实现环形光束的侧泵信号合束器及其制备方法技术

本发明专利技术涉及激光光束整形技术，旨在提供一种实现环形光束的侧泵信号合束器及其制备方法，包括一根主信号光纤和至少一根侧泵信号光纤，主信号光纤由内而外具有三层结构，分别为纤芯、内包层和外包层，折射率分布为：纤芯n3<外包层n1<内包层n2，所述侧泵信号光纤为至少有两层波导结构大模场双包层光纤，所述侧泵信号光纤的一端与主信号光纤融合。通过控制侧泵信号光纤的融合角度及融合长度，将光路限制在内包层内并沿包层环形传播，从而在主信号光纤中实现环形模式光斑的输出。

Side pump signal combiner for ring beam and its preparation

【技术实现步骤摘要】
实现环形光束的侧泵信号合束器及其制备方法
本专利技术涉及激光光束整形
，尤其涉及一种实现环形光束的侧泵信号合束器及其制备方法。
技术介绍
光纤激光器目前被誉为第三代激光器，相对CO2或YAG激光器，光纤激光器具有光电转换效率高、结构简单、易于维护、光束质量好等优点，目前已成为激光技术发展的主流方向和激光应用的主力军，在激光打标、激光切割、医疗设备、激光光纤通讯等方面均有应用。为在不同应用条件下充分实现光纤激光器的优势，在特定条件下需要将输出光斑进行整形，将输出光斑整形为平顶光斑、环形光斑等特定形状，从而满足不同应用需求。针对激光环形光斑的研究日益增多，应用广泛。在宏观机械切割方面，环形光斑已经表现出了明显优势，尤其在切割厚板时获得的断面质量明显优于平顶光斑；环形光斑用于激光熔覆，低功率下获得的合金熔覆层无孔洞、无裂纹且合金层分布均匀；激光内雕机，利用输出环形光斑的激光器，配合三维电机控制平台，可以在玻璃上打出任意三维内雕图形，与高斯光斑打出长锥形区别相比，环形光斑在应用过程中出现球差要小的多，在玻璃内打出的点直径小且为圆球形，美观度得到大大提升。随着应用范围的增大，如何获得稳定、高光束质量的环形光斑尤为重要。目前实验上实现光束环形光斑的可以分为腔外变换及腔内变换。腔外变换目前为主要获取方式，如几何光学法、横模选择法、光学全息法等，腔外变换的最大的劣势是空间整形，结构较复杂，需要增加额外器件，且对光路要求高；腔内变换偏少，有通过在腔内增加特殊膜片或小孔，使输出光斑直接为环形，该方法激光器功率偏低，不适用于高功率光纤激光器。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种侧泵信号合束器及其制备方法，通过直接将信号光通过侧泵入主信号光纤方式，实现腔内对输出光束进行环形光整形。为实现上述目的，本专利技术一方面提供了一种实现环形光束的侧泵信号合束器，包括一根主信号光纤和至少一根侧泵信号光纤，主信号光纤由内而外具有三层结构，分别为纤芯、内包层和外包层，折射率分布为：纤芯n3<外包层n1<内包层n2，所述侧泵信号光纤为至少有两层波导结构大模场双包层光纤，所述侧泵信号光纤的一端与主信号光纤融合。侧泵信号光纤的融合角度为20′～50′，融合长度为20um～1000um。在另一优选例中，所述侧泵信号光纤的融合角度为20′-30′，融合长度为100um～500um。所述主信号光纤的纤芯直径为10um～150um；内包层直径为30um～400um，外包层直径为100um～1000um。在另一优选例中，所述主信号光纤的纤芯直径为15um～100um；内包层直径为50um～300um，外包层直径为150um～800um。在另一优选例中，所述主信号光纤的纤芯直径为20um～100um；内包层直径为70um～150um，外包层直径为300um～600um。在另一优选例中，所述主信号光纤的纤芯直径为20um，内包层直径为70um，外包层直径为360um。所述侧泵信号光纤的纤芯直径为10～1000um，包层直径为125～1100um。在另一优选例中，所述侧泵信号光纤的纤芯直径为10～200um，包层直径为200～500um。在另一优选例中，所述侧泵信号光纤的纤芯直径为30um，包层直径为250um。所述主信号光纤内包层数值孔径为0.03～0.5。所述侧泵信号光纤数值孔径为0.03～0.5。本专利技术另一方面提供了一种实现环形光束的侧泵信号合束器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：侧泵信号光纤采用至少有两层波导结构大模场双包层光纤，主信号光纤采用特殊结构的三包层光纤，其折射率分布情况：纤芯n3<外包层n1<内包层n2，对侧泵信号光纤进行拉锥后与主信号光纤进行融合，通过控制侧泵信号光纤融合角度及融合长度，将光路限制在内包层内并沿包层环形传播。所述融合角度为20′～50′，融合长度为20um～1000um。在另一优选例中，所述融合长度为100um～500um，融合角度为20′～30′。所述的光纤拉锥方式选自氢氧焰拉锥、CO2激光拉锥或电极拉锥方法中的任意一种或其任意组合。所述的侧泵信号光纤融合方式选自氢氧焰融合、电极熔接方法中的任意一种或其任意组合。本专利技术相对现有技术的优点在于：(1)光束整形效果稳定性强，封装后对使用环境要求程度不高；(2)腔内光束整形，结构简单，便于集成于光纤激光器内部，体积小；(3)低损耗，可承受阈值功率高；(4)所获得的环形光束可调节光斑范围大。附图说明图1为本专利技术实施例环形光斑整形结构示意图。图2为主信号光纤折射率示意图。图3为融合区域参数示意图。图4为本专利技术截面光路传输示意图。图5为本专利技术光路水平传输示意图。图6为激光光束整形前后光斑分布图，其中图A、C分别为整形前的高斯分布光束及对应强度分布，图B、D分别为整形后的环形分布光束及对应的强度分布。上述附图中的标记：1主信号光纤；1-1外包层；1-2内包层；1-3纤芯；2侧泵信号光纤。具体实施方式下面结合具体实施例，进一步阐述本专利技术。应理解，这些实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。实施例1：如图1所示，一种侧泵信号合束器，具有两根侧泵信号光纤2和一根主信号光纤1，两根侧泵信号光纤2采用至少有两层波导结构的大模场双包层光纤，主信号光纤1采用特殊结构的三包层光纤，外包层1-1折射率为n1，内包层1-2折射率为n2，纤芯1-3折射率为n3，折射率分布情况如图2所示：n3<n1<n2，侧泵信号光纤2经拉锥，光纤纤芯和包层直径等比例减小，导致模场分布变化，依次将侧泵信号光纤的模场从由纤芯多模、纤芯单模、包层多模，最后至包层单模，进而与主信号光纤1进行融合后，在无折射率差异的情况下直接导入外包层1-1，信号光在外包层1-1传导，到达内包层1-2界面，达到内包层1-2的NA范围内的光将全部导入内包层1-2，通过控制侧泵信号光纤的融合长度L与主信号光纤的融合角θ，调整入射光束角度，将光路限制在内包层1-2内并沿内包层1-2环形传播。图3为融合区域参数示意图：融合长度L：侧泵信号光纤2开始与主信号光纤1贴合为起点，侧泵信号光纤2与主信号光纤1贴合结束为终点，两者之间的距离即为融合长度。融合角度θ：侧泵信号光纤2与主信号光纤1融合后形成的夹角。如图4为截面光路传输示意图：从融合位置的垂直方向看光路行进方向，是以两支侧泵信号光纤2注入为例，信号光自侧臂进入主信号光纤1，首先进入的为主信号光纤外包层1-1，通过控制入射角大小(左右两图分别指示在不同入射角时可能出现的光路传播情况)，将传输光路限制在主信号光纤内包层1-2的NA范围内，被内包层1-2捕获，并在内包层1-2与外包层1-1界面以及内包层1-2与纤芯1-1界面往返全反射传播本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种实现环形光束的侧泵信号合束器，其特征在于，包括一根主信号光纤和至少一根侧泵信号光纤，所述主信号光纤由内而外具有三层结构，分别为纤芯、内包层和外包层，折射率分布为：纤芯n3<外包层n1<内包层n2，所述侧泵信号光纤为至少有两层波导结构大模场双包层光纤，所述侧泵信号光纤的一端与所述主信号光纤融合。/n

