细的参数配置信息，对人员经验依赖性较高。
为了提高厚板加工效率，需要在不使用长焦透镜的情况下延长焦点的焦深，以减少切割区域的崩边、熔边，提升切割质量。激光功率和激光光束参量积是加工工艺两个重要参数。激光光束的光束参量乘积(BPP)定义为光束半径(束腰处)与半发散角(远场)的乘积。常用来表征激光光束的光束质量。对特定切割，通过改变光斑尺寸或光束发散角实现对激光光束参量积的调整。市面上调制光斑的方法主要有两种，第一种是通过复合加工头将两台不同光斑的激光进行组合，该方法需要额外增加光学元器件和复杂机加件，成本较高，且由于光学元器件容易受振动影响，降低系统稳定性。第二种是通过对激光器中的光纤进行弯折，改变光纤中光波模式，实现对光斑的调整，但弯折光纤可能导致光纤性能下降，降低激光器稳定性。
发明内容
有鉴于此，本发明针对现有技术存在之缺失，其主要目的是提供一种通过多阶梯光纤改变光束参数积的光学搅拌器及方法，其具有稳定性好，可以兼容现有的光纤激光加工系统的优点。
为实现上述目的，本发明采用如下之技术方案：一种通过多阶梯光纤改变光束参数积的光学搅拌器，其特征在于：包括：光源、第一多阶梯折射率分布光纤、传输光波导以及第二多阶梯折射率分布光纤；
所述光源位于所述第一多阶梯折射率分布光纤的侧旁，所述传输光波导的一端连接所述第一多阶梯折射率分布光纤背离所述光源的一端；所述第二多阶梯折射率分布光纤的一端连接所述传输光波导的另一端；
所述激光束沿所述第一多阶梯折射率分布光纤的轴向传播，光线轨迹上各点与光轴的垂直距离周期性变化，以形成第一重复光线轨迹；所述激光束沿所述第二多阶梯折射率分布光纤的轴向传播，光线轨迹上各点与光轴的垂直距离周期性变化，以形成第二重复光线轨迹；
其中，所述第一多阶梯折射率分布光纤的长度为所述激光束在所述第一多阶梯折射率分布光纤内重复光线轨迹最小距离的四分之一，或，重复光线轨迹最小距离的四分之一的奇数整数倍；
所述第二多阶梯折射率分布光纤的长度为所述激光束在所述第二多阶梯折射率分布光纤内重复光线轨迹最小距离的四分之一，或，重复光线轨迹最小距离的四分之一的奇数整数倍。
在一个实施例中，所述第一多阶梯折射率分布光纤和所述第二多阶梯折射率分布光纤，在其横截面上纤芯区折射率逐渐变小，呈多阶梯分布。
在一个实施例中，所述激光束沿所述第一多阶梯折射率分布光纤的轴向传播，光线轨迹上各点与光轴的垂直距离周期性变化。
在一个实施例中，所述第一多阶梯折射率分布光纤、所述传输光波导以及所述第二多阶梯折射率分布光纤同轴设置，并连接呈一体结构。
在一个实施例中，所述传输光波的横截面为圆形、正方形、正六边形或正八边形。
在一个实施例中，所述传输光波导包括导光通道层以及包层，所述包层包覆于所述导光通道层外。
在一个实施例中，所述包层外还包覆有保护层。
在一个实施例中，还包括移动装置，所述移动装置与所述光源连接，并带动所述光源横向移动和纵向移动，以改变所述激光束的入射位置。
一种通过多阶梯光纤改变光束参数积的方法，使用了所述的通过多阶梯光纤改变光束参数积的光学搅拌器，包括以下步骤：
所述光源射出的激光束射入所述第一多阶梯折射率分布光纤进行第一次折射，改变所述激光束的传输角度和传输轨迹；
第一次折射后的所述激光束射入所述传输光波导，所述激光束经所述传输光波导传导后形成旋转对称分布的激光束；
所述旋转对称分布的激光束射入所述第二多阶梯折射率分布光纤进行第二次折射，再次改变所述激光束的传输角度和传输轨迹；
第二次折射后的所述激光束于所述第二多阶梯折射率分布光纤射出后形成具有激光束腰的光斑。
在一个实施例中，还包括以下步骤：
驱动所述移动装置带动所述光源移动，以改变所述激光束射入所述第一多阶梯折射率分布光纤的位置和角度，使所述激光束腰的光斑改变，以实现对所述激光光束参量积的调制。
本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果，具体而言，由上述技术方案可知：
