CN215416127U - 激光准直器及激光系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例提供一种激光准直器及激光系统。其中，激光准直器包括：光纤部件、第一透镜及第二透镜；光纤部件包括光纤及毛细管，所述光纤的至少部分位于所述毛细管中；第一透镜位于所述光纤部件的光信号输出侧；第二透镜位于所述第一透镜的光信号输出侧；所述光纤的位于所述毛细管内的光纤段上设有光纤包层表面毛化结构。本实用新型实施例提供的技术方案，在不影响光纤包层保护光纤纤芯的前提下，采用光纤包层表面毛化结构，减少了光纤包层杂散光对出射光束质量的影响，提高了出射光束的质量。

Description

激光准直器及激光系统

技术领域

本实用新型涉及激光设备技术领域，尤其涉及一种激光准直器及激光系统。

背景技术

高功率光纤激光器广泛应用于部件打标、钻孔、切割焊接、清洗和医疗手术等方面。激光器的输出功率越高，对准直器的要求越高。为了能够增大准直器的激光功率承受能力，一般会选用大纤芯直径的光纤作为传输介质。然而，光纤直径的增大又导致光的传输模式增多，增加了杂散光的相互干扰，降低了激光准直器输出光束的质量。

实用新型内容

本实用新型提供一种激光准直器及激光系统，以提高输出光束的质量。

在本实用新型的一个实施例中，提供了一种激光准直器。该激光准直器，包括：光纤部件、第一透镜及第二透镜。其中，光纤部件包括光纤及毛细管，所述光纤的至少部分位于所述毛细管中。第一透镜位于所述光纤部件的光信号输出侧。第二透镜位于所述第一透镜的光信号输出侧。所述光纤的位于所述毛细管内的光纤段上设有光纤包层表面毛化结构。

可选的，所述激光准直器还包括套管；所述光纤部件、所述第一透镜及所述第二透镜设置在所述套管内；设置有所述光纤部件、所述第一透镜及所述第二透镜的所述套管内，具有封闭空间；所述封闭空间内含有对光能量吸收系数低于空气的气体。具体的，所述气体可以为氮气。

可选的，所述毛细管上具有至少两个孔；所述气体经所述至少两孔中的部分孔注入；所述至少两个孔的各孔处设有密封胶。

可选的，所述光纤包括首尾连接的第一段光纤和第二段光纤；其中，所述第二段光纤位于所述毛细管内；所述第一段光纤的一部分位于所述毛细管内，另一部分位于所述毛细管外；其中，所述第一段光纤的位于所述毛细管内的部分为内部区段，所述内部区段上设有所述光纤包层表面毛化结构。

可选的，所述内部区段的中间区域设有所述光纤包层表面毛化结构。

可选的，所述第一段光纤的位于所述毛细管外的外部区段，以及所述内部区段的位于所述毛细管管口处的部分，具有包覆在光纤包层外的光纤涂覆层。

可选的，所述第一透镜为双凹透镜；所述双凹透镜具有通孔，所述通孔的孔轴与所述双凹透镜的中心光轴、所述光纤部件的轴线重合。

可选的，所述第二透镜为格林透镜；所述格林透镜的入射端面为斜面，并设有增透膜；所述格林透镜的出射端面为平面，并设有增透膜；所述光纤部件的朝向所述第一透镜的端面为斜面，并与所述格林透镜的入射端斜面相匹配。

本实用新型的另一个实施例中，提供了一种激光系统。该激光系统，包括：激光器及激光准直器。其中，激光器的输出端与所述激光准直器的输入端连接；所述激光准直器可采用上述实施例提供的结构实现。

本实用新型实施例提供的技术方案中，激光准直器包括光纤、毛细管、第一透镜及第二透镜等，光纤的至少部分位于毛细管中；光信号经光纤传播至第一透镜，再透过第一透镜及第二透镜出射出去；其中，光纤的位于所述毛细管内的光纤段上设有光纤包层表面毛化结构，使得包层光不满足光纤波导的全反射条件，从光纤包层表面毛化结构处泄露出来，进而达到包层光的滤除效果，在不影响光纤包层保护光纤纤芯的前提下，减少了光纤包层杂散光对出射光束质量的影响，提高了出射光束的质量。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型一实施例提供的激光准直器的结构示意图；

图2为图1中圆圈部分的局部放大示意图；

图3示出了本实用新型实施例提供的激光准直器中双凹透镜的结构示意图；

图4为图3所示视图的右视图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。下文描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

