激光整形装置及光纤耦合方法制造方法及图纸

本申请公开了一种激光整形装置及光纤耦合方法。激光整形装置包括沿激光光路依次设置的激光发生器、激光整形模块以及准直头。其中，激光发生器用于发射少模或多模激光光束；激光整形模块用于对激光光束进行整形；准直头用于对整形后的激光光束进行准直。激光整形模块包括耦合单元、过渡光纤、模场适配单元以及整形传输光纤，其中，过渡光纤的芯径大于整形传输光纤的芯径，且过渡光纤的数值孔径小于整形传输光纤的数值孔径。本申请实施例的激光整形装置，避免激光的指向性变化和光束能量变化造成的光纤损伤，保持耦合系统的兼容性和稳定性，保证输出高质量的整形匀化光斑。保证输出高质量的整形匀化光斑。保证输出高质量的整形匀化光斑。

【技术实现步骤摘要】
激光整形装置及光纤耦合方法


[0001]本申请涉及激光加工
，尤其涉及一种激光整形装置及光纤耦合方法。

技术介绍

[0002]随着激光柔性加工的发展，能量光纤由于具有柔性传输和整形的作用，已经在激光加工领域得到了广泛的应用。
[0003]现有高光束质量的基模激光束通常采用DOE(Diffractive Optical Element，衍射光学元件)进行光束整形，但针对少模或多模激光束的DOE设计将非常困难，同时少模或多模激光束的光束指标一致性控制较为困难，因此少模或多模激光经常采用匀化光纤进行光束匀化整形。
[0004]空间光束耦合进入光纤进行光束传输对激光器的指向性具有较高的要求，通常需要采用较为苛刻的环境温度控制方式使激光器的指向性更加稳定，或者在光路设计的时候留下指向性余量，否则会导致激光的指向性变化而引起耦合效率的衰减或者造成光纤损伤。目前现有技术中高指向性的激光器价格高，光路预留指向性余量的方案兼容性及稳定性差。此外，现有技术通常使用同一芯径光纤进行光纤耦合传输和整形，难以灵活实现损伤阈值高、匀化效果好和BPP灵活可控等效果，同时通常缺少指向性反馈调节、可变扩束耦合和光纤扰模匀化控制等主动式调节系统。
[0005]专利CN108267819A公开了一种提高高功率脉冲激光光纤耦合效率的方法，包括如下步骤：第一步：光纤选择。第二步：光纤拉锥。第三步：光纤连接。第四步：透镜耦合。本专利技术采用大芯径光纤作为空间激光的受体；激光通过大芯径光纤后，相比于激光空间直接耦合的方式，其激光空间能量分布得到匀化，在耦合进入小芯径光纤时可有效降低端面损耗，高耦合阈值；大、小芯径光纤通过光纤连接器进行连接，能够便捷地实现对准。该专利公开了在大芯径光纤与小芯径光纤之间设置光纤连接器，用于连接大芯径光纤与小芯径光纤，但是光纤连接器不具有增强光纤耦合系统的兼容性和稳定性的作用，因此该专利公开的光纤耦合方法对光束匀化和整形效果不佳。
[0006]专利CN102081200A公开了一种变光束质量激光束自适应光纤耦合与输出准直装置。激光束经过扩束准直，然后经过聚焦透镜耦合到光纤传输系统的前端面，并在光纤传输系统中传输，光纤传输系统出射的光束经过准直透镜进行准直。准直透镜反射少量的光被探测单元接收，探测单元将接收到的光信号转换成为电信号。处理单元对探测单元接收到的电信号进行累加求和。控制器根据处理单元获得的处理结果，通过折半查找的方式来控制一维微运动台沿轴向作一维运动，从而带动光学调整架及聚焦透镜运动，采用自动补偿的方式来解决变光束质量激光的耦合聚焦光斑漂移问题。该专利通过对准直后的光束进行采集，并对聚焦透镜位置进行调整，提高光束质量，但是该专利技术对少模或多模光束的整形、匀化和聚焦光斑的效果较差。

