一种大功率激光输出头的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及激光切割、激光焊接、激光表面处理等激光工业【技术领域】，尤其涉及一种可用于高功率激光系统的大功率激光输出头，包括传输光纤、扩束棒和布置于传输光纤和扩束棒之间的扩束光纤，其特征在于，所述传输光纤、扩束棒、扩束光纤连接组成扩束光纤组件，且在扩束光纤组件侧面设有感应器，所述扩束棒布置于冷凝器内，扩束棒前端面正对准直透镜。本实用新型解决了光斑扩大后光束质量下降和机械强度不够，光斑扩大直径有限，光斑扩束无法量产，设备投资、复杂程度不断加大，激光损伤阈值低下，监测点探测滞后和物理量单一，成本高昂且性能低下等诸多问题。
【专利说明】一种大功率激光输出头【技术领域】
[0001]本实用新型涉及激光切割、激光焊接、激光表面处理等激光工业【技术领域】，尤其涉及一种可用于高功率激光系统的大功率激光输出头。
【背景技术】
[0002]前随着高功率光纤激光器输出功率的不断提升，对光纤输出端口的要求越来越高。我国受限于材料及器件的水平，目前仅能稳定生产千瓦以内的高功率光纤激光器，离国外现今的水准尚有不小差距。光纤本身对激光的抗损伤阈值很高，但激光若是仅在光纤中传输而不导出，则失去其存在的意义。就目前的技术方案，通常称之为扩束技术，是在传输光纤的输出端熔接一段无芯光纤以扩大光斑尺寸从而大大降低输出端面功率密度。但以目前的熔接设备，难以保证当无芯光纤的尺寸够大时仍然得到稳定可靠的熔接，主要表现是熔接点强度难以保证从而可靠性差，熔接点两端的光纤直径差异过大、熔接点质量差从而导致光束质量大大降低；这些缺陷随着无芯光纤的变大愈加明显。但是如果无芯光纤不够大、输出光斑大小无法保证则存在因功率密度过大而损伤的风险。此时，设备并不能提供稳定的量产可能性，也不能进一步提升功率容限。虽然，表面几乎完美的处理和选择不镀制增透膜能将功率容限发挥到此种技术的极致，但如此不仅损失了约4%的光功率，同时造成了另外的难以解决的负面问题:极高的热累积，热累积和过高的功率密度所形成的热效应和电场效应在很高功率之下对输出端面和器件结构是致命的。
实用新型内容
[0003]本实用新型的目的是为了克服现有技术的不足，提供了一种大功率激光输出头，解决了目前光纤激光器输出头无法稳定可靠运行和有效量产的问题。
[0004]本实用新型通过以下技术方案实现:一种大功率激光输出头，包括传输光纤、扩束棒和布置于传输光纤和扩束棒之间的扩束光纤，所述传输光纤、扩束棒、扩束光纤连接组成扩束光纤组件，且在扩束光纤组件侧面设有感应器，所述扩束棒布置于冷凝器内，扩束棒前端面正对准直透镜。
[0005]进一步地，所述扩束光纤为过渡连接部，连接传输光纤和扩束棒。
[0006]进一步地，所述扩束棒是由透明的材料组成的棒状体，且所述扩束棒与扩束光纤的连接端为喇叭形端。
[0007]进一步地，所述感应器为温度传感器或功率探测器。
[0008]进一步地，所述冷凝器在扩束棒一侧设有进水口，在扩束棒的另一侧设有出水口。
[0009]进一步地,所述传输光纤、扩束光纤,扩束棒、感应器、冷凝器、准直透镜布置于外围封装件内。