现有技术中，制作高功率准直器的主流技术都是先制作光纤端帽，然后和C-lens(球面透镜)进行准直输出，未对准直器的包层光进行处理。当激光功率加大后包层杂散光增多，易对激光系统的稳定性造成影响，进而影响激光系统的最终使用效果。为此，本实用新型提供了如下实施例。

参见图1所示，所述激光准直器包括：光纤部件、第一透镜4及第二透镜5等。其中，光纤部件包括光纤1及毛细管3。所述光纤1的至少部分位于所述毛细管3中。第一透镜4位于所述光纤部件的光信号输出侧102。第二透镜5位于所述第一透镜4的光信号输出侧。所述光纤1的位于所述毛细管3内的光纤段上设有光纤包层表面毛化结构2。参见图1所示，光纤部件的光信号输入侧为图1中标号101所指的一侧。

光纤的纤芯外面包围一层折射率比纤芯低的封套(如玻璃封套)，该封套被称为光纤包层。光纤包层使得光纤的纤芯保持在其内。光线在纤芯传送，当光线射到纤芯和外层界面的角度大于产生全反射的临界较时，光线透不过界面会全部反射回来继续在纤芯内向前传送，而光纤包层主要起到保护的作用。本实施例在具体实施时，可采用腐蚀、激光标刻等方式对光纤1的光纤包层进行毛化处理后，得到形成在光纤包层表面上的光纤包层表面毛化结构2，如图2所示的局部放大示意图。光纤包层毛化处理，使得包层光不满足光纤波导的全反射条件，从光纤包层表面毛化结构处泄露出来，达到包层光的滤除效果，以降低包层光对激光系统的稳定性的影响，提高输出光束的质量。

在一种可实现的技术方案中，本实施例提供的所述光纤1可由两段光纤组成。如图1所示的结构，所述光纤1包括首尾连接的第一段光纤11和第二段光纤12。所述第一段光纤11的远离所述第二段光纤12的一端为所述光信号输入侧101，所述第二段光纤12的远离所述第一段光纤11的一端为所述光信号输出侧102。所述第二段光纤12位于所述毛细管3内。具体的，所述第二段光纤12的端面与所述毛细管3的端面平齐，作为光纤部件的输出端。所述第一段光纤11的端面与所述毛细管3的端面可平齐，也可不平齐，本实施例不作限定。所述第一段光纤11的一部分位于所述毛细管3内，另一部分位于所述毛细管3外。所述第一段光纤11的位于所述毛细管3内的部分为内部区段，所述内部区段上设有所述光纤包层表面毛化结构2。

具体的，第一段光纤11的内部区段的中间区域设有所述光纤包层表面毛化结构2。

本实施例中的所述第一段光纤11的光纤包层外部还具有光纤涂覆层，图1中未采用相应标号标出。参见图1所示的结构，可将第一段光纤11的一部分区段的光纤涂覆层去除后，采用腐蚀或激光标刻的方式对暴露出的光纤包层进行毛化处理，然后与第二段光纤12熔接后固定在毛细管3中，制成光纤部件(或称为光纤端帽)。即如图1所示，所述第一段光纤11的位于所述毛细管3外的外部区段，以及所述内部区段的位于所述毛细管3管口处的部分，具有包覆在光纤包层外的光纤涂覆层。从图1上来看，第一段光纤11的伸出毛细管3外的那段，以及位于毛细管3管口处的那一小段，保留了光纤涂覆层；第一段光纤11的剩余部分的光纤涂覆层被剥除，并在暴露出的光纤包层进行了局部毛化处理。

其中，所述第一段光纤11可为无源光纤，如大芯径、高功率的无源光纤。所述第二段光纤12可为无芯光纤。所述无芯光纤的直径与所述无源光纤的光纤包层直径相等或相近。采用相等或相近的直径，是为了便于熔接；无芯光纤与无源光纤在熔接时更好对轴，以减少熔接损耗，提高熔接质量。

