一种高功率光纤整形准直输出器
阅读说明：本技术 一种高功率光纤整形准直输出器 (High-power optical fiber shaping collimation output device ) 是由 王燕档 张先明 刘进辉 丁建武 于 2021-09-19 设计创作，主要内容包括：一种高功率光纤整形准直输出器,用于高功率激光的光纤整形准直,使用光纤直接熔接特殊构造的石英端帽,用于对光场进行一体化可控整形准直调光,在前端合适位置采用毛化处理,降低回返光的光学危害。(The utility model provides a high power optic fibre plastic collimation follower for the optic fibre plastic collimation of high power laser uses the direct butt fusion of optic fibre quartz end cap of special construction for carry out the controllable plastic collimation of integration to the light field and adjust luminance, adopts the texturing processing in front end suitable position, reduces the optics harm of returning the light.)
技术领域
本发明涉及一种高功率光纤整形准直输出器，其可为实现激光高功率整形准直输出提供技术方案。
背景技术
在随着光纤激光技术的快速发展，激光已被广泛应用在传感、雷达、通讯、工业加工、激光除障、科学研究等众多方向。在以上应用中，基本都会用到光纤激光准直技术，其对应的光学器件为光纤激光准直输出器，光纤准直输出器具体主要被用于光路之间的空间耦合、激光光束远距离传输、光束长焦输出几个方面。市场上常规高功率光纤准直输出器主要采用光纤与光学透镜组方式来实现光纤激光的空间耦合准直输出；同时目前的现有技术有一些将光纤直接与石英透镜熔接成一个整体(如CN203561768U，CN103941348A等)，然而这些光纤准直器只能实现简单的准直，无法对输出的光场有效的整形，通常还需要后面再设置对应的整形部件，这样造成了损耗增大，对准困难，效果不好等问题。
另外，当准直器用于高功率双包层光纤输出时，其外侧包层的反向光会非常强，只使用通常的8度角或是镀增透膜等，是无法抑制高功率双包层光纤在准直输出时的反向光的或工业加工带来的高功率反射光，这会造成器件和系统的损害。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种高功率光纤整形准直输出器，克服了现有技术的不足，设计合理。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种高功率光纤整形准直输出器，用于对高功率光纤激光的输出整形准直。该整形准直输出器包括光纤，优选为大模场双包层光纤；整形准直输出石英端帽，优选的，整形准直输出石英端帽可以镀膜；光纤外包层毛化区；光纤与整形准直输出石英端帽熔接区。大模场双包层光纤在一些实施例下选用高功率50/400μm参数(纤芯/直径)、数值孔径NA为0.12的常规大模场双包层光纤；整形准直输出石英端帽：该端帽为了与光纤进行熔接，端帽与光纤熔接端优选为锥形结构设计，光纤与石英端帽熔接区：光纤与石英端帽都由石英材质组成，因此可以采用直接熔接的方法将两部分进行无缝隙连接，熔接方式可采用目前已成熟的二氧化碳激光或三电极的熔接技术进行熔接。
整形准直输出石英端帽输出端采用整形准直光学元件，优选地可以采用锥形、抛物线形、阵列曲面，这些面型可以针对具体的整形准直需求进行具体的曲率设计或是阵列曲面设计，使得输出光经过一体化的整形准直输出，优选地，该光纤准直输出器整形激光输出光斑直径为数个毫米，经过高斯光束传输拟合后，该整形输出器准直光束边缘光纤发散角约10-4。但是这些面型仍然面临着设计自由度不够，不能够解决复杂光场或是高精度光场需求下的一体化整形准直输出。
