CN208399753U - 兼具激光扩束输出和反射功能的双向光纤端帽 - Google Patents

Abstract

一种兼具激光扩束输出和反射功能的双向光纤端帽，包括光纤(11)和石英块(12)；石英块(12)为连接端面尺寸相同的圆台(18)、柱体(19)和输出曲面体(14)依次连接而成的一体结构；光纤(11)的一个端面与圆台(18)的较小端面熔接，形成界面(13)；光纤(11)的纤芯中心线延长线为圆台(18)和柱体(19)和输出曲面体(14)的中心线；输出曲面体(14)的曲面以光纤(11)的纤芯中心延长线与界面(13)的交点为球心、以石英块(12)中心线在圆台(18)和柱体(19)和输出曲面体(14)内的长度之和为曲率半径，曲面上镀有一定反射/透射率的膜层，本实用新型可实现激光的输出扩束和反射、反馈。

Description

兼具激光扩束输出和反射功能的双向光纤端帽

技术领域

本实用新型总体地涉及光纤激光领域，具体涉及一种兼具激光扩束输出和反射功能的双向光纤端帽。

背景技术

高功率光纤激光器在激光切割、激光熔覆、3D打印等领域有着广泛的应用。近年来，随着双包层光纤制作工艺和高亮度半导体激光器的功率提升，单路高功率光纤激光输出功率得到了飞速的发展，从21世纪初的100瓦提高到目前的10千瓦。随着光纤激光输出功率的不断提高，光纤纤芯中的功率密度也随之不断攀升。而由于光纤的输出端面在切割、研磨、抛光等处理的过程中，不可避免的会在光纤的端面留下缺陷与损伤，使得局部电场加强，造成材料破坏，所以在大功率光纤激光系统中，光纤输出端面处理是一项重要的核心技术。光纤端帽就是实现光纤端面保护的高功率光纤无源器件，通过对输出光束的扩束降低输出端的光功率密度，从而保护光纤端面不受损坏。

传统的光纤端帽主要用于光纤激光的独立输出或独立输入。目前，在光纤激光器领域应用较多的是具有光束输出功能的光纤端帽，通过将传能光纤与锥形的石英块熔接，达到光束扩束和保护输出端面的作用；这类光纤端帽需要在端面镀上增透膜，以严格防止激光反馈导致的激光器损伤，因此仅仅具有激光输出功能。在光纤耦合半导体激光器领域，为了实现可插拔的光纤尾纤，使用较多的是具有激光耦合功能的光纤端帽，将空间输入的激光通过锥形光纤端帽耦合到传能光纤纤芯中；这类光纤端帽也需要在端面镀上增透膜，保证激光耦合效率，避免激光功率损耗导致的热效应和光纤损伤。

目前而言，在一般输出扩束和输入耦合等常规应用中，都要求光纤端帽有较高的功率透过效率，同时避免可能导致系统不稳定的反馈。因此，目前尚无一种能够同时具备输出和反射功能的双向光纤端帽。

发明内容

针对上述已有技术的不足，本实用新型提供了一种兼具激光扩束输出和反射功能的双向光纤端帽，能够在实现激光输出扩束的同时，将激光反射耦合至光纤纤芯中。

本实用新型的技术方案是：一种兼具激光扩束输出和反射功能的双向光纤端帽，其特征在于，它包括光纤和与光纤连接的石英块；所述石英块为连接端面尺寸相同的圆台、柱体和输出曲面体依次连接而成的一体结构；所述光纤的一个端面与石英块的圆台的较小端面熔接，形成界面；所述光纤的纤芯中心线延长线为石英块的圆台和柱体和输出曲面体中心线；石英块的输出曲面体的曲面以光纤的纤芯中心延长线与界面的交点为球心，以石英块中心线在圆台和柱体和输出曲面体内的长度之和为曲率半径，以保证曲面反射的光束能够有效进入光纤纤芯中；石英块的输出曲面体的曲面上镀有与激光波长匹配、具有预定激光反射/透射率比值的膜层，以使所述膜层的激光反射率在0％～100％之间、激光透射率在100％～0％之间，实现不同的输出和反射功率比，激光经所述光纤纤芯从界面进入石英块中，激光光斑在石英块中传输并扩束，扩束后的激光束由石英块的输出曲面体的曲面端输出和反射。

进一步的，上述光纤是用于激光产生和传输的光纤，为掺稀土粒子的增益光纤或不掺稀土粒子的传能光纤；且光纤的横截面结构选自单包层、双包层和三包层结构的光纤横截面结构中的一种。