继续参见图1所示的实施例，毛细管3的管口(靠近光纤1的光信号输入侧101)可为喇叭口，方便固定在一起的第一段光纤和第二段光纤穿入。

在散热方面，由于激光准直器体积小，不便于进行常规的水冷或其它风冷的设计。因此，本实施例中在激光准直器中充入气体，该气体对光能量的吸收系数低于空气对光能量的吸收系数，例如，该气体可以是氮气。即本实施例所述的激光准直器还包括套管。所述光纤部件、所述第一透镜4及所述第二透镜5设置在所述套管内；设置有所述光纤部件、所述第一透镜4及所述第二透镜5的所述套管内，具有封闭空间；所述封闭空间内含有对光能量吸收系数低于空气的气体。因为，激光准直器的封闭空间内含有的气体对光能量的吸收系数是低于空气的，所以可起到散热的效果，减少热透镜效应，从而能够保障激光准直器输出更高质量的激光束。

例如，毛细管3上设有至少两个孔，气体经所述至少两个孔中的部分孔注入；在注入一段时间后停止，在所述至少两个孔的各孔处设置密封胶。

一种更为具体的可实施的方案是，在毛细管3上下设置对称的孔，氮气从上面的孔通入，通入一段时间后停止，然后先对下面的孔点胶密封，最后密封上面通孔。也就是说，本实施例中毛细管3具有两个孔，这两个孔对置，且在完成气体的填充后，这两个孔处均设置有密封胶。

进一步的，如图1所示的实施例，所述套管可包括玻璃管6和金属管7。光纤部件、第一透镜4及第二透镜5位于玻璃管6内。该玻璃管6可以是石英玻璃管。玻璃管6的内径与毛细管3的外径、第一透镜的外径以及第二透镜的外径一致。玻璃管6可套在金属管7内。金属管7可选用导热性能好的金属材料。金属管7的内径与玻璃管6的外径一致。

毛细管3与玻璃管6、第一透镜4与玻璃管6、第二透镜5与玻璃管6、以及玻璃管6与金属管7，均可使用胶粘的方式连接。例如，毛细管3与玻璃管6、第一透镜4与玻璃管6、第二透镜5与玻璃管6、以及玻璃管6与金属管7，均采用导热性环氧树脂胶粘在一起。

如上文中提及的现有技术中的激光准直器，采用光纤端帽和C-lens(球面透镜)的结构实现。现有的激光准直器结构，会存在回返光；而且激光的功率越高，回返光会越强；回返光过大极易对激光系统造成损伤。为解决回返光的问题，本实施例中在光纤部件与第二透镜5之间，增设的了所述第一透镜4，如图1、图3和图4所示，该第一透镜4为双凹透镜。双凹透镜的两个相反的凹面，能够增大回返光的反射角，避免回返光对光纤的不良影响。所述双凹透镜具有通孔41，所述通孔41的孔轴与所述双凹透镜的中心光轴、所述光纤部件(即光纤1)的轴线重合。进一步的，所述双凹透镜的中心光轴、所述光纤部件的轴线以及第二透镜的轴线重合。光纤部件输出的光信号通过双凹透镜的通孔41向第二透镜传送，相当于光信号在激光准直器内的气体(如氮气)中传播，因光信号能量损耗小，所以可不考虑能量损耗。

如图1所示的实施例，所述双凹透镜的通孔41的直径可大于光纤部件的直径，这样光纤部件输出的光信号可顺利的通过双凹透镜的通孔41至第二透镜5，并透过第二透镜5出射出去。第二透镜5在光传输过程中，存在回返光的现象。双凹透镜的凹面可增大回返光的反射角度，减少回返光对光纤的影响，继而提高激光使用的安全性。也就是说，双凹透镜的两侧凹面的面积越大，对回返光的发射效率越高。因此，双凹透镜的通孔41大小的确定规则可以简单理解为：能实现光纤部件输出的光信号顺利通过所述通孔41的基础之上，尽可能保证双凹透镜的两侧凹面具有较大的面积。

如图1所示，光纤部件与双凹透镜之间，以及双凹透镜与第二透镜5之间可间隔有一定的距离，该距离可根据设计需要进行设定，本实施例对此不作具体限定。

另外，现有技术中主流是使用C-lens(球面透镜)。本实施例中的所述第二透镜为格林透镜(即G-lens)。如图1所示的实施例，所述格林透镜的入射端面为斜面，并设有增透膜(图中未示出)。所述格林透镜的出射端面为平面，并设有增透膜(图中未示出)。所述光纤部件的朝向所述第一透镜4的端面为斜面，并与所述格林透镜的入射端斜面相匹配。即，光纤部件的朝向所述第一透镜4的斜面与所述格林透镜的入射端斜面，倾斜方向及倾斜角度相同；从图1中来看，光纤部件的朝向所述第一透镜4的斜面与所述格林透镜的入射端斜面平行。这里需要补充的是：光纤部件的朝向所述第一透镜4的斜面，从图1可以看出，该斜面是由第二段光纤12的端面及毛细管3的端面构成。

