提高长距离传输中激光质量保持能力的方法、光纤及系统

本发明主要涉及到高功率光纤激光，尤其是一种提高长距离传输中激光质量保持能力的方法、光纤及系统。

背景技术：

1、随着激光技术的发展，当前单光纤激光器已经实现10kw功率水平。通常，需要匹配的无源光纤将光纤激光器中的激光束传输到各种应用场景，一些应用场景中，如激光加工，激光除岩，所需传输光纤长度较长。

2、高亮度高功率激光的长距离柔性传输一直是行业内需要解决的技术问题。激光在长距离传输下的非线性效应积累容易使得其光谱纯度降低、功率下降。增大纤芯尺寸可以减小非线性效应的影响，但是容易引入模式耦合、退化的新问题。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的技术问题，具体地针对传统折射率光纤在高功率激光传输系统中的非线性效应强、模式退化严重的问题，本发明提出一种提高长距离传输中激光质量保持能力的方法、光纤及系统。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一方面，本发明提供一种提高长距离传输中激光质量保持能力的方法，激光通过光纤进行长距离传输，其中所述光纤包括光纤本体，沿光纤本体的长度方向上至少设有一个第一锥形段纤体，所述第一锥形段纤体沿激光的传输方向的光纤外径变化规律依次划分为三个区段，分别为第一均匀区段、第一单向锥形区段和第二均匀区段；第一锥形段纤体的第一均匀区段的纤芯直径、包层直径均匀不变，第二均匀区段的纤芯直径均匀不变、包层直径均匀不变，第一均匀区段的纤芯直径、包层直径分别小于第二均匀区段的纤芯直径、包层直径。第一均匀区段作为第一锥形段纤体的细端，第二均匀区段作为第一锥形段纤体的粗端；第一锥形段纤体的第一单向锥形区段一端的纤芯、包层尺寸与第二均匀区段的纤芯、包层尺寸相同，第一锥形段纤体的第一单向锥形区段另一端的纤芯、包层尺寸与第一均匀区段的纤芯、包层尺寸相同，第一锥形段纤体的第一单向锥形区段的纤芯、包层尺寸从与第二均匀区段的纤芯、包层尺寸呈锥形渐变至第一均匀区段的纤芯、包层尺寸；

4、在高功率传输时使激光从第一均匀区段注入，经过尺寸参数渐变的锥形区域，在第二均匀区段进行激光输出，能够提高长距离传输中激光质量保持能力，同时又能抑制非线性效应。

5、作为上述技术方案的进一步改进：

6、进一步地，光纤本体采用预制棒一体拉制方法通过精确控制拉丝速度拉制而成。

7、进一步地，第一锥形段纤体具有第一单向锥形区段；通过控制第一单向锥形区段的长度，且确保第一单向锥形区段的长度l2应满足l2≥1m，进而为满足绝热拉锥条件，避免激光在光纤锥区传输时发生模式耦合导致模式退化。

8、进一步地，第一均匀区段的纤芯直径为20～30μm，进而为传输激光的高光束质量提供保证。

9、进一步地，第二均匀区段的纤芯直径为48～50μm，进而能够很好抑制受激拉曼散射；通过控制第二均匀区段的长度l3，且长度l3为80～120m，进而使激光传输距离变长并减小非线性效应。

10、另一方面，提供一种提高长距离传输中激光质量保持能力的光纤，所述光纤包括光纤本体，沿光纤本体的长度方向上至少设有一个第一锥形段纤体，所述第一锥形段纤体沿激光的传输方向的光纤外径变化规律依次划分为三个区段，分别为第一均匀区段、第一单向锥形区段和第二均匀区段；第一锥形段纤体的第一均匀区段的纤芯直径、包层直径均匀不变，第二均匀区段的纤芯直径均匀不变、包层直径均匀不变，第一均匀区段的纤芯直径、包层直径分别小于第二均匀区段的纤芯直径、包层直径。第一均匀区段作为第一锥形段纤体的细端，第二均匀区段作为第一锥形段纤体的粗端；第一锥形段纤体的第一单向锥形区段一端的纤芯、包层尺寸与第二均匀区段的纤芯、包层尺寸相同，第一锥形段纤体的第一单向锥形区段另一端的纤芯、包层尺寸与第一均匀区段的纤芯、包层尺寸相同，第一锥形段纤体的第一单向锥形区段的纤芯、包层尺寸从与第二均匀区段的纤芯、包层尺寸呈锥形渐变至第一均匀区段的纤芯、包层尺寸；

