光纤激光器的抗回返光的石英端帽的制作方法

1.本发明属于光纤激光器技术领域，具体是一种光纤激光器的抗回返光的石英端帽。


背景技术：

2.光纤激光器具有光束质量好、效率高、散热性好、结构紧凑、柔软性操作等突出优点，己成为金属切割、焊接和标记等工业制造领域的主流光源。光纤激光器为全光纤结构，光纤本身传输高功率密度激光没有问题，但若激光直接从光纤端面输出，会由于激光功率密度过大引起光纤端面损伤，从而造成光纤烧毁。最常用的做法是将最后的输出光纤熔接大直径的石英端帽，石英端帽的折射率与输出光纤纤芯的折射率相同，光纤纤芯中传输的激光在进入石英端帽后得以扩束，使得激光在到达石英端帽输出端面时功率密度大幅降低，从而激光能够从其表面安全出射。输出光纤熔接石英端帽的结构，通过对其进行封装以达到工业使用的需求，这就成了独立的器件——输出光缆。
3.为了能将小直径的光纤和大直径的石英端帽放在同一视场中实现高精度轴心对准熔接，石英端帽输入端的直径往往只是略大于光纤直径，然后过渡到大直径的输出端，各个厂家设计方案不同，石英端帽具体的形状略有不同。普遍的，石英端帽的折射率采用的都是与与之熔接的光纤的纤芯折射率相同的方案，如此光纤纤芯中传输的激光进入石英端帽后不会发生折射和反射，激光会按照固有的发散角向前扩束传输。在激光到达石英端帽的输出端面，激光将由石英端帽进入空气传输，此过程是光密介质进入光疏介质，因此激光在石英端帽的输出端面会产生菲涅尔反射，普遍的做法是在输出端面镀增透膜来抑制反射。在实际的激光加工作业中，激光作业在板材上，尤其是那些高反材料，会不可避免有部分光返回去，到达石英端帽输出端面时，由于是光疏介质进入光密介质，回返光能轻松进入石英端帽继续向前传输。这部分回返光对器件本身是有害的，轻则造成热负担，重则引起器件烧毁。因此，抗回返光能力的强弱的石英端帽是衡量输出光缆性能的一项重要指标。
4.发明专利(公开号：cn113325517a)公开了一种光纤端帽，通过在端帽本体内设置离子掺杂区，能够改变端帽本体的折射率，进而使得光束通过端帽本体后能够实现或准直、或聚焦、或发散的效果。该发明相对于现有技术采用额外设置的透镜组的结构来说，能够简化光纤端帽的结构，且能够缩小光纤端帽的整体体积，降低加工制造等成本。通过对端帽的折射率进行连续性的调制，以实现特定光学特性光束的输出，但是该发明并不能提高抗回返光的能力。


