空心圆台激光光纤耦合器 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地光斑，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。
附图说明
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。