一种光纤输出激光均匀化消散斑的方法
【专利摘要】本发明涉及一种光纤输出激光均匀化消散斑的方法。该方法包括对光纤输出激光器的光纤输出端面或光纤端帽输出面进行粗化处理，将位于插芯中的光纤输出端面或者将光纤端帽输出面清洗后悬浮浸入到腐蚀液中，腐蚀时间为2~20min；所得光纤输出端面由光滑平面变为粗化表面；给激光器通电,观察光斑，所得均匀化的激光束无暗心、无光环、无手电筒现象。
【专利说明】一种光纤输出激光均匀化消散斑的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种光纤输出激光均匀化消散斑的方法，属于激光应用【技术领域】。
【背景技术】
[0002]激光作为一种高亮度、单色性好、方向性好的光源得到了广泛地应用。光纤输出激光器芯片工作环境密封、超净，延长使用寿命，并且光纤输出提供了柔和的客户端，使用方便灵活。但由于激光器发出的光耦合到多模光纤，并经过多模光纤传输后，形成很多模式输出，最终输出光不是均匀的光束，常见的会出现圆环状、螺旋状或者不对称状，模式与模式之间也存在干涉，导致散斑的形成。在照明时，这种光纤输出光场的不均匀性和干涉散斑严重影响检测端的显示效果，也直接影响到激光显示系统中图像的质量。
[0003]目前存在的一些匀化光场的方法的系统非常复杂，成本也比较高，如中国专利文件CN102169239A公开了一种激光投影系统中的散斑图像置乱，提供一种激光投影系统，该激光投影系统包括光源、相位延迟元件和光束扫描元件。光源包括至少一个频率变换激光源，该激光源包括波长可调激光二极管和波长变换器件。相位延迟元件被配置成将频率变换激光束的偏振分解成两个正交的线偏分量以使一个偏振分量相对于另一个相位滞后。2D图像帧内的频率变换激光束偏振是各偏振分量相对于彼此滞后的程度的函数并随波长可调激光二极管的输出中的波长变化而变化。2D图像帧中的频率变换激光束的偏振变化足以跨2D图像帧置乱图像斑点图案。但该系统的装置不够紧凑，元器件较多，可靠性差。
[0004]中国专利文件CN102081235A公开了多模光纤中传输光信号均勻化、消偏振以及消相干的方法，将光纤置于超声波振荡器的液体中来实现对光斑的匀化，将光纤缠绕在振荡器中的光纤限定圈中，采用的液体是水。该装置相对简单一些，但由于有液体的存在，使用起来很不方便，而且超声振荡器需要外加高压高频电源，增加了整个系统的体积和成本。
[0005]中国专利文件CN201285473A公开了一种基于散射的消相干匀场装置，包括中空波导和散射媒质，激光在散射媒质中的传播过程，通过散射媒质对激光的散射分束并利用波导的混光作用对激光进行匀化。该装置相对简单，但由于散射介质以及波导反射层的吸收损耗，效率不高，光功率的损耗较大。
[0006]美国专利6532244、6810175等所描述的将一定长度的多模光纤进行盘绕或施加分布式的应力，并辅以离轴耦合、将不同直径的光纤对接的方法。但这些方法实施起来不够简便，需要体积比较大的装置和足够长的光纤，安装、调节都不方便，批量制作的时候一致性难以保证。中国专利文件CN101630045A提供了一种改善多模光纤输出光束空间分布的装置，通过给光纤施加应力来改变输出光束空间分布，包括在传输激光的多模光纤上的很短的长度上施加单点、多点或连续分布的的外应力，方法简单方便，对于光斑中的圆环螺旋条纹有明显的效果，但该方法对光场中的干涉散斑没有任何的效果，在照明，显示的时候还是会严重影响成像的质量。
【发明内容】
[0007]针对现有技术光纤输出光场的不均匀性和干涉散斑的问题，本发明提供一种光纤输出激光均匀化消散斑的方法，能同时达到光斑匀化和消减散斑的效果，满足光纤输出激光作为光源的高质量要求。
[0008]术语解释:
[0009]数值孔径:光纤的常数，与光纤输出光最大孔径有关，是一个发散角的定义方式。入射到光纤端面的光并不能全部被光纤所传输，只是在某个角度范围内的入射光才可以。这个角度ct的正弦值就称为光纤的数值孔径(NA=sin α )。
[0010]光纤芯径/包层:是光纤内芯直径与外包层的直径，例如，光纤芯径/包层为400/440微米，是指光纤内芯直径为400微米，包层直径440微米。
