TWI723942B

TWI723942B - 高功率全光纖式抗反射裝置

Info

Publication number: TWI723942B
Application number: TW109130337A
Authority: TW
Inventors: 林建宏
Original assignee: 國家中山科學研究院
Priority date: 2020-09-02
Filing date: 2020-09-02
Publication date: 2021-04-01
Also published as: TW202210884A

Abstract

本發明係提供一種高功率全光纖式抗反射裝置包括：一傳遞光纖，以及一雷射系統光纖，係藉由熱處理方式將該雷射系統光纖之一端對熔連接於該傳遞光纖之一端，其中該雷射系統光纖之纖芯孔徑與該傳遞光纖之纖芯孔徑相異，因而令大部份回饋反射雷射光進入雷射系統光纖內包覆層，再藉由包覆層能量去除器濾除，達到抗反射光效果。

Description

高功率全光纖式抗反射裝置

本發明係關於一種高功率全光纖式抗反射裝置，特別是關於使用兩種不同大小纖芯尺寸之高功率全光纖式抗反射裝置。

傳統習知雷射抗反射手段為：(1)抗反射鍍鏌技術(anti-reflection coating)(例：EP1728817A1)、(2)光隔離器(isolator method)(例：US20110222573A1)、(3)分光裝置(beam splitting apparatus)(例：US4797696)、以及(4)加工光學鏡頭設計(例：US2012152918A1)。詳細說明如下：(1)抗反射鍍膜技術，使用光學介電多層鍍膜技術，達到抗反射光的效果，目前隨著鍍膜技術提升，抗反射光效率可達到小於千分一。(2)光隔離器，一般常用於低功率光纖雷射系統，用以濾除反射回饋的雷射光。(3)分光裝置，使用雷射光徧振的光學特性，令不同的徧振方向雷射藉由分光元件，沿著預設路徑前進，反之，也可令反射雷射光沿著設計好的光路徑前進，並加以去除。(4)加工光學鏡頭設計，透過加工光學鏡頭光學光路設計，將反射雷射光導引至別處，再加光圈元件去除。

特殊幾何石英輸出頭設計(US9360643)：前案發明主要是提出一無需通水的石英輸出頭(Quartz block head)設計，一般的商售的石英輸出頭，依據不同使用功率，分為通水式和無通水式設計。在石英輸出頭設計出特殊的幾何形狀及機構搭配，達到無需通水散熱輸出頭設計。

應用熔接多模光纖方法放大單模光纖場模分佈(US7280734B2)：前案發明主要是提出在單模光纖雷射系統之輸出光纖熔接一段多模光纖，在多模輸出端口做拋光和抗反射鍍膜。單模光纖小孔徑輸出光束傳遞至大孔徑多模光纖，與外部份裝置結合，具有較低的光損耗。

光纖雷射之輸出端口結構(US7409122)：前案發明主要是提出在光纖雷射輸出端口熔接一段無纖芯光纖(coreless fiber)，並且提出在無纖芯光纖外圍處包覆一層高折射率高分子材質，用以濾除來自於無纖芯光纖端口表面的反射雷射光源。

以下將說明傳統習知雷射抗反射手段之缺失或遇到之問題：(1)抗反射鍍膜技術，一般已應用於高功率光纖雷射系統之輸出加工頭，但是由於在抗反射鍍膜光學設計上，反射光的入射角度有一定範圍的限制，不容易濾除大角度的散射光源。另外，以千分之一的抗反射鍍膜效率而言，在百瓦級以上的光纖雷射系統加工應用上，還是無法完全去除回饋反射雷射光訊號。(2)光隔離器，主要是使用光學元件組合，目前可使用的光隔離器接近100W，不適合百瓦級以上的光纖雷射系統。(3)分光裝置，與光隔離器概念有點類似，使用光學元件組合，經由分光元件分光後，還必須耦合至輸出光纖中，光路複雜、維護不易。(4)加工光學鏡頭設計，一般為加工機台廠商必須考量的設計，但是對於高功率光纖雷射金屬加工而言，由於金屬反射和散射雷射光功率高，和無法預測性，因此，只能提供第一層次的回饋反射光去除功用。

