CN1293401C - 空心圆台激光光纤耦合器 - Google Patents

Abstract

空心圆台激光光纤耦合器属于高功率、大能量激光光纤耦合器件技术领域。现有的耦合器件无法胜任脉冲峰值功率达到兆瓦级的激光与光纤的耦合。本发明提供了一种具有空心圆台结构的耦合器，耦合器其工作腔呈空心圆台状，圆台下底面为入光面，上底面为出光面，锥面为反射面，入光面和出光面以及二者之间均以空气为介质，出光面与光纤的光输入端面重合。这种耦合器不仅自身抗光伤，而且，由于耦合到光纤入光端的激光光斑，其功率密度均匀，从而避免毁损耦合光纤。这种耦合器可应用于象Nd:YAG激光器这类大功率激光器输出的高功率、大能量的激光束与光纤的耦合。

Description

空心圆台激光光纤耦合器

                       技术领域

本发明属于高功率、大能量激光光纤耦合器件技术领域。

                       背景技术

在现有技术中，申请号为02104969.6中国专利申请和专利号为ZL99227472.9中国专利分别记载了两种光纤耦合器，它们要解决的共同问题是如何使光纤的几何轴与激光束光轴重合，以提高耦合效率。不过，在这两种技术方案中，都含有现有激光光纤耦合的常用技术措施，见图1所示，采用透镜1，将其置于光纤入光端2前，入光端2制成实心并具有一定锥度的形状，在制作光纤3时一次性完成，周围的锥面也是一种工作面。激光束经透镜1聚光后，入射入光端2，传入光纤3，完成耦合。透镜1是主要的耦合器件，入光端2是辅助的耦合器件。激光束、透镜1、入光端2以及光纤3同轴。与本发明更为接近的现有技术是申请号为平4-267424的一件日本发明专利申请公开的一项名称为“光耦合装置”的技术方案，见图2所示，光耦合装置5的内部为一个呈圆台状的导光部6，导光部6内可以是空气介质或者其他导光介质，导光部6的第一开口7为圆台上底面，为光耦合装置5的出光口，与光纤8的耦合端面对接，二者具有匹配的口径，导光部6的第二开口9为圆台的下底面，为光耦合装置5的入光口，导光部6与光纤8同轴，光源O位于该轴线上。该耦合装置要解决的技术问题是发散的半导体激光与光纤的耦合效率较低。该技术方案的主要特征是入光口即第二开口9的口径大于出光口即第一开口7的口径，由此实现提高耦合效率的目的。耦合过程是自光源O发出的激光的大部分由导光部6的反射锥面10反射进入光纤8，而其中又有大部分需要经过两次或者两次以上的反射方能进入光纤8，如先经点A、再经点B反射。该耦合装置恰似一个漏斗。

                       发明内容

前两种技术尚能较好地实现连续激光与单模光纤的耦合。可是，它存在这样一个缺点，见图1所示，在入光端2的端面4上，入射光的功率密度非均匀分布，越靠近中心，功率密度越大，当脉冲激光的峰值功率达到兆瓦数量级时，多模光纤其光伤阈值低于这一功率值，必然引起器件损毁。有时这种毁损也会发生在透镜1上。而第三种技术并非一定适合平行高功率、大能量激光与光纤的耦合。为了实现平行高功率、大能量激光与光纤的耦合，我们发明了一种空心圆台激光光纤耦合器。

本发明之方案见图3所示，与现有技术相同之处在于，所说的耦合器其工作腔呈空心圆台状，圆台下底面为入光面11，上底面为出光面12，锥面为反射面13，入光面11和出光面12以及二者之间均以空气为介质，出光面12与光纤14的光输入端面重合，与现有技术不同之处在于，所说的耦合器用于平行高功率、大能量激光与光纤14的耦合，并且，见图4所示，

$\sin \mathrm{\α}=\sqrt{n_1^2-n_2^2}$

$h=\frac{D}{2}\sqrt{\frac{1+n_1^2+n_2^2}{n_1^2-n_2^2}}.$

用本发明之耦合器实现激光光纤耦合时，可以不用透镜聚光，激光束可以直接入射耦合器。激光束中较弱的边缘光束a经反射面13反射到出光面12接近轴心处，激光束强度适中的中间光束b经反射面13反射到出光面12远离轴心处，边缘光束a、中间光束b只经过一次反射即进入光纤14，而激光束中较强的中心光束c直接照射到出光面12的中心部位，与较弱的边缘光束a的反射光重合而中和，最终在出光面12形成功率密度接近一致的光斑，假如激光束峰值功率很高，也不会在光纤14光输入端面局部形成超过其光伤阈值的强激光，从而克服了现有技术的缺点。例如，对于调Q脉冲激光，脉冲宽度为10ns，峰值功率达10⁶w，用现有技术之透镜聚焦后的焦点直径为1～10μm，焦点上的平均功率密度可达10^12～13w/cm²，在焦点中心功率密度更高。用本发明之空心圆台激光光纤耦合器，在出光面12处形成的光斑功率密度仅为10^8～9w/cm²，而多模光纤的光伤阈值是10¹⁰w/cm²，因此，不会损毁光纤。

