一種增大輸出光束空間發(fā)散角和勻化光斑的光纖及其應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種增大輸出光束空間發(fā)散角和勻化光斑的光纖，包括圓柱狀光纖主體，在圓柱狀光纖主體的表面設(shè)置有光纖涂覆層，所述光纖主體一端為錐形光纖結(jié)構(gòu)，所述錐形光纖結(jié)構(gòu)的端面面積與圓柱狀光纖主體的橫截面面積比為：1：1.1～2，在所述錐形光纖結(jié)構(gòu)的扇形表面鍍有高反膜。本發(fā)明所述的光纖的一端為錐形結(jié)構(gòu)，并且在錐形結(jié)構(gòu)的扇形表面上鍍有高反膜，使光纖中部分光束沿錐形結(jié)構(gòu)表面的高反膜不斷反射，增加光束的出射角，進(jìn)而分散光斑的聚集效果，即達(dá)到勻光的目的，又實(shí)現(xiàn)了光束混模。
【專利說(shuō)明】一種增大輸出光束空間發(fā)散角和勾化光斑的光纖及其應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種增大輸出光束空間發(fā)散角和勻化光斑的光纖及其應(yīng)用，屬于光纖光學(xué)的【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]光纖耦合輸出的半導(dǎo)體激光器具有使用靈活性被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體激光器泵浦固體激光器、激光切割、激光照明、激光打標(biāo)、激光印刷等領(lǐng)域。激光夜視、照明領(lǐng)域要求光束有大的空間發(fā)散角，同時(shí)光束的空間分布是對(duì)稱、均勻的。然而，由于激光具有高方向性，而且受輸出光纖數(shù)值孔徑的限制，光束發(fā)散角有限，從而限制了光源的照射面積。同時(shí)，由于大功率激光器所用光纖為多模光纖，光束傳輸時(shí)存在多種高階模分布形式，導(dǎo)致輸出光束出現(xiàn)光斑帶環(huán)、分布不均的現(xiàn)象。
[0003]增加光纖的光束發(fā)散角最常用的方法為在激光輸出端增加透鏡組，通過(guò)透鏡光學(xué)變換達(dá)到增加光束發(fā)散角的目的，但是這種方式的成本較高，安裝復(fù)雜，同時(shí)也不利于制備結(jié)構(gòu)緊湊、體積小的設(shè)備。
[0004]對(duì)多模光纖輸出光纖進(jìn)行勻化可以通過(guò)對(duì)光纖進(jìn)行盤繞、施加應(yīng)力，例如，美國(guó)專利文件6810175提出了一種勻化輸出光束能量,使光斑變?yōu)槠巾敼獍叩姆椒?。該方法的主要技術(shù)方案是將激光先耦合進(jìn)一根漸變光纖的一端，而漸變光纖的另一端與數(shù)值孔徑較大的階躍光纖相熔接，同時(shí)對(duì)階躍光纖進(jìn)行彎曲盤繞，對(duì)模式進(jìn)行混合，使輸出激光能量均勻分布，從而得到平頂分布光斑。該裝置的缺點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)方式復(fù)雜，所需裝置體積大，安裝難度大，不利于批量生產(chǎn)。
[0005]美國(guó)專利6532244勻化光斑的方法為，先將激光I禹合進(jìn)一根多模光纖,在輸出端用離軸透鏡組將激光器二次耦合進(jìn)一根粗芯徑光纖，在第二根光纖輸出端再用離軸透鏡組對(duì)光斑進(jìn)行勻化，同時(shí)米取盤繞和施加應(yīng)力的方法或?qū)⒍嗄９饫w進(jìn)行盤繞、施加應(yīng)力的方法，進(jìn)行混模，改善多模光纖輸出光束質(zhì)量。該方法的缺點(diǎn)是需要足夠長(zhǎng)度的光纖和多個(gè)透鏡元件，導(dǎo)致勻化系統(tǒng)裝置體積大，且需要經(jīng)過(guò)多個(gè)透鏡耦合，調(diào)節(jié)難度大。
[0006]中國(guó)專利文件CN101630045公開了一種改善多模光纖輸出光束空間分布的裝置，該裝置由兩個(gè)相對(duì)放置的具有起伏面的工件構(gòu)成，工件中間夾持一段光纖，通過(guò)對(duì)這兩個(gè)工件施加壓力，使傳輸激光的多模光纖在很短的長(zhǎng)度上受到單點(diǎn)、多點(diǎn)或連續(xù)分布的外應(yīng)力，改變光在多模光纖內(nèi)的傳播模式分布，從而達(dá)到勻化光斑的效果。該方法用外力對(duì)光纖進(jìn)行擠壓，易造成光纖損傷和能量損耗，且在傳輸光纖上增加擠壓裝置，影響產(chǎn)品外觀。