【技术特征摘要】
1.一种实现环形光束的侧泵信号合束器，其特征在于，包括一根主信号光纤和至少一根侧泵信号光纤，所述主信号光纤由内而外具有三层结构，分别为纤芯、内包层和外包层，折射率分布为：纤芯n3<外包层n1<内包层n2，所述侧泵信号光纤为至少有两层波导结构大模场双包层光纤，所述侧泵信号光纤的一端与所述主信号光纤融合。


2.根据权利要求1所述的实现环形光束的侧泵信号合束器，其特征在于，所述侧泵信号光纤的融合角度为20′～50′，融合长度为20um～1000um。


3.根据权利要求1所述的实现环形光束的侧泵信号合束器，其特征在于，所述主信号光纤的纤芯直径为10um～150um；内包层直径为30um～400um，外包层直径为100um～1000um。


4.根据权利要求1所述的实现环形光束的侧泵信号合束器，其特征在于，所述主信号光纤内包层数值孔径为0.03～0.5。


5.根据权利要求1所述的实现环形光束的侧泵信号合束器，其特征在于，所述侧泵信号光纤数值...

【专利技术属性】
技术研发人员：李文涛，李骁军，白云娜，严超，谭小妹，陶春力，刘广柏，
申请(专利权)人：上海飞博激光科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31