这种，将光纤部件的朝向所述第一透镜4的端面设置为斜面，将第二透镜的入射端设置为斜面，且两个斜面平行的方案，能够进一步增大回返光的反射角度，避免回返光的不良影响。

其中，格林透镜的入射端面及出射端面设置的增透膜，可以是高损伤阀值增透膜。增透膜的作用，提高光信号的传输能力，同时还可降低回返光强度，减弱回返光的不利影响。

综上，本实用新型提供的技术方案具有但不限于如下的有益效果：

1、位于毛细管内的光纤段的光纤包层表面具有光纤包层表面毛化结构，光纤包层表面毛化结构可将包层光溢出，减少包层光，从而提高输出光束的质量。

2、激光准直器的毛细管内具有对光能量吸收系数低于空气的气体，如氮气，可减少对光能量的吸收，从而降低准直器的热量，减少热透镜效应。

3、在光纤部件与第二透镜之间增加了双凹透镜，提高了激光准直器对回返光的处理能力，有效地保护了系统的稳定性和安全性。

4、将现有技术中使用的C-lens更换为G-lens(即第二透镜)，在设计上减少了光程差，从而保证光斑的光束质量，保障光束的持续稳定输出。

本实用新型还提供了一种激光系统。该激光系统包括激光器及激光准直器。其中，激光器用于输出激光信号，所述激光器的输出端与所述激光准直器的输入端连接。具体的，所述激光准直器可采用上述实施例中描述的结构实现，具体内容可参见上文中的内容，此处不作赘述。

参见图1所示的实施例，激光准直器的输入端，即光纤部件的光信号输入侧101。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，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实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种激光准直器，其特征在于，包括：

光纤部件，包括光纤及毛细管，所述光纤的至少部分位于所述毛细管中；

第一透镜，位于所述光纤部件的光信号输出侧；以及

第二透镜，位于所述第一透镜的光信号输出侧；

其中，所述光纤的位于所述毛细管内的光纤段上设有光纤包层表面毛化结构。

2.根据权利要求1所述激光准直器，其特征在于，还包括套管；

所述光纤部件、所述第一透镜及所述第二透镜设置在所述套管内；

设置有所述光纤部件、所述第一透镜及所述第二透镜的所述套管内，具有封闭空间；

所述封闭空间内含有对光能量吸收系数低于空气的气体。

3.根据权利要求2所述的激光准直器，其特征在于，所述气体为氮气。

4.根据权利要求2所述的激光准直器，其特征在于，所述毛细管上具有至少两个孔；

所述气体经所述至少两孔中的部分孔注入；

所述至少两个孔的各孔处设有密封胶。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的激光准直器，其特征在于，所述光纤包括首尾连接的第一段光纤和第二段光纤；其中，

所述第二段光纤位于所述毛细管内；

所述第一段光纤的一部分位于所述毛细管内，另一部分位于所述毛细管外；

其中，所述第一段光纤的位于所述毛细管内的部分为内部区段，所述内部区段上设有所述光纤包层表面毛化结构。

6.根据权利要求5所述的激光准直器，其特征在于，所述内部区段的中间区域设有所述光纤包层表面毛化结构。

7.根据权利要求5所述的激光准直器，其特征在于，所述第一段光纤的位于所述毛细管外的外部区段，以及所述内部区段的位于所述毛细管管口处的部分，具有包覆在光纤包层外的光纤涂覆层。

8.根据权利要求1至4中任一项所述的激光准直器，其特征在于，所述第一透镜为双凹透镜；

所述双凹透镜具有通孔，所述通孔的孔轴与所述双凹透镜的中心光轴、所述光纤部件的轴线重合。

9.根据权利要求8所述的激光准直器，其特征在于，所述第二透镜为格林透镜；

所述格林透镜的入射端面为斜面，并设有增透膜；

所述格林透镜的出射端面为平面，并设有增透膜；

所述光纤部件的朝向所述第一透镜的端面为斜面，并与所述格林透镜的入射端斜面相匹配。

10.一种激光系统，其特征在于，包括

激光器、以及

上述权利要求1至9中任一项所述的激光准直器；

其中，所述激光器的输出端与所述激光准直器的输入端连接。

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