一种功率可调的同心点环斑合束器及其制作方法与流程

1.本发明涉及光纤激光器领域，尤其涉及一种功率可调的同心点环斑合束器及其制作方法。


背景技术：

2.光纤激光器由于其转化效率高、优质光束质量、质量轻、结构紧凑、易维护、成本低等优点，逐渐取代传统激光器，在医疗、工业以及军用得到的广泛的应用。随着近些年光纤激光器的飞速发展，功率级别的不断提高，应用需求不断提出，除了金属切割，在激光清洗，熔覆以及焊接等领域展现出很好的发展潜力。
3.随着应用的不断扩展，高斯型的输出光斑已经满足不了增长的需求，对输出光斑的形状改变势在必行，比如平顶，环形，方形等，不同的加工领域有着不同的优势，在切割厚板的时候，平顶光斑就表现出较好的切割能力；在激光打孔方面，环形光斑有表现出独特的优势等。
4.目前实现光斑形状的改变目前主要有两种方式，空间整形和光波导整形两种，空间整形由于需要通过透镜和机械结构实现，结构复杂，不利于工业高度集成化，操作不方便，同时机械结构可靠性差；光波导整形相对于空间整形更容易实现，可以实现全光纤结构，可以满足工业的高度集成化，操作方便，可靠性良好。
5.因此，提供一种全光纤结构，功率可调，光斑形状随意切换成为光纤激光器应用领域急需要解决的难题。


技术实现要素：

6.为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种功率可调的同心点环斑合束器及其制作方法。
7.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种功率可调的同心点环斑合束器，包括n根输入光纤10，n≥2、输入光纤10和毛细管20熔融拉锥形成的光纤束50，输出光纤40；光纤束50和输出光纤40熔接于熔接点30。
8.一种功率可调的同心点环斑合束器的制作方法，包括有以下步骤：步骤1：准备好n根输入光纤10，n≥2，剥去一段涂覆层13，用酒精将包层12擦拭干净，备用；步骤2：根据实际情况，选择毛细管20为掺氟石英成材质毛细管或纯石英材质毛细管，选择合适内径和外径；如果选取的输入光纤10中至少有1根光纤为单模或少模多波导光纤，进行步骤3；步骤3：取一根已经备好的输入光纤10，该光纤为单模或少模多波导光纤，将该光纤穿入掺氟毛细管20中，熔融拉锥成整体光纤201，将整体光纤201和n-1根输入光纤10，排列穿入毛细管20，调整拉锥参数和控制光纤束拉锥比，拉锥比数值为1-10，熔融拉锥使其成为整体光纤束50，并将光纤束50端面切平；
如果选择的输入光纤10都为多模多波导光纤，进行步骤a3；步骤a3：将n根备好的输入光纤10，排列穿入毛细管20中，调整拉锥参数和控制光纤束拉锥比，拉锥比数值为1-10，熔融拉锥使其成为整体光纤束50，并将光纤束50端面切平；步骤4：将输出光纤40，剥去涂一段涂覆层i46，用酒精将第三包层44擦拭干净，端面切平；步骤5：将切平的光纤束50和输出光纤40，利用熔接机，熔接于熔接点30；步骤6：熔接点30要确保光纤束ii101中的激光传导到纤芯i41中，光纤束i105中的激光传导到输出光纤i45中。
9.步骤7：功率可调的同心点环斑合束器的制作完成，可以实现不同功率级别的点光斑、环光斑或点环光斑输出。
10.本发明还具有以下附加技术特征：作为本发明技术方案进一步具体优化的：输入光纤10为单模或少模或多模的多波导光纤；n根输入光纤10，n≥2为同种光纤或不同种光纤。
11.作为本发明技术方案进一步具体优化的：多波导光纤包括中间的纤芯以及围绕于纤芯的外围的n层波导结构，n≥1，至少包括中间的纤芯11、内包层12和涂覆层13；中间的纤芯11直径为d1；内包层12的直径为d2；涂覆层13的直径为d3，其中d1<d2<d3，其直径数值可以根据实际情况自由选择。
12.作为本发明技术方案进一步具体优化的：中间的纤芯11和内包层12形成数值孔径na1，具体数值可以根据实际情况自由选择。
13.作为本发明技术方案进一步具体优化的：输入光纤10，其纤芯11中传输的激光既可以是单模块激光输入，也可以是多模块激光合束输入。
