CN113140951B - 一种环形激光输出器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种环形激光输出器件，包括封装壳、填充物、输入光纤和输出光纤，输入光纤与输出光纤匹配相连并设置于封装壳内，且填充物对封装壳与输入光纤、输出光纤之间的区域进行填充；输出光纤包括输出纤芯、输出内包层和输出外包层，输出内包层、输出外包层依次套设于输出纤芯外围，输出光纤拉锥端与输入光纤一端耦合熔接，输出内包层的折射率大于输出纤芯以及输出外包层的折射率。本发明通过输入光纤与双包层结构的输出光纤配合耦接方式，输出内包层的折射率大于输出纤芯以及输出外包层的折射率，使该器件采用全光纤耦合结构输出没有中心能量的环形光束，并且实现了高能实心光束向环形光束的高效转化。

Description

一种环形激光输出器件

技术领域

本发明涉及激光器件领域，特别是一种环形激光输出器件。

背景技术

随着500～6000W国产光纤激光器的成熟，光纤激光器已经成为目前国内工业激光切割机使用的主流激光器。但采用传统光束激光进行切割时，若切割板厚度较大，则容易造成割缝前沿中下部局部过热，从而导致切割缺陷，使切割端面的平整度较差。为了解决传统光束激光在切割过程中所存在的问题，目前多选用环形光束，由于环形光斑中心能量密度较低，不仅能够提高对薄板的切割速度，而且在对厚板的切割时可以使切割端面更加细腻，粗糙度更低，呈现出较好的端面平整度，能够提升高能光纤激光器的综合切割能力。但如需进一步提高环形光束对不同厚度板材的切割适应性，就需要环形光束能够进行可控性的变化调节。

现如今实现可变化的环形光束方法主要分为两种：一种方案采用透镜组实现光束变化，以专利号为CN108931855的发明方案为例，其装置包括聚焦透镜、管状反射器和准直透镜，该结构能够实现环形光束内径和外径的任意变化，但采用空间光学结构进行激光光束整形，对器件之间的配合精度要求很高，不利于装置的工业集成化，且机械结构稳定性较差，大规模工业应用方面具有很大的局限性。另一方案则是利用特殊的光波导结构进行光束整形，以专利号CN210465873U为例，其采用输入光纤与输出光纤熔接后拉锥匹配的结构来实现点环形光斑的输出；这种传输结构稳定可靠，但不能避免输出光斑中心能量的存在，集中的中心能量光斑的存在使得激光在切割厚板过程中，在切割断面上产生波浪纹，造成粗糙度增加、切割质量下降的问题。故需要提供一种新的环形激光输出装置用于解决现有技术中所存在的上述问题。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种环形激光输出器件，用于解决现有技术中基于全光纤耦合结构的光纤所产生的环形光束存在中心能量，使激光的切割断面处平整度较差的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种环形激光输出器件，包括封装壳、填充物、输入光纤和输出光纤，输入光纤与输出光纤匹配相连并设置于封装壳内，且填充物对封装壳与输入光纤、输出光纤之间的区域进行填充；输入光纤包括输入纤芯和输入包层，输入包层套设于输入纤芯外围，且输入纤芯的折射率大于输入包层的折射率；输出光纤包括输出纤芯、输出内包层和输出外包层，输出内包层、输出外包层依次套设于输出纤芯外围，输出光纤一端为拉锥结构并与输入光纤一端耦合熔接，输出内包层的折射率大于输出纤芯的折射率并且大于输出外包层的折射率。

优选的，输入纤芯的数值孔径记为NA1，并满足0.03≤NA1≤1；输入纤芯的半径记为r1，并满足0<r1≤25μm；输入包层的半径记为R1，并满足52.5≤R1≤200μm。

优选的，输出内包层与输出外包层形成的数值孔径记为NA2，输出纤芯与输出内包层形成的数值孔径记为NA3，并满足0.03≤NA2≤1，NA2≤NA3；拉锥后输出光纤锥区的径向长度记为L，且5mm≤L≤500mm。

优选的，输出纤芯的半径记为r2，并满足0<r2≤100μm，输出纤芯的半径与环形激光输出器件所产生环形光束的中央暗斑尺寸相匹配；输出内包层的截面厚度记为T2，并满足r1≤T2≤200μm，输出内包层的截面厚度与环形激光输出器件所产生环形光束的宽度相匹配；输出外包层的外侧半径记为R2，并满足r2+T2≤R2≤500μm。