技术实现思路

[0007]本申请的目的旨在至少在一定程度上解决上述的技术问题之一。
[0008]为此，本申请的第一个目的在于提出一种激光整形装置，避免激光的指向性变化和光束能量变化造成的光纤损伤；保持耦合系统的兼容性和稳定性，保证输出高质量的整形匀化光斑。
[0009]本申请的第二个目的在于提出一种光纤耦合方法。
[0010]为实现上述目的，本申请第一方面实施例提出了一种激光整形装置，包括沿激光光路依次设置的激光发生器、激光整形模块以及准直头，
[0011]所述激光发生器用于发射少模或多模激光光束；
[0012]所述激光整形模块用于对所述激光光束进行整形；
[0013]所述准直头用于对整形后的激光光束进行准直；
[0014]所述激光整形模块包括耦合单元、过渡光纤、模场适配单元以及整形传输光纤，其中，所述过渡光纤的芯径大于所述整形传输光纤的芯径，且所述过渡光纤的数值孔径小于所述整形传输光纤的数值孔径。
[0015]可选的，所述过渡光纤的大芯径直径D大于射入所述过渡光纤的激光光束直径d0的1.5倍。
[0016]可选的，所述模场适配单元为光纤模场适配器MFA或可变耦合单元，用于对所述过渡光纤和所述整形传输光纤的模场进行匹配。
[0017]可选的，所述可变耦合单元包括准直镜、扩束镜和第一耦合镜，所述准直镜、所述扩束镜和所述第一耦合镜沿激光光路依次设置。
[0018]可选的，所述可变耦合单元还包括第一分光镜、第一反射镜和第二耦合镜，所述整形传输光纤包括第一整形传输光纤和第二整形传输光纤，所述准直头包括第一准直头和第二准直头，
[0019]所述第一分光镜设置在所述扩束镜的光路下游，所述第一耦合镜的光路上游；
[0020]所述第一分光镜用于对经过所述扩束镜的激光光束进行分光处理，使得分光后的第一路激光光束依次经过所述第一耦合镜、所述第一整形传输光纤和所述第一准直头，分光后的第二路激光光束依次经过所述第一反射镜、所述第二耦合镜、所述第二整形传输光纤和所述第二准直头。
[0021]可选的，所述激光整形装置还包括扰模器和光斑检测模块，
[0022]所述扰模器设置在所述可变耦合单元的光路下游，所述整形传输光纤的光路上游；
[0023]所述光斑检测模块设置在所述准直头的光路下游，所述光斑检测模块用于检测所述准直头射出的激光光束的光斑质量，并将光斑质量反馈至所述扰模器；
[0024]通过控制所述扰模器调整光斑质量。
[0025]可选的，所述光斑检测模块包括第二分光镜、第一聚焦镜和视觉模组，
[0026]所述第二分光镜用于将从所述准直头射出的激光光束分出至少部分，经过所述第一聚焦镜照射至所述视觉模组；
[0027]所述视觉模组与所述扰模器相连，用于将检测到的光斑质量反馈至所述扰模器。
[0028]可选的，所述激光整形装置还包括指向性补偿模组，
[0029]所述指向性补偿模组设置在所述激光发生器的光路下游，所述激光整形模块的上游，所述指向性补偿模组用于检测激光光束的偏移量，并根据所述偏移量对所述激光光束进行调整。
[0030]可选的，所述指向性补偿模组包括补偿镜组、指向性检测组件和控制器，
[0031]所述控制器分别与所述补偿镜组所述指向性检测组件相连；
[0032]所述补偿镜组用于将所述激光器发射的激光光束分为两路，分别为加工光路和检测光路；
[0033]所述加工光路经过所述补偿镜组射入所述激光整形模块，所述检测光路经过所述补偿镜组射入所述指向性检测组件；
[0034]所述指向性检测组件用于检测所述检测光路的光束的偏移量；
[0035]所述控制器用于根据所述偏移量对所述补偿镜组进行控制，以实现对所述加工光路和所述检测光路的调整。
[0036]可选的，所述激光整形装置还包括光闸，
[0037]所述光闸设置在所述补偿镜组的下游，所述激光整形模块的上游，并与所述控制器电连接，所述光闸用于控制所述加工光路的通断。