[0010]与现有的技术 相比，本实用新型的有益效果是:本实用新型通过熔接一段特殊结构的扩束棒使熔接难度大大降低并使损伤阈值、可靠性、性能、可量产性大大提高，用水冷的方式急时带走可能累积的热量从而保证激光输出头部分，始终工作在安全的温度范围，并加以完善严密的温度传感、功率探测方式，全方位、迅速的反馈激光输出头的即时工作状态，使该实用新型揭示的结构具有低成本、高可靠性、光斑扩大任意、透过率高、光束质量好、装配简易、损伤阈值可控、工作极限高、反馈及时、操作安全、设计灵活等诸多优点。总之，本实用新型所揭示的激光输出头结构，是生产研制高功率光纤激光器的优良解决方案，能十分广泛的应用于很多种不同功率级别的激光器和科研、国防用途。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1为本实用新型一种大功率激光输出头的结构示意图。
【具体实施方式】
[0012]为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
[0013]如图1所示，本实用新型涉及一种可用于高功率激光系统的大功率激光输出头，包括传输光纤5、扩束棒7和布置于传输光纤5和扩束棒7之间的扩束光纤6,所述传输光纤5、扩束棒7、扩束光纤6连接组成扩束光纤组件，且在扩束光纤组件侧面设有感应器I，所述扩束棒7布置于冷凝器4内，扩束棒7前端面正对准直透镜8，所述扩束光纤6为过渡连接部，连接传输光纤5和扩束棒7，所述扩束棒7是由透明的材料组成的棒状体，且所述扩束棒7与扩束光纤6的连接端为喇叭形端9，所述感应器I为温度传感器或功率探测器，所述冷凝器4在扩束棒7 —侧设有进水口 2，在扩束棒7的另一侧设有出水口 3，所述传输光纤
5、扩束光纤6、扩束棒7、感应器1、冷凝器4、准直透镜8布置于外围封装件10内。
[0014]实施例1
[0015]传输光纤5、扩束光纤6与扩束棒7共同组成扩束光纤组件，扩束光纤组件安装在中空的冷凝器4之内，且冷凝器4上设有进水口 2及出水口 3，感应器I安装于所述的扩束光纤组件侧面，准直透镜8安装于所述的扩束光纤组件的扩束棒7前端，其中，传输光纤5可以是任何种类的光纤，也可以是保偏光纤，可以具有任意纤芯大小和包层直径大小，扩束光纤6是材质均一、折射率及软化点与传输光纤5的纤芯或包层相近或相同、直径与传输光纤5的直径接近或相同的透明纤维，可以是对光透明的掺杂石英、熔石英或其他玻璃材质。需要注意的是，此处扩束光纤6作为过渡部分,特性参数应介于传输光纤5及下述扩束棒7之间，以避免由于特性差异过大而造成的熔接点性能及可靠性低下。同时，由于可能存在的熔接不良或扩束棒7加工精度的偏差，该方式允许扩束棒7很容易利用或可重复加工利用。这保证了成本的优化。另一方面，在当传输光纤5的包层直径与扩束棒7的待熔接端直径接近、材料物理特性类似时，在对熔接设备、加工设备要求不高的特殊情形，可以略去扩束光纤6。扩束棒7的材质可以是熔石英、任何玻璃及掺杂而对工作波长透明的材料。扩束棒7的结构形式，可以是如图1所示的锥型棒状，也可以是直径阶梯增大的棒状，还可以是简单的长直棒状。它的作用是与传输光纤5与扩束光纤6熔接后形成的组件以熔融方式结合，使从传输光纤5输出的光经过扩束光纤6以一定角度发散从而渐渐变大，根据具体的工艺水平及使用需求，设计合理的扩束棒的长度便能得到需求的光斑大小。因为棒的长度和外形很容易控制，原则上可以得到任何想要的光斑大小，这大大突破了现有工艺方法的功率容限。本实用新型的实例，就将光斑扩大了约70倍，意味着功率能力增强了 4900倍！以损伤阈值的1/2计算，此实例对应的产品能承受约25000瓦连续功率，而对于脉宽为20ns的脉冲激光，能承受的单脉冲能量约为50mJ。这对目前工艺上所使用的简单光纤对接扩束来说，是不可想象的。而简单地加大光纤的直径，则不仅成本大幅上升、使用局限大大增加，而且对设备性能的要求也大大增加，重要的是，可靠性和可重复性大大降低了。