其中，输出纤芯的折射率为1时，输出纤芯为空气介质，输出光纤为双层包层结构的空芯光纤，输入光纤与输出光纤的耦合熔接步骤为：对输出光纤的一端进行等比例拉锥，使输出光纤上的空芯孔均匀缩小至闭合，切割输出光纤的拉锥端并与输入光纤耦合熔接；于耦合熔接处，输出光纤的端面上空芯孔完全闭合，输出内包层的端面半径记为r3，并满足r3≥r1。

进一步地，输出光纤为空芯光纤时满足如下关系：

其中，L₀为拉锥前输出光纤锥区的径向长度，输出外包层的端面半径记为R3。

其中，输出纤芯的折射率大于1时，输出纤芯为实芯介质，输出光纤为双层包层结构的实芯光纤，输入光纤与输出光纤的耦合熔接步骤为：对输出光纤的一端进行等比例拉锥，使输出纤芯、输出内包层和输出外包层均匀缩小，切割输出光纤的拉锥端并与输入光纤耦合熔接；于耦合熔接处，输出纤芯的端面半径记为r3'，输出内包层的端面厚度记为T3，并满足r3'+T3≥r1>r3'；于耦合熔接处，输出外包层的端面半径记为R3，并满足r3'≤R3≤400μm。

进一步地，输出光纤为实芯光纤时满足如下关系：

其中，L₀为拉锥前输出光纤锥区的径向长度。

优选的，封装壳为具有保护作用的金属壳体，填充物为聚合物，用于固定所述输入光纤和输出光纤，并保护所述输入光纤和输出光纤的表面免受潮湿气体和外力摩擦的影响。

本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明提供了一种环形激光输出器件，通过输入光纤与双包层结构的输出光纤配合耦接的方式，限定输出内包层的折射率大于输出纤芯以及输出外包层的折射率，使所形成的全光纤耦合结构能够输出没有中心能量的环形光束，提高了器件的整体结构稳定性以及切割断面的平整度，并且实现了高能实心光束向环形光束的高效转化。

附图说明

图1是本发明实施例1中环形激光输出器件的结构示意图；

图2a是本发明实施例1中输出光纤的截面示意图，图2b是本发明实施例1中输出光纤的截面折射率示意图；

图3a是本发明实施例1中环形激光输出器件所输出的环形光斑示意图，图3b是本发明实施例1的环形激光输出器件在输出光束过程中呈现的光场强度分布图；

图4是本发明实施例2中环形激光输出器件的结构示意图；

图5a是本发明实施例2中输出光纤的截面示意图，图5b是本发明实施例2中输出光纤的截面折射率示意图；

图6a是本发明实施例2中环形激光输出器件所输出的环形光斑示意图，图6b是本发明实施例2的环形激光输出器件在输出光束过程中呈现的光场强度分布图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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，均属于本发明保护的范围。

本发明中环形激光输出器件，包括封装壳、填充物、输入光纤和输出光纤，输入光纤与输出光纤匹配相连并设置于封装壳内，且填充物对封装壳与输入光纤、输出光纤之间的区域进行填充；输入光纤包括输入纤芯和输入包层，输入包层套设于输入纤芯外围，且输入纤芯的折射率大于输入包层的折射率，在输入光纤处产生实心光束；输出光纤包括输出纤芯、输出内包层和输出外包层，输出内包层、输出外包层依次套设于输出纤芯外围，输出光纤一端为拉锥结构并与输入光纤一端耦合熔接，输出内包层的折射率大于输出纤芯的折射率并且大于输出外包层的折射率，由于将输出光纤中的输出内包层的折射率最大，才能够输出环形光束且没有中心能量。上述各组成部分所需要满足的参数条件具体如下。

具体地，输入纤芯的数值孔径记为NA1，并满足0.03≤NA1≤1；输入纤芯的半径记为r1，并满足0<r1≤25μm；输入包层的半径记为R1，并满足52.5≤R1≤200μm。

具体地，输出内包层与输出外包层形成的数值孔径记为NA2，输出纤芯与输出内包层形成的数值孔径记为NA3，并满足0.03≤NA2≤1，NA2≤NA3；拉锥后输出光纤锥区的径向长度记为L，且5mm≤L≤500mm。

具体地，输出纤芯的半径记为r2，并满足0<r2≤100μm，输出纤芯的半径与环形激光输出器件所产生环形光束的中央暗斑尺寸相匹配；输出内包层的截面厚度记为T2，并满足r1≤T2≤200μm，输出内包层的截面厚度与环形激光输出器件所产生环形光束的宽度相匹配；输出外包层的外侧半径记为R2，并满足r2+T2≤R2≤500μm。