[0038]可选的，所述补偿镜组包括第二反射镜和第三分光镜，所述第三分光镜和所述第二反射镜平行设置，所述第本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种激光整形装置，其特征在于，包括沿激光光路依次设置的激光发生器(100)、激光整形模块(200)以及准直头(300)，所述激光发生器(100)用于发射少模或多模激光光束；所述激光整形模块(200)用于对所述激光光束进行整形；所述准直头(300)用于对整形后的激光光束进行准直；所述激光整形模块(200)包括耦合单元(210)、过渡光纤(220)、模场适配单元(230)以及整形传输光纤(240)，其中，所述过渡光纤(220)的芯径大于所述整形传输光纤(240)的芯径，且所述过渡光纤(220)的数值孔径小于所述整形传输光纤(240)的数值孔径。2.如权利要求1所述的激光整形装置，其特征在于，所述过渡光纤(220)的大芯径直径D大于射入所述过渡光纤(220)的激光光束直径d0的1.5倍。3.如权利要求1所述的激光整形装置，其特征在于，所述模场适配单元(230)为光纤模场适配器MFA(231)或可变耦合单元(232)，用于对所述过渡光纤(220)和所述整形传输光纤(240)的模场进行匹配。4.如权利要求3所述的激光整形装置，其特征在于，所述可变耦合单元(232)包括准直镜(2321)、扩束镜(2322)和第一耦合镜(2323)，所述准直镜(2321)、所述扩束镜(2322)和所述第一耦合镜(2323)沿激光光路依次设置。5.如权利要求4所述的激光整形装置，其特征在于，所述可变耦合单元(232)还包括第一分光镜(2324)、第一反射镜(2325)和第二耦合镜(2326)，所述整形传输光纤(240)包括第一整形传输光纤(241)和第二整形传输光纤(242)，所述准直头(300)包括第一准直头(310)和第二准直头(320)，所述第一分光镜(2324)设置在所述扩束镜(2322)的光路下游，所述第一耦合镜(2323)的光路上游；所述第一分光镜(2324)用于对经过所述扩束镜(2322)的激光光束进行分光处理，使得分光后的第一路激光光束依次经过所述第一耦合镜(2323)、所述第一整形传输光纤(241)和所述第一准直头(310)，分光后的第二路激光光束依次经过所述第一反射镜(2325)、所述第二耦合镜(2326)、所述第二整形传输光纤(242)和所述第二准直头(320)。6.如权利要求4所述的激光整形装置，其特征在于，所述激光整形装置还包括扰模器(400)和光斑检测模块(500)，所述扰模器(400)设置在所述可变耦合单元(232)的光路下游，所述整形传输光纤(240)的光路上游；所述光斑检测模块(500)设置在所述准直头(300)的光路下游，所述光斑检测模块(500)用于检测所述准直头(300)射出的激光光束的光斑质量，并将光斑质量反馈至所述扰模器(400)；通过控制所述扰模器(400)调整光斑质量。7.如权利要求6所述的激光整形装置，其特征在于，所述光斑检测模块(500)包括第二分光镜(510)、第一聚焦镜(520)和视觉模组(530)，所述第二分光镜(510)用于将从所述准直头(300)射出的激光光束分出至少部分，经过所述第一聚焦镜(520)照射至所述视觉模组(530)；所述视觉模组(530)与所述扰模器(400)相连，用于将检测到的光斑质量反馈至所述扰
模器(400)。8.如权利要求1所述的激光整形装置，其特征在于，所述激光整形装置还包括指向性补偿模组(6...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁乔春，朱凡，
申请(专利权)人：武汉帝尔激光科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：