CN105511098A - 一种光纤激光一体化准直光学装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光纤激光一体化准直光学装置，该方案包括有光纤激光器、准直器尾光纤和准直光学器件；光纤激光器发出的激光通过准直器尾光纤耦合进入准直光学器件后输出准直后的激光。该方案兼具光纤端帽和激光准直器的作用，减少了光学元件的数量，减小了光纤准直器的体积并降低了激光散射回光对光纤激光器的干扰。

Description

一种光纤激光一体化准直光学装置

技术领域

本发明涉及的是激光器应用技术，尤其是一种光纤激光一体化准直光学装置。

背景技术

由于光纤激光具有转换效率高、光束质量好、热管理方便、结构紧凑等优点，高功率光纤激光技术得到迅速发展，单纤单模输出功率巳经迈进万瓦量级，基模千瓦级光纤激光器已经实现商用化。对于实际的光纤激光***，从光纤激光器输出的光束一般还要经过准直***扩束后再进行传输和应用。目前，现有的光纤准直器都与光纤输出端分离，对于高功率光纤激光来说，为了减小输出端损耗并保护光纤端面，通常在光纤输出端熔接有大直径石英端帽，并在端帽两端镀膜。光纤准直器与光纤输出端分离的结构虽然易于更换，但缺点是结构复杂，体积较大，在某些对体积有严格要求的应用中不能满足使用要求。

例如多束光纤激光拼接合成应用中，要求拼接光束具有较高的占空比，目前的光学准直器结构复杂，占空比低，无法直接排列拼接，需要额外的合成光路才能实现高占空比的光束拼接。现有的高功率光纤激光端帽与准直光学***分离，光学元件及光学界面较多，增大了激光的传输损耗，并且光学界面的后向散射回光会对光纤激光器造成干扰。

发明内容

本发明的目的，就是针对现有技术所存在的不足，而提供一种光纤激光一体化准直光学装置的技术方案，该方案兼具光纤端帽和激光准直器的作用，减少了光学元件的数量，减小了光纤准直器的体积并降低了激光散射回光对光纤激光器的干扰。

本方案是通过如下技术措施来实现的：

一种光纤激光一体化准直光学装置，包括有光纤激光器、准直器尾光纤和准直光学器件；光纤激光器发出的激光通过准直器尾光纤耦合进入准直光学器件后输出准直后的激光。

作为本方案的优选：准直器尾光纤上设置有尾纤保护套。

作为本方案的优选：准直光学器件为平凸光学透镜；所述平凸光学透镜的两个光学表面，一个是平面，另一个是凸面，平面与凸面的焦平面重合。

作为本方案的优选：平凸光学透镜的平面端设置有多级台阶。

作为本方案的优选：准直器尾光纤与平凸光学透镜的平面熔接，准直器尾光纤的光轴与平凸光学透镜的光轴重合。

作为本方案的优选：准直器尾光纤采用与被准直的光纤激光器输出光纤相同的材料和技术参数。

作为本方案的优选：平凸光学透镜的材料与准直器尾光纤的纤芯材料相同，平凸光学透镜的凸面镀增透膜。

作为本方案的优选：准直光学器件为锥形准直透镜；锥形准直透镜的锥端与准直器尾光纤熔接。

作为本方案的优选：锥形准直透镜的材料与准直器尾光纤的纤芯材料相同，锥形准直透镜的非锥面镀增透膜。

本方案的基本原理是：光纤激光器的纤芯较小，光纤输出端可以近似认为是一个光束定向传输的点光源，平凸光学透镜的平面端与光纤输出端熔接在一起，则该点光源与平凸光学透镜的平面端重合，由于平凸光学透镜的平面端与凸面的焦平面重合，则该点光源也与凸面的焦平面重合，因此经过光纤输出端岀射的激光经过凸面后被准直成平行光输出。

平凸光学透镜凸面的作用是对光纤输出激光进行准直，其表面形状可以是球面也可以是非球面，根据光学设计结果，满足光纤激光准直的光束质量要求即可。平凸光学透镜的直径应稍大于准直后激光束的直径，其焦距f由光纤激光的数值孔径和准直后激光束尺寸决定，计算公式如下：

f=d/NA

其中，d是准直后激光束半径；NA是平凸光学透镜平面端熔接的光纤的数值孔径。

由此可见，本发明与现有技术相比，采用单一器件既实现了光纤激光的准直，又具有传统端帽对光纤输出端的保护作用，结构简单，环境适应能力强，减小了准直***的体积，提高了光纤准直***的占空比，并且光纤激光准直过程中仅有一个光学界面，激光损耗小，散射杂散光少，传输效率高，具有突出的实质性特点和显著地进步，其实施的有益效果也是显而易见的。

附图说明

图1为本发明具体实施例1的结构示意图。

图2为本发明具体实施例2的结构示意图。

图3为本发明具体实施例3的结构示意图。

图中，1为光纤激光器，2为准直器尾光纤，3为平凸光学透镜，4为尾纤保护套，5是异形平凸光学透镜，6是锥形准直透镜。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

