一种增大输出光束空间发散角和匀化光斑的装置及其制备方法

摘要

本发明涉及一种增大输出光束空间发散角和匀化光斑的装置，包括轴向穿过套筒的光纤，在所述套筒的出光端设置有与所述光纤共轴安装的凹透镜。本发明还提供上述装置的制备方法。本发明采用凹透镜增加光束的出射角，分散光斑，既对光斑进行匀化，又增大了光束发散角。激光经多模光纤后光斑成环状，由此，激光光源可以看成由不同发散角的环形光源组成，该系列环形光源经曲率半径较小的凹透镜后光斑发散且相位发生变化，具有很好的混模效果和消相干效果，从而可以增大光斑发散角和匀化光斑。

说明书

技术领域

本发明涉及一种增大输出光束空间发散角和匀化光斑的装置及其制备方法，属于光纤光 学的技术领域。

背景技术

经多模光纤输出的激光光源，由于激光在多模光纤中传输时具有多种高阶模分布形式， 导致输出激光束存在光斑带环、分布不均的现象，且光束之间相互干涉，形成任意性的干涉 影像点，称为“散斑”。在传统的使用激光光源的光学系统中，一般会在光路中使用复眼透镜 作为光斑匀化的核心光学元件，光路中还会增加扩散片来减弱散斑，这些扩散片一般采用固 定安装、震动或旋转方式。可见，光斑带环、散斑现象增加了激光光源在夜视领域使用时光 学系统的复杂程度。此外，由于激光具有高方向性，而且受输出光纤数值孔径的限制，光束 发散角有限，从而限制了光源的照射面积。

通常情况下，通过在激光输出端增加透镜组，通过透镜光学变换达到增加光束发散角的 目的，但是这种方式的成本较高，安装复杂，同时也不利于制备结构紧凑、体积小的设备。

对多模光纤输出光纤进行匀化常用的方法是对光纤进行盘绕、施加应力，例如，中国专 利文件CN101630045公开了一种改善多模光纤输出光束空间分布的装置，该装置由两个相对 放置的具有起伏面的工件构成，工件中间夹持一段光纤，通过对这两个工件施加压力，使传 输激光的多模光纤在很短的长度上受到单点、多点或连续分布的外应力，改变光在多模光纤 内的传播模式分布，从而达到匀化光斑的效果。该方法用外力对光纤进行挤压，易造成光纤 损伤和能量损耗，且在传输光纤上增加挤压装置，影响产品外观。

美国专利文件6810175提出了一种匀化输出光束能量，使光斑变为平顶光斑的方法。该 方法的主要技术方案是将激光先耦合进一根渐变光纤的一端，而渐变光纤的另一端与数值孔 径较大的阶跃光纤相熔接，同时对阶跃光纤进行弯曲盘绕，对模式进行混合，使输出激光能 量均匀分布，从而得到平顶分布光斑。该装置的缺点是实现方式复杂，所需装置体积大，安 装难度大，不利于批量生产。

中国专利文件CN102012564A提出了一种光纤耦合输出半导体激光器输出光斑匀化方法， 是将混模材料的一端固定到插芯上，然后把光纤与混模材料缠绕在一起，同时观察光斑，使 其无暗心、无光环和手电筒现象，最后固定两者的相对位置，安装上连接头并套上保护套管。 该方法在光纤保护套管内增加混模材料增大了套管直径，激光器尾纤的硬度也会大大增加， 使用时不易弯折，因此降低了激光器摆放位置的灵活性。

中国专利文件CN102135668A公开了一种光纤激光器的准直器,其包括镜筒、固定于该镜 筒前端的输出尾纤以及固定于该镜筒内的光学透镜，该输出尾纤的后端面位于该光学透镜的 焦点处，所述光学透镜包括沿光路顺次设置的同光轴的双凹透镜和双凸透镜。本发明的准直 器，其光学透镜主要是由正球差的双凹透镜和负球差的双凸透镜组成的双透镜组，该双透镜 组可以消除系统像差，从而保证准直扩束后输出光束的光束质量基本不降低，维持了光纤激 光器光束质量高的优势；而且，该双透镜组制作工艺简单、成本低,降低了准直器的加工成本。 同时，本发明还公开了一种具有上述准直器的光纤激光器，该发明公布的是一种减小光束发 散角的装置，系统复杂且体积大。