由于输出纤芯的折射率在大于1或等于1两种条件下，会呈现出输出光纤为实芯或空芯两种不同的情况，所以下面分别对这两种情况下的参数限定进行说明。

当输出纤芯的折射率为1时，输出纤芯为空气介质，输出光纤为双层包层结构的空芯光纤，输入光纤与输出光纤的耦合熔接步骤为：对输出光纤的一端进行等比例拉锥，使输出光纤上的空芯孔均匀缩小至闭合，切割输出光纤的拉锥端并与输入光纤耦合熔接；于耦合熔接处，输出光纤的端面上空芯孔完全闭合，输出内包层的端面半径记为r3，并满足r3≥r1。具体地，输出光纤为空芯光纤时满足如下关系：

上式(1)和(2)中，L₀为拉锥前输出光纤锥区的径向长度，输出外包层的端面半径记为R3。在输出光纤为空芯的情况下，实心光束转化为环形光束的转换效率η>95％。

当输出纤芯的折射率大于1时，输出纤芯为实芯介质，输出光纤为双层包层结构的实芯光纤，输入光纤与输出光纤的耦合熔接步骤为：对输出光纤的一端进行等比例拉锥，使输出纤芯、输出内包层和输出外包层均匀缩小，切割输出光纤的拉锥端并与输入光纤耦合熔接；于耦合熔接处，输出纤芯的端面半径记为r3'，输出内包层的端面厚度记为T3，并满足r3'+T3≥r1>r3'；于耦合熔接处，输出外包层的端面半径记为R3，并满足r3'≤R3≤400μm。

进一步地，输出光纤为实芯光纤时满足如下关系：

上式(3)～(5)中，L₀为拉锥前输出光纤锥区的径向长度。在输出光纤为实芯的情况下，实心光束转化为环形光束的转换效率η与锥区长度L和锥顶端面尺寸r3、T3有关，其关系式为：

本发明中，封装壳优选为具有保护作用的金属壳体，填充物优选为丙烯酸酯、硅橡胶和尼龙等聚合物材料，填充物的作用在于，固定所述输入光纤和输出光纤，并保护所述输入光纤和输出光纤的表面免受潮湿气体和外力摩擦的影响，使内部光纤耦合结构具有更好的稳定性和耐用性，可根据实际需求对具体封装壳和填充物的材料进行适应性选择，在此不作限定。对于上述环形激光输出器件的制备步骤包括光纤设计、光纤制备、拉锥、切割熔接以及封装。

在光纤设计过程中，由于输入光纤远离输出光纤一端需要与激光器尾纤相连，则光纤设计需要根据激光器尾纤来设计模场相匹配的输入光纤；根据所需环形激光光束的光斑尺寸，设计出输出光纤的空芯孔半径r2、高折射率厚度T2和包层外径R2；再根据输入纤芯半径r1、输入包层外侧半径R1以及输出光纤尺寸设计合适的拉锥区长度L和拉锥区端面的输出纤芯半径r3，输出内包层厚度T3和输出外包层外径R3，而相关的参数同时也需要满足前述中的参数限定条件，在此不做赘述。

在输入光纤和输出光纤尺寸设计完成后，使用MCVD技术和拉丝技术制备出所需输入光纤和输出光纤，然后对所制备的输出光纤进行拉锥，优选LZM100光纤处理设备来实施拉锥步骤。拉锥完成后检查输出光纤的锥区尺寸变换情况，选择合适的位置进行切割，利用LZM100设备将输入光纤与输出光纤的锥区端面进行熔接，根据实际需求设定合理的熔接模型和熔接参数，使熔接损耗降到最低，在此不做限定。

下面通过具体实施例对本发明中环形激光输出器件的实施方式以及效果进行阐述。

实施例1

请参阅图1、图2a和图2b，其中110为封装壳，120为填充物，130为输入光纤，131为输入纤芯，132为输入包层，140为输出光纤，141为输出纤芯，142为输出内包层，143为输出外包层。在本例实施中，输入光纤的数值孔径NA1＝0.06，输入纤芯半径r1＝25μm，输入包层半径R1＝200μm，输入光纤的输入激光为高斯光束；输出纤芯折射率n1＝1，即纤芯为空气，输出光纤为具有高折射率环芯状结构的空芯光纤，此处环芯状结构即为输出内包层，输出内包层折射率大于输出外包层折射率；高折射率的输出内包层与外包层形成的数值孔径NA2＝0.1，高折射率的输出内包层与空芯形成的数值孔径NA3＝1.1。

