一种实现平顶能量分布同时控制光束质量的特种光纤的制作方法

1.本发明涉及光纤制造技术领域，尤其涉及一种实现平顶能量分布同时控制光束质量的特种光纤。


背景技术：

2.随着光纤激光和加工行业的快速发展，考虑到很多实现能量匀化的方案(例如偏心熔接、自由空间光学、长周期光栅和多模干涉装置)存在很多局限和问题，全光纤化解决方案迫在眉睫。
3.匀化光纤应用方面一个重要的作用是在激光熔覆中，光斑能量分布均匀，能够减少熔池局部过热产生的材料和应力不均匀，提高熔覆质量。
4.匀化光纤应用在精密激光金属焊接,激光钎焊需要在不穿透的前提下实现高强度焊接力度，需要光斑能量均匀分布，实现均匀焊接熔深，并且能减少熔池局部过热产生飞溅；激光锡焊也面临同样问题，但炸开的锡珠会引起电路短路，另外，芯片管脚一般为矩形，需要矩形光斑匹配焊盘形状，既可以均匀加热，又可以避免烧坏焊盘；
5.目前全光纤化解决方案：
①
不对称掺杂区域设计(nufern公司产品)，存在加工困难问题，光纤均匀性和一致性难以保证。
②
异性纤芯cn111983748a，掺杂纤芯的冷加工会导致损耗大的问题，且加工很难精确化控制，例如方形纤芯的边和倒角的控制很难，由于掺杂区域面积占据整个纤芯面积的100％，过大的掺杂量会导致光斑分散程度太大，易造成空心光斑，同时整体掺杂无法控制光束质量，即无法控制bpp。为此，我们提出一种实现平顶能量分布同时控制光束质量的特种光纤。