基于此，发明人意识到可以采用衍射光学微结构元件(DOE)作为整形准直输出石英端帽的输出端，对输出激光能量横向分布进行整形准直输出。衍射光学元件为多阶相位结构，其利用浮雕微结构实现光束整形。通常，我们对于高功率光纤激光的输出，除了对M2因子，束腰位置，束腰宽度等等有要求外，优选地，尤其的还需要降低发散角度和提高远场均匀度，而使用衍射光学微结构作为输出面型则可以一体化的调整整个光场的整形结果，实现各种要求的光束输出，尤其的适合符合此类的要求。
常规的衍射光学元件，其在实现大扩散角光场的准直输出的时候，其部分浮雕微结构需要较高，另一些浮雕微结构则需要较低，造成制造困难和光场的均匀度降低，另外在结构设计的算法中计算复杂度提升，模拟过程中容易出现不合理的设计结果。
优选地，整形准直输出石英端帽的输出端面轮廓为外凸状曲面结构，在曲面的至少部分或整体上具有衍射光学浮雕微结构，其在光纤的输出模式上实现了低损耗易实现的准直同时整形的输出，具体的整形输出光场包括但不限于平顶匀滑光场，自定义轮廓的光束匀化镜，光束分束，长焦深聚焦，多波长聚焦等等。
优选地，需要远场的高精密均匀光场，采用衍射光学浮雕微结构作为整形准直输出石英端帽的输出端进行设计。
具体的算法可以采用模糊控制迭代算法，G-S算法，迭代量化傅里叶变换算法等。
优选地，为了防止输出端面的反射，输出曲形端面可以在被抛光后(在一些情况下也可以不抛光)，被镀上应用激光波长如1070nm±20nm所对应的高功率激光级高透过率介质膜；
优选地，端帽与光纤熔接端可以采用锥形的结构，锥度为15-50度，例如为30°，该锥度角设计应大于由光纤数值孔径来决定的光束最大发散角13.79°，锥区长度为3mm-10mm，例如为5mm，与光纤熔接处直径为0.4mm-3mm，例如为1mm。石英柱的直径尺寸为8m-20mm，例如为12mm，该直径根据准直后光斑大小要求以及光纤数值孔径大小计算获得，石英柱直径应大于准直输出光斑大小。石英柱的总长度(除锥区长度外)为20-50mm，例如为36.38mm，。
设置光纤包层毛化区3：将端帽与光纤熔接点之前的一段距离的光纤外包层进行磨砂毛化处理，以对回返光进行剥除处理。毛化区的长度设置为3-5cm，设毛化区的后边界与熔接点锥形区的前边界距离为S，设定距离S为5-20mm。
优选地，大模场双包层光纤参数为50/400/0.12，此外，还可以选用其他参数的光纤。
优选地，光纤磨砂毛化区，还可以采用将光纤外包层采用激光烧蚀、化学腐蚀、点涂高折胶水三种方式进行处理；
本发明提供了一种一体化的光纤整形准直输出器，其采用光纤直接熔接整形准直石英端帽，实现的准直整形输出的低损耗和易使用，采用特殊构造的衍射光学浮雕微结构设置在端帽的外凸型曲面轮廓上，实现了大扩散角光纤激光的一体化准直和整形，设置合理的包层毛化区，滤除大部分回返光。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1本发明的光纤结构示意图；
图2本发明中的端帽示意图；
图3是本发明结构示意图；
图4是采用衍射光学浮雕微结构作为端帽输出表面的示意图；
图5是不同的距离进行毛化的滤除效果的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
一种高功率光纤整形准直输出器，用于对高功率光纤激光的输出整形准直。该整形准直输出器包括大模场双包层光纤1(如附图1)；整形输出石英端帽2(参见附图2)，在一些实施例下，整形准直输出石英端帽可以镀膜；光纤外包层毛化区3；光纤与整形准直输出石英端帽熔接区4。大模场双包层光纤1在一些实施例下选用高功率50/400μm参数(纤芯/直径)、数值孔径NA为0.12的常规大模场双包层阶跃型光纤；整形准直输出石英端帽：该端帽为了与光纤进行熔接，端帽与光纤熔接端优选为锥形结构设计，光纤与石英端帽熔接区4：光纤与石英端帽都由石英材质组成，因此可以采用直接熔接的方法将两部分进行无缝隙连接，熔接方式可采用目前已成熟的二氧化碳激光或三电极的熔接技术进行熔接。
