CN118295057A - 一种匀化光纤及光斑匀化器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种匀化光纤及光斑匀化器件。所述匀化光纤，所述匀化光纤的玻璃部分包括纤芯以及被覆所述纤芯的包层；所述纤芯具有多个掺杂区域，使得在光纤端面满足：存在两个掺杂区域，其轮廓到纤芯几何中心距离不同；且至少一个所述掺杂区域外轮廓上存在到纤芯几何中心距离不同的两点；且所述纤芯几何中心的折射率小于等于所述掺杂区域外轮廓上的任意一点的折射率。本发明提供的匀化光纤及匀化器件，通过多个不对称掺杂区域，呈现内低外高的折射率分布模式，激发更多的高阶模的同时，使各高阶模之间耦合的更强烈，从而实现在大盘绕半径下输出的光束能量分布平顶化效果与小盘绕半径下相当，且能量损失小，可靠性更佳。

Description

一种匀化光纤及光斑匀化器件

技术领域

本发明属于激光技术领域，更具体地，涉及一种匀化光纤及光斑匀化器件。

背景技术

随着光纤通信技术的迅猛发展，光纤的使用范围越来越广泛，近些年来，光纤不仅大量应用于常规通信领域，同时也被应用到工业激光领域，针对激光清洗、激光切割、激光焊接、补偿激光器的增益踏边效应等应用，急需高抗损伤阈值、光斑匀化效果好的特殊结构光纤，对激光光斑进行整形是发展的方向。例如在激光焊接应用中，为了获得优异的焊接质量同时防止飞溅，通常需要使加工点附近受热均匀，这就要求激光的功率密度是均匀的。

目前已有一些技术，通过在纤芯中增加掺杂区域从而提高激光的功率密度的均匀程度，来实现匀化效果。例如中国专利文献CN108474906A、CN115421242A、CN114740567A、CN114355505A、CN113698090A，这些技术从原理上讲，都是通过激发更多的高阶模式，模式通过混合产生匀化光斑的效果。

然而在实际使用过程中，由于光纤需要盘绕成器件，在大盘圈直径的情况下仍然容易出现中心能量高的情况，而产生非常平坦的顶部能量的前提是需要很小的盘绕直径，通常需要小于5cm，但如此小的盘绕直径不满足光纤的长期可靠性要求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种匀化光纤及光斑匀化器件，其目的在于结合不对称的掺杂区域以及“内低外高”的折射率分布，在较大的盘绕直径下亦能取得与小盘绕半径相当的匀化效果，由此解决现有的匀化光纤需要较小的盘绕直径下才具有较好的匀化效果导致可靠性不佳技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种匀化光纤，所述匀化光纤的玻璃部分包括纤芯以及被覆所述纤芯的包层；

所述纤芯具有多个掺杂区域，使得在光纤端面满足：

存在两个掺杂区域，其轮廓到纤芯几何中心距离不同；且

至少一个所述掺杂区域外轮廓上存在到纤芯几何中心距离不同的两点；且

所述纤芯几何中心的折射率小于等于所述掺杂区域外轮廓上的任意一点的折射率。

优选地，所述匀化光纤，其所述掺杂区域在径向上覆盖的最大范围为纤芯半径的0.05-0.85。

优选地，所述匀化光纤，其所述掺杂区域具有几何中心，其几何中心与纤芯的几何中心的距离为纤芯直径1/20-1/2，所述掺杂区域优选为圆形、环形或正多边形。

优选地，所述匀化光纤，其单个所述掺杂区域的面积在纤芯总面积的5％至30％。

优选地，所述匀化光纤，其所述掺杂区域为高掺杂区域，纤芯的几何中心处于所述掺杂区域外轮廓之外；所述掺杂区域的数值孔径在0.01～0.15之间。

优选地，所述匀化光纤，其所述掺杂区域为低掺杂区域，纤芯的几何中心处于所述掺杂区域外轮廓之内；所述掺杂区域的数值孔径在0.01～0.15之间。

优选地，所述匀化光纤，其所述纤芯的多个掺杂区域面积之和占所述纤芯总面积的5％至50％，所述多个掺杂区域之间的面积差异在1％-25％之间。

优选地，所述匀化光纤，其所述掺杂区域内部可为均匀折射率分布、阶跃式折射率分布或渐变式折射率分布，每个掺杂区域的分布可相同可不相同。

优选地，所述匀化光纤，其掺杂区域在光纤长度方向上可以是周期螺旋分布，一个周期为0.5-50m。

优选地，所述匀化光纤，其所述纤芯的横截形状为圆形时，优选所述圆形纤芯直径在30～1000μm；所述非圆形纤芯其横截面内存在的最大圆形的直径在30～1000μm之间；所述包层具有折射率阶跃分布，包层与纤芯的有效数值孔径范围为0.1-0.28。

