CN209070239U - 一种多锥非对称光束整形器件 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种多锥非对称光束整形器件，属于激光整形领域。该器件包含N个整形单元串联而成(N≥1)，整形单元包含带有单锥结构的光输入结构和光输出结构，通过两个单锥端连接而成，光输出结构单锥锥长小于光输入结构单锥锥长，光输出结构数值孔径大于等于光输入结构数值孔径。本实用新型通过控制单锥结构的拉锥长度和拉锥直径等，控制拉锥比和拉锥角参数，进而形成不同的波导结构，以完成光束整形效果，具有体积小、稳定性强、损耗低、可承受阈值功率高、可调节光斑范围大、使用便捷等优势，尤其适用于激光加工切割领域。
Description
技术领域
本实用新型属于激光光束整形领域，具体涉及一种多锥非对称光束整形器件。
背景技术
自激光诞生以来，凭借着其亮度高、方向性好、单色性好、准直性高的优点，在工业、通信、医疗、航天航空、光储存、军事和科学与研究领域扮演着重要的角色，促进各领域的快速发展。各领域的广泛应用，同样对激光技术提出了新的挑战。
激光一般都是高斯光束，即光束强度在空间上呈现高斯分布，这样的光束具备有中间强度高，往外沿高斯径向轮廓逐渐下降。在高功率的激光应用过程中，高斯光束能量集中在中心部分，很容易将光学器件损坏，所以各领域实际应用往往不仅仅需要高斯光束，还需要采用一些方法进行光束整形改变光束能量分布，进行可控制光斑劣化，比如在能量上，具备均匀能量分布的平顶光斑或者环状分布的环形光斑，在光束形状上，具有方形，圆形等形状，这些都是进一步提升激光的应用水平。尤其是在激光器对碳钢、不锈钢等金属材料进行切割焊接过程中，对于光斑能量要求较为均匀，以提升切割焊接断面质量。
传统的光束整形方法包括以下：光阑法，多透镜阵列，二元光学元件，随机位相板，液晶空间光调制器，双折射透镜组、异形棱镜和圆锥镜等等。以上整形方法多是利用空间光学进行激光光束整形，空间光学整形系统一般体积较大不利于光纤激光器的集成化，且系统对于环境的要求较高，随时间的结构稳定性也相对较差，实际使用不够方便快捷。
在光纤波导领域内，目前光束整形的方式有以下几种。
扰模法(专利CN 102866501 A、CN 100424494C)：通过调整激光束中不同模式光的入射角度，来进行光束整形；
光纤应力挤压：通过对光纤施加应力改变光纤折射率进一步影响光纤传输的波导结构，来进行光束整形；
以上两种方法利用光纤材料本身进行波导结构的改变，进而改善光束输出的能量分布进行光束整形，但通过外部方式精确改变的波导结构的控制难度很高，这种控制方式稳定性较低实用性较差。
改变光纤结构：在普通两层阶跃光纤的基础上，在纤芯或包层中心引入一个凹陷部分，并使该部分折射率不同于其他部分折射率，且通过理论计算得出对于凹陷部分取不同的折射率，得到不同的平顶基模模场分布。国内外也都对模场光纤结构进行不同的优化设计。总体而言，此方法需要对光纤制作工艺有较高的要求，不易于制备。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题在于克服上述激光光束整形方法的不足，提出一种多锥非对称光束整形器件，本实用新型采用非对称光纤结构控制光路的传输方式，以达到稳定的光束整形效果。
本实用新型解决的技术方案为：一种多锥非对称光束整形器件，包含N个整形单元(1)，所述的整形单元(1)(如图1所示)包含光输入结构(11)、光输出结构(12)，所述的光输入结构(11)两端分别为正常端口(111)和小口径端口(112)，所述的光输出结构(12)两端分别为正常端口(121)和小口径端口(122)，所述的光输入结构小口径端口(112)与所述的光输出结构小口径端口(122)连接，所述的光输入结构小口径端口(112)和所述的光输出结构小口径端口(122)均为单锥结构，所述的输出结构小口径端口(122)的锥长L2小于输入结构小口径端口(112)的锥长L1，所述的光输入结构(11)的数值孔径NA1和所述的光输出结构(12)数值孔径NA2需要互相匹配，保证NA1≤NA2；