技术实现要素：

5.为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种抗回返光的石英端帽，通过对石英端帽设置不同的折射率区，各个折射率区的折射率是均匀的，且随着激光传输的方向各个折射率区的折射率是增大的。正向传输的激光在端帽的各个折射率区传输时总是由光疏进入光密，因此激光在各个界面的反射会很小。但是对于反向传输的回返光来说，在端帽中传
输总是光密进入光疏，因此在端帽内各个折射率区的界面，都会发生反射从而削弱继续前向传输的回返光能量，同时继续前向传输的回返光的偏转角会变大。通过几个折射区的叠加效果后，最终绝大部分回返光被反射掉，剩下的继续前向传输的回返光也会由于偏转角度大而直接照射到放置石英端帽的封装件上。通过这两点可以在石英端帽大大减弱回返光的功率，从而提高输出光缆抗回返光的能力，降低回返光对整个器件的危险。
6.本发明的技术解决方案如下：
7.一种光纤激光器的抗回返光的石英端帽，包括输入端面、主体和输出端面，光纤纤芯的激光从所述的输入端面进入主体后经输出端面输出，其特点在于所述的输入端面与光纤的轴心对准熔接，在所述的主体内沿传输方向依次设置m个折射率区，各个折射率区的界面与所述的输出端面平行，第1折射率区的折射率为n1，第2折射率区的折射率为n2、
……
、第m折射率区的折射率为nm，且n0≤n1＜n2＜
…
＜nm，其中m≥2，n0为光纤纤芯的折射率。
8.所述的主体的各个折射率区的折射率是均匀的。
9.所述的主体由与各个折射率区折射率相同的多个石英棒通过热熔接而成。
10.也就是说，激光在石英端帽中传输的过程总是由光疏进入光密，这样激光在各个折射率区界面处反射的能量很小。在输出端面时，是由光密进入光疏，通过在输出端面镀增透膜来减小反射的能量。而回返光是反向传输，由输出端面进入石英端帽，在石英端帽中是光密进入光疏，因此在石英端帽内各个折射率区的界面，都会产生反射，从而削弱继续前向传输的回返光能量，同时继续前向传输的回返光的偏转角会变大，通过几个折射区的叠加效果后，最终绝大部分回返光被反射掉，剩下的继续前向传输的回返光也会由于偏转角度大而照射到放置石英端帽的封装件上。
11.本发明的技术效果
12.从两个方面提高抗回返光的能力：一是使回返光进入石英端帽后在各个折射率区的界面都满足菲涅尔反射，从而不断减弱继续前向传输的回返光的能量；二是对于继续前向传输的返回光在各个折射率区的界面，偏转角会越来越大，最终照射到放置石英端帽的封装件上。
附图说明
13.图1为本发明抗回返光的石英端帽的结构示意图；
14.图2为原先石英端帽方案回返光光路示意图；
15.图3为本发明回返光光路的示意图。
16.图中，1-输入端面、2-主体、3-输出端面，包括2.1-第1折射率区、2.2-第2 折射率区
……
2.m-第m折射率区。
具体实施方式
17.下面结合附图和附表对本发明作进一步说明，但不应以此限制发明的保护范围。
18.本发明一种抗回返光的石英端帽，如图1所示，其输入端面1与光纤实现轴心对准熔接，光纤纤芯的激光从输入端面1可以进入主体2后继续向前传输。依次经过主体2的m个折射率区，各个折射率区的界面与输出端面平行，第1折射率区2.1的折射率为n1，第2折射率区2.2的折射率为n2、
……
、第m折射率区2.m的折射率为nm，要求n0≤n1＜n2＜
…
＜nm，其中
m≥2，n0为光纤纤芯折射率。也就是说激光在石英端帽中传输的过程总是由光疏进入光密，这样激光在各个折射率区界面处反射的能量很小。在输出端面3时，是由光密进入光疏，通过在输出端面3镀增透膜来减小反射的能量。而回返光是反向传输，由输出端面3进入石英端帽，在石英端帽中是光密进入光疏，因此在石英端帽内各个折射率区的界面，都会产生反射，从而削弱继续前向传输的回返光能量，同时继续前向传输的回返光的偏转角会变大，这样就会使大部分回返光到达不了输入端面1，大大降低了回返光对器件本身的危害。
19.根据石英端帽具体的折射率分布和尺寸情况，选择与石英端帽各个折射率区折射率相同的均匀石英棒，将各个石英棒冷加工成所需要的尺寸，再通过热熔接棒将各个经过加工的石英棒组合在一起。
20.实际应用中，石英端帽与光纤熔接后，对石英端帽部分进行机械封装，具备主动水冷。原先石英端帽方案回返光光路示意如图2所示，本发明回返光光路示意如图3所示。由图2、图3对比可见，同样的回返光，按照原先石英端帽方案回返光能达到输入端面1，而按照本发明回返光到达输入端面1的能量将会大大减少。
21.实验表明，本发明能大大减弱回返光的功率，从而提高输出光缆抗回返光的能力，降低回返光对整个器件的危险。