                       附图说明

图1是现有激光光纤耦合技术示意图。图2是现有技术之“光耦合装置”示意图。图3是本发明之空心圆台激光光纤耦合器件及与光纤耦合示意图。图4是本发明一实例示意图。

                       具体实施方式

见图3、图4所示，本发明之激光光纤耦合器可以用石英、光学玻璃或者金属制作。可以制作成空心薄壁圆台状，如图3所示，也可以制作成内部空间为圆台状，外部呈圆柱状，二者同轴，如图3所示，第二种方案能够确保反射面13面形的稳定性。反射面13是耦合器的工作面，要求具有良好的光学反射性能，先将其加工出光学镜面，然后，根据所耦合的激光波长的不同，可以镀金属反射膜或介质反射膜。入光面11的孔径D与激光光斑的孔径相匹配，出光面12的孔径d与光纤14的数值孔径sinα相匹配。孔径D、d和空心圆台的高h决定了反射面13的锥度，该锥度与光纤14的芯料、皮料的折射率n₁、n₂密切相关。

现举一实例说明本发明，见图4所示，在铜质圆柱状坯料中沿轴线开一同轴圆台形孔，圆台下底面孔径D的尺寸为6mm，圆台上底面孔径d为0.5mm。圆台锥面镀金。与之耦合的光纤14芯料折射率n₁为1.626，皮料折射率n₂为1.510，空气折射率为n₀。耦合器出光面12与光纤14的光输入端面同轴、重合。激光束边缘光束a照射到反射面13上，其反射光a′作为入射光在耦合器出光面12(也就是折射率分别为n₀、n₁两种光介质界面)折射，折射光a″作为入射光在折射率分别为n₁、n₂两种光介质界面(也就是光纤14芯料、皮料两种光介质界面)反射，进而在光纤14中传输。要实现上述光传播过程，决定反射面13的锥度的最后因素，也就是空心圆台的高h的值可通过下述推导计算过程求得：

∵n₁Sinθ₁＝n₂，  θ₁+β＝90°

其中：θ₁为入射光a″的入射角，β为折射光a″的折射角

∴ $\sin \mathrm{\α}=\sqrt{n_1^2-n_2^2}$

其中：α为入射光a′的入射角

又∵ $\sin \mathrm{\α}=\frac{\frac{D}{2}}{\sqrt{{\left(\frac{D}{2}\right)}^2+h^2}}...\left(1\right)$

则 $\sqrt{n_1^2-n_2^2}=\frac{\frac{D}{2}}{\sqrt{{\left(\frac{D}{2}\right)}^2+h^2}}$

$h=\frac{D}{2}\sqrt{\frac{1+n_1^2+n_2^2}{n_1^2-n_2^2}}...\left(2\right)$

将各数值代入(2)式，得出空心圆台高h的值为3.9238mm，再将该值代入(1)，得出入射光a′的入射角α的值为37°4′。该空心圆台激光光纤耦合器可实现Nd:YAG激光器波长λ为1.06μm的激光束与光纤的耦合。

Claims (1)

1、一种激光光纤耦合器，激光束通过其工作腔后发生汇聚，工作腔具有锥面工作面，所说的耦合器其工作腔呈圆台状，圆台下底面为入光面(11)，上底面为出光面(12)，锥面为反射面(13)，入光面(11)和出光面(12)以及二者之间均以空气为介质，出光面(12)与光纤(14)的光输入端面重合，其特征在于：

①

A、所说的耦合器用于平行高功率、大能量激光与光纤(14)的耦合，

$B,\sin \mathrm{\α}=\sqrt{n_1^2-n_2^2},$

$C,h=\frac{D}{2}\sqrt{\frac{1+n_1^2+n_2^2}{n_1^2-n_2^2}},$

在上述公式中，α为光纤(14)的数值孔径角，n₁是光纤(14)芯料的折射率，n₂是光纤(14)皮料的折射率，D为入光面(11)的孔径，h是空心圆台的高；

②工作腔为空心，以空气为导光介质。

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