所述的整形单元(1)之间的连接方式为串联，上级整形单元光输出结构(12)的正常端口(121)与下级整形单元光输入结构(11)的正常端口(111)相连；
所述的N为大于等于1的整数。
所述的整形器件由M根光纤组成，1≤M≤2N，M为整数。即整形器件可以采用同一根拉锥而成，也可采用不同光纤拉锥切割后熔接，形成多个单锥串联形成连续整形，以达到理想的整形效果。
所述光纤采用至少有两层波导结构大模场双包层光纤，内层波导结构的折射率高于外层波导结构的折射率。
所述的光纤之间连接方式为熔融连接。
此外，根据实际光束整形需求，需要控制光纤的拉锥比、拉锥角、光输入结构(11)与光输出结构(12)的直径差值等数值变量，已完成光纤内光波导的改变。
在实际工作内容，光纤内的导波模通常用线偏振模LPmn表示。
基模LP01光斑分布为一个圆环，而高阶模具有圆化光斑能量分布的作用。光路基本传输示意如图2所示。
在光纤拉锥过程中，光纤纤芯和包层直径等比例减小，导致模场分布变化。根据模场分布情况可分为四个阶段，纤芯多模、纤芯单模、包层多模、包层单模(如图3)。在纤芯多模和纤芯单模时，纤芯中的基模模场直径随之减小，但是模场还是限制在纤芯中。但随着进一步的拉锥的进行，模场扩散到包层，拉锥进行到第三个阶段——包层多模，包层和空气共同构成了原始光纤的纤芯和包层结构，此时会激发出了高阶模同时也满足光纤传输条件。光场在锥形光纤中传输是，模场面积的改变，尤其是激发的高阶模式引起的模场面积的增大，导致了一部分光功率传输至包层，为提升光束整形过程中的高功率传输效率，锥形光纤的形状—拉锥角和拉锥比必须满足特定条件。1：局部拉锥长度要大于该处基模和高阶模之间的耦合长度；2：拉锥角最大不能超过基模的衍射扩散角；拉锥角定义为光纤直径变换与光纤拉锥长度变化的比值角；拉锥比定义为光纤初始纤芯直径与拉锥后纤芯直径比值。
在拉锥过程中，针对激光光束中主要模式为LP01基模分析。锥形光纤为轴对称时，此时LP01模只能耦合道有相同方位角对称性模式，例如，LP0m模。给予最小损耗的考虑，为我们认为基模光主要耦合到与其传播常数最接近的高LP02模。而对于非轴对称的情况，例如，弯曲锥形光纤，基模主要耦合到LP11模。
通过控制光纤拉锥比直接控制光纤中基模光束激发到高阶模的比例，进一步改善输出光束光强的分布。
进一步的，所述的光输入结构小口径端口(112)单锥结构锥角为0-3°，所述的光输出结构小口径端口(122)单锥结构锥角为30′-5°。
进一步的，所述的光输入结构小口径端口(112)单锥结构拉锥比为1-25，所述的光输出结构小口径端口(122)单锥结构拉锥比1-25。
进一步的，所述的光输入结构小口径端口(112)包层直径为D1，所述的光输出结构小口径端口(122)包层直径为D2，-150≤D1-D2≤30μm。
进一步的，所述的光输入结构小口径端口单锥结构锥长L1与所述的光输出结构小口径端口单锥结构锥长L2保持0＜L1-L2≤90mm。
进一步的，当M≥2时，所述的光输入结构小口径端口(112)外直径为D1，所述的光输出结构小口径端口(122)包层直径为D2，-100≤D1-D2≤2μm。
进一步的，所述的光输入结构小口径端口(112)单锥结构采用均匀拉锥过渡方法，通过拉锥比控制光束高阶模转换率；所述的光输出结构小口径端口(122)单锥结构采用大拉锥角拉锥方法，提升高阶导出率保证光束整形效果，减小激光损失率。
进一步的，所述的均匀拉锥过渡方法和所述的大拉锥角拉锥方法为氢氧焰拉锥、CO2激光拉锥、电极拉锥中的一种或多种。
本实用新型与现有技术相比的优点在于：
(1)本实用新型通过改变光纤内部波导结构完成光束整形效果，结构简单，稳定性强，封装后对使用环境要求较低。