实施例1

图1是本发明的光纤激光一体化准直光学器件光路结构示意图。图中，准直器尾光纤2与平凸光学透镜3的平面端熔接在一起，两者熔接完成后装配进金属材料的准直器保护套4中，通过粘胶与准直器保护套4固定。准直器保护套4的作用是保护准直器的尾纤2与平凸光学透镜3的熔接点不被外力损伤。使用时，准直器尾光纤2与光纤激光器1的输出端相熔接。

图1中，光纤激光器1采用的光纤数值孔径NA=0.06，芯径20μm，材料为熔石英，包层直径400μm，输出激光波长1064nm，光束质量M²≈1.5，经过准直后激光输出光束直径约2mm。准直器尾光纤2采用与光纤激光器1相同的光纤。平凸光学透镜3的材料为熔石英，凸面形状是球面，曲率半径R=6.194mm，曲率半径加工误差△R/R<0.03%，透镜中心厚度19.90mm±0.01mm，直径4mm，凸面镀1064nm激光增透膜。准直器尾光纤2与平凸光学透镜3熔接时控制两者光轴角度误差小于10mrad。

实施例2

图2是本实施例的另一种光纤激光一体化准直光学器件光路结构示意图。本实施例与实施例1的基本结构相同，不同之处在于：实施例1中，准直器件是一个平凸光学厚透镜；本实施例中，准直器件仍是平凸透镜，但外观形状有较大变化。异形平凸光学透镜5的外径分为三个部分，靠近凸面的部分直径7.5mm，中间部分直径是5mm，其作用是固定尾纤保护套4，与准直器尾光纤2相连的部分直径是1.5mm，其直径的选择是方便光纤熔接机自动对中，保证准直器尾光纤2与异形平凸光学透镜5熔接在一起。异形平凸光学透镜加工过程中保证外径不同的三部分严格同心。

图2中，异形平凸光学透镜5材料为熔石英，凸面形状是球面，曲率半径R=18.000mm，曲率半径加工误差△R/R<0.01%，透镜中心厚度57.81mm±0.02mm，凸面镀1064nm激光增透膜。准直器尾光纤2与平凸光学透镜5熔接时控制两者光轴角度误差小于5mrad。

实施例3

图3是本实施例的另一种光纤激光一体化准直光学器件光路结构示意图。本实施例与实施例1的基本结构相同，不同之处在于：实施例1中，准直器件是一个平凸光学厚透镜；本实施例中，准直器件仍是平凸透镜，但外观形状有较大变化。锥形准直透镜6外径直径7.5mm，锥形尾端与尾光纤2相连的平面直径是1mm，锥形全角为20°，锥形准直透镜与光纤连接部分的的形状选择主要是方便光纤熔接机自动对中，尾光纤2与锥形准直透镜6熔接的成品率。锥形准直透镜加工过程中保证入射平面与岀射曲面同心。

图3中，锥形准直透镜5材料为熔石英，凸面形状是球面，曲率半径R=18.000mm，曲率半径加工误差△R/R<0.01%，透镜中心厚度57.81mm±0.02mm，凸面镀1064nm激光增透膜。准直器尾光纤2与锥形准直透镜熔接时控制两者光轴角度误差小于5mrad。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (9)

1.一种光纤激光一体化准直光学装置，其特征是：包括有光纤激光器、准直器尾光纤和准直光学器件；所述光纤激光器发出的激光通过准直器尾光纤耦合进入准直光学器件后输出准直后的激光。

2.根据权利要求1所述的一种光纤激光一体化准直光学装置，其特征是：所述准直器尾光纤上设置有尾纤保护套。

3.根据权利要求1所述的一种光纤激光一体化准直光学装置，其特征是：所述准直光学器件为平凸光学透镜；所述平凸光学透镜的两个光学表面，一个是平面，另一个是凸面，平面与凸面的焦平面重合。

4.根据权利要求3所述的一种光纤激光一体化准直光学装置，其特征是：所述平凸光学透镜的平面端设置有多级台阶。

5.根据权利要求3或4所述的一种光纤激光一体化准直光学装置，其特征是：所述准直器尾光纤与平凸光学透镜的平面熔接，准直器尾光纤的光轴与平凸光学透镜的光轴重合。

6.根据权利要求1所述的一种光纤激光一体化准直光学装置，其特征是：所述准直器尾光纤采用与被准直的光纤激光器输出光纤相同的材料和技术参数。

7.根据权利要求3所述的一种光纤激光一体化准直光学装置，其特征是：所述平凸光学透镜的材料与准直器尾光纤的纤芯材料相同，平凸光学透镜的凸面镀增透膜。

8.根据权利要求1所述的一种光纤激光一体化准直光学装置，其特征是：所述准直光学器件为锥形准直透镜；所述锥形准直透镜的锥端与准直器尾光纤熔接。

9.根据权利要求8所述的一种光纤激光一体化准直光学装置，其特征是：所述锥形准直透镜的材料与准直器尾光纤的纤芯材料相同，锥形准直透镜的非锥面镀增透膜。