14.作为本发明技术方案进一步具体优化的：毛细管20可以为纯sio2毛细管，也可以为掺氟sio2毛细管，掺氟sio2毛细管的na控制在0.1-0.24之间，其内径i221、内径ii211和外径i222、外径ii212直径的选择根据实际情况选择。
15.作为本发明技术方案进一步具体优化的：剥去涂覆层13的n根输入光纤10，n≥2，用酒精将包层12擦拭干净，穿入毛细管20中，调整拉锥参数，控制光纤束拉锥比，拉锥比数值为1-10，将输入光纤10和毛细管20熔融拉锥成整体光纤束50。
16.作为本发明技术方案进一步具体优化的：输出光纤40为多模多波导光纤，包括中间的纤芯以及围绕于纤芯的外围的n层波导结构，n≥3，至少包括纯sio2的中间的纤芯i41，其直径为d0；掺氟sio2的第一包层42，其直径为d1；纯sio2的第二包层43，其直径为d2；掺氟sio2的第三包层44，其直径为d3；具有低折射率特性的涂覆层i46，其直径为d4，其中d0＜d1＜d2＜d3＜d4，其直径数值根据实际情况自由选择。
17.作为本发明技术方案进一步具体优化的：中间的纤芯i41和第一包层42形成数值孔径na1，第二包层43和第三包层44形成数值孔径na2，第三包层44和涂覆层i46形成数值孔径na3，其中na1＜na2＜na3，具体数值根据实际情况自由选择。
18.作为本发明技术方案进一步具体优化的：将制成的光纤束50和输出光纤40端面切平，熔接于熔接点30，要确保光纤束ii101中的激光传导到纤芯i41中，105激光传导到输出光纤i45中。
19.作为本发明技术方案进一步具体优化的：通过控制光纤束ii101和光纤束i105中
的激光开或关和功率的大小调节，输出光纤40可以实现点光斑，环光斑及点环光斑等输出。
20.本发明和现有技术相比，其优点在于：优点1：相比于传统的空间整合，该方法结构简单，操作方便，可靠性良好，集成化程度高；优点2：该方法制作合束器可以实现激光的高效率传输；优点3：该方法可以实现点环光斑和功率随意组合，实现不同功率，不同光斑形状（点光斑、环光斑以及点环光斑）的激光输出；优点4：该合束器直接应用到激光器中，无需额外增加其他光学元件，实现高度集成化。
21.优点5：输入光纤纤芯中的激光可以单模块激光输入可以是多模块激光合束输入，实现更高功率级别输入和输出。
22.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1为本发明合束器制作方法的具体结构示意图；图2为本发明毛细管20的结构示意图。
25.图3为本发明实施例1中输入光纤10的结构示意图，201结构示意图和输出光纤40的结构示意图；图4为本发明实施例1中熔接点30的左光纤束50横截面结构图和右输出光纤40的光传输路径图；图5为本发明实施例1中几种输出光斑分布图；图6为本发明实施例2中输入光纤a10，b10的结构示意图，201的结构示意图和输出光纤40的结构示意图；图7为本发明实施例2中熔接点30的左光纤束50横截面结构图和右输出光纤40的光传输路径图；图8为本发明实施例2中几种输出光斑分布图；图9为本发明实施例3中输入光纤10的结构示意图和输出光纤40的结构示意图；图10为本发明实施例3中熔接点30的左光纤束50横截面结构图和右输出光纤40的光传输路径图；图11为本发明实施例3中几种输出光斑分布图。
具体实施方式
26.下面将参照附图更详细地描述本发明公开的示例性实施例，这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。虽然附图中显示了本发明公开的示例性实施例，然而应当理解，本发明而不应被这里阐述
的实施例所限制。
27.下面将参照附图更详细地描述本发明公开的示例性实施例，这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。虽然附图中显示了本发明公开的示例性实施例，然而应当理解，本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。
28.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