(2)本实用新型体积小，与传统几何光学整形相比更便于集成于光纤激光器内部。
(3)本实用新型输出功率高、损耗低、可承受阈值功率高，有利于提升器件的使用寿命，其中损耗可达2％以下，可承受阈值功率3000W以上。
(4)本实用新型通过改变多个单锥结构的拉锥角、拉锥比、拉锥长度等变量，激光光束整形可调节光斑范围大。
(5)本实用新型可通过多个整形单元的串联进行连续的激光整形，更为便捷的达到预期整形效果。
附图说明
图1是多锥非对称光束整形单元结构图，其中1-整形单元，11-光输入结构，111-光输入结构正常端口，112-光输入结构小口径端口，12-光输出结构，121-光输出结构正常端口，122-光输出结构小口径端口。
图2是光束在整形单元中的传输示意图。
图3是锥形光纤模场分布变化示意图。
图4是多锥非对称光束整形器件结构图(含两个整形单元)，除包括1-整形单元外，还包括2-第二整形单元，其中21-第二整形单元的光输入结构，211-第二整形单元的光输入结构正常端口，212-第二整形单元的光输入结构小口径端口，22-第二整形单元的光输出结构，221-第二整形单元的光输出结构正常端口，222-第二整形单元的光输出结构小口径端口。
图5是多锥非对称光束整形器件结构图。
图6(1)、图6(2)分别为激光光束经多锥非对称光束整形器件整形前、后的光斑分布示意图。
具体实施方式
实施例1：一种多锥光纤非对称光束整形器件(由一个整形单元、两根单锥光纤熔接组成，如图1所示)
光输入结构(11)采用光纤类型为纤芯/包层：20/400μm，数值孔径NA1:0.06光纤双包层结构；
光输出结构(12)采用光纤类型为纤芯/包层：30/250μm，数值孔径NA2:0.12光纤双包层结构；
其中光输入结构(11)光纤一端经过氢氧焰拉锥处理，控制拉锥长度L1为20mm，为小口径端口(112)，包层直径D1为240μm，另外一端保持不变为正常端口(111)；光输出结构(12)光纤一端经过氢氧焰拉锥处理，控制拉锥长度L2为5mm，形成小口径端口(122)，包层直径D2为242μm，另外一端保持不变为正常端口(121)，D1-D2为-2μm。光输入结构(11)小口径端口(112)单锥结构的控制拉锥比为2.4-2.6，拉锥角为20-30′，光输出结构(12)小口径端口(122)单锥结构的控制拉锥比为2.4-2.6，拉锥角为20-30′。
通过将光输入结构小口径端口(112)与光输出结构小口径端口(122)通过熔接在一起后，即形成了多锥光纤非对称光束整形器件，激光光束从光输入结构正常端口(111)通入，光输出结构正常端口(121)输出整形激光光束。
测试效果：将上述整形器件应用于3000W光纤谐振腔，实测激光信号透过率为98％，损耗仅为2％，激光光束因子M2变化：由M2X:1.41/M2Y:1.47增加至M2X:5.60/M2Y:5.67。激光光束整形前后如图6(1)和图6(2)所示，光束整形前能量分布为高斯分布，整形后能量分布为较为均匀的环形分布。
实施例2：一种多锥光纤非对称光束整形器件(由一个整形单元、一根光纤多次拉锥组成)
光输入结构(11)和光输出结构(12)采用同一根光纤，光纤类型为纤芯/包层：25/625μm，数值孔径NA为0.08光纤双包层。
其中光输入结构(11)光纤一端经过氢氧焰拉锥处理，拉锥长度L1为8mm，为小口径端口(112)，包层直径D1为28.5μm，另外一端保持不变为正常端口(111)；光输出结构(12)光纤一端经过氢氧焰拉锥处理，控制拉锥长度L2为5mm，形成小口径端口(122)，包层直径D2为28.5μm，另外一端保持不变为正常端口(121)，D1-D2为0μm。通过控制拉锥长度和拉锥直径控制拉锥比和拉锥角参数如下：光输入结构(11)小口径端口(112)单锥结构的控制拉锥比为22，拉锥角为2.2°，光输出结构(12)小口径端口(122)单锥结构的控制拉锥比为22，拉锥角为3.4°。