特殊幾何石英輸出頭設計(US9360643)：前案發明主要是提供光纖雷射系統無需通水散熱輸出元件，還具有抗反射光功能，但由於金屬加工中強的散射雷射光，只有石英輸出頭元件是無法百分之百地濾除，只能提供第二層次的回饋反射光去除功用。

應用熔接多模光纖方法放大單模光纖場模分佈(US7280734B2)：前案發明主要著重解決單模光纖雷射系統場模分佈問題，並且只靠抗反射鍍膜，處理反射雷射光源，沒有考慮到實際應用，是需要與一輸出光纖頭對熔對接，此時端口的抗反射鍍膜，並不存在，無法有效地濾除回饋雷射光源。

光纖雷射之輸出端口結構(US7409122)：前案發明所使用的無纖芯光纖方法，一般常見於光纖雷射系統應用，用以降低雷射光強度，提高光纖雷射系統的可靠度。但是只適合小於百瓦級功率光纖雷射系統加工應用，原因有兩點，第一點為前案發明提到降低反射雷射光方法，是使用高折射率高分子材料，一般高分子材料所能承受的功率有限，玻璃轉換溫度(Tg)約為100度，不適合高功率光纖雷射加工使用。第二點，在高功率光纖雷射輸出頭，一般就會熔上一小段較大孔徑石英玻璃，配合準直透鏡，輸出光束，因此在實際應用上無需再熔接一段無纖芯光纖。

高功率光纖雷射系統一般應用於金屬加工，例如：金屬切割、焊接、熔覆等製程，在加工上，常因加工過程中，在金屬件表面產生很強的反射雷射光，回饋至雷射系統，進而造成雷射系統失效。

緣是，發明人有鑑於此，秉持多年該相關行業之豐富設計開發及實際製作經驗，針對現有之結構及缺失予以研究改良，提供一種高功率全光纖式抗反射裝置，以期達到更佳實用價值性之目的者。

鑒於上述悉知技術之缺點，本發明之主要目的在於提供一種高功率全光纖式抗反射裝置，此裝置為使用兩種不同大小纖芯尺寸，加上高功率光纖包覆層能量去除器，達到濾除雷射系統在加工過程中所產生的反射雷射光。

為了達到上述目的，根據本發明所提出之一方案，提供一種高功率全光纖式抗反射裝置，其包括：一傳遞光纖；以及一雷射系統光纖，係藉由熱處理方式將該雷射系統光纖之一端對熔連接於該傳遞光纖之一端；其中該雷射系統光纖之纖芯孔徑與該傳遞光纖之纖芯孔徑相異。

較佳地，傳遞光纖之纖芯孔徑可大於雷射系統光纖之纖芯孔徑。

較佳地，可進一步包括高功率光纖包覆層能量去除器，係以化學蝕刻法或雷射加工方法分別製作微奈米結構於雷射系統光纖之包覆層表面上及傳遞光纖之包覆層表面上。

較佳地，高功率光纖包覆層能量去除器，係可設置於雷射系統光纖及傳遞光纖對熔連接處附近。

較佳地，高功率光纖包覆層能量去除器之濾除率範圍可為5dB至20dB。

較佳地，雷射系統光纖可為大場模面積近單模光纖、多模光纖、或三層式多模光纖。

較佳地，雷射系統光纖之纖芯孔徑範圍可為8μm-105μm，雷射系統光纖之內包覆層直徑範圍可為125μm-900μm，雷射系統光纖之外包覆層直徑範圍可為250μm-1100μm。

較佳地，傳遞光纖可為大場模面積近單模光纖、多模光纖、或三層式多模光纖。

較佳地，傳遞光纖之纖芯孔徑範圍可為30μm-600μm，傳遞光纖之內包覆層直徑範圍可為 125μm-900μm，傳遞光纖之外包覆層直徑範圍可為250μm-1500μm。