[0007]中國(guó)專利文件CN102012564A提出了一種光纖耦合輸出半導(dǎo)體激光器輸出光斑勻化方法，是將混模材料的一端固定到插芯上，然后把光纖與混模材料纏繞在一起，同時(shí)觀察光斑，使其無(wú)暗心、無(wú)光環(huán)和手電筒現(xiàn)象，最后固定兩者的相對(duì)位置，安裝上連接頭并套上保護(hù)套管。該方法在光纖保護(hù)套管內(nèi)增加混模材料增大了套管直徑，激光器尾纖的硬度也會(huì)大大增加，使用時(shí)不易彎折，因此降低了激光器擺放位置的靈活性。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]針對(duì)以上的技術(shù)不足，本發(fā)明提供一種增大輸出光束空間發(fā)散角和勻化光斑的光纖。
[0009]本發(fā)明還提供一種利用上述光纖對(duì)光束勻化光斑的方法。
[0010]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0011]一種增大輸出光束空間發(fā)散角和勻化光斑的光纖，包括圓柱狀光纖主體，在圓柱狀光纖主體的表面設(shè)置有光纖涂覆層，所述光纖主體一端為錐形光纖結(jié)構(gòu)，所述錐形光纖結(jié)構(gòu)的端面面積與圓柱狀光纖主體的橫截面面積比為:1:1.1?2，在所述錐形光纖結(jié)構(gòu)的扇形表面鍍有高反膜。在錐形光纖結(jié)構(gòu)表面鍍有的高反膜是根據(jù)光纖傳導(dǎo)光束的波長(zhǎng)而選定的，其作用是對(duì)要折射出光纖的光束進(jìn)行反射，最終在錐形光纖結(jié)構(gòu)的端面形成出射光，從而起到勻化光斑的作用。
[0012]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述錐形光纖結(jié)構(gòu)的錐度夾角Θ的范圍為:10-40°。進(jìn)一步優(yōu)選的，所述錐度夾角Θ的范圍為:15-20°。
[0013]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述圓柱狀光纖主體的直徑范圍:200-1000μπι。
[0014]一種利用上述光纖對(duì)光束勻化光斑的方法，包括步驟如下:
[0015](I)將所述光纖穿入保護(hù)管中，在保護(hù)管的一端露出錐形光纖結(jié)構(gòu)，在保護(hù)管的另一端露出一段圓柱狀光纖主體；
[0016](2)將上述露出的圓柱狀光纖主體穿過(guò)進(jìn)灌膠的連接頭，露出部分；
[0017](3)將連接頭中的灌膠進(jìn)行固化；
[0018](4)固化后，將露于連接頭外部的圓柱狀光纖主體去掉，形成光纖端面，對(duì)光纖端面進(jìn)行研磨，得到與光纖中心軸垂直的光學(xué)平面，制成光纖跳線，其中錐形光纖結(jié)構(gòu)為光纖跳線的輸出端，所述的連接頭為光纖跳線的連接端；
[0019](5)使用時(shí)，用法蘭將上述光纖跳線的連接頭和激光器的連接頭連接在一起，其光纖跳線的輸出端對(duì)激光器所發(fā)出的光束進(jìn)行勻化光斑。
[0020]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述步驟(3)中固化是指將裝好連接頭的光纖跳線放置在光纖固化架上、放入60-80°C烘箱烘烤l_6h使連接頭中的灌膠進(jìn)行固化。
[0021]本發(fā)明的有益效果:
[0022]本發(fā)明所述的光纖的一端為錐形結(jié)構(gòu)，并且在錐形結(jié)構(gòu)的扇形表面上鍍有高反膜，使光纖中部分光束沿錐形結(jié)構(gòu)表面的高反膜系不斷反射，增加光束的出射角，進(jìn)而分散光斑的聚集效果，即達(dá)到勻光的目的，又實(shí)現(xiàn)了光束混模。