更进一步的，上述光纤的纤芯直径在10～200微米范围内，当光纤的横截面结构为双包层结构时，内包层直径在100～1000微米之间；外包层直径在250～2000微米之间。

进一步的，上述石英块的圆台的较小端面尺寸是光纤最外包层的直径的2～5倍。

进一步的，上述光纤与石英块熔接的界面为光滑平面，该光滑平面与光纤、石英块的长度方向和激光传输方向垂直。进一步的，上述石英块的柱体用于光纤端帽的机械加持和固定，其直径在3～500毫米之间，其长度在10～100毫米之间，其长度根据光束需要扩束的大小设计，保证激光在端帽内传输的同时实现激光的扩束。

进一步的，所述柱体为圆柱体。

本实用新型的兼具激光扩束输出和反射功能的双向光纤端帽一般应用于单端泵浦全光纤激光振荡器或双端泵浦全光纤激光振荡器中。对双向端帽镀全反射膜，构成全反射光纤端帽，用于替代传统全光纤振荡器中的高反射光栅；对双向端帽镀10％反射、90％透射膜构成部分透射光纤端帽，用于替代传统全光纤振荡器中的低反射耦合输出光栅。全反射光纤端帽和部分反射光纤端帽构成光纤激光器的反馈腔，结合泵浦源和增益光纤，可以实现全光纤的振荡器输出。由于光纤端帽承受功率高，利用全反射光纤端帽和部分反射光纤端帽构成的全光纤激光振荡器具有比传统的光纤光栅振荡器更高的输出功率。

本实用新型中：因为光纤的输出端面与石英块的输入端面熔接，形成界面；激光经光纤从界面进入石英块中，激光光斑在石英块中传输并扩束；石英块的输出端面为特殊设计的曲面，镀有具有一定反射率膜，在实现激光输出扩束的同时，保证激光经过曲面端面反射后可以返回到光纤纤芯中。当激光传输到石英块的输出端面时，一部分激光从石英块输出端面扩束输出，一部分激光被输出端面反射回到光纤的纤芯中，同时实现激光的扩束输出和激光反射反馈。

本实用新型的基本原理如下：

在光学系统中，对于为R′的曲率半径镜的成像，物像关系满足高斯公式(1)：

以凹面镜中心顶点为坐标原点时，x为物的横坐标，x’为像的横坐标，r为凹面反射镜的几何半径。

在本实用新型中，物是光纤输出端面的光斑，像是端帽曲面反射回光纤端面处的光斑。在本实用新型中，要求光纤端面输出光斑与端帽反馈回到光纤端面处的光斑在同一平面，即输出光束和反馈光束在光纤端面处重合，从物像关系的角度，要求物和像处在与光轴垂直的同一平面上，需要满足x＝x’，又r＝-R′，可以解得：

x＝x'＝-R′ (2)

利用公式(2)，根据高斯光学系统垂轴放大率β和角放大率γ公式，有：

这里，垂轴放大率β＝-1，说明像与物等大且倒置，即物像关于光轴是轴对称的，由于这里的物是光纤输出端面的光斑、像是端帽曲面反射回光纤端面处的光斑，这就保证端帽反射的光能够全部反射回光纤纤芯中。角放大率γ＝1说明物体发射光的张角与像收光的张角是相等的，在光纤中，这里的张角就相当于光纤的数值孔径NA所决定的光束发散角，这就保证了反射光能够有效入射到光纤纤芯中并限制在光纤纤芯所决定的数值孔径内高效传输。

综合以上分析，为了实现输出光束反射后回到光纤纤芯中，光纤纤芯中心光轴与石英块中心光轴重合，石英块输出面的曲率半径R′与石英块沿光轴方向的长度L相等；即

R′＝-r＝-L (4)

本实用新型将普通光纤端帽的输出端面设计为曲率半径与石英块沿光轴方向长度L相等的特殊球面，并镀有与激光波长匹配、具有一定反射率膜，在对输出激光准则的同时，实现激光的反馈。光纤中的激光从熔接面进入石英块中，激光光斑在石英块中传输并扩束；当激光传输到石英块的输出端面时，一部分激光从石英块输出端面扩束输出，一部分激光被输出端面反射回到光纤的纤芯中，同时实现激光的输出扩束和反馈。

采用本实用新型可以达到以下技术效果：

1、同时实现光纤激光的扩束和激光反射、反馈：利用激光的发散特性，光纤输出激光在石英块中传输时光斑自然扩束，通过合理设计石英块、改变激光在石英块中传输的距离，可以实现不同尺寸的光斑输出；通过合理设计的输出曲面，保证曲面反射的光束能够有效入射到光纤纤芯中；通过对石英块输出端面镀具有一定反射率的反射膜层，可以实现激光的反馈。