較佳地，雷射系統光纖之纖芯孔徑為30μm對應至傳遞光纖之纖芯孔徑為600μm時，抗反射率為最高為97.8%。

以上之概述與接下來的詳細說明及附圖，皆是為了能進一步說明本發明達到預定目的所採取的方式、手段及功效。而有關本發明的其他目的及優點，將在後續的說明及圖式中加以闡述。

1:雷射系統光纖

2:傳遞光纖

3:高功率光纖包覆層能量去除器

4:雷射光

5:反射雷射光

11、21:纖芯

12、13、14、22、23、24:包覆層

D_L、D_d:纖芯孔徑

第一圖係為本發明之高功率全光纖式抗反射裝置示意圖。

第二圖係為本發明之高功率全光纖式抗反射裝置之雷射系統光纖與傳遞光纖之橫截面積示意圖。

第三圖係為本發明之高功率全光纖式抗反射裝置之雷射系統光纖與傳遞光纖之橫截面積示意圖。

第四圖係為本發明之高功率全光纖式抗反射裝置之雷射光及反射雷射光之路徑示意圖。

第五圖係為本發明之高功率全光纖式抗反射裝置之回饋反射光能量計算結果圖及抗反射率計算結果圖。

以下係藉由特定的具體實例說明本發明之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本創作之優點及功效。

請參閱第一圖至第四圖，本發明在於提供一種高功率全光纖式抗反射裝置設計，應用較小孔徑纖芯11之雷射系統光纖1與一較大孔徑纖芯21之傳遞光纖2對熔，兩者皆具有高功率光纖包覆層能量去除器3，當反射雷射光5經由傳遞光纖2接收後，進入雷射系統光纖1，由於兩者光纖纖芯11、21面積的差異，可令大部份反射雷射光5進入雷射系統光纖1之內包覆層12，再藉由高功率光纖包覆層能量去除器3濾除，達到抗反射光效果，進一步保護高功率光纖雷射系統。

更詳言之，本發明構想為提出新型的高功率光纖雷射係統之全光纖式抗反射裝置；裝置具有全光纖式、無需對光、以及無需額外的光學元件等優點。本裝置為使用兩種相異光纖纖芯11、21尺寸，加上高功率光纖包覆層能量去除器3(cladding power striper,CPS)，達到濾除雷射系統在加工過程中所產生的反射雷射光5，可做為雷射系統最後一層保護裝置。雷射系統光纖1可為大場模面積(Large mode area)近單模光纖、多模光纖、或三層式多模光纖，在本實施方式中，雷射系統光纖1之纖芯孔徑D_L小於30μm一般稱之為大場模面積近單模光纖雷射系統，多模光纖則具有纖芯11及包覆層14，三層式多模光纖則具有纖芯11及內包覆層12、外包覆層 13，而傳遞光纖2亦可為大場模面積近單模光纖、多模光纖、或三層式多模光纖。在本實施方式中，傳遞光纖2之纖芯孔徑D_d小於50μm一般稱之為大場模面積近單模光纖，多模光纖則具有纖芯21及包覆層24，三層式多模光纖則具有纖芯21及內包覆層22、外包覆層23。

請繼續參閱第一圖至第四圖，本發明提出一種高功率全光纖式抗反射裝置設計，此裝置為兩種尺寸相異的光纖纖芯11、21、以及高功率光纖包覆層能量去除器3所構成，應用較小孔徑纖芯11之雷射系統光纖1與一較大孔徑纖芯21之傳遞光纖2對熔，兩者皆具有高功率光纖包覆層能量去除器3。當回饋反射雷射光5經由加工鏡頭接收，傳送到光纖輸出元件，進入三層式傳遞光纖2中，這時回饋反射雷射光5會沿著纖芯21及內包覆層22、外包覆層23，進入雷射系統光纖1中，在纖芯21及內包覆層22的回饋反射雷射光5，一般是最難被去除，也是影響雷射系統穩定性的關鍵。使用本發明全光纖式抗反射裝置，由於光纖纖芯11、21面積的差異，可令大部份反射雷射光5，包含纖芯21及內包覆層22的回饋反射雷射光5，進入雷射系統光纖1之最外層包覆層13，達到改變反射雷射光5路徑之效果，再藉由高功率光纖包覆層能量去除器3濾除，達到抗反射光效果，進一步保護高功率光纖雷射系統目的。