按照本发明的另一个方面，提供了一种光斑匀化器件，其包括盘绕的本发明提供的匀化光纤；所述匀化光纤的盘绕直径在≥30cm。

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：

本发明提供的匀化光纤及匀化器件，通过多个不对称掺杂区域，呈现内低外高的折射率分布模式，激发更多的高阶模的同时，使各高阶模之间耦合的更强烈，从而实现在大盘绕半径下输出的光束能量分布平顶化效果与小盘绕半径下相当，且能量损失小，可靠性更佳。

附图说明

图1是本发明实施例1提供的匀化光纤端面结构示意图；

图2是本发明实施例1提供的匀化光纤在盘绕直径5cm和30cm光斑能量分析结果图，其中图2A为盘绕直径5cm下光斑能量分析结果，图2B为盘绕直径30cm下光斑能量分析结果；

图3是本发明实施例2提供的匀化光纤端面结构示意图；

图4是本发明实施例2提供的匀化光纤在盘绕直径5cm和30cm光斑能量分析结果图，其中图4A为盘绕直径5cm下光斑能量分析结果，图4B为盘绕直径30cm下光斑能量分析结果；

图5本发明实施例3提供的匀化光纤端面结构示意图；

图6本发明实施例3提供的匀化光纤在盘绕直径5cm和30cm光斑能量分析结果图，其中图6A为盘绕直径5cm下光斑能量分析结果，图6B为盘绕直径30cm下光斑能量分析结果；

图7发明实施例4提供的匀化光纤端面结构示意图；

图8发明实施例4提供的匀化光纤在盘绕直径5cm和30cm光斑能量分析结果图，其中图8A为盘绕直径5cm下光斑能量分析结果，图8B为盘绕直径30cm下光斑能量分析结果；

图9是本发明实施例5提供的匀化光纤在盘绕直径30cm光斑能量分析结果图；

图10是对比例提供的匀化光纤端面结构示意图；

图11是对比例提供的匀化光纤在盘绕直径5cm和30cm光斑能量分析结果图，其中图11A为盘绕直径5cm下光斑能量分析结果，图11B为盘绕直径30cm下光斑能量分析结果。

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：1为纤芯，2为包层，3为低掺杂区域，4为高掺杂区域。

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。

本发明提供的匀化光纤，其玻璃部分包括纤芯以及被覆所述纤芯的包层；一般来说光纤玻璃部分外侧具有光纤涂层，包括内涂层和外涂层。

所述纤芯具有多个掺杂区域，使得在光纤端面满足：

存在两个掺杂区域，其轮廓到纤芯几何中心距离不同；且至少一个所述掺杂区域外轮廓上存在到纤芯几何中心距离不同的两点；且所述纤芯几何中心的折射率小于等于所述掺杂区域外轮廓上的任意一点的折射率。

所述纤芯几何中心的折射率小于等于所述掺杂区域外轮廓上的任意一点的折射率，确定了由中心向外“内低外高”的折射率分布规律，可能使纤芯的光能量分布呈现“反高斯”分布的趋势，配合多个掺杂区域之间的整体不对称性和掺杂区域相对于纤芯的局部不对称性，实现光纤模式扰动。可在较大的盘绕直径下(盘绕直径≥30cm)，实现光斑匀化效果，并减少光能量损耗。

所述掺杂区域在径向上覆盖的最大范围为纤芯半径的0.05-0.85，以确保模式扰动和改变光能量分布的效果。所述掺杂区域具有几何中心，其几何中心与纤芯的几何中心的距离为纤芯直径1/20-1/2，所述掺杂区域优选为圆形、环形或正多边形。单个所述掺杂区域的面积在纤芯总面积的5％至30％。对于实心的掺杂区域，如圆形、正多边形，掺杂区域轮廓即外轮廓；对于空心的掺杂区域，掺杂区域轮廓为内外嵌套的封闭线条，其外轮廓为外侧的线条，如环形掺杂区域，轮廓为内外嵌套的圆形，外轮廓为圆形。