[0016]实施例2
[0017]精密研磨抛光传输光纤5与扩束光纤6熔接后所形成的组件的扩束光纤6 —端，扩束棒7两端都精密研磨抛光，其一端镀上高质量增透膜，扩束棒7不镀膜的一端与扩束光纤6抛光平面用合适的机械结构(可以是类似光纤活动连接器光纤端面对接的结构)紧密压接，使两者之间不存在空气介质。由于不存在空气介质，以及扩束光纤6与扩束棒7的物理特性相似，可以得到媲美熔接的光透过率。此方案对扩束棒7的形状要求十分简单，长直棒就可满足应用，在应用上更方便灵活，同时对设备依赖更少。感应器I为温度传感器时，温度传感器可以是任何形式的热敏元件，如热敏电阻，能将周边的温度以另外一种物理量通过导线传递给分析单元；感应器I为功率探测器时，功率探测器可以是任何形式的光电探测器，能将光能量转换成电信号，同样通过导线传递给分析单元。它们的共同职责是帮助分析单元监控周边温度或散射光有无突变及异常，以供分析单元判定系统是否有危险存在从而决定是否启动保护程序如关断激光输出。本实用新型提倡的功率探测器能比温度传感器在时间敏感度上大大提高，是本实用新型的先进性之一；同时，本实用新型也提倡温度传感器及功率探测器协同工作，兼具二者的优点，同时也能起到双重保护的作用，又是本实用新型的另外一个先进性。冷凝器4可以是任何具有良好散热、不易腐蚀、具有良好机械加工性能的金属材料，在冷凝器4的不同部位留有进水口 2及出水口 3，通过外部供水，使水流经中空冷凝器4的空腔，将冷凝器4吸收的热量导出，从而保证激光输出头工作在可控的温度范围。冷凝器4在形状设计上应能直接吸收各光学界面的反射光及散射光，并在设计上使空腔的壁在保证机械强度的基础上尽可能薄。准直透镜8是能将所述扩束光纤组件发出的具有一定发散角的光进行准直的正透镜，若其焦距是F，扩束光纤组件发出的光的远场发散角全角为A，则光斑直径=F*A。本实用新型所举的实施例采用平凸透镜，材料选用熔石英，以期在成本较低的前提较好的减小热透镜效应。外围封装件10用于将所述个功能单元相对封闭及牢固的组成有机整体。
[0018]实施例3
[0019]将传输光纤5用剥皮工具剥除一定长度的涂敷层，清洗，并用光纤切割设备在一定长度处切割光纤使形成平整光洁的端面，根据实际应用可以考虑角度切割。放入光纤熔接机待用，如果传输光纤5包层直径较大，则选用匹配的光纤熔接机。但本实用新型达到很高的激光损伤阈值并不需要很大的光纤包层直径，是本实用新型的突出优点。扩束光纤6可用同处理传输光纤5相类似的处理方法处理,将平整切割后的扩束光纤6放入光纤熔接机与传输光纤5熔接。因为传输光纤5与扩束光纤6具有相类似的物理性能，它们能在相对简单的熔接条件下完成形变尽可能小的可靠熔接。将所述传输光纤5与扩束光纤6的组件清洗，并用光纤切割设备在距熔接点一定长度处切割扩束光纤6使形成平整光洁的端面，根据实际应用可以考虑角度切割。放入光纤熔接机待用。扩束棒7用压模、切削或滚圆等方法加工而成，外形尺寸根据计算得出。在一定长度处，使外径呈锥状渐渐变小并按与传输光纤5及扩束光纤6切割角度相同的角度高精度研磨抛光，工艺上方便，可要求研磨至与扩束光纤6包层直径大小类似。