输出纤芯的空芯半径r2＝20μm，输出内包层厚度T2＝15μm，输出外包层的外侧半径R2＝200μm；熔接处的输出锥形光纤端面的空芯直径为0，此时高折射率的输出内包层变成高折射率的实芯结构，此时输出内包层在耦合熔接处的端面半径r3＝25μm，输出光纤锥区长度L＝20mm，由前述关系式(1)和(2)可计算得到输出外包层在耦合熔接处的端面半径R3＝142.9μm，拉锥区的原始长度L₀＝18.8mm。

此时，光纤设计、光纤制备、拉锥、切割熔接、封装五个过程中的拉锥过程有所不同，在拉锥前，需先将空芯的输出光纤一端进行密封处理，然后利用LZM将输出光纤的封口端进行拉锥，拉锥过程中在未封口端缓慢进行气压处理，控制好压强，使空芯孔均匀收缩至封闭，避免空芯孔迅速坍塌或难以闭合的情况出现；从而保证切割熔接位置处的空芯孔为闭合状态，且高折射率实芯结构的输出内包层的半径不小于输入纤芯的半径，即r3≥r1。

请参阅图3a和图3b，本实施例中，所输出的环形光束近场光斑的暗斑中心直径标记为D，其中D＝40μm，环形光斑宽度标记为T，其中T＝15μm；由图3a可以清楚的看到器件所输出的光斑仅环形区域存在能量分布，而中央区域是没有能量分布的；而图3b中z轴为光束输出的延伸方向，x-y平面为输出光斑的截面平面，可以看出图3a和3b所得能量表征效果是能够相互印证，仅在延伸末端处出现能量汇聚的现象，其他区间的光束能量都能够呈现较好的环形分布状态，避免中央能量的分布。另一方面，通过仿真实验得到的转化效率为99.8％，证明这种全光纤的耦合结构损耗很小，能够将实心光束高效转化为环形光束，并且所输出的光束在实际切割过程中不会出现波浪纹，显著提高了切割断面的平整性。

实施例2

请参阅图4、图5a和图5b，其中210为封装壳，220为填充物，230为输入光纤，231为输入纤芯，232为输入包层，240为输出光纤，241为输出纤芯，242为输出内包层，243为输出外包层。在本例实施中，输入光纤的数值孔径NA1＝0.12，输入纤芯半径r1＝10μm，输入包层半径R1＝200μm，输入光纤的输入激光为高斯光束；输出纤芯折射率n1>1，即纤芯为实芯，输出光纤为具有高折射率输出内包层的实芯光纤，输出内包层折射率大于输出外包层折射率；高折射率的输出内包层与外包层形成的数值孔径NA2＝0.5，高折射率的输出内包层与输出纤芯形成的数值孔径NA3＝1.05。

输出纤芯的实芯半径r2＝15μm，输出内包层厚度T2＝30μm，输出外包层的外侧半径R2＝300μm；此时输出内包层在耦合熔接处的端面半径r3'+T3＝10μm，输出光纤的拉锥区长度L＝100mm，由前述关系式(3)～(5)可计算得到，在耦合熔接处，输出外包层的外侧半径R3＝142.9μm，输出纤芯半径r3'＝3.3μm，拉锥区的原始长度L₀＝27.6mm。

请参阅图6a和图6b，本实施例中，所输出的环形光束近场光斑的暗斑中心直径标记为D，其中D＝30μm，环形光斑宽度标记为T，其中T＝30μm；由图6a可以清楚的看到器件所输出的光斑仅环形区域存在能量分布，而中央区域是没有能量分布的；而图6b中z轴为光束输出的延伸方向，x-y平面为输出光斑的截面平面，可以看出图6a和6b所得能量表征效果是能够相互印证，仅在延伸末端处出现能量汇聚的现象，其他区间的光束能量都能够呈现较好的环形分布状态，避免中央能量的分布。另一方面，通过仿真实验得到的转化效率为99.7％，证明这种全光纤的耦合结构损耗很小，能够将实心光束高效转化为环形光束，并且所输出的光束在实际切割过程中不会出现波浪纹，显著提高了切割断面的平整性。

实施例1和2分别表征了本发明中环形激光输出器件的空芯和实芯两种情况，可以看出，无论是空芯还是实芯情况，所表现的输出光束效果是一样的，均能够呈现较好的环形分布状态，并避免中央能量的分布，从而能够解决切割过程中出现波浪纹的问题，从而显著提高了切割断面的平整度；同时利用这种全光纤的耦合结构，能够将实心光束高效转化为环形光束，很好地控制了转化过程中的损耗。此外，本发明中环形激光输出器件由于采用全光纤耦合结构，从而能够使器件具有更高的结构稳定性，集成空间更小，并且针对不同的环形光束的输出需求，能够很好地对光纤尺寸设计参数进行适应性调整，更有利于工业集成化应用。