通过第一多阶梯折射率分布光纤对激光束进行第一次折射，传输光波导对激光束传导后形成旋转对称分布的激光束，第二多阶梯折射率分布光纤对激光束进行第二次折射，从而实现对激光束的光束参量积进行改变，无需增加复杂机加件结构，制作方法简单，体积小，结构紧凑，稳定性好，可以兼容现有的光纤激光加工系统。
为更清楚地阐述本发明的结构特征和功效，下面结合附图与具体实施例来对本发明进行详细说明。
附图说明
图1是本发明通过多阶梯光纤改变光束参数积的光学搅拌器的结构示意图；
图2是本发明中第一多阶梯折射率分布光纤和第二多阶梯折射率分布光纤在A-A和B-B处的横截面示意图和相对折射率曲线图；
图3是本发明实施例中激光束在第二多阶梯折射率分布光纤的传输轨迹示意图。
附图标记：
10-光源；20-移动装置；30-第一多阶梯折射率分布光纤；40-传输光波导；41-保护层；42-包层；43-导光通道层；50-第二多阶梯折射率分布光纤；60-光斑。
具体实施方式
为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请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申请，并不用于限定本申请。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
请参阅图1至图3，所示，本申请提供一种通过多阶梯光纤改变光束参数积的光学搅拌器，包括：光源10、第一多阶梯折射率分布光纤30、传输光波导40以及第二多阶梯折射率分布光纤50；
光源10位于第一多阶梯折射率分布光纤30的侧旁，传输光波导40的一端连接第一多阶梯折射率分布光纤30背离光源10的一端；第二多阶梯折射率分布光纤50的一端连接传输光波导40的另一端；
激光束沿第一多阶梯折射率分布光纤30的轴向传播，光线轨迹上各点与光轴的垂直距离周期性变化，以形成第一重复光线轨迹。激光束沿所述第二多阶梯折射率分布光纤50的轴向传播，光线轨迹上各点与光轴的垂直距离周期性变化，以形成第二重复光线轨迹；
其中，第一多阶梯折射率分布光纤30的长度为第一重复光线轨迹最小距离的四分之一，或，第一重复光线轨迹最小距离的四分之一的奇数整数倍；
示例性地，假设P1为第一多阶梯折射率分布光纤30内第一重复光线轨迹最小距离，N1为奇数整数倍，则第一多阶梯折射率分布光纤30的长度为：P1/4或N1×P1/4。
第二多阶梯折射率分布光纤50的长度为第二重复光线轨迹最小距离的四分之一，或，第二重复光线轨迹最小距离的四分之一的奇数整数倍。
示例性地，假设P2为第二多阶梯折射率分布光纤50内第二重复光线轨迹最小距离，N2为奇数整数倍，则第二多阶梯折射率分布光纤50的长度为：P2/4或N2×P2/4。
如图2，在一个实施例中，第一多阶梯折射率分布光纤30和第二多阶梯折射率分布光纤50，在其横截面上纤芯区折射率逐渐变小，呈多阶梯分布。
在一个实施例中，激光束沿第一多阶梯折射率分布光纤的轴向传播，光线轨迹上各点与光轴的垂直距离周期性变化。
在一个实施例中，第一多阶梯折射率分布光纤30、传输光波导40以及第二多阶梯折射率分布光纤50同轴设置，并连接呈一体结构。
在一个实施例中，传输光波的横截面为圆形、正方形、正六边形或正八边形。
在一个实施例中，传输光波导40包括导光通道层43以及包层42，包层42包覆于导光通道层43外。
在一个实施例中，包层42外还包覆有保护层41。
在一个实施例中，还包括移动装置20，移动装置20与光源10连接，并带动光源10横向移动和纵向移动，以改变激光束的入射位置。
本发明还提供一种通过多阶梯光纤改变光束参数积的方法，使用了的通过多阶梯光纤改变光束参数积的光学搅拌器，包括以下步骤：
光源10射出的激光束射入第一多阶梯折射率分布光纤30进行第一次折射，改变激光束的传输角度和传输轨迹；
第一次折射后的激光束射入传输光波导40，激光束经传输光波导40传导后形成旋转对称分布的激光束；
旋转对称分布的激光束射入第二多阶梯折射率分布光纤50进行第二次折射，再次改变激光束的传输角度和传输轨迹；
第二次折射后的激光束于第二多阶梯折射率分布光纤50射出后形成具有激光束腰的光斑60。