多锥光纤非对称光束整形器件，激光光束从光输入结构正常端口(111)通入，光输出结构正常端口(121)输出整形激光光束。
测试效果：将上述整形器件应用于3000W光纤谐振腔，实测激光信号透过率为97.8％，损耗仅为2.2％，激光光束因子M2变化：由M2X:1.65/M2Y:1.57增加至M2X:8.97/M2Y:8.62。
实施例3：一种多锥光纤非对称光束整形器件(由2个整形单元、三根光纤多次拉锥组成，此方案中出现多个单锥熔接，前一整形单元的光输出结构光纤拉锥后作为后续整形单元的光输入结构实现连续整形，如图4所示)。
第一整形单元的光输入结构(11)采用光纤纤芯/包层：20/400μm，数值孔径NA1:0.08光纤双包层；
第一整形单元的光输出结构(12)采用光纤纤芯/包层：50/400μm，数值孔径NA2:0.12光纤双包层；
第二整形单元的光输入结构(21)采用光纤同上述第一整形单元的光输出结构(12)所用光纤；
第二整形单元的光输出结构(22)采用光纤纤芯/包层：50/70/360μm，数值孔径NA2’：0.22光纤三包层。
第一整形单元的光输入结构(11)经过氢氧焰拉锥处理，拉锥长度L1为18㎜，为小口径端口(112)，包层直径D1为200μm，控制其拉锥比为22，拉锥角为2.2°，另外一端保持不变为正常端口(111)；第一整形单元的光输出结构(12)光纤一端经过氢氧焰拉锥处理，拉锥长度L2为10㎜，形成小口径端口(122)，包层直径D2为200μm，控制其拉锥比为22，拉锥角为3.4°。
第二整形单元的光输入结构(21)光纤一端经过氢氧焰拉锥处理，拉锥长度L1’为65㎜，为小口径端口(212)，包层直径D1’为150μm，另外一端保持不变为正常端口(211)；第二整形单元的光输出结构(22)光纤一端经过氢氧焰拉锥处理，拉锥长度L2’为15㎜，形成小口径端口(222)，包层直径D2’为180μm。
多锥光纤非对称光束整形器件，激光光束从第一整形单元的光输入结构正常端口(111)通入，第二整形单元的正常端口(221)输出整形激光光束。
测试效果：将上述整形器件应用于3000W光纤谐振腔，实测激光信号透过率为96.9％，损耗仅为3.1％，激光光束因子M2变化：由M2X:1.55/M2Y:1.48增加至M2X:9.86/M2Y:10.47。
实施例4：一种多锥光纤非对称光束整形器件(由一个整形单元、两根单锥熔接组成)
光输入结构(11)采用光纤类型为纤芯/包层：30/250μm，数值孔径NA1:0.06光纤双包层结构；
光输出结构(12)采用光纤类型为纤芯/包层：50/400μm，数值孔径NA2:0.12光纤双包层结构；
其中光输入结构(11)光纤一端经过氢氧焰拉锥处理，控制拉锥长度L1为90mm，为小口径端口(112)，包层直径D1为180μm，另外一端保持不变为正常端口(111)；光输出结构(12)光纤一端经过氢氧焰拉锥处理，控制拉锥长度L2为8mm，形成小口径端口(122)，包层直径D2为250μm，另外一端保持不变为正常端口(121)，D1-D2为-70μm。光输入结构(11)小口径端口(112)单锥结构的控制拉锥比为1.40，拉锥角为1-2′，光输出结构(12)小口径端口(122)单锥结构的控制拉锥比为1.60，拉锥角为32-35′。
通过将光输入结构小口径端口(112)与光输出结构小口径端口(122)通过熔接在一起后，即形成了多锥光纤非对称光束整形器件，激光光束从光输入结构正常端口(111)通入，光输出结构正常端口(121)输出整形激光光束。
测试效果：将上述整形器件应用于3000W光纤谐振腔，实测激光信号透过率为95％，损耗仅为5％，激光光束因子M2变化：由M2X:1.40/M2Y:1.44增加至M2X:5.54/M2Y:5.60。
实施例5：一种多锥光纤非对称光束整形器件(由一个整形单元、一根光纤多次拉锥组成)