11、在高功率传输时使激光从第一均匀区段注入，经过尺寸参数渐变的锥形区域，在第二均匀区段进行激光输出。

12、作为上述技术方案的进一步改进：

13、进一步地，第一均匀区段的长度l1为5～15m，纤芯直径为20～30μm；第一单向锥形区段的长度l2≥1m；第二均匀区段的长度l3为80～120m，纤芯直径为48～50μm。

14、另一方面，提供一种提高长距离传输中激光质量保持能力的系统，包括激光器，激光器用于输出激光，所述激光器包括上述光纤，光纤作为激光器长距离传输光纤。

15、作为上述技术方案的进一步改进：

16、进一步地，激光器提供单模高功率激光输出且激光器的尾纤与光纤的第一均匀段的径向尺寸相匹配，以减少光纤熔接带来的模式耦合。

17、进一步地，激光器为单模高功率激光器，输出尾纤尺寸为20/250μm，输出光束质量为1.2，功率为500w；光纤的第一均匀区段尺寸为24/200μm，长度l1为15m，第一单向锥形区段长度l2为10m，第二均匀区段尺寸为48/400μm，长度l3为80m。

18、相对于现有技术，本发明能够产生的技术效果是：

19、本发明光纤为第一锥形段纤体，第一锥形段纤体是一类纵向结构不均匀光纤，其结构特点为小端模式少，光束质量高，粗端纤芯尺寸大，非线性效应弱，而中间的过渡锥区对模式保持能力强。因此使用第一锥形段纤体的细端进光大端输出可以解决高亮度高功率传输的技术问题。

20、本发明沿高功率激光在光纤本体中的传输方向具有尺寸参数渐变的锥形区域，能够匹配尺寸不同的两段光纤，对光束质量有较好的保持能力，同时又能抑制非线性效应，从而保证高亮度高功率激光的长距离传输。

技术特征：

1.一种提高长距离传输中激光质量保持能力的方法，其特征在于，激光通过光纤进行长距离传输，其中所述光纤包括光纤本体，沿光纤本体的长度方向上至少设有一个第一锥形段纤体，所述第一锥形段纤体沿激光的传输方向的光纤外径变化规律依次划分为三个区段，分别为第一均匀区段、第一单向锥形区段和第二均匀区段；第一锥形段纤体的第一均匀区段的纤芯直径、包层直径均匀不变，第二均匀区段的纤芯直径均匀不变、包层直径均匀不变，第一均匀区段的纤芯直径、包层直径分别小于第二均匀区段的纤芯直径、包层直径。第一均匀区段作为第一锥形段纤体的细端，第二均匀区段作为第一锥形段纤体的粗端；第一锥形段纤体的第一单向锥形区段一端的纤芯、包层尺寸与第二均匀区段的纤芯、包层尺寸相同，第一锥形段纤体的第一单向锥形区段另一端的纤芯、包层尺寸与第一均匀区段的纤芯、包层尺寸相同，第一锥形段纤体的第一单向锥形区段的纤芯、包层尺寸从与第二均匀区段的纤芯、包层尺寸呈锥形渐变至第一均匀区段的纤芯、包层尺寸；

2.根据权利要求1所述的提高长距离传输中激光质量保持能力的方法，其特征在于，光纤本体采用预制棒一体拉制方法通过精确控制拉丝速度拉制而成。

3.根据权利要求2所述的提高长距离传输中激光质量保持能力的方法，其特征在于，第一锥形段纤体具有第一单向锥形区段；通过控制第一单向锥形区段的长度，且确保第一单向锥形区段的长度l2应满足l2≥1m，进而为满足绝热拉锥条件，避免激光在光纤锥区传输时发生模式耦合导致模式退化。