在一些实施例中，采用高掺杂区域，纤芯的几何中心处于所述掺杂区域外轮廓之外；所述掺杂区域的数值孔径为0.01～0.15之间。

在一些实施例中，采用低掺杂区域，纤芯的几何中心处于所述掺杂区域外轮廓之内；所述掺杂区域的数值孔径为0.01～0.15之间。

所述纤芯包括多个掺杂区域，其面积之和占所述纤芯总面积的5％至50％，所述多个掺杂区域之间的面积差异在1％-25％之间。两掺杂区域的面积差异为：两者面积差的绝对值占其中较小面积的百分比。

以上实施例中，所述掺杂区域内部可为均匀折射率分布、阶跃式折射率分布或渐变式折射率分布，每个掺杂区域的分布可相同可不相同。

优选方案，掺杂区域在光纤长度方向上可以是周期螺旋分布，一个周期为0.5-50m，使传输模式进行进一步混合，提高光纤匀化效果。

以下为实施例：

实施例1

本实施例提供的匀化光纤，如图1所示，其玻璃部分包括纤芯以及被覆所述纤芯的包层，包层为掺F石英玻璃，纤芯的数值孔径为0.22；光纤玻璃部分外侧具有光纤涂层，包括内涂层和外涂层。

所述纤芯直径为50um，纯石英材质，其具有两个掺杂区域：

高掺杂区域为圆形，其数值孔径为0.12，偏芯距离14um，直径15um；

低掺杂区域为圆形，其数值孔径为0.08，偏芯距离7.5um，直径20um。本实施例提供的匀化光纤在取3米，分别在盘绕直径5cm及盘绕直径30cm，以1080nm连续光为测试光源进行光斑能量分析，结果如图2所示，显示在盘绕直径分别在5cm和30cm下，匀化效果相当，而盘绕直径30cm下测试的光斑能量明显强于盘绕直径5cm下测试结果。

本实施例提供的匀化光纤制作匀化器件时，其盘绕直径适用于30cm以上，具有良好的匀化效果且能量损耗更低。

实施例2

本实施例提供的匀化光纤，如图3示，其玻璃部分包括纤芯以及被覆所述纤芯的包层，包层为掺F石英玻璃，纤芯的数值孔径为0.18；光纤玻璃部分外侧具有光纤涂层，包括内涂层和外涂层。

所述纤芯直径为100um，纯石英材质，其具有三个掺杂区域：

第一高掺杂区域为圆形，数值孔径为0.01，偏芯距离33um，直径25um；

第二高掺杂区域为圆形，数值孔径为0.04，偏芯距离24um，直径40um；

第三高掺杂区域为圆形，数值孔径为0.07，偏芯距离31um，直径30um。

本实施例提供的匀化光纤在取3米，分别在盘绕直径5cm及盘绕直径30cm，以1080nm连续光为测试光源进行光斑能量分析，结果如图4所示，显示在盘绕直径分别在5cm和30cm下，匀化效果相当，而盘绕直径30cm下测试的光斑能量明显强于盘绕直径5cm下测试结果。

实施例3

本实施例提供的匀化光纤，如图5示，其玻璃部分包括纤芯以及被覆所述纤芯的包层，包层为掺F石英玻璃，纤芯的数值孔径为0.24；光纤玻璃部分外侧具有光纤涂层，包括内涂层和外涂层。

所述纤芯直径(对边距离)为200um，纯石英材质，其具有三个掺杂区域：

第一低掺杂区域为正四边形，数值孔径为0.15，偏芯距离25um，边长90um；

第二高掺杂区域为圆形，数值孔径为0.03，偏芯距离83um，直径60um；

第三高掺杂区域为圆形，数值孔径为0.09，偏芯距离84um，直径50um。

本实施例提供的匀化光纤在取3米，分别在盘绕直径5cm及盘绕直径30cm，以1080nm连续光为测试光源进行光斑能量分析，结果如图6所示，显示在盘绕直径分别在5cm和30cm下，匀化效果相当，而盘绕直径30cm下测试的光斑能量明显强于盘绕直径5cm下测试结果。

实施例4

本实施例提供的匀化光纤，如图7示，其玻璃部分包括纤芯以及被覆所述纤芯的包层，包层为掺F石英玻璃，纤芯的数值孔径为0.22；光纤玻璃部分外侧具有光纤涂层，包括内涂层和外涂层。