29.此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。同时，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电性连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
30.一种功率可调的同心点环斑合束器，如图1所示，包括n根输入光纤10，n≥2、输入光纤10和毛细管20熔融拉锥形成的光纤束50，输出光纤40；光纤束50和输出光纤40熔接于熔接点30。
31.输入光纤10可以为单模或少模多波导光纤，也可以为多模多波导光纤，可以是同种光纤，也可以是不同种光纤。
32.多波导光纤，包括中间的纤芯以及围绕于纤芯的外围的n层波导结构，n≥1，至少包括中间的纤芯11、内包层12和涂覆层13；中间的纤芯11直径为d1；内包层12的直径为d2；涂覆层13的直径为d3，其中d1<d2<d3，其直径数值可以根据实际情况自由选择。
33.中间的纤芯11和内包层12形成数值孔径na1，具体数值可以根据实际情况自由选择。
34.输入光纤10，其纤芯11中传输的激光既可以是单模块激光输入，也可以是多模块激光合束输入。
35.毛细管20可以为纯sio2毛细管，也可以为掺氟sio2毛细管，掺氟sio2毛细管的na控制在0.1-0.24之间，其内径i221、内径ii211和外径i222、外径ii212直径的选择根据实际情况选择。
36.剥去涂覆层13的n根输入光纤10，n≥2，酒精擦拭干净包层12，穿入毛细管20中，调整拉锥参数，控制光纤束拉锥比，拉锥比数值为1-10，将输入光纤10和毛细管20熔融拉锥成整体光纤束50。
37.输出光纤40为多模多波导光纤，包括中间的纤芯以及围绕于纤芯的外围的n层波导结构，n≥3，至少包括纯sio2的中间的纤芯i41，其直径为d0；掺氟sio2的第一包层42，其直径为d1；纯sio2的第二包层43，其直径为d2；掺氟sio2的第三包层44，其直径为d3；具有低折射率特性的涂覆层i46，其直径为d4，其中d0＜d1＜d2＜d3＜d4，其直径数值根据实际情况自由选择。
38.中间的纤芯i41和第一包层42形成数值孔径na1，第二包层43和第三包层44形成数值孔径na2，第三包层44和涂覆层i46形成数值孔径na3，其中na1＜na2＜na3，具体数值根据实
际情况自由选择。
39.将制成的光纤束50和输出光纤40端面切平，熔接于熔接点30，要确保光纤束ii101中的激光传导到纤芯i41中，光纤束i105激光传导到输出光纤i45中。
40.通过控制光纤束ii101和光纤束i105中的激光开或关和功率的大小调节，输出光纤40可以实现点光斑，环光斑及点环光斑等输出。
41.一种功率可调的同心点环斑合束器的制作方法如下：步骤1：准备好n根输入光纤10，n≥2，剥去一段涂覆层13，用酒精将包层12擦拭干净，备用。
42.步骤2：根据实际情况，选择毛细管20为掺氟石英成材质毛细管或纯石英材质毛细管，选择合适内径i221、内径ii211和外径i222、外径ii212；如果选取的输入光纤10中至少有1根光纤为单模或少模多波导光纤，进行步骤3：步骤3：取一根已经备好的输入光纤10，该光纤为单模或少模多波导光纤，将该光纤穿入掺氟毛细管20中，熔融拉锥成整体光纤201，将整体光纤201和n-1根输入光纤10，排列穿入毛细管20，调整拉锥参数和控制光纤束拉锥比，拉锥比数值为1-10，熔融拉锥使其成为整体光纤束50，并将光纤束50端面切平；如果选择的输入光纤10都为多模多波导光纤，进行步骤a3:步骤a3：将n根备好的输入光纤10，排列穿入毛细管20中，调整拉锥参数和控制光纤束拉锥比，拉锥比数值为1-10，熔融拉锥使其成为整体光纤束50，并将光纤束50端面切平；步骤4：将输出光纤40，剥去涂一段涂覆层i46，用酒精将第三包层44擦拭干净，端面切平。
43.步骤5：将切平的光纤束50和输出光纤40，利用熔接机，熔接于熔接点30；步骤6：熔接点30要确保光纤束ii101中的激光传导到纤芯i41中，光纤束i105中的激光传导到输出光纤i45中。