技术实现要素：

6.基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种实现平顶能量分布同时控制光束质量的特种光纤，实现匀化的同时，避免了冷加工容易导致损耗过大的问题，且制备简单，易于实现。
7.本发明提供如下技术方案：一种实现平顶能量分布同时控制光束质量的特种光纤，由内而外依次包括：第一纤芯、第二纤芯、包层；所述第一纤芯为由内向外逐渐升高的渐变折射率分布，渐变形状为沿光纤截面圆心对称的弧线型；所述第二纤芯为均匀折射率分布。
8.优选的，所述第一纤芯、第二纤芯之间的最大相对折射率之差n
max
范围为0.002％-0.1％。
9.优选的，所述包层和第二纤芯之间的相对折射率差n1范围为0.5％-1.2％，且n
max
/n1＜5％。
10.优选的，所述第一纤芯的直径d在整个纤芯直径的占比为20％-75％。
11.优选的，整个纤芯尺寸范围是20-2000μm。
12.优选的，所述包层设置有多个，其中最内层的包层与第二纤芯之间的相对折射率
差n1范围为0.5％-1.2％，且n
max
/n1＜5％。
13.一种实现平顶能量分布同时控制光束质量的特种光纤的制备方法，光纤直接采用pcvd和mcvd管内沉积，或者ovd、vad和pod管外沉积中的任意一种方式或多种方式组合制备得到。
14.一种包含上述实现平顶能量分布同时控制光束质量的特种光纤的半导体激光器。
15.一种包含上述实现平顶能量分布同时控制光束质量的特种光纤的光纤激光器。
16.本发明提供了一种实现平顶能量分布同时控制光束质量的特种光纤，设计的在保证一定掺杂面积的前提下，通过特殊的波导优化，能保证输出匀化效果的同时又保证了很好的光束质量，能够将匀化光纤的bpp控制在一定范围内。只激发有限个所需要的模式，或者说只激发有限个能对能量匀化有利的模式。
附图说明
17.图1为本发明光纤及折射率分布结构示意图一；
18.图2为本发明光纤及折射率分布结构示意图一；
19.图3为本发明实施例一光纤示意图；
20.图4为本发明实施例二光纤示意图。
21.图中：1、第一纤芯；2、第二纤芯；3、包层。
具体实施方式
22.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
23.如图1和2所示，本发明提供一种技术方案：一种实现平顶能量分布同时控制光束质量的特种光纤，由内而外依次包括：第一纤芯1、第二纤芯2、包层3。
24.第一纤芯1为由内向外逐渐升高的渐变折射率分布，渐变形状为沿光纤截面圆心对称的弧线型；弧线型渐变的设计可以让材料内部应力分布均匀，有利于光纤保持很低的损耗，而且对于不同模式之间的耦合和叠加是有利的，更容易将能量从中心分散开，均匀分布在整个纤芯内。将第一纤芯1部分掺杂的好处是能够利用波导调控模场的分布，将光束平顶区域集中在纤芯有效模场面积部分。能控制输出光场的束腰半径和bpp。
25.第二纤芯2为均匀折射率分布，不掺杂区域。通过第一纤芯1的部分掺杂，避免由于掺杂区域面积占据整个纤芯面积的100％，过大的掺杂量会导致光斑分散程度太大，易造成空心光斑的问题。图1中标号3表示包层的折射率分布，标号1和标号2上方对应的是第一纤芯和第二纤芯及其折射率分布。
26.第一纤芯1、第二纤芯2之间的最大相对折射率之差n
max
范围为0.002％-0.1％。第一纤芯1的直径d在整个纤芯直径的占比为20％-75％。整个纤芯尺寸范围是20-2000μm。
27.包层3外还设置有涂层，包层3设置有多个，其中最内层的包层3与第二纤芯2之间的相对折射率差n1范围为0.5％-1.2％，且n
max
/n1＜5％。若两层玻璃结构光纤为：纤芯+包层+涂层，三层玻璃结构光纤为：纤芯+内包层+外包层+涂层，以此类推，多层玻璃结构光纤设
置更多的包层3。
28.上述光纤的制备方法，直接采用pcvd和mcvd等管内沉积，或者ovd、vad和pod等管外沉积技术都可轻易实现这种对称结构。起匀化作用的重点区域纤芯优选是用pcvd工艺，能实现对于波导的精确控制，在实现复杂折射率分布方面具有很大的优势。通过pcvd制棒，拉丝，常规流程，流程简单，制备容易。相比专利号为cn108474906b的不对称结构，以及“一种激光整形光纤、其制备方法及应用”等现有技术，制备简单，易于实现。
29.本发明和现有匀化光纤的波导结构不同。现有技术制造上因为纤芯有掺杂通过冷加工实现方形纤芯容易造成损耗大的问题，由于掺杂区域面积占据整个纤芯面积的100％，过大的掺杂量会导致光斑分散程度太大，易造成空心光斑，本发明设计的在保证一定掺杂面积的前提下，通过特殊的波导优化，能保证输出匀化效果的同时又保证了很好的光束质量，能够将匀化光纤的bpp控制在一定范围内。只激发有限个所需要的模式，或者说只激发有限个能对能量匀化有利的模式。激发模式数量太多会导致光束质量差、空心光斑。
30.一种包含上述实现平顶能量分布同时控制光束质量的特种光纤的半导体激光器。
31.一种包含上述实现平顶能量分布同时控制光束质量的特种光纤的光纤激光器。
32.实施例1：如图3所示，200/220光纤，控制bpp在7～8mm*mrad。n
max
＝0.038％，d在纤芯中直径的占比为45％，该参数下bpp为7.5mm*mrad，在应用本发明的波导设计的情况下，输出的光束能量呈平顶型分布。
33.实施例2：如图4所示，600/660光纤，n
max
＝0.01％，d在纤芯中直径的占比为70％，在应用本发明的波导设计的情况下，输出的光束能量呈平顶型分布。
34.综上，本发明中，通过调整n
max
、d以及第一纤芯的折射率分布曲线从而精确调控激发模式数量，有效控制bpp大小，在能够满足平顶化光束输出的情况下又能有效将bpp控制在比较小的范围，从而确保了很好的光束质量。
35.以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。