所述纤芯直径为100um，纯石英材质，其具有两个掺杂区域：

第一低掺杂区域为环形，数值孔径为0.01，偏芯距离18.5um，内径30um，厚度5um；

第二高掺杂区域为环形，数值孔径为0.03，偏芯距离26um，内径20um，厚度5um。

本实施例提供的匀化光纤在取3米，分别在盘绕直径5cm及盘绕直径30cm，以1080nm连续光为测试光源进行光斑能量分析，结果如图4示，显示在盘绕直径分别在5cm和30cm下，匀化效果相当，而盘绕直径30cm下测试的光斑能量明显强于盘绕直径5cm下测试结果。

实施例5

本实施例的匀化光纤端面结构同实施例3提供的匀化光纤，在光纤长度方向上周期螺旋分布，周期为15m。本实施例提供的匀化光纤在取3米，分别在盘绕直径30cm，以1080nm连续光为测试光源进行光斑能量分析，结果如图9所示，光斑能量分布平坦度得到了提升，相较于实例3，部分突起的峰消失，变得更为平摊。

对比例1

对比例提供的匀化光纤，如图10示，其玻璃部分包括纤芯以及被覆所述纤芯的包层，包层为掺F石英玻璃，纤芯的数值孔径为0.22；光纤玻璃部分外侧具有光纤涂层，包括内涂层和外涂层。

所述纤芯直径为50um，纯石英材质，其具有一个高掺杂区域：高掺杂区域为圆形，其数值孔径为0.12，偏芯距离14um，直径15um。

对比例提供的匀化光纤在取3米，分别在盘绕直径5cm及盘绕直径30cm，以1080nm连续光为测试光源进行光斑能量分析，结果如图11示，显示在盘绕直径分别在5cm和30cm下，30cm的盘绕直径下匀化效果明显较差，出现中心部分能量凹陷，而盘绕直径30cm下测试的光斑能量明显强于盘绕直径5cm下测试结果。

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 (11)

1.一种匀化光纤，其特征在于，所述匀化光纤的玻璃部分包括纤芯以及被覆所述纤芯的包层；

所述纤芯具有多个掺杂区域，使得在光纤端面满足：

存在两个掺杂区域，其轮廓到纤芯几何中心距离不同；且

至少一个所述掺杂区域外轮廓上存在到纤芯几何中心距离不同的两点；且

所述纤芯几何中心的折射率小于等于所述掺杂区域外轮廓上的任意一点的折射率。

2.如权利要求1所述的匀化光纤，其特征在于，所述掺杂区域在径向上覆盖的最大范围为纤芯半径的0.05-0.85。

3.如权利要求1所述的匀化光纤，其特征在于，所述掺杂区域具有几何中心，其几何中心与纤芯的几何中心的距离为纤芯直径1/20-1/2，所述掺杂区域优选为圆形、环形或正多边形。

4.如权利要求1所述的匀化光纤，其特征在于，单个所述掺杂区域的面积在纤芯总面积的5％至30％。

5.如权利要求1所述的匀化光纤，其特征在于，所述掺杂区域为高掺杂区域，纤芯的几何中心处于所述掺杂区域外轮廓之外；所述掺杂区域的数值孔径在0.01～0.15之间。

6.如权利要求1所述的匀化光纤，其特征在于，所述掺杂区域为低掺杂区域，纤芯的几何中心处于所述掺杂区域外轮廓之内；所述掺杂区域的数值孔径在0.01～0.15之间。

7.如权利要求1所述的匀化光纤，其特征在于，所述纤芯的多个掺杂区域面积之和占所述纤芯总面积的5％至50％，所述多个掺杂区域之间的面积差异在1％-25％之间。

8.如权利要求1所述的匀化光纤，其特征在于，所述掺杂区域内部可为均匀折射率分布、阶跃式折射率分布或渐变式折射率分布，每个掺杂区域的分布可相同可不相同。

9.如权利要求1所述的匀化光纤，其特征在于，掺杂区域在光纤长度方向上可以是周期螺旋分布，一个周期为0.5-50m。

10.如权利要求1所述的匀化光纤，其特征在于，所述纤芯的横截形状为圆形时，优选所述圆形纤芯直径在30～1000μm；所述非圆形纤芯其横截面内存在的最大圆形的直径在30～1000μm之间；所述包层具有折射率阶跃分布，包层与纤芯的有效数值孔径范围为0.1-0.28。

11.一种光斑匀化器件，其特征在于，包括盘绕的如权利要求1至10任意一项所述的匀化光纤；所述匀化光纤的盘绕直径在≥30cm。