中国专利文件CN201828712U公开一维光纤压缩耦合激光传输装置涉及一种半导体激光 光束传输光学系统,主要应用于激光实兵对抗系统中的脉冲激光光束整形与能量传输。由半导 体激光器、光纤、准直光学透镜组组成,半导体激光器、光纤、准直光学透镜组三部分作为一 个整体封装在一起,在半导体激光器前部安装有光纤,光纤前部安装有准直光学透镜组,准直 光学透镜组为一胶合透镜,由激光入射透镜与出射透镜组成。该装置适用于对c-mount或TO 封装形式的激光进行光束准直，但是目前国际上成熟的单管芯最大功率约为10W，大大限制 了该装置的应用范围。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种增大输出光束空间发散角和匀化光斑的装置。应 用本发明能有效改善光斑带环、散斑现象，对光斑进行匀化，同时增大输出光束空间发散角。

本发明还提供一种上述装置的制备方法。

本发明的技术方案如下：

一种增大输出光束空间发散角和匀化光斑的装置，包括轴向穿过套筒的光纤，在所述套 筒的出光端设置有与所述光纤共轴安装的凹透镜。

根据本发明优选的，所述凹透镜为单面凹透镜。

根据本发明优选的，所述凹透镜为双面凹透镜。

根据本发明优选的，所述套筒内，所述光纤通过连接头插针轴向安装在所述套管内。

根据本发明优选的，所述的套筒为封闭的圆筒。

根据本发明优选的，所述的套筒的筒壁上设置有轴向开口。

根据本发明优选的，所述套筒为金属套筒或陶瓷套筒。

根据本发明优选的，在所述凹透镜的表面设置有增透膜；增透膜与所需传输激光波长相 适应，所述凹透镜的直径与套筒内径相匹配，以便于使光纤端面和凹透镜同心。

根据本发明优选的，所述光纤的直径为100-1000μm。

根据本发明优选的，所述凹透镜的曲率半径为：1-10mm。

根据本发明优选的，所述凹透镜凹面与光纤端面贴合。所述凹透镜的凹面与光纤端面中 间为空气缝隙或填充有相应匹配液。

一种上述增大输出光束空间发散角和匀化光斑的装置的制备方法，包括步骤如下：

（1）将光纤穿入保护管中，在保护管的两端各露出一段圆柱状光纤，将光纤涂覆层去除；

（2）将上述露出的圆柱状光纤穿过进灌胶的连接头插针中，露出光纤的前端部分；

（3）将连接头插针中的灌胶进行固化；

（4）固化后，将露于连接头插针外部的圆柱形光纤去掉，形成光纤端面，对光纤端面进 行研磨，得到与光纤中心轴垂直的光学平面，制成光纤跳线；

（5）将凹透镜共轴安装在套筒内，将连接头插针从套筒一端插入套筒中，将凹透镜和连 接头插针靠紧并固定；

（6）使用时，将所述光纤跳线的另一头用法兰与激光器输出端连接并固定。

根据本发明优选的，所述光纤跳线为ST光纤跳线、FC光纤跳线或SMA905光纤跳线。所 述光纤跳线上的连接头的陶瓷或金属外径可以比常规尺寸粗或细。

本发明的有益效果：

本发明一种增大输出光束空间发散角和匀化光斑的装置的一端为加了凹透镜的输出端， 并且在凹透镜上镀有增透膜，从而降低凹透镜的反射损耗，凹透镜的使用可以增加光束的出 射角，分散光斑，既对光斑进行匀化，又增大了光束发散角。激光经多模光纤后光斑成环状， 由此，激光光源可以看成由不同发散角的环形光源组成，该系列环形光源经曲率半径较小的 凹透镜后光斑发散且相位发生变化，具有很好的混模效果和消相干效果，从而可以增大光斑 发散角和匀化光斑。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是实施例2的本发明装置使用方法图；

图3是实施例1、2所述光纤对光束的匀化光斑的效果图；

图4是对比例述光纤对光束的匀化光斑的效果图；

图5是本发明所述凹透镜增大光纤输出光束空间发散角的原理图。

图1-5中：1、凹透镜；2、套筒；3、连接头插针；4、光纤；5、连接头散件；6、光纤跳 线尾套；7、光纤保护管。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做详细的说明，但不限于此。

实施例1、

如图1所示。

一种增大输出光束空间发散角和匀化光斑的装置，包括轴向穿过套筒2的光纤4，在所 述套筒2的出光端设置有与所述光纤4共轴安装的凹透镜1。所述光纤4的直径为440μm。