在製作上，首先，在傳遞光纖2以及雷射系統光纖1之包覆層13、14、23、24表面上使用化學蝕刻法或是雷射加工方法，製作微奈米結構，作為高功率包覆層能量去除器3，用於破壞光纖內部全反射效果，濾除回饋反射雷射光5。高功率包覆層能量去除器3，可為獨立式元件，但是為了簡化元件複雜和體積，可在兩相異光纖熔接處附近製作高功率包覆層能量去除器3(例如：設置於雷射系統光纖1及傳遞光纖2對熔連接處附近)，而高功率光纖包覆層能量去除器3之濾除率範圍可為5dB至20dB。另外，可以在高功率包覆層能量去除器3表面安裝光檢偵測器，偵測回饋反射雷射光5之功率，並且可當作高功率光纖雷射系統安全保護機制之一。

在本實施方式中，雷射系統光纖1之纖芯孔徑D_L範圍可為8μm-105μm，雷射系統光纖1之內包覆層12直徑範圍可為125μm-900μm，雷射系統光纖1之外包覆層13直徑範圍可為250μm-1100μm。傳遞光纖2之纖芯孔徑D_d範圍可為30μm-600μm，傳遞光纖2之內包覆層22直徑範圍可為125μm-900μm，傳遞光纖2之外包覆層23直徑範圍可為250μm-1500μm。

以下，請參閱第五圖，第五圖係為本發明之高功率全光纖式抗反射裝置之回饋反射光能量計算結果圖及抗反射率計算結果圖。

在分析上，使用有限差分光束傳遞方法(Finite-Difference Beam Propagation Method,FD-BPM)數值模擬方法進行抗反射效率計算，計算上的光源角度分佈設定為介於0度到180度之間，主要是考慮到實際加工上，當雷射光4照射至金屬加工件上，所反射的雷射光，會以不同角度散射，最後被加工鏡頭所接收。由於無論是傳遞光纖2還是雷射系統光纖1，其數值孔徑(NA)一般皆為小於某一定值，例如：0.46或者0.22，只有符合數值孔徑範圍內的雷射光4，才能允許在傳遞光纖2和雷射系統光纖1兩者光纖中傳遞。

第五圖(a)為回饋反射光能量計算結果。其中黑色實心正方格曲線為當傳遞光纖2與雷射系統光纖1之纖芯孔徑D_L、D_d一樣條件下的計算結果，回饋反射光能量隨著纖芯孔徑D_L、D_d變大而增加，當纖芯孔徑D_L、D_d為400μm至600μm即有呈現飽和趨勢，此一數據定義為參考值。接著計算相異纖芯孔徑D_L、D_d條件下的回饋反射光能量，在設定上傳遞光纖2之纖芯孔徑D_d是大於雷射系統光纖1之纖芯孔徑D_L，三條計算曲線(實心圓形、實心正三角形、和實心倒三角形)，分別為雷射系統光纖1之纖芯孔徑D_L固定在(30μm,50μm,105μm)，對應至不同纖芯孔徑D_d的傳遞光纖2，回饋反射光能量隨著傳遞光纖2之纖芯孔徑D_d變大而減小，將所得到的數據與各對應的參考值相除，再乘上100%，即可得到抗反射率。