整形准直输出石英端帽输出端采用整形准直光学元件，在一些实施例下可以采用锥形、抛物线形、阵列曲面，这些面型可以针对具体的整形准直需要进行具体的曲率设计或是阵列曲面设计，使得输出光经过一体化的整形准直输出，在一些实施例下，该光纤准直输出器整形激光输出光斑直径为数个毫米，经过高斯光束传输拟合后，该整形输出器准直光束边缘光纤发散角约10-4。但是这些面型仍然面临着设计自由度不够，不能够解决复杂光场或是高精度光场需求下的一体化整形准直输出。
基于此，发明人意识到可以采用衍射光学微结构元件(DOE)作为整形准直输出石英端帽的输出端，对输出激光能量横向分布进行整形准直输出。衍射光学元件为多阶相位结构，其利用浮雕结构实现光束整形。通常，我们对于高功率光纤激光的输出，除了对M2因子，束腰位置，束腰宽度等等有要求外，在一些实施例下，尤其的还需要降低发散角度和提高远场均匀度，而使用衍射光学微结构作为输出面型则可以一体化的调整整个光场的整形结果，实现各种要求的光束输出，尤其的适合符合此类的要求。
常规的衍射光学元件，其在实现大扩散角光场的准直输出的时候，其部分浮雕微结构需要较高，另一些浮雕微结构则需要较低，造成制造困难和光场的均匀度降低，另外在结构设计的算法中计算复杂度提升，容易在设计的过程中出现不适当的设计结果。
为了解决这个问题，在一些实施例下，参见图4可以看出，其整形准直输出石英端帽的输出端面轮廓为外凸状曲面结构(可以采用非球面曲面或球面曲面)，在曲面的至少部分或整体上具有衍射光学浮雕微结构，其在光纤的输出模式上实现了低损耗易实现准直同时整形的输出。作为一个示例，曲率大小可以被设计为5-30mm，例如11.38mm，实现对应的需求下的准直整形输出。
图4中可以看出，输出表面分为复数个区域，每个区域具有对应的预设微结构，微结构的数目为复数个，利用微结构来改变其传播的光的相位，微结构能够使输入特定光的时候输出任何符合设计的光强分布的光。具体的整形输出光场包括但不限于平顶匀滑光场，自定义轮廓的光束匀化镜，光束分束，长焦深聚焦，多波长聚焦等等。
在一些实施例下，需要远场的高精密均匀光场，采用衍射光学浮雕微结构作为整形准直输出石英端帽的输出端进行设计。
具体的算法可以采用模糊控制迭代算法，G-S算法，迭代量化傅里叶变换算法等。
在一些实施例下，为了防止输出端面的反射，输出曲形端面可以在被抛光后(在一些情况下也可以不抛光)，被镀上应用激光波长如1070nm±20nm所对应的高功率激光级高透过率介质膜；
在一些实施例下，端帽与光纤熔接端可以采用锥形的结构，锥度为15-50度，例如为30°，该锥度角设计应大于由光纤数值孔径来决定的光束最大发散角13.79°，锥区长度为3mm-10mm，例如为5mm，与光纤熔接处直径为0.4mm-3mm，例如为1mm。石英柱的直径尺寸为8m-20mm，例如为12mm，该直径根据准直后光斑大小要求以及光纤数值孔径大小计算获得，石英柱直径应大于准直输出光斑大小。石英柱的总长度(除锥区长度外)为20-50mm，例如为36.38mm，。
发明人意识到，由于采用的高功率光纤激光输出，大模场双包层阶跃型光纤的输出光在经过端帽输出端的界面反射后，其光场发生很大变化，由于端帽和光纤的耦合结构，当重新输入光纤后，会有很大部分的光进入到包层中，因此可以设置光纤包层毛化区3：为了避免来自激光作用面的回返光对光纤准直输出器之前的光学系统产生危害，因此将端帽与光纤熔接点之前的一段距离的光纤外包层进行磨砂毛化处理，以对回返光进行剥除处理。毛化区的长度不宜设置的过长，当毛化区的长度超过3cm时，其剥除效果提升就很缓慢，当超过5cm时剥除效果提升就非常小了，设定毛化区的长度设置为3-5cm，对于毛化区的后边界与熔接点锥形区的前边界距离的选择，发明人经过模拟，发现，由于石英端帽的的耦合结构的特殊构造，当采用4cm长度的毛化区时，参照图5，设毛化区的后边界与熔接点锥形区的前边界距离为S，设定距离S为5-20mm时能获得最佳的包层光滤除效果。
在一些实施例下，大模场双包层光纤参数为50/400/0.12，此外，还可以选用其他参数的光纤。
在一些实施例下，光纤磨砂毛化区，还可以采用将光纤外包层采用激光烧蚀、化学腐蚀、点涂高折胶水三种方式进行处理；
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
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