[0023]本發(fā)明是經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)而得出的具體尺寸的錐形結(jié)構(gòu)，并不是所有尺寸的錐形結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)較高的勻化光斑的效果。采用本發(fā)明所述的光纖對(duì)激光器的光束進(jìn)行傳導(dǎo)，經(jīng)檢測(cè)，其光束質(zhì)量因子M2下降70-75%，亮度提高6倍左右。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0024]圖1是本發(fā)明所述光纖的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖2是實(shí)施例1、2所述光纖對(duì)光束的勻化光斑的效果圖；
[0026]圖3是對(duì)比例所述光纖對(duì)光束的勻化光斑的效果圖；
[0027]圖4是通過(guò)改變所述錐形光纖結(jié)構(gòu)的錐度夾角度數(shù)，測(cè)量統(tǒng)計(jì)得到的輸出光線的光束質(zhì)量因子M2分布圖；
[0028]圖5是本發(fā)明所述光纖增大光纖輸出光束空間發(fā)散角的原理圖；
[0029]圖1-2中:1、光纖涂覆層；2、錐形光纖結(jié)構(gòu)；3、圓柱狀光纖主體；4、高反膜；5、錐形光纖結(jié)構(gòu)的端面；6、圓柱狀光纖主體的橫截面。
【具體實(shí)施方式】
[0030]以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)的說(shuō)明，但不限于此。
[0031]實(shí)施例1、
[0032]一種增大輸出光束空間發(fā)散角和勻化光斑的光纖，包括圓柱狀光纖主體3，在圓柱狀光纖主體3的表面設(shè)置有光纖涂覆層1，所述光纖主體3 —端為錐形光纖結(jié)構(gòu)2，所述錐形光纖結(jié)構(gòu)的端面5面積與圓柱狀光纖主體的橫截面6面積比為:1:1.5，在所述錐形光纖結(jié)構(gòu)2的扇形表面鍍有一層高反膜4。所述的高反膜4為650nm的高反膜。
[0033]所述錐形光纖結(jié)構(gòu)2的錐度夾角Θ為:20°。所述圓柱狀光纖主體3的直徑:308 μ m0
[0034]實(shí)施例2、
[0035]一種利用實(shí)施例1所述光纖對(duì)光束勻化光斑的方法，包括步驟如下:
[0036](I)將所述光纖穿入保護(hù)管中，在保護(hù)管的一端露出錐形光纖結(jié)構(gòu)2，在保護(hù)管的另一端露出一段圓柱狀光纖主體3 ；
[0037](2)將上述露出的圓柱狀光纖主體3穿過(guò)進(jìn)灌膠的連接頭，露出部分；
[0038]( 3)將連接頭中的灌膠進(jìn)行固化；
[0039](4)固化后，將露于連接頭外部的圓柱狀光纖主體3去掉，形成光纖端面，對(duì)光纖端面進(jìn)行研磨，得到與光纖中心軸垂直的光學(xué)平面，制成光纖跳線，其中錐形光纖結(jié)構(gòu)2為光纖跳線的輸出端，所述的連接頭為光纖跳線的連接端；
[0040](5)使用時(shí)，用法蘭將上述光纖跳線的連接頭和激光器的連接頭連接在一起，其光纖跳線的輸出端對(duì)激光器所發(fā)出的650nm光束進(jìn)行勻化光斑。
[0041]所述步驟(3)中固化是指將裝好連接頭的光纖跳線放置在光纖固化架上、放入60-80°C烘箱烘烤l_6h使連接頭中的灌膠進(jìn)行固化。
[0042]下面進(jìn)一步結(jié)合說(shuō)明書附圖5說(shuō)明本發(fā)明所述光纖增大光纖輸出光束空間發(fā)散角和勻化光斑的原理:
[0043]如圖5所示，A、B為兩束在光纖中傳播方向相同的光線，分別照射到錐形光纖結(jié)構(gòu)側(cè)壁和圓柱狀光纖的側(cè)壁?？芍肷浣铅?< β，由于側(cè)壁鍍有高反膜，光線A被反射到光纖端面5，光線B經(jīng)側(cè)壁全反射后也到達(dá)光纖端面，Α、B的反射光線在光纖端面的入射角分別為δ、Υ，可知δ>Υ，光線折射出光纖端面，折射角Ψ> Φ，由此可見(jiàn)，所述的具有錐形結(jié)構(gòu)的光纖有利于增大光束發(fā)散角，其均化光斑的效果明顯。
[0044]對(duì)比例、
[0045]該對(duì)比例中所使用的光纖為圓柱狀光纖的直徑、長(zhǎng)度和材質(zhì)與實(shí)施例1和2中圓柱狀光纖主體是完全相同的，而且所采用的激光器光源的光束參數(shù)也與實(shí)施例2完全相同。
[0046]米用(XD記錄光斑圖形,對(duì)實(shí)施例1、2所述光纖和現(xiàn)有圓柱狀光纖的勻化光斑作用做對(duì)比試驗(yàn):圖2是實(shí)施例1、2所述光纖對(duì)光束的勻化光斑的效果圖，圖2中光斑中心散斑明顯減少，光斑變均勻；而圖3是對(duì)比例述光纖對(duì)光束的勻化光斑的效果圖，圖3中光斑