区别于现有技术的情况，本发明提供了一种环形激光输出器件，通过输入光纤与双包层结构的输出光纤配合耦接的方式，限定输出内包层的折射率大于输出纤芯以及输出外包层的折射率，使所形成的全光纤耦合结构能够输出没有中心能量的环形光束，提高了器件的整体结构稳定性以及切割断面的平整度，并且实现了高能实心光束向环形光束的高效转化。

需要说明的是，以上各实施例均属于同一发明构思，各实施例的描述各有侧重，在个别实施例中描述未详尽之处，可参考其他实施例中的描述。

以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种环形激光输出器件，其特征在于，包括封装壳、填充物、输入光纤和输出光纤，所述输入光纤与输出光纤匹配相连并设置于所述封装壳内，且所述填充物对所述封装壳与输入光纤、输出光纤之间的区域进行填充；

所述输入光纤包括输入纤芯和输入包层，所述输入包层套设于所述输入纤芯外围，且所述输入纤芯的折射率大于所述输入包层的折射率；

所述输出光纤包括输出纤芯、输出内包层和输出外包层，所述输出内包层、输出外包层依次套设于所述输出纤芯外围，所述输出光纤一端为拉锥结构并与所述输入光纤一端耦合熔接，所述输出内包层的折射率大于输出纤芯的折射率并且大于输出外包层的折射率；

所述输出纤芯的折射率为1时，所述输出纤芯为空气介质，所述输出光纤为双层包层结构的空芯光纤，所述输入光纤与输出光纤的耦合熔接步骤为：对所述输出光纤的一端进行等比例拉锥，使所述输出光纤上的空芯孔均匀缩小至闭合，切割所述输出光纤的拉锥端并与所述输入光纤耦合熔接；于耦合熔接处，所述输出光纤的端面上空芯孔完全闭合，所述输出内包层的端面半径记为r3，并满足r3≥r1，r1为所述输入纤芯的半径；所述输出光纤为空芯光纤时满足如下关系：

其中，L₀为拉锥前所述输出光纤锥区的径向长度，所述输出外包层的端面半径记为R3，r2为所述输出纤芯的半径，T2为所述输出内包层的截面厚度，R2为所述输出外包层的外侧半径；

或者，所述输出纤芯的折射率大于1时，所述输出纤芯为实芯介质，所述输出光纤为双层包层结构的实芯光纤，所述输入光纤与输出光纤的耦合熔接步骤为：对所述输出光纤的一端进行等比例拉锥，使所述输出纤芯、输出内包层和输出外包层均匀缩小，切割所述输出光纤的拉锥端并与所述输入光纤耦合熔接；于耦合熔接处，所述输出纤芯的端面半径记为r3'，所述输出内包层的端面厚度记为T3，并满足r3'+T3≥r1>r3'；于耦合熔接处，所述输出外包层的端面半径记为R3，并满足r3'≤R3≤400μm；所述输出光纤为实芯光纤时满足如下关系：

其中，L₀为拉锥前所述输出光纤锥区的径向长度。

2.根据权利要求1中所述的环形激光输出器件，其特征在于，所述输入纤芯的数值孔径记为NA1，并满足0.03≤NA1≤1；

所述输入纤芯的半径记为r1，并满足0<r1≤25μm；

所述输入包层的半径记为R1，并满足52.5≤R1≤200μm。

3.根据权利要求2中所述的环形激光输出器件，其特征在于，所述输出内包层与输出外包层形成的数值孔径记为NA2，所述输出纤芯与输出内包层形成的数值孔径记为NA3，并满足0.03≤NA2≤1，NA2≤NA3；

拉锥后所述输出光纤锥区的径向长度记为L，且5mm≤L≤500mm。

4.根据权利要求3中所述的环形激光输出器件，其特征在于，所述输出纤芯的半径记为r2，并满足0<r2≤100μm，所述输出纤芯的半径与所述环形激光输出器件所产生环形光束的中央暗斑尺寸相匹配；

所述输出内包层的截面厚度记为T2，并满足r1≤T2≤200μm，所述输出内包层的截面厚度与所述环形激光输出器件所产生环形光束的宽度相匹配；

所述输出外包层的外侧半径记为R2，并满足r2+T2≤R2≤500μm。

5.根据权利要求1中所述的环形激光输出器件，其特征在于，所述封装壳为具有保护作用的金属壳体，所述填充物为聚合物，用于固定所述输入光纤和输出光纤，并保护所述输入光纤和输出光纤的表面免受潮湿气体和外力摩擦的影响。

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