所述凹透镜1为单面凹透镜。所述凹透镜1的曲率半径为1mm。

所述套筒2内，所述光纤4通过连接头插针3轴向安装在所述套管2内。

所述的套筒2为封闭的圆筒。

所述套筒2为金属套筒。

实施例2、

如实施例1所述的一种增大输出光束空间发散角和匀化光斑的装置，其区别在于，所述 凹透镜1为双面凹透镜。所述凹透镜的曲率半径约1mm。

所述的套筒的筒壁上设置有轴向开口。

所述套筒为陶瓷套筒。

所述光纤的直径为300μm。

实施例3、

如实施例1所述的一种增大输出光束空间发散角和匀化光斑的装置，其区别在于，在所 述凹透镜1的表面设置有增透膜，增透膜与所需传输激光波长相适应：所述增透膜为808nm 的增透膜。所述凹透镜的直径与套筒内径相匹配，以便于使光纤端面和凹透镜同心。

所述凹透镜凹面与光纤端面贴合。所述凹透镜的凹面与光纤端面中间为空气缝隙或填充 有相应匹配液。

所述光纤的直径为200μm。

所述凹透镜的曲率半径为：3mm。

实施例4、

如实施例1所述的一种增大输出光束空间发散角和匀化光斑的装置，其区别在于，在所 述凹透镜1表面镀有增透膜，所述的增透膜为980nm的增透膜。

所述凹透镜1为平凹透镜。所述光纤4的直径308μm。

利用该实施例所制备出的光纤跳线较普通光纤传输光束，其光斑匀化效果良好，且光束 发散角明显增大。

所述凹透镜的曲率半径为：6mm。

实施例5、

一种如实施例1-4所述增大输出光束空间发散角和匀化光斑的装置的制备方法，包括步 骤如下：

（1）将光纤4穿入保护管7中，在保护管7的两端各露出一段圆柱状光纤4，将光纤涂 覆层去除；

（2）将上述露出的圆柱状光纤4穿过进灌胶的连接头插针3中，露出光纤4的前端部分；

（3）将连接头插针3中的灌胶进行固化；

（4）固化后，将露于连接头插针3外部的圆柱形光纤去掉，形成光纤端面，对光纤端面 进行研磨，得到与光纤中心轴垂直的光学平面，制成光纤跳线；

（5）将凹透镜1共轴安装在套筒2内，将连接头插针3从套筒一端插入套筒2中，将凹 透镜1和连接头插针3靠紧并固定；

（6）使用时，将所述光纤跳线的另一头用法兰与激光器输出端连接并固定。

所述光纤跳线为ST光纤跳线、FC光纤跳线或SMA905光纤跳线。所述光纤跳线上的连接 头的陶瓷或金属外径可以比常规尺寸粗或细。

使用说明及原理：

使用本发明所述的装置时，将光纤跳线的另一头用法兰与激光器输出端连接，点胶固定， 如图4其光纤跳线输出端对激光器所发出的808nm光束进行匀化光斑。

下面进一步结合图4说明本发明所述光纤增大光纤输出光束空间发散角和匀化光斑的原 理：

如图5所示，A、B为光纤端面上两个环光源所发出的传播方向不同的光线，分别照射到 凹透镜的不同位置，可知，入光发散角分别为α、β，通过凹透镜后，光线发散角分别变为 δ、γ，由于凹透镜对光线具有发散作用，可知，δ＞α，γ＞β，从而实现混模和增大发 散角的目的，由此可见，所述的装置有利于增大光束发散角，其匀化光斑的效果明显。

对比例、

该对比例中所使用的光纤跳线为圆柱状光纤的直径、长度和材质与实施例1中圆柱状光 纤是完全相同的，而且所采用的激光器光源的光束参数也与实施例1完全相同。

采用CCD记录光斑图形，对实施例1所述光纤和现有圆柱状光纤的匀化光斑作用做对比 试验：图3是实施例1所述光纤对光束的匀化光斑的效果图，图3中光斑中心散斑明显减少， 光斑变均匀；而图4是对比例述光纤对光束的匀化光斑的效果图，图4中光斑存在大量散斑。

综上所述，利用本发明所制备出的装置较普通光纤传输光束，匀化光斑效果良好，光束 发散角明显增大。