光输入结构(11)和光输出结构(12)采用同一根光纤，光纤类型为纤芯/包层：50/400μm，数值孔径NA为0.12光纤双包层。
其中光输入结构(11)光纤一端经过氢氧焰拉锥处理，拉锥长度L1为8mm，为小口径端口(112)，包层直径D1为200μm，另外一端保持不变为正常端口(111)；光输出结构(12)光纤一端经过氢氧焰拉锥处理，控制拉锥长度L2为5mm，形成小口径端口(122)，包层直径D2为170μm，另外一端保持不变为正常端口(121)，D1-D2为30μm。通过控制拉锥长度和拉锥直径控制拉锥比和拉锥角参数如下：光输入结构(11)小口径端口(112)单锥结构的控制拉锥比为2，拉锥角为43-45′，光输出结构(12)小口径端口(122)单锥结构的控制拉锥比为2.4，拉锥角为79-83′。
多锥光纤非对称光束整形器件，激光光束从光输入结构正常端口(111)通入，光输出结构正常端口(121)输出整形激光光束。
测试效果：将上述整形器件应用于3000W光纤谐振腔，实测激光信号透过率为95.8％，损耗仅为4.2％，激光光束因子M2变化：由M2X:1.60/M2Y:1.54增加至M2X:8.92/M2Y:8.53。
本实用新型并不局限于前述的具体实施方式。上述实施例并不应视为限制本实用新型的范围。本领域的技术人员在阅读并理解了前述详细说明的同时，可以进行修改和变化。具体的保护范围应以权利要求书为准。
Claims (10)
1.一种多锥非对称光束整形器件，其特征在于，包含N个整形单元，
所述的整形单元包含光输入结构、光输出结构，所述的光输入结构两端分别为正常端口和小口径端口，所述的光输出结构两端分别为正常端口和小口径端口，所述的光输入结构小口径端口与所述的光输出结构小口径端口连接，所述的光输入结构小口径端口和所述的光输出结构小口径端口均为单锥结构，所述的输出结构小口径端口的锥长L2小于输入结构小口径端口的锥长L1；
所述的光输入结构的数值孔径NA1和所述的光输出结构数值孔径NA2，NA1≤NA2；
所述的整形单元之间的连接方式为串联，上级整形单元光输出结构的正常端口与下级整形单元光输入结构的正常端口相连；
所述的N为大于等于1的整数。
2.如权利要求1所述的多锥非对称光束整形器件，其特征在于，所述的整形器件由M根光纤组成，1≤M≤2N，M为整数。
3.如权利要求2所述的多锥非对称光束整形器件，其特征在于，所述光纤采用至少有两层波导结构大模场双包层光纤，内层波导结构的折射率高于外层波导结构的折射率。
4.如权利要求2所述的多锥非对称光束整形器件，其特征在于，所述的光纤之间连接方式为熔融连接。
5.如权利要求1所述的多锥非对称光束整形器件，其特征在于，所述的光输入结构小口径端口单锥结构锥角为0-3°，所述的光输出结构小口径端口单锥结构锥角为30′-5°。
6.如权利要求1所述的多锥非对称光束整形器件，其特征在于，所述的光输入结构小口径端口单锥结构拉锥比为1-25，光输出结构小口径端口单锥结构拉锥比1-25。
7.如权利要求1所述的多锥非对称光束整形器件，其特征在于，所述的光输入结构小口径端口内直径为D1，所述的光输出结构小口径端口内直径为D2，-150≤D1-D2≤30μm。
8.如权利要求1所述的多锥非对称光束整形器件，其特征在于，所述的光输入结构小口径端口单锥结构锥长L1与所述的光输出结构小口径端口单锥结构锥长L2保持0＜L1-L2≤90mm。
9.如权利要求2所述的多锥非对称光束整形器件，其特征在于，所述的M值≥2时，光输入结构小口径端口外直径为D1，所述的光输出结构小口径端口外直径为D2，-100≤D1-D2≤2μm。
10.如权利要求1所述的多锥非对称光束整形器件，其特征在于，所述的光输入结构小口径端口单锥结构采用均匀拉锥过渡方法，所述的光输出结构小口径端口单锥结构采用大拉锥角拉锥方法。
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