[0011]本发明的技术方案如下:
[0012]一种光纤输出激光均匀化消散斑的方法，包括对光纤输出激光器的光纤输出端面或光纤端帽输出面进行粗化处理，步骤如下:
[0013](I)清洗
[0014]对光纤输出端面进行清洗处理，除掉其表面污物；将光纤固定在光纤输出激光器连接头插芯中，光纤输出端面与插芯端面平齐；或者，
[0015]将光纤输出端熔接一个光纤端帽，清理光纤端帽输出面，除掉其表面污物；
[0016](2)粗化
[0017]将位于插芯中的光纤输出端面或者将光纤端帽输出面悬浮浸入到腐蚀液中，腐蚀时间为2?20min ;所述腐蚀液是体积比为1:5?20的HF和水混合而成；所得光纤输出端面由光滑平面变为粗化表面；取出位于插芯中的光纤，用去离子水冲洗光纤输出端面；
[0018](3)将位于插芯中的光纤粗化处理后，或者将熔接的光纤端帽粗化处理后，给激光器通电，观察光斑，得到均匀化的输出激光。
[0019]根据本发明优选的，上述步骤(2)中粗化处理是将固定有光纤的插芯浸入腐蚀液中3-6mm深度；或者将光纤输出端熔接的光纤端帽浸入腐蚀液中3_6mm深度。
[0020]根据本发明优选的，所述光纤或光纤端帽材料为石英材料。石英材料受到HF酸作用，使端面表面毛化(如图2所示)其传播路径由原来的有指向性变为杂乱；端面输出光发生不同角度的折射，打破光纤模场对光形成的限制，实现光斑的匀化。
[0021]本发明方法所得均匀化的激光束无暗心、无光环和无手电筒现象(如图5b所示)。
[0022]根据本发明优选的，所述光纤长度20-60cm，光纤芯径/包层为400/440微米，数值孔径0.22。
[0023]根据本发明优选的，所述光纤端帽长度为5-20mm，直径为1.5_5mm。光纤端帽长度和直径成比例保证光不在光纤端帽的侧面输出，光纤端帽材料一般选为石英或玻璃等透光率高的介质。
[0024]根据本发明优选的，所述光纤输出激光器，输出波长为780_980nm。
[0025]本发明的原理是:
[0026]在光纤输出端面进行粗化处理，使原来严格按照光纤内部模场传输的光束传输路径在端面处发生变化，输出光线在端面处经过不同角度的出射面，发生不同角度的折射，打破光纤模场对光形成的限制，实现光斑的匀化。并且该方法同时实现了光程的改变，光通过不同的面输出，光程出现差异，也可以减少因干涉造成的散斑，进一步实现光斑匀化。[0027]图3是未粗化光纤端面、光在光纤中传输意图,光在光纤中传输按照全反射规律，受到光纤内部模式的影响，按光纤内部模式有序输出，造成输出光光斑有序，形成圆环星形图等有序图样，如图5b中所示。
[0028]图4是经过粗化后的光纤端面、光在光纤中传输不意图,光在光纤中传输按照全反射规律，受到光纤内部模式的影响，与未粗化形成区别在光纤的端面进行粗化，粗化后光打乱原来的有序输出，形成广角度杂乱输出，如图5a中所示。经过该粗化步骤形成了光的均匀广角度输出。
[0029]本发明适用于多模光纤输出激光器的光斑匀化，光纤直径尺寸越大匀化效果越好。将光纤焊接到玻璃光纤帽上，对光纤帽端面进行粗化毛化，效果更好。
[0030]本发明方法简单、成本低，适用于以光纤输出激光为光源的应用领域中，如激光夜视、安防、激光投影等。
【专利附图】
【附图说明】
[0031]图1为位于插芯中的粗化前光纤端面示意图；
[0032]图2为位于插芯中的粗化后光纤端面示意图；
[0033]图3为粗化前光输出光纤端面示意图；
[0034]图4为粗化后光输出光纤端面不意图；
[0035]图5为光纤端面粗化前后激光器光纤输出激光的光斑变化不意图。
[0036]图6是光纤输出端熔接光纤端帽示意图。
[0037]图中:1、光纤；2、插芯；3、粗化后光纤端面；4、光线；5、粗化前光纤端面；6、光纤端帽。
【具体实施方式】
[0038]下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。
[0039]实施例1:一种光纤输出激光均匀化消散斑的方法，步骤如下:
[0040]( I )2ff光纤输出激光器，石英材料的光纤固定在光纤输出激光器连接头插芯中，光纤输出端面与插芯端面平齐；光纤长度20cm, —般情况下光纤越短光线受光纤内部模式影响越严重，光纤直径400/440，数值孔径0.22，输出波长808nm，正负极通电2A观察光斑；光斑受多模光纤内部模式影响，在空间分布上不均匀，出现暗心及手电筒现象，如图5a所示；
[0041]关掉电源，取出并清理光纤输出端面，除掉表面污物。如图1所示，光纤I位于插芯2中，为未粗化光纤端面,此时光纤I端面与插芯端面平齐，输出表面光滑，约有0.05微米抛光；
[0042](2)配制体积比为1: 10的HF和水混合腐蚀液；
[0043]把位于插芯中的光纤输出端面悬浮在配置好的腐蚀液中，插芯浸入液面深度6_，腐蚀IOmin取出；光纤材料为石英,受到HF酸作用，光纤输出端面表面毛化,如图2所不,光纤端面3为腐蚀之后表面；
[0044]用去离子水冲洗光纤输出端面。本步骤整个过程中注意避免溶液的腐蚀伤害；
[0045]光纤端面微结构如图4示意，表面毛化，其传播路径由原来的有指向性变为杂乱；
[0046](3)给激光器正负极通电2A，观察光斑。光斑由变为图5a所示转变为图5b所示；得到均匀化的输出激光。
[0047]实施例2:
[0048]光纤输出激光器，不带连接头，裸光纤输出。把光纤I输出端熔接到光纤端帽6上，光纤端帽6是直径大于光纤的石英柱,米用1.8mm直径的光纤端帽6 —端熔接到光纤I上，另一端研磨好，光纤端帽6的长度为8mm。如图6所示。
[0049](I)清理光纤端帽6输出面，除掉表面污物；
[0050](2)配制腐蚀液，按照体积比为1:10的HF和水混合；把光纤端帽悬浮在配置好的溶液中，光纤端帽浸入腐蚀液液面下3_深，腐蚀IOmin取出光纤端帽；光纤端帽材料为石英，受到HF酸作用，表面毛化；用去离子水冲洗光纤端帽，接触溶液的整个过程注意溶液对人体的腐蚀伤害；光纤端面微结构如图4示意，表面毛化，其传播路径由原来的有指向性变为杂乱；
[0051](3)激光器正负极通电2A,观察光斑,如图5b所不。得到均勻化的输出激光。
【权利要求】
1.一种光纤输出激光均匀化消散斑的方法，包括对光纤输出激光器的光纤输出端面或光纤端帽输出面进行粗化处理，步骤如下: (1)清洗 对光纤输出端面进行清洗处理，除掉其表面污物；将光纤固定在光纤输出激光器连接头插芯中，光纤输出端面与插芯端面平齐；或者， 将光纤输出端熔接一个光纤端帽，清理光纤端帽输出面，除掉其表面污物； (2)粗化 将位于插芯中的光纤输出端面或者将光纤端帽输出面悬浮浸入到腐蚀液中，腐蚀时间为2?20min ;所述腐蚀液是体积比为1:5?20的HF和水混合而成；所得光纤输出端面由光滑平面变为粗化表面；取出位于插芯中的光纤，用去离子水冲洗光纤输出端面； (3 )将位于插芯中的光纤粗化处理后，或者将熔接的光纤端帽粗化处理后，给激光器通电，观察光斑，得到均匀化的输出激光。
2.如权利要求1所述的光纤输出激光均匀化消散斑的方法，其特征在于步骤(2)中粗化处理是将固定有光纤的插芯浸入腐蚀液中3-6mm深度；或者将光纤输出端熔接的光纤端帽浸入腐蚀液中3-6_深度。
3.如权利要求1所述的光纤输出激光均匀化消散斑的方法，其特征在于所述光纤或光纤端帽材料为石英材料。
4.如权利要求1所述的光纤输出激光均匀化消散斑的方法，其特征在于所述光纤长度20-60cm，光纤芯径/包层为400/440微米，数值孔径0.22。
5.如权利要求1所述的光纤输出激光均匀化消散斑的方法，其特征在于所述光纤端帽长度为5-20mm,直径为1.5_5mm。
6.如权利要求1所述的光纤输出激光均勻化消散斑的方法，其特征在于所述光纤输出激光器，输出波长为780-980nm。
【文档编号】G02B6/14GK103837992SQ201210482736
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2012年11月25日 优先权日:2012年11月25日
【发明者】于果蕾, 秦华兵, 江建民, 刘成成 申请人:山东浪潮华光光电子股份有限公司