为方便扩束棒7的另一大尺寸的端面按需要的角度精密研磨抛光、清洁并镀高质量增透膜。将扩束棒7小端严格清洁并检验端面。用专门设计的扩束棒7的夹持工具夹持扩束棒7并放入光纤熔接机中与传输光纤5与扩束光纤6的组件熔接。因为扩束光纤6与扩束棒7相熔接处外径大小类似、材料类似从而软化点类似，能形成变形小、应力小、界面几无反射、结合力强的近乎完美的熔接点从而保证良品率、优异性能、可靠性及可量产性。此处，扩束棒7外形逐渐变大的巧妙结构设计使该实用新型的优势十分明显，用要求最低的同类(接近于对称)熔接，得到比对设备要求很高的非对称熔接及大包层直径光纤熔接质量高的多可靠性及性能，既经济易行又质量可靠。实施过程中，将严格清洁好的冷凝器4套入上述传输光纤5、扩束光纤6与扩束棒7熔接组成的扩束组件，并用合适的胶粘剂填充接缝并固化，保证密封以防止后续使用过程中可能的外来水汽、灰尘污染镀膜光学面。在预留接口处分别加进水口 2及出水口 3，并用防水胶密封固定、焊接密封固定或机械方法密封固定。实施过程中，为尽可能减少准直透镜8的端面反射，须在其前后两个光学端面精密研磨抛光并严格清洁，最后镀高质量增透膜，增透膜反射率越小越好，以较好的抑制反射光。大功率使用条件下，即使很小比例的反射，都有可能造成很高的热量累积。将制备好准直透镜8密封固定于一金属件之上，与上述装配后的中空冷凝器4调试对接，并用光束分析仪及功率计协助调节前后相对位置，使得到的光斑大小、光斑发散角、点精度、光束质量、透过率等达到要求。桥接方法可以是焊接、胶接、机械固定等。都须注意密封。当机械固定时，须辅以密封垫或密封圈。但不管哪种方式，都应注意桥接处尽可能避开激光散射或反射区。桥接后还应注意桥接应力的消除以保证结构稳定可靠。实施过程中，将温度传感器或/及功率探测器插入冷凝器4的预留孔位并机械固定。引出不同颜色的两根导线以示传感器或探测器的区别及极性区分。为美观及易于管理，外加合适外封装及铠装缆皮以保护传输光纤5及温度传感器或/及功率探测器及其导线。
[0020]以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种大功率激光输出头，包括传输光纤、扩束棒和布置于传输光纤和扩束棒之间的扩束光纤，其特征在于，所述传输光纤、扩束棒、扩束光纤连接组成扩束光纤组件，且在扩束光纤组件侧面设有感应器，所述扩束棒布置于冷凝器内，扩束棒前端面正对准直透镜。
2.根据权利要求1所述的一种大功率激光输出头，其特征在于，所述扩束光纤为过渡连接部，连接传输光纤和扩束棒。
3.根据权利要求1所述的一种大功率激光输出头，其特征在于，所述扩束棒是由透明的材料组成的棒状体，且所述扩束棒与扩束光纤的连接端为喇叭形端。
4.根据权利要求1所述的一种大功率激光输出头，其特征在于，所述感应器为温度传感器或功率探测器。
5.根据权利要求1所述的一种大功率激光输出头，其特征在于，所述冷凝器在扩束棒一侧设有进水口，在扩束棒的另一侧设有出水口。
6.根据权利要求1所述的一种大功率激光输出头，其特征在于，所述传输光纤、扩束光纤、扩束棒、感应器、冷凝器、准直透镜布置于外围封装件内。
【文档编号】H01S3/042GK203734128SQ201420025815
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年1月15日 优先权日:2014年1月15日
【发明者】龙跃金, 王伶俐 申请人:光越科技(深圳)有限公司