專利名稱：：大功率固體激光高效率光纖耦合方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種大功率固體激光高效率光纖耦合方法，屬于大功率固體激光光纖耦合
技術(shù)領(lǐng)域：
。技術(shù)背景大功率固體激光在金屬材料的切割、焊接、熔覆等工業(yè)加工中有重要的應(yīng)用價(jià)值，其主要優(yōu)勢在于大功率固體激光可在光纖中傳輸，實(shí)現(xiàn)柔性化三維激光加工。大功率固體激光光纖耦合效率的提高，不僅可將激光器輸出的激光有效地傳輸?shù)焦ぜ?，最大限度地利用激光器輸出功率，而且耦合損耗的降低可提高光纖耦合、傳輸系統(tǒng)的可靠性。大功率固體激光光纖傳輸系統(tǒng)的高傳輸效率，包括光纖的傳輸效率和激光與光纖耦合的效率。由于傳輸大功率固體激光的多模光纖自身的損耗已很低，小于0.ldb/km，大功率固體激光光纖傳輸系統(tǒng)的效率，主要取決于激光與光纖耦合的效率。對于工業(yè)用大功率固體激光器，輸出激光功率較大，數(shù)千瓦；為滿足加工過程對不同功率的需要，輸出功率有較大的范圍，從額定功率到額定功率的10%;輸出激光的模式為多模，光束質(zhì)量隨著輸出功率的增加而變化。因此提高耦合效率具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。大功率激光光纖耦合過程中的關(guān)鍵問題是在光束質(zhì)量變化的范圍內(nèi)如何將高功率的激光全部耦合進(jìn)光纖，所以光束質(zhì)量就成為光纖耦合技術(shù)中很關(guān)鍵的因素，只有明確現(xiàn)有激光器輸出激光的光束質(zhì)量才能進(jìn)行耦合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，進(jìn)而把握耦合效率。高耦合效率的激光輸出不僅能夠保證激光器的穩(wěn)定工作，也提高了光纖激光的可靠應(yīng)用程度。目前耦合技術(shù)存在的問題主要有如何準(zhǔn)確測得現(xiàn)有激光器的光束質(zhì)量取決于激光束束寬的測算，目前常采用高斯束寬的定義能量降至中心能量的1/e2(約86.5%)時(shí)到光束中心的距離。大功率固體激光器輸出激光為多模光束，當(dāng)按照高斯光束束寬定義采集數(shù)據(jù)、計(jì)算光束質(zhì)量，并以此設(shè)計(jì)光纖耦合系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)在大功率輸出時(shí)按照86.5%的能量定義進(jìn)行耦合的效率不到80%，即使按耦合光纖芯徑的2/3設(shè)計(jì)耦合系統(tǒng)，耦合效率不到85%。
發(fā)明內(nèi)容為了克服現(xiàn)有計(jì)算方法的上述缺陷，本發(fā)明提供了一種大功率固體激光高效率光纖耦合方法，使用本方法能夠有效的提高光纖耦合效率。對于大功率固體激光，輸出的激光為多模激光，不能簡單的看作是基模，所以高斯光束束寬定義不能直接作為設(shè)計(jì)耦合系統(tǒng)的依據(jù)，針對這種情況，我們在多模激光束內(nèi)引入等效高斯光束，并將多模激光束內(nèi)包含光斑98%能量的環(huán)圍圓徑作為等效高斯光束的束寬直徑，它與高斯光束束寬之間存在以下數(shù)量關(guān)系其中As分別為等效高斯光束的束寬(半徑)和遠(yuǎn)場發(fā)散角(半角)，r、6分別為高斯光束的束寬(半徑)和遠(yuǎn)場發(fā)散角(半角)。常用描述光束質(zhì)量的參量有光束質(zhì)量因子M2、光束參數(shù)積BPP等，實(shí)驗(yàn)應(yīng)用中為了便于計(jì)算和直觀比較采用光束參數(shù)積BPP，光束參數(shù)積BPP定義為被測激光束的束腰半徑和遠(yuǎn)場發(fā)散角的乘積，等效高斯光束^PP，與高斯光束SPP,之間的關(guān)系為舒等效、"=196辟高斯^&.明確以上數(shù)量關(guān)系后，利用包含能量98%(而非86.5%)的光斑參數(shù)作為設(shè)計(jì)多模激光束耦合裝置的理論依據(jù)更準(zhǔn)確合理。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下大功率固體激光高效率光纖耦合方法，從激光器輸出的激光，經(jīng)第一透鏡1、第二透鏡2準(zhǔn)直后入射到第三透鏡3上，又經(jīng)第三透鏡3聚焦后耦合進(jìn)光纖4;其特征在于，該方法是按以下步驟實(shí)現(xiàn)的1)用"打相紙法"采集輸出多模激光束束腰位置附近的光斑，用游標(biāo)卡尺讀取光斑的直徑，每個(gè)光斑測量多次取其算術(shù)平均，根據(jù)釆集到的數(shù)據(jù)，利用雙曲線擬合法計(jì)算光束參數(shù)積^尸P，，并判定是否滿足光纖耦合的條件；3)滿足光纖耦合條件后，根據(jù)選定光纖4的芯徑《，(直徑)和數(shù)值孔徑iV.」