44.步骤7：功率可调的同心点环斑合束器的制作完成，可以实现不同功率级别的点光斑，环光斑以及点环光斑等输出。
45.实施例1如图2所示，选择毛细管20都为掺氟石英材质毛细管，na=0.12，其中毛细管a22为掺氟石英材质毛细管，其内径221直径为130um，外径222直径为260um；毛细管b22为掺氟石英材质毛细管，其内径221为780um，外径222直径为1000um。
46.如图3所示，选择7根输入光纤10，其中1根输入光纤a10，纤芯11直径为20um，包层12直径为125um，涂覆层13直径为250um，na为0.065/0.46；其中6根输入光纤b10，纤芯11直径为20um，包层12直径为250um，涂覆层13直径为330um，na为0.065/0.46。
47.如图3所示，选择1根输出光纤40，纤芯i41直径为50um，第一包层42直径为70um，第二包层43直径为300um，第三包层44直径为360um，涂覆层i46直径650um，na为0.12/0.12/0.46。
48.如图3所示，将输入光纤a10穿入毛细管a22中，熔融拉锥成整体201，最终直径250um。
49.如图4所示，熔接点30的左侧光纤束50横截面结构图，右侧输出光纤40纵截面结构图，其中光纤束ii101中的光传输到41中，光纤束105中的光传输到输出光纤i45中。
50.输入光纤10，其纤芯11中传输的激光为单模块激光输入。
51.以输入光纤数量n=7的合束器为例，此合束器的具体结构图如图1，具体制备过程如下：步骤1：准备好7根输入光纤10，其中1根a10，结构为20/125/250um，na=0.065/0.46；6根b10，结构为20/250/330um，na=0.065/0.46。剥去一段涂覆层13，用酒精将包层12擦拭干净，备用。
52.步骤2：选择毛细管20为掺氟石英成材质毛细管，na=0.12，其中毛细管a22内外径数值为130/260um，毛细管b22内外径数值为780/1000um；步骤3：取已经备好的输入光纤a10，光纤a10穿入掺氟毛细管a22中，熔融拉锥成整体201，将201和6根输入光纤b10，排列穿入毛细管b22，调整拉锥参数和控制光纤束拉锥比，拉锥比数值为1-10，熔融拉锥使其成为整体光纤束50，最终等腰区51的直径为360~380um，并将等腰区51端面切平；步骤4：输出光纤40，结构为50/70/300/360/650um，na=0.12/0.12/0.46，剥去涂一段覆层46，用酒精将第三包层44擦拭干净，端面切平。
53.步骤5：将切平的光纤束50和输出光纤40，利用熔接机，熔接于熔接点30；步骤6：熔接点30要确保光纤束ii101中的激光传导到输出光纤41中，光纤束i105激光传导到输出光纤i45中，如图4所示。
54.步骤7：功率可调的同心点环斑合束器的制作完成，可以实现不同功率级别的点光斑，环光斑以及点环光斑等输出，具体光斑形状如图5。
55.实施例2如图2所示，选择毛细管a22为掺氟石英材质毛细管，na=0.22，其内径221直径为130um，外径222直径为260um；选择毛细管b21为纯石英材质毛细管，其内径211为400um，外径212直径为500um。
56.如图6所示，选择7根输入光纤10，其中1根输入光纤a10，纤芯11直径为20um，包层12直径为125um，涂覆层13直径为250um，na为0.065/0.46；其中6根输入光纤b10，纤芯11直径为105um，包层12直径为125um，涂覆层13直径为250um，na为0.22/0.46。
57.如图6所示，选择1根输出光纤40，纤芯i41直径为50um，第一包层42直径为70um，第二包层43直径为300um，第三包层44直径为360um，涂覆层i46直径650um，na为0.22/0.22/0.46。
58.如图6所示，将输入光纤a10穿入毛细管a22中，熔融拉锥成整体201，最终直径125um。
59.如图7所示，熔接点30的左侧光纤束50横截面结构图，右侧输出光纤40纵截面结构图，其中101中的光传输到41中，光纤束i105中的光传输到输出光纤i45中。
60.输入光纤a10，纤芯11中传输的激光为单模块激光输入，输入光纤b10，纤芯11中传输的激光为多模块激光合束输入。