在一个实施例中，还包括以下步骤：
驱动移动装置20带动光源10移动，以改变激光束射入第一多阶梯折射率分布光纤30的位置和角度，使激光束腰的光斑60改变，以实现对激光光束参量积的调制。
通过第一多阶梯折射率分布光纤30对激光束进行第一次折射，传输光波导40对激光束传导后形成旋转对称分布的激光束，第二多阶梯折射率分布光纤50对激光束进行第二次折射，从而实现对激光束的光束参量积进行改变，无需增加复杂机加件结构，制作方法简单，体积小，结构紧凑，稳定性好，可以兼容现有的光纤激光加工系统。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种通过多阶梯光纤改变光束参数积的光学搅拌器，其特征在于：包括：光源、第一多阶梯折射率分布光纤、传输光波导以及第二多阶梯折射率分布光纤；
所述光源位于所述第一多阶梯折射率分布光纤的侧旁，所述传输光波导的一端连接所述第一多阶梯折射率分布光纤背离所述光源的一端；所述第二多阶梯折射率分布光纤的一端连接所述传输光波导的另一端；
所述激光束沿所述第一多阶梯折射率分布光纤的轴向传播，光线轨迹上各点与光轴的垂直距离周期性变化，以形成第一重复光线轨迹；所述激光束沿所述第二多阶梯折射率分布光纤的轴向传播，光线轨迹上各点与光轴的垂直距离周期性变化，以形成第二重复光线轨迹；
其中，所述第一多阶梯折射率分布光纤的长度为所述激光束在所述第一多阶梯折射率分布光纤内重复光线轨迹最小距离的四分之一，或，重复光线轨迹最小距离的四分之一的奇数整数倍；
所述第二多阶梯折射率分布光纤的长度为所述激光束在所述第二多阶梯折射率分布光纤内重复光线轨迹最小距离的四分之一，或，重复光线轨迹最小距离的四分之一的奇数整数倍。
2.根据权利要求1所述的通过多阶梯光纤改变光束参数积的光学搅拌器，其特征在于：所述第一多阶梯折射率分布光纤和所述第二多阶梯折射率分布光纤，在其横截面上纤芯区折射率逐渐变小，呈多阶梯分布。
3.根据权利要求1所述的通过多阶梯光纤改变光束参数积的光学搅拌器，其特征在于：所述第一多阶梯折射率分布光纤、所述传输光波导以及所述第二多阶梯折射率分布光纤同轴设置，并连接呈一体结构。
4.根据权利要求1所述的通过多阶梯光纤改变光束参数积的光学搅拌器，其特征在于：所述传输光波的横截面为圆形、正方形、正六边形或正八边形。
5.根据权利要求1所述的通过多阶梯光纤改变光束参数积的光学搅拌器，其特征在于：所述传输光波导包括导光通道层以及包层，所述包层包覆于所述导光通道层外。
6.根据权利要求5所述的通过多阶梯光纤改变光束参数积的光学搅拌器，其特征在于：所述包层外还包覆有保护层。
7.根据权利要求1-6任一项所述的通过多阶梯光纤改变光束参数积的光学搅拌器，其特征在于：还包括移动装置，所述移动装置与所述光源连接，并带动所述光源横向移动和纵向移动，以改变所述激光束的入射位置。
8.一种通过多阶梯光纤改变光束参数积的方法，使用了如权利要求1-7任一项所述的通过多阶梯光纤改变光束参数积的光学搅拌器，其特征在于，包括以下步骤：
所述光源射出的激光束射入所述第一多阶梯折射率分布光纤进行第一次折射，改变所述激光束的传输角度和传输轨迹；
第一次折射后的所述激光束射入所述传输光波导，所述激光束经所述传输光波导传导后形成旋转对称分布的激光束；
所述旋转对称分布的激光束射入所述第二多阶梯折射率分布光纤进行第二次折射，再次改变所述激光束的传输角度和传输轨迹；
第二次折射后的所述激光束于所述第二多阶梯折射率分布光纤射出后形成具有激光束腰的光斑。
9.根据权利要求8所述的通过多阶梯光纤改变光束参数积的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
驱动所述移动装置带动所述光源移动，以改变所述激光束射入所述第一多阶梯折射率分布光纤的位置和角度，使所述激光束腰的光斑改变，以实现对所述激光光束参量积的调制。
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