2、通过对石英块输出端面镀不同反射率的膜层，可以实现不同输出功率和反射功率比例(0～100％)的激光输出和反射，典型地，能够实现100％的功率透射和100％的功率反馈；这使得该器件能够替代传统的光纤光栅、光纤全反射镜等器件，用于高功率光纤振荡器等需要同时实现激光输出和反射的系统中。

附图说明

从下面结合附图对本实用新型实施例的详细描述中，本实用新型的这些和/或其它方面和优点将变得更加清楚并更容易理解，其中：

图1是本实用新型实施例的兼具激光扩束输出和反射功能的双向光纤端帽结构示意图；

图2是本实用新型实施例1中具有全反射功能的光纤端帽结构示意图；

图3是本实用新型实施例2中具有半透半反功能的光纤端帽结构示意图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本实用新型，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明。

实施例1

一种兼具激光扩束输出和反射功能的双向光纤端帽，结构示意图如图1所示，包括光纤11、特殊设计的石英块12：所述光纤11可以是双包层光纤，由纤芯15、内包层16、外包层17组成，也可以是单包层光纤，由纤芯15、包层17组成；石英块12为由连接端面尺寸相同的圆台18、柱体19和输出曲面体14依次连接而成的一体结构；光纤11的输出端面与石英块12的输入端面(即圆台18的较小端面)熔接后成为一个界面13；激光从光纤纤芯15传输到界面13后，进入石英块12中，激光先后经过石英块的圆台18区域、柱体19区域自然扩束后，到达输出曲面体14的曲面；石英块12的输出曲面体14是以光纤11纤芯中心延长线与界面13的交点为球心、以石英块12的中心线在圆台18和柱体19和输出曲面体14内的长度和为曲率半径的球冠，输出曲面体14的曲面镀有对激光波段的反射膜，在对扩束激光进行扩束输出的同时，能实现激光的反射，将激光反馈回石英块12中，并原路返回到光纤11的纤芯15中；通过对石英块12的输出曲面体14的曲面镀不同反射率/透射率比值的膜层，可以实现不同输出功率和反馈功率比例(0～100％)的激光输出和反馈。

实施例2

一种具有全反射功能的光纤端帽，结构示意图如图2所示，包括光纤11、特殊设计的石英块12：所述光纤11可以是双包层光纤，由纤芯15、内包层16、外包层17组成，也可以是单包层光纤，由纤芯15、包层17组成；石英块12为由连接端面尺寸相同的圆台18、柱体19和输出曲面体14依次连接而成的一体结构；光纤11的输出端面与石英块输入端面熔接后成为一个界面13；激光从光纤11的纤芯15传输到界面13后，进入石英块12中；激光先后经过石英块的圆台18区域、柱体19区域自然扩束后，到达输出曲面体14的曲面。石英块12输出曲面体14是以光纤纤芯中心延长线与界面13的交点为球心、以石英块12的中心线在圆台18和柱体19和输出曲面体14内的长度和为曲率半径的球冠；输出曲面体14镀有对激光波段的全反射膜，将激光全部反馈回石英块12，并原路返回到光纤11的纤芯15中，在此过程中，没有激光从输出曲面体14输出。本实施例的全反射功能的光纤端帽可以作为全光纤振荡器的高反射镜，替代传统的高反射光纤光栅。

实施例3

一种具有半透半反功能的双向光纤端帽，结构示意图如图3所示，包括光纤11、特殊设计的石英块12：所述光纤11可以是双包层光纤，由纤芯15、内包层16、外包层17组成，也可以是单包层光纤，由纤芯15、包层17组成；石英块12为由连接端面尺寸相同的圆台18、柱体19和输出曲面体14依次连接而成的一体结构；光纤11的输出端面与石英块12的输入端面熔接后成为一个界面13。激光从光纤11的纤芯15传输到界面13后，进入石英块12中。激光先后经过石英块的圆台18区域、柱体19区域自然扩束后，到达输出曲面体14的曲面。石英块12的输出曲面体14是以光纤纤芯中心延长线与界面13的交点为球心、以石英块12的中心线在圆台18和柱体19和输出曲面体14内的长度和为曲率半径的球冠；输出曲面体14并镀有对激光波段的半透半反射膜，在对扩束后的激光进行扩束输出的同时，能实现激光的反射，将激光反馈回石英块12，并原路返回到光纤11的纤芯15中。通过对石英块12的输出端面体14的曲面镀半透半反射的膜，实现比例为1:1的输出功率和反馈功率分配。本实施例的半透半反双向光纤端帽可以作为全光纤振荡器的输出耦合反射镜，替代传统的低反射输出耦合光纤光栅。