存在大量散斑。
[0047]利用本發(fā)明所制備出的光纖跳線較普通光纖傳輸光束，其光束質(zhì)量因子M2下降75%,亮度提高6倍，勻化光斑效果良好。
[0048]實(shí)施例3、
[0049]如實(shí)施例1所述的一種增大輸出光束空間發(fā)散角和勻化光斑的光纖,其區(qū)別在于，所述錐形光纖結(jié)構(gòu)的端面5面積與圓柱狀光纖主體的橫截面6面積比為:1:2，在所述維形光纖結(jié)構(gòu)的扇形表面鍛有聞反I旲4。所述的聞反I旲為808nm的聞反I旲4。
[0050]所述錐形光纖結(jié)構(gòu)2的錐度夾角Θ為:35。。所述圓柱狀光纖主體3的直徑:440 μ m。
[0051]利用該實(shí)施例所制備出的光纖跳線較普通光纖傳輸光束，其光束質(zhì)量因子M2下降71%，亮度提高6倍，勻化光斑效果明顯。
[0052]實(shí)施例4、
[0053]如實(shí)施例1所述的一種增大輸出光束空間發(fā)散角和勻化光斑的光纖,其區(qū)別在于，在所述錐形光纖結(jié)構(gòu)2的扇形表面鍍有高反膜4。所述的高反膜為980nm的高反膜4。
[0054]所述錐形光纖結(jié)構(gòu)的錐度夾角Θ為:40°。所述圓柱狀光纖主體3的直徑:308 μ m0
[0055]利用該實(shí)施例所制備出的光纖跳線較普通光纖傳輸光束，其光束質(zhì)量因子M2下降70%,亮度提高6倍，勻化光斑效果明顯。
【權(quán)利要求】
1.一種增大輸出光束空間發(fā)散角和勻化光斑的光纖，其特征在于，包括圓柱狀光纖主體，在圓柱狀光纖主體的表面設(shè)置有光纖涂覆層，所述光纖主體一端為錐形光纖結(jié)構(gòu)，所述錐形光纖結(jié)構(gòu)的端面面積與圓柱狀光纖主體的橫截面面積比為:1:1.1?2，在所述錐形光纖結(jié)構(gòu)的扇形表面鍍有高反膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種增大輸出光束空間發(fā)散角和勻化光斑的光纖，其特征在于，所述錐形光纖結(jié)構(gòu)的錐度夾角Θ的范圍為:10-40°。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種增大輸出光束空間發(fā)散角和勻化光斑的光纖，其特征在于，所述錐度夾角Θ的范圍為:15-20°。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種增大輸出光束空間發(fā)散角和勻化光斑的光纖，其特征在于，所述圓柱狀光纖主體的直徑范圍:200-1000 μ m。
5.一種利用如權(quán)利要求1所述光纖對(duì)光束勻化光斑的方法，其特征在于，包括步驟如下: (1)將所述光纖穿入保護(hù)管中，在保護(hù)管的一端露出錐形光纖結(jié)構(gòu)，在保護(hù)管的另一端露出一段圓柱狀光纖主體； (2)將上述露出的圓柱狀光纖主體穿過(guò)進(jìn)灌膠的連接頭，露出部分； (3)將連接頭中的灌膠進(jìn)行固化； (4)固化后，將露于連接頭外部的圓柱狀光纖主體去掉，形成光纖端面，對(duì)光纖端面進(jìn)行研磨，得到與光纖中心軸垂直的光學(xué)平面，制成光纖跳線，其中錐形光纖結(jié)構(gòu)為光纖跳線的輸出端，所述的連接頭為光纖跳線的連接端； (5)使用時(shí)，用法蘭將上述光纖跳線的連接頭和激光器的連接頭連接在一起，其光纖跳線的輸出端對(duì)激光器所發(fā)出的光束進(jìn)行勻化光斑。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的對(duì)光束勻化光斑的方法，其特征在于，所述步驟(3)中固化是指將裝好連接頭的光纖跳線放置在光纖固化架上、放入60-80°C烘箱烘烤l_6h使連接頭中的灌膠進(jìn)行固化。
【文檔編號(hào)】G02B6/42GK103676030SQ201210361214
【公開日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2012年9月25日 優(yōu)先權(quán)日:2012年9月25日
【發(fā)明者】劉成成, 于果蕾, 秦華兵, 江建民 申請(qǐng)人:山東浪潮華光光電子股份有限公司