专利名称：空心圆台激光光纤耦合器的制作方法
技术领域：
本发明属于高功率、大能量激光光纤耦合器件技术领域。
背景技术：
在现有技术中，申请号为02104969.6中国专利申请和专利号为ZL99227472.9中国专利分别记载了两种光纤耦合器，它们要解决的共同问题是如何使光纤的几何轴与激光束光轴重合，以提高耦合效率。不过，在这两种技术方案中，都含有现有激光光纤耦合的常用技术措施，见图1所示，采用透镜1，将其置于光纤入光端2前，入光端2制成实心并具有一定锥度的形状，在制作光纤3时一次性完成，周围的锥面也是一种工作面。激光束经透镜1聚光后，入射入光端2，传入光纤3，完成耦合。透镜1是主要的耦合器件，入光端2是辅助的耦合器件。激光束、透镜1、入光端2以及光纤3同轴。
发明内容
上述技术尚能较好地实现连续激光与单模光纤的耦合。可是，它存在这样一个缺点，见图1所示，在入光端2的端面4上，入射光的功率密度非均匀分布，越靠近中心，功率密度越大，当脉冲激光的峰值功率达到兆瓦数量级时，多模光纤其光伤阈值低于这一功率值，必然引起器件损毁。有时这种毁损也会发生在透镜1上。为了实现高功率、大能量激光与光纤的耦合，我们发明了一种空心圆台激光光纤耦合器。
本发明之方案见图2所示，所说的耦合器其工作腔呈空心圆台状，圆台下底面为入光面5，上底面为出光面6，锥面为反射面7，入光面5和出光面6以及二者之间均以空气为介质，出光面6与光纤8的光输入端面重合。
用本发明之耦合器实现激光光纤耦合时，可以不用透镜聚光，激光束可以直接入射耦合器。激光束中较弱的边缘光束a经反射面7反射到出光面6接近轴心处，激光束强度适中的中间光束b经反射面7反射到出光面6远离轴心处，而激光束中较强的中心光束c直接照射到出光面6的中心部位，与较弱的边缘光束a的反射光重合而中和，最终在出光面6形成功率密度接近一致的光斑，假如激光束峰值功率很高，也不会在光纤8光输入端面局部形成超过其光伤阈值的强激光，从而克服了现有技术的缺点。例如，对于调Q脉冲激光，脉冲宽度为10ns，峰值功率达106w，用现有技术之透镜聚焦后的焦点直径为1～10μm，焦点上的平均功率密度可达1012～13w/cm2，在焦点中心功率密度更高。用本发明之空心圆台激光光纤耦合器，在出光面6处形成的光斑功率密度仅为108～9w/cm2，而多模光纤的光伤阈值是1010w/cm2，因此，不会损毁光纤。
图1是现有激光光纤耦合技术示意图。图2是本发明之空心圆台激光光纤耦合器件及与光纤耦合示意图。图3是本发明一实例示意图。
具体实施例方式
见图2、图3所示，本发明之激光光纤耦合器可以用石英、光学玻璃或者金属制作。可以制作成空心薄壁圆台状，如图2所示，也可以制作成内部空间为圆台状，外部呈圆柱状，二者同轴，如图3所示，第二种方案能够确保反射面7面形的稳定性。反射面7是耦合器的工作面，要求具有良好的光学反射性能，先将其加工出光学镜面，然后，根据所耦合的激光波长的不同，可以镀金属反射膜或介质反射膜。入光面5的孔径D与激光光斑的孔径相匹配，出光面6的孔径d与光纤8的数值孔径相匹配。孔径D、d和空心圆台的高h决定了反射面7的锥度，该锥度与光纤8的芯料、皮料的折射率n1、n2密切相关。
现举一实例说明本发明，见图3所示，在铜质圆柱状坯料中沿轴线开一同轴圆台形孔，圆台下底面孔径D的尺寸为6mm，圆台上底面孔径d为0.5mm。圆台锥面镀金。与之耦合的光纤8芯料折射率n1为1.626，皮料折射率n2为1.510，空气折射率为n0。耦合器出光面6与光纤8的光输入端面同轴、重合。激光束边缘光束a照射到反射面7上，其反射光a′作为入射光在耦合器出光面6(也就是折射率分别为n0、n1两种光介质界面)折射，折射光a″作为入射光在折射率分别为n1、n2两种光介质界面(也就是光纤8芯料、皮料两种光介质界面)反射，进而在光纤8中传输。要实现上述光传播过程，决定反射面7的锥度的最后因素，也就是空心圆台的高h的值可通过下述推导计算过程求得∵n1Sinθ1＝n2，θ1+β＝90°其中θ1为入射光a″的入射角，β为折射光a″的折射角···sinα=n12-n22]]>其中α为入射光a′的入射角又···sinα=D2(D2)2+h2···(1)]]>则n12-n22=D2(D2)2+h2]]>
h=D21+n12+n22n12-n22···(2)]]>将各数值代入(2)式，得出空心圆台高h的值为3.9238mm，再将该值代入(1)，得出入射光a′的入射角α的值为37°4′。该空心圆台激光光纤耦合器可实现Nd:YAG激光器波长λ为1.06μm的激光束与光纤的耦合。
权利要求
1.一种激光光纤耦合器，激光束通过其工作腔后发生汇聚，工作腔具有锥面工作面，其特征在于，所说的耦合器其工作腔呈空心圆台状，圆台下底面为入光面(5)，上底面为出光面(6)，锥面为反射面(7)，入光面(5)和出光面(6)以及二者之间均以空气为介质，出光面(6)与光纤(8)的光输入端面重合。
2.根据权利要求1所述的耦合器，其特征在于，可以用石英、光学玻璃或者金属制作。
3.根据权利要求1所述的耦合器，其特征在于，可以制作成空心薄壁圆台状。
4.根据权利要求1所述的耦合器，其特征在于，可以制作成内部空间为圆台状，外部呈圆柱状，二者同轴。
5.根据权利要求1所述的耦合器，其特征在于，入光面(5)的孔径(D)与激光光斑的孔径相匹配，出光面(6)的孔径(d)与光纤(8)的数值孔径相匹配。
全文摘要
空心圆台激光光纤耦合器属于高功率、大能量激光光纤耦合器件技术领域。现有的耦合器件无法胜任脉冲峰值功率达到兆瓦级的激光与光纤的耦合。本发明提供了一种具有空心圆台结构的耦合器，耦合器其工作腔呈空心圆台状，圆台下底面为入光面，上底面为出光面，锥面为反射面，入光面和出光面以及二者之间均以空气为介质，出光面与光纤的光输入端面重合。这种耦合器不仅自身抗光伤，而且，由于耦合到光纤入光端的激光光斑，其功率密度均匀，从而避免毁损耦合光纤。这种耦合器可应用于象Nd∶YAG激光器这类大功率激光器输出的高功率、大能量的激光束与光纤的耦合。
文档编号G02B6/26GK1584647SQ20041004273
公开日2005年2月23日 申请日期2004年5月25日 优先权日2004年5月25日
发明者宁国斌, 金光勇, 宋贵才, 阎晓媛, 梁柱 申请人:长春理工大学