61.以输入光纤数量n=7的合束器为例，此合束器的具体结构图如图1，具体制备过程如下：步骤1：准备好7根输入光纤10，其中1根a10，结构为20/125/250um，na=0.065/0.46；6根b10，结构为105/125/250um，na=0.22/0.46。剥去一段涂覆层13，用酒精将包层12擦拭干净，
备用。
62.步骤2：选择毛细管a22为掺氟石英材质毛细管，na=0.22，内外径数值为130/260um，选择毛细管b21为纯石英材质毛细管，内外径数值为400/500um；步骤3：取已经备好的输入光纤a10，光纤a10穿入掺氟毛细管a22中，熔融拉锥成整体201，将201和6根输入光纤b10，排列穿入毛细管b21，调整拉锥参数和控制光纤束拉锥比，拉锥比数值为1-10，熔融拉锥使其成为整体光纤束50，最终等腰区51的直径为360~380um，并将等腰区51端面切平；步骤4：输出光纤40，结构为50/70/300/360/650um，na=0.22/0.22/0.46，剥去涂一段覆层46，用酒精将第三包层44擦拭干净，端面切平。
63.步骤5：将切平的光纤束50和输出光纤40，利用熔接机，熔接于熔接点30；步骤6：熔接点30要确保光纤束ii101中的激光传导到输出光纤41中，光纤束105中的激光传导到输出光纤i45中，如图7所示。
64.步骤7：功率可调的同心点环斑合束器的制作完成，可以实现不同功率级别的点光斑，环光斑以及点环光斑等输出，具体光斑形状如图8。
65.实施例3如图2所示，选择毛细管20为纯石英材质毛细管，其内径211直径为650um，外径212直径为800um如图9所示，选择19根输入光纤10，纤芯11直径为50um，包层12直径为125um，涂覆层13直径为250um，na为0.20/0.46如图9所示，选择1根输出光纤40，纤芯401直径为100um，第一包层402直径为120um，第二包层403直径为220um，第三包层404直径为240um，第四包层405直径为400um，第五包层406直径为480um，涂覆层407直径650um，na为0.22/0.22/0.22/0.46。
66.如图10所示，熔接点30的左侧光纤束50横截面结构图，右侧输出光纤40纵截面结构图，其中1001的纤芯光传输到401中，1008的纤芯光传输到408中，1009的纤芯光传输到409中。
67.输入光纤10，纤芯11中传输的激光既可以是单模块激光输入，也可以是多模块激光合束输入。
68.以输入光纤数量n=19的合束器为例，此合束器的具体结构图如图1，具体制备过程如下：步骤1：准备好19根输入光纤10，结构为50/125/250um，na=0.22/0.46。剥去一段涂覆层13，用酒精将包层12擦拭干净，备用。
69.步骤2：选择毛细管20为纯石英材质的毛细管，内外径数值为650/800um。
70.步骤3：取已经备好的输入光纤10，排列穿入毛细管20，调整拉锥参数和控制光纤束拉锥比，拉锥比数值为1-10，熔融拉锥使其成为整体光纤束50，最终等腰区51的直径为460~480um，并将等腰区51端面切平。
71.步骤4：输出光纤40，结构为100/120/220/240/400/480/650um，na=0.22/0.22/0.22/0.46，剥去涂一段覆层407，用酒精将包层406擦拭干净，端面切平。
72.步骤5：将切平的光纤束50和输出光纤40，利用熔接机，熔接于熔接点30；步骤6：熔接点30要确保光纤束1001的纤芯光传输到401中，光纤束1008的纤芯光传输
到408中，光纤束1009的纤芯光传输到409中，如图10所示。
73.步骤7：功率可调的同心点环斑合束器的制作完成，可以实现不同功率级别的点光斑，环光斑以及点环光斑等输出，具体光斑形状如图11。
74.尽管已经对上述各实施例进行了描述，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改，所以以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围之内。