第五圖(b)為三種雷射系統光纖1之纖芯孔徑D_L(30μm,50μm,105μm)對應至不同纖芯孔徑D_d的傳遞光纖2 之抗反射率計算結果，雷射系統光纖1之纖芯孔徑D_L小於30μm(數值孔徑為0.06)一般稱之為大場模面積近單模光纖雷射系統，當雷射系統光纖1之纖芯孔徑D_L為30μm對應至600μm傳遞光纖2之纖芯孔徑D_d時，抗反射率為最高為97.8%，主要是纖芯孔徑D_L、D_d差異最大。而當雷射系統光纖1之纖芯孔徑D_L大於50μm(數值孔徑為0.22)為多模光纖雷射系統，如以50μm雷射系統光纖1之纖芯孔徑D_L接上傳遞光纖2之纖芯孔徑D_d大於200μm，抗反射率為大於80%。

綜上所述，一般百瓦級至高仟瓦光纖雷射系統，通常應用於金屬積層製造以及金屬加工製程，例如：金屬切割、焊接、熔覆等，由於金屬表面對於雷射光4有很強的反射率，雷射系統常因在加工金屬過程中產生的反射雷射光5，經由加工光學鏡頭接收，傳送至光纖輸出元件，最後回饋至雷射系統光纖1中。雖然加工光學鏡頭和光纖輸出元件一般會有抗反射設計，但是由於高功率光纖雷射系統主要是由全光纖元件所組成，尤其是主振盪放大系統，只要有少許的反射雷射源回饋至放大器中，很容易地造成反向訊號放大，進而造成雷射系統光纖1的不可逆的永久性毀損。本發明提出在一高功率全光纖式抗反射裝置，此裝置能有效地降低加工過程中的反射雷射光5。此外，此一裝置對於大角度的散射雷射光，具有較佳的濾除效果，可補足加工鏡頭抗反射鍍膜的不足。

上述之實施例僅為例示性說明本創作之特點及功效，非用以限制本發明之實質技術內容的範圍。任何熟悉此技藝之人士均可在不違背創作之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與變化。因此，本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。

1:雷射系統光纖

2:傳遞光纖

3:高功率光纖包覆層能量去除器

D_L、D_d:纖芯孔徑

Claims

一種高功率全光纖式抗反射裝置，其包括：一傳遞光纖；以及一雷射系統光纖，係藉由熱處理方式將該雷射系統光纖之一端對熔連接於該傳遞光纖之一端；其中該雷射系統光纖之纖芯孔徑與該傳遞光纖之纖芯孔徑相異，其中該雷射系統光纖為大場模面積近單模光纖、多模光纖、或三層式多模光纖；其中該雷射系統光纖之纖芯孔徑範圍為8μm-105μm，該雷射系統光纖之內包覆層直徑範圍為125μm-900μm，該雷射系統光纖之外包覆層直徑範圍為250μm-1100μm。
如申請專利範圍第1項所述之高功率全光纖式抗反射裝置，其中該傳遞光纖之纖芯孔徑大於該雷射系統光纖之纖芯孔徑。
如申請專利範圍第1項所述之高功率全光纖式抗反射裝置，進一步包括一高功率光纖包覆層能量去除器，係以化學蝕刻法或雷射加工方法分別製作微奈米結構於該雷射系統光纖之包覆層表面上及該傳遞光纖之包覆層表面上。
如申請專利範圍第3項所述之高功率全光纖式抗反射裝置，其中該高功率光纖包覆層能量去除器，係設置於該雷射系統光纖及該傳遞光纖對熔連接處附近。
如申請專利範圍第1項所述之高功率全光纖式抗反射裝置，其中該傳遞光纖為大場模面積近單模光纖、多模光纖、或三層式多模光纖。
如申請專利範圍第5項所述之高功率全光纖式抗反射裝置，其中該傳遞光纖之纖芯孔徑範圍為30μm-600μm，該傳遞光纖之內包覆層直徑範圍為125μm-900μm，該傳遞光纖之外包覆層直徑範圍為250μm-1500μm。