可以看出，上述3个实施例的关键区别在于输出曲面体14上的镀膜不同：全反射端帽中的输出曲面体14上镀高反膜，反射率100％，无透射光；高透端帽中的输出曲面体14上镀高透膜，透射率100％，无反射；半透半反射端帽中的输出曲面体14上镀半透半反射膜，或者反射：透射＝1:1的膜，50％反射，50％透射。当然也可以镀其他反射率：透射比例的膜，实现不同反射/透射的比例。

可以看出，本实用新型的较优化设计思路是：一种兼具激光扩束输出和反射功能的双向光纤端帽包括光纤11、石英块12，光纤11一个端面(激光输出端面)与石英块12的一个端面(激光输入端面)熔接，石英块的另一个端面(激光输出端面，即输出曲面体14的曲面)为特殊设计的曲面，镀有具有一定反射率膜；石英块12为圆台18、圆柱体19和输出曲面体14依次组合成的整体，其中圆台18的小端与光纤11熔接，圆台18的大端与圆柱体19形成一体，圆柱体19用于光纤端帽的机械夹持和固定，输出曲面体14的曲面可以在实现输出激光扩束光的同时，保证激光经过输出曲面反射后可以返回到光纤11的纤芯15中；光纤11的输出端面为光滑平面，与光纤长度方向和激光传输方向垂直；石英块12输入端面为光滑平面，与石英块长度方向和激光传输方向垂直；光纤输出端面与石英输入端面有效的熔接，形成的界面13也为光滑平面，与光纤11长度方向和石英块12长度方向和激光传输方向垂直，保证激光能够从光纤中高效地传输到石英中。

以上已经描述了本实用新型的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种兼具激光扩束输出和反射功能的双向光纤端帽，其特征在于，它包括光纤(11)和与光纤(11)连接的石英块(12)；

所述石英块(12)为连接端面尺寸相同的圆台(18)、柱体(19)和输出曲面体(14)依次连接而成的一体结构；

所述光纤(11)的一个端面与石英块(12)的圆台(18)的较小端面熔接，形成界面(13)；

所述光纤(11)的纤芯中心线延长线为石英块(12)的圆台(18)和柱体(19)和输出曲面体(14)中心线；

所述石英块(12)的输出曲面体(14)的表面是以光纤(11)的纤芯中心延长线与界面(13)的交点为球心，以石英块(12)中心线在圆台(18)和柱体(19)和输出曲面体(14)内的长度之和为曲率半径的球冠；

所述石英块(12)的输出曲面体(14)的表面上镀有与激光波长匹配、具有预定激光反射/透射率比值的膜层。

2.根据权利要求1所述的兼具激光扩束输出和反射功能的双向光纤端帽，其特征在于，所述光纤(11)是用于激光产生和传输的光纤，为掺稀土粒子的增益光纤或不掺稀土粒子的传能光纤；且光纤(11)的横截面结构选自单包层、双包层和三包层结构的光纤横截面结构中的一种。

3.根据权利要求2所述的兼具激光扩束输出和反射功能的双向光纤端帽，其特征在于，光纤(11)的纤芯直径在10～200微米范围内，当光纤(11)的横截面结构为双包层结构时，内包层直径在100～1000微米之间；外包层直径在250～2000微米之间。

4.根据权利要求1所述的兼具激光扩束输出和反射功能的双向光纤端帽，其特征在于，所述石英块(12)的圆台(18)的较小端面尺寸是光纤(11)最外包层的直径的2-5倍。

5.根据权利要求1所述的兼具激光扩束输出和反射功能的双向光纤端帽，其特征在于，所述光纤(11)与石英块(12)熔接的界面(13)为光滑平面，该光滑平面与光纤(11)、石英块(12)的长度方向和激光传输方向均垂直。

6.根据权利要求1所述的兼具激光扩束输出和反射功能的双向光纤端帽，其特征在于，所述石英块(12)的柱体(19)用于光纤端帽的机械夹持和固定，其长度在10～100毫米之间，其直径在3～500毫米之间。

7.根据权利要求1所述的兼具激光扩束输出和反射功能的双向光纤端帽，其特征在于，所述柱体(19)为圆柱体。