確定第三透鏡3的焦距大?。?為激光束在第三透鏡3主面上的光斑直徑，為了保證實(shí)際調(diào)節(jié)中留有余量，使第三透鏡3的外徑尺寸的90%為最大的通光孔徑(0=20*90%=:18腿)，使光纖芯徑的90%為通光孔徑<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>整理得<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>夂其中f:,為第三聚焦透鏡3的焦距值；4)根據(jù)第一透鏡1材料的損傷閾值確定第一透鏡1與激光器輸出鏡間的距離d1;通過擴(kuò)束比f2/t確定第一透鏡1、第二透鏡2的焦距，其中，fi為第一透鏡1的焦距值，f2為第二透鏡2的焦距值；5)根據(jù)第一透鏡l、第二透鏡2的焦距f,、f2確定第一透鏡l、第二透鏡2間距L為l產(chǎn)fi+f2-其中A為第一透鏡1的離焦量，下式中的Z。為等效光束的共焦參數(shù)，w。為等效光束束腰半徑，<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>6)根據(jù)經(jīng)第二透鏡2出射的激光束束腰的位置確定第二透鏡2、第三透鏡3的間距12，即第三透鏡3的主面位于經(jīng)第二透鏡2出射的激光束束腰處:7)根據(jù)透鏡3的焦距確定光纖端面4的位置13:本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用包含能量98%的光斑參數(shù)設(shè)計(jì)多模激光束的光纖耦合裝置，具有耦合效率高，穩(wěn)定性好。圖l耦合裝置簡圖圖2在激光輸入功率為2000W時(shí)采用本發(fā)明得到的耦合效率曲線圖3光纖耦合條件圖中1、第一透鏡，2、第二透鏡，3、第三透鏡，4、光纖。具體實(shí)施例下面結(jié)合圖1詳細(xì)說明本實(shí)施例。本實(shí)施例采用如圖1所示的耦合裝置采用透鏡組合變換后再聚焦進(jìn)光纖。大功率固體激光輸出的為多模激光束，光束質(zhì)量隨輸出激光功率的增加而變化，其變化主要體現(xiàn)為隨著激光輸出功率的增加，輸出激光束的束腰大小和遠(yuǎn)場發(fā)散角變大，當(dāng)激光功率穩(wěn)定輸出到最高時(shí)，光束參數(shù)積BPP到某一最大值恒定，此時(shí)的光束質(zhì)量達(dá)到最差，單透鏡聚焦不能保證聚焦后束腰的大小、位置及發(fā)散角固定不變，因此輸出激光必須經(jīng)過組合透鏡的光束擴(kuò)束準(zhǔn)直后再聚焦，保證在光束質(zhì)量變化的范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的高功率輸出和高的耦合效率。具體步驟如下本實(shí)施例的設(shè)計(jì)簡圖如圖1所示1、2、3均為平凸消球差鍍1064nm增透膜透鏡，材料為石英，對應(yīng)焦距為f,、f2、f."透鏡l、2的外徑尺寸分別為40mm、40ran，透鏡3的外徑尺寸限定為20mra。第一透鏡1左側(cè)為激光器輸出的多模光束，束腰半徑為等效光束的束腰半徑叫，光束參數(shù)積為^^等效，光束經(jīng)過第一透鏡1被聚焦，后經(jīng)第二透鏡2擴(kuò)束，再經(jīng)第三透鏡3聚焦最后進(jìn)入光纖4。個(gè)參數(shù)的具體確定方法如下1)用"打相紙法"采集輸出多模激光束束腰位置附近的光斑，因?yàn)橄嗉埬軌蚋袘?yīng)出包含光斑98%以上的能量輪廓，用游標(biāo)卡尺讀取光斑的直徑，每個(gè)光斑測量3次取其平均，根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)，利用雙曲線擬合法計(jì)算光束參數(shù)積^P^雙，并判定是否滿足光纖耦合的條件<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>《為經(jīng)過第三透鏡3聚焦后的光束的束腰直徑，即耦合進(jìn)光纖4的光斑的直徑，《為經(jīng)過第三透鏡3聚焦后的光束的遠(yuǎn)場發(fā)散全角，各參數(shù)詳見附圖32)根據(jù)選定光纖的芯徑《，(直徑)和數(shù)值孔徑iVJ確定聚焦透鏡3的焦距大小，^為激光束在第三透鏡3主面上的光斑直徑，為了保證實(shí)際調(diào)節(jié)中留有余量，使第三透鏡3的外徑尺寸的90%為最大的通光孔徑<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>使光纖芯徑的90%為通光孔徑<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>3)根據(jù)等效光束的束腰半徑、遠(yuǎn)場發(fā)散角和第一透鏡1的通光孔徑^確定山的大小般取2叫<^<&q為第一透鏡1主面上的光斑半徑，^為第一透鏡1的外徑尺寸。