【技术实现步骤摘要】
本申请涉及光纤激光器的输出、准直/聚焦光斑整形，具体涉及紧凑化激光输出方法、激光输出头和激光器件。
技术介绍
1、光纤激光器拥有光束质量好、高效率、散热特性好、结构紧凑等特点，被广泛应用于医疗器械、军事国防、激光打标、焊接、切割等领域。
2、传统光纤激光器的输出头晶体端面为平面，作用为降低输出端面的功率密度减少端面损伤概率。经过传统光纤激光器输出头晶体的输出激光为发散光，在多数应用场合，需要进一步利用准直器将输出激光准直，便于长距离传输。准直光斑的大小依据实际需求确定，在很多场合需要较大的准直光斑，以进一步降低后级光学元件通光面的功率密度，减少后级光学元件的损伤概率。由于光纤激光器输出激光的发散角较小，为了获得直径较大的准直输出光斑，往往需要长焦凸透镜，导致准直器长度偏大，不利于系统集成。传统方法为了控制准直器的长度先使用焦距较短的凸透镜将光纤激光器输出激光准直为较小的光斑，再进行后级扩束，这种方法虽然压缩准直器的大小，但是考虑后级扩束系统占据的空间，系统更为复杂、代价高、应用不便。
3、在准直应用领域，传统单一透镜的准直器只能输出光纤激光器的原始对称光斑，不能利用单一透镜实现在 x方向和 y方向准直光斑直径非等长的整形功能。如果要实现 x方向和 y方向准直光斑直径非等长的整形，通常的方法是先将光纤激光器的输出激光准直，再对准直光束在 x方向和
4、在聚焦应用领域，如专利申请cn113172336a，传统方法需要先利用准直镜将光纤激光器的出射光进行准直，再利用聚焦镜将准直光束汇聚，即便采用非球面透镜消相差，也至少需要两个透镜才能实现汇聚功能，而且由于前述准直部分的尺寸问题，仍不利于系统的小型化轻量化，传统的方法仍难以满足手持式焊接等对激光输出聚焦系统体积重量很敏感的应用。
5、因此，亟需开发紧凑化激光输出方法、激光输出头和激光器件，在高度集成减少光学元件数量的同时，具备实现在 x方向和 y方向准直且准直光斑直径非等长的功能，或具备实现在 x方向和 y方向聚焦的功能。
技术实现思路
1、本申请提供紧凑化激光输出方法、激光输出头和激光器件，解决现有激光输出系统占用空间体积大、光束整形系统复杂的问题。
2、第一方面，本申请提供一种激光输出头，其特征在于，所述激光输出头包括光纤与晶体端帽，其中，晶体端帽由与光纤熔接的光纤熔接段、激光传输扩束段和输出凹面，所述输出凹面用于扩大激光发散角，缩短达到目标光斑尺寸要求时所需的空间距离。
3、进一步的，所述输出凹面为自由曲面，自由曲面的坐标( x, y, z)满足方程：
4、
5、其中， z轴为激光输出头的主光轴， x轴和 y轴和 z轴相互垂直形成三维直角坐标系，为输出凹面的基础面型，面型类型为双锥面，作用为扩大激光发散角，其中，，， r x和 r y分别为 x方向和 y方向的曲率半径， k x和 k y分别为 x方向和 y方向的圆锥系数；
6、其中，为输出凹面在基础面型上叠加的多项式面型，作用为减少像差，其中，为多项式的系数,为多项式的系数，，为的系数，为zernike多项式的第 j项函数，，其中，n为不大于16的自然数，m为不大于210的自然数。
7、进一步的，所述输出凹面满足 c x= c y且 k x= k y，即所述输出凹面的基础面型为旋转对称凹面。
8、进一步的，所述输出凹面满足 c x>0且 c y =0，或 c x =0且 c y >0，即所述输出凹面为柱形凹面。
9、第二方面本申请提供一种激光器件，包括安装在如第一方面任一所述的一种激光输出头中输出凹面出射激光一侧、间距为 l的凸透镜，所述凸透镜在 x方向和 y方向准直或聚焦所述晶体端帽的出射光。
10、进一步的，所述凸透镜为双凸柱面透镜，凸透镜的迎光面和出光面均为柱面，两个柱面的轴线相互垂直分别为 x轴、 y轴，柱面的曲率半径分别为 r x0、 r y0，其中，曲率半径为 r x0的柱面用于在 y方向准直或聚焦所述晶体端帽的出射光，曲率半径为 r y0的柱面用于在 本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种激光输出头，其特征在于，所述激光输出头包括光纤（1）与晶体端帽（2），其中，晶体端帽（2）由与光纤（1）熔接的光纤熔接段（3）、激光传输扩束段（4）和输出凹面（5）。