4.根据权利要求3所述的提高长距离传输中激光质量保持能力的方法，其特征在于，第一均匀区段的纤芯直径为20～30μm，进而为传输激光的高光束质量提供保证。

5.根据权利要求4所述的提高长距离传输中激光质量保持能力的方法，其特征在于，第二均匀区段的纤芯直径为48～50μm，以抑制受激拉曼散射；通过控制第二均匀区段的长度l3，且长度l3为80～120m，以使激光传输距离变长并减小非线性效应。

6.一种提高长距离传输中激光质量保持能力的光纤，其特征在于，光纤包括光纤本体，沿光纤本体的长度方向上至少设有一个第一锥形段纤体，所述第一锥形段纤体沿激光的传输方向的光纤外径变化规律依次划分为三个区段，分别为第一均匀区段、第一单向锥形区段和第二均匀区段；第一锥形段纤体的第一均匀区段的纤芯直径、包层直径均匀不变，第二均匀区段的纤芯直径均匀不变、包层直径均匀不变，第一均匀区段的纤芯直径、包层直径分别小于第二均匀区段的纤芯直径、包层直径。第一均匀区段作为第一锥形段纤体的细端，第二均匀区段作为第一锥形段纤体的粗端；第一锥形段纤体的第一单向锥形区段一端的纤芯、包层尺寸与第二均匀区段的纤芯、包层尺寸相同，第一锥形段纤体的第一单向锥形区段另一端的纤芯、包层尺寸与第一均匀区段的纤芯、包层尺寸相同，第一锥形段纤体的第一单向锥形区段的纤芯、包层尺寸从与第二均匀区段的纤芯、包层尺寸呈锥形渐变至第一均匀区段的纤芯、包层尺寸；在高功率传输时使激光从第一均匀区段注入，经过尺寸参数渐变的锥形区域，在第二均匀区段进行激光输出。

7.根据权利要求6所述的提高长距离传输中激光质量保持能力的光纤，其特征在于，第一均匀区段的长度l1为5～25m，纤芯直径为20～30μm；第一单向锥形区段的长度l2≥1m；第二均匀区段的长度l3为80～120m，纤芯直径为48～50μm。

8.一种提高长距离传输中激光质量保持能力的系统，其特征在于，包括激光器，激光器用于输出激光，所述激光器包括如权利要求6或者7所述光纤，所述光纤作为激光器长距离传输光纤。

9.根据权利要求8所述的提高长距离传输中激光质量保持能力的系统，其特征在于，激光器提供单模高功率激光输出且激光器的尾纤与光纤的第一均匀段的径向尺寸相匹配，以减少光纤熔接带来的模式耦合。

10.根据权利要求9所述的提高长距离传输中激光质量保持能力的系统，其特征在于，激光器为单模高功率激光器，输出尾纤尺寸为20/250μm，输出光束质量为1.2，功率为500w；光纤的第一均匀区段尺寸为24/200μm，长度l1为15m，第一单向锥形区段长度l2为10m，第二均匀区段尺寸为48/400μm，长度l3为80m。

技术总结
针对传统折射率光纤在高功率激光传输系统中的非线性效应强、模式退化严重的问题，本发明提供一种提高长距离传输中激光质量保持能力的方法、光纤及系统，激光通过光纤进行长距离传输，其中所述光纤包括光纤本体，沿光纤本体的长度方向上至少设有一个第一锥形段纤体。所述第一锥形段纤体沿激光的传输方向的光纤外径变化规律依次划分为三个区段，分别为第一均匀区段、第一单向锥形区段和第二均匀区段，在高功率传输时使激光从第一锥形段纤体的细端进光，第一锥形段纤体的粗端输出，能够提高长距离传输中激光质量保持能力，同时又能抑制非线性效应，可以解决高亮度高功率传输的技术问题。

技术研发人员：闫志平,黄善旻,陈潇,杨欢,姚天甫,黄良金,潘志勇,王小林,王泽锋,周朴,陈金宝
受保护的技术使用者：中国人民解放军国防科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17