通過光學(xué)矩陣?yán)碚撚?jì)算得到擴(kuò)束比t/f,確定透鏡1、2的焦距:其中，w。為等效光束的束腰半徑，己在步驟1)中測算得到，w,為耦合進(jìn)光纖4的光束束腰半徑，理論計(jì)算中取《|=^，另外，第一透鏡l和第2二透鏡2以及第三透鏡3—般選擇焦距100mm以上的透鏡，這樣能夠保證聚焦后的光斑以及發(fā)散角都在透鏡的通光孔徑內(nèi)。4)根據(jù)透鏡l、2的焦距確定透鏡1、2間距為l產(chǎn)fi+f廣A，其中A為第一透鏡l的離焦量，下式中的Z。為等效光束的共焦參數(shù)，w。為原始光束束腰半徑，5)根據(jù)經(jīng)第二透鏡2出射的激光束束腰的位置確定透鏡2、3的間距1即第三透鏡3的主面應(yīng)位于經(jīng)第二透鏡2出射的激光束束腰附近-6)根據(jù)透鏡3的焦距確定光纖端面4的位置l:,:根據(jù)以上步驟，針對NCLTCW2000型大功率固體激光器設(shè)計(jì)的耦合裝置的參數(shù)列表如下Z02+(K):<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>采用此耦合裝置進(jìn)行光纖耦合，在激光輸入功率為2000W時(shí)，耦合效率仍在94%以上，實(shí)驗(yàn)得到的效率曲線如圖2所示。權(quán)利要求1、大功率固體激光高效率光纖耦合方法，從激光器輸出的激光，經(jīng)第一透鏡(1)、第二透鏡(2)準(zhǔn)直后入射到第三透鏡(3)上，又經(jīng)第三透鏡(3)聚焦后耦合進(jìn)光纖(4);其特征在于，該方法是按以下步驟實(shí)現(xiàn)的1)用"打相紙法"采集輸出多模激光束束腰位置附近的光斑，相紙能夠感應(yīng)出包含光斑98%以上的能量輪廓，用游標(biāo)卡尺讀取光斑的直徑，每個(gè)光斑測量多次取其算術(shù)平均，根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)，利用雙曲線擬合法計(jì)算光束參數(shù)積^^，，并判定是否滿足光纖耦合的條件；3)滿足光纖耦合條件后，根據(jù)選定光纖(4)的芯徑《，和數(shù)值孔徑A^4確定第三透鏡(3)的焦距大??；0為激光束在第三透鏡(3)主面上的光斑直徑，為了保證實(shí)際調(diào)節(jié)中留有余量，使第三透鏡(3)的外徑尺寸的90%為最大的通光孔徑，即—20*卯％=18腿，使光纖芯徑的90%為通光孔徑0.9.LjVJ二5尸尸等效，WJ=^2-/3/3=0.225其中f3為第三透鏡(3)的焦距值；4)根據(jù)第一透鏡(1)材料的損傷閾值確定第一透鏡(1)與激光器輸出鏡間的距離山；通過擴(kuò)束比f2/6確定第一透鏡(1)、第二透鏡(2)的焦距；其中，&為第一透鏡(1)的焦距值，f2為第二透鏡(2)的焦距值；5)根據(jù)第一透鏡(1)、第二透鏡(2)的焦距fhf2確定第一透鏡(1)、第二透鏡(2)間距l(xiāng),為:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>;其中A為第一透鏡(1)的離焦量，下式中的Z。為等效光束的共焦參數(shù)，w。為等效光束束腰半徑，<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>Z。2+(")2，等效6)根據(jù)經(jīng)第二透鏡(2)出射的激光束束腰的位置確定第二透鏡(2)、第三透鏡(3)的間距12，即第三透鏡(3)的主面位于經(jīng)第二透鏡(2)出射的激光束束腰處7)根據(jù)透鏡(3)的焦距確定光纖端面(4)的位置l:,:全文摘要本發(fā)明涉及一種大功率固體激光高效率光纖耦合方法，屬于大功率固體激光光纖耦合
技術(shù)領(lǐng)域：
。對于大功率固體激光，輸出的激光為多模激光，不能簡單的看作是基模，所以高斯光束束寬定義不能直接作為設(shè)計(jì)耦合系統(tǒng)的依據(jù)，針對這種情況，我們在多模激光束內(nèi)引入等效高斯光束，并將多模激光束內(nèi)包含光斑98％能量的環(huán)圍圓徑作為等效高斯光束的束寬直徑，以此來設(shè)計(jì)光學(xué)耦合系統(tǒng)。本系統(tǒng)具有耦合效率高，穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)。文檔編號G02B6/26GK101122659SQ20071012210公開日2008年2月13日申請日期2007年9月21日優(yōu)先權(quán)日2007年9月21日發(fā)明者姜夢華,惠勇凌,強(qiáng)李,王寶華申請人:北京工業(yè)大學(xué)