2.根据权利要求1所述的一种激光输出头，其特征在于，所述输出凹面（5）为自由曲面，自由曲面的坐标(x,y,z)满足方程：
3.根据权利要求2所述的一种激光输出头，其特征在于，所述输出凹面（5）满足cx=cy且kx=ky，即所述输出凹面（5）的基础面型为旋转对称凹面。
4.根据权利要求2所述的一种激光输出头，其特征在于，所述输出凹面（5）满足cx>0且cy=0，或cx=0且cy>0，即所述输出凹面（5）为柱形凹面。
5.一种激光器件，其特征在于，包括安装在如权1-4任一所述的一种激光输出头中输出凹面（5）出射激光一侧、间距为L的凸透镜（6），所述凸透镜（6）在x方向和y方向准直或聚焦所述晶体端帽（2）的出射光。
6.根据权利要求5所述的一种激光器件，其特征在于，所述凸透镜（6）为双凸柱面透镜，凸透镜（6）的迎光面和出光面均为柱面，两个柱面
7.根据权利要求5所述的一种激光器件，其特征在于，所述凸透镜（6）为平凸透镜，凸透镜（6）的迎光面或出光面为平面，另一个面为自由凸面，自由凸面的坐标(x,y,z)满足方程：
8.一种紧凑化激光输出方法，其特征在于，基于权利要求1-4任一所述的一种激光输出头实现，输出凹面（5）出射激光到间距为L的凸透镜（6），凸透镜（6）在x方向和y方向准直或聚焦所述晶体端帽（2）的出射光。
9.根据权利要求8所述的一种紧凑化激光输出方法，其特征在于，当所述凸透镜（6）为双凸柱面透镜时，凸透镜（6）的迎光面和出光面均为柱面，两个柱面的轴线相互垂直分别为x轴、y轴，柱面的曲率半径分别为Rx0、Ry0，其中，曲率半径为Rx0的柱面用于在y方向准直或聚焦所述晶体端帽（2）的出射光，曲率半径为Ry0的柱面用于在x方向准直或聚焦所述晶体端帽（2）的出射光，通过设置，改变在x方向和y方向的等效焦距fx和fy，实现出射光的准直或聚焦所述出射光；
10.根据权利要求8所述的一种紧凑化激光输出方法，其特征在于，当所述凸透镜（6）为平凸透镜时，凸透镜（6）的迎光面或出光面为平面，另一个面为自由凸面，自由凸面的坐标(x,y,z)满足方程：
...【技术特征摘要】
1.一种激光输出头，其特征在于，所述激光输出头包括光纤（1）与晶体端帽（2），其中，晶体端帽（2）由与光纤（1）熔接的光纤熔接段（3）、激光传输扩束段（4）和输出凹面（5）。
2.根据权利要求1所述的一种激光输出头，其特征在于，所述输出凹面（5）为自由曲面，自由曲面的坐标(x,y,z)满足方程：
3.根据权利要求2所述的一种激光输出头，其特征在于，所述输出凹面（5）满足cx=cy且kx=ky，即所述输出凹面（5）的基础面型为旋转对称凹面。
4.根据权利要求2所述的一种激光输出头，其特征在于，所述输出凹面（5）满足cx>0且cy=0，或cx=0且cy>0，即所述输出凹面（5）为柱形凹面。
5.一种激光器件，其特征在于，包括安装在如权1-4任一所述的一种激光输出头中输出凹面（5）出射激光一侧、间距为l的凸透镜（6），所述凸透镜（6）在x方向和y方向准直或聚焦所述晶体端帽（2）的出射光。
6.根据权利要求5所述的一种激光器件，其特征在于，所述凸透镜（6）为双凸柱面透镜，凸透镜（6）的迎光面和出光面均为柱面，两个柱面的轴线相互垂直分别为x轴、y轴，柱面的曲率半径分别为rx0、ry0，其中，曲率半径为rx0的柱面用于在y方向准直或聚焦所述晶体端帽（2）的出射光...
【专利技术属性】
技术研发人员：黄帅，唐选，赵磊，
申请(专利权)人：四川中久大光科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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