[发明专利]空心导光锥耦合真空传输激光装置

说明书

技术领域

本发明属于激光光纤传输领域，具体涉及一种基于空心导光锥耦合的高功率激光光纤真空传输装置。

背景技术

目前，通过光纤传输高功率激光在激光加工、激光切割、激光点火、激光医疗以及光纤激光器等领域有重要的应用。但是随着人们对高功率激光应用需求和激光器的发展，对光纤传输激光功率的要求越来越高，几乎达到了光纤传输激光功率的极限(GW/cm²量级)。高功率激光光纤传输系统中高功率激光特别是窄脉宽高峰值脉冲激光容易导致光纤损伤。另外，由于激光功率密度很高，不利于激光光纤耦合和传输。这些因素限制了光纤传输激光的容量，阻碍了光纤传输高功率技术的应用进程。

根据相关文献([1]R.M.Wood.Summary of the factors affecting the Power and EnergyCapabilities of Optical Fibers[C].SPIE，1996；2870：458-466.[2]李钰，张阔海，李强，左铁钏.大功率激光光纤耦合技术研究[J].应用激光.2004，24(5)：276-278.[3]赵兴海，高杨，程永生.高功率脉冲激光对阶跃折射率多模光纤损伤机理分析[J].强激光与粒子束，2007.等)报道光纤端面损伤和光纤内的非线性效应是限制激光光纤传输功率提高的主要因素。光纤端面存在大量微小颗粒、杂质、缺陷等导致大量吸收激光能量或者场效应增强，最终引起光纤端面的局部熔融或炸裂，激光注入耦合失败。当激光功率密度达到一临界值后，光纤内的非线性效应剧烈增强，比如受激拉曼散射和受激布里渊散射，导致激光能量迅速损耗，光纤传能失败。

目前的激光注入光纤耦合主要有两种方式：“伽利略望远镜”+聚焦透镜注入耦合方式和单透镜聚焦注入耦合方式。“伽利略望远镜”+聚焦透镜注入耦合方式是对光束先扩束再聚焦，因此在其内部没有焦点，但是增加了光学界面也就增大了传输损耗。但这些普通的耦合方式均要求小的注入光斑，才能得到高的耦合效率。但是小的注入光斑势必引起大的功率密度，容易导致光纤端面损伤。就算以100/100注入孔径注入激光，由于光纤的芯径较小(数μm～数百μm)，光纤端面的激光功率密度仍然很高，易损伤光纤输入端面。普通的石英光纤存在端面损伤阈值低和非线性吸收严重的问题，而空心光纤和光子晶体光纤由于其特殊的结构或者光束传输机理可以有效缓解这些问题。

发明内容

本发明提供了一种高功率激光的空心导光锥耦合真空传输装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：通过在入射激光和光纤之间加入一空心导光锥，使入射激光通过空心导光锥会聚后产生较小的光斑注入到光纤中去，空心导光锥与光纤之间密封连接，同时对空心导光锥内部和光纤纤芯内部抽真空或注入惰性气体。空心导光锥是输入端直径较大输出端直径较小的空心圆锥体，它是一种非成像光束会聚装置。激光由大端注入，小端与光纤密封连接。光纤为传输激光能量用空心光纤或光子晶体光纤，纤芯有空隙可以抽真空或注入惰性气体，以减小激光损耗，提高输出激光光束质量。

本发明的空心导光锥耦合真空传输装置包括聚焦透镜、空心导光锥、光纤，聚焦透镜与光纤之间设置有空心导光锥。

本发明的空心导光锥耦合真空传输装置中空心导光锥大端与光学窗口密封连接。

本发明的空心导光锥耦合真空传输装置中空心导光锥小端与光纤输入端密封无缝连接。

本发明的空心导光锥耦合真空传输装置中空心导光锥可以由金属(铝、不锈钢等)直接卷曲制造而成。也可由光学玻璃直接拉制，内表面涂抗激光损伤的高反射膜。

本发明的空心导光锥耦合真空传输装置中光纤可以为普通石英光纤、一般空心光纤、光子晶体光纤中任意一种。

本发明的空心导光锥耦合真空传输装置中空心导光锥内部抽真空或注入惰性气体。

本发明的空心导光锥耦合真空传输装置中光纤(空心光纤、光子晶体光纤)内部抽真空或注入惰性气体。

本发明给出了一种提高光纤传输高功率激光容量、减少激光损伤概率、降低光纤内非线性损耗的有效方法和装置。本装置中的空心导光锥增加了注入激光的受光面积，从而减小了端面损伤概率，提高了注入激光能量。在相同的激光功率注入情况下，可以使输入端面的激光功率密度最大下降为原来的b²/a²，a为空心导光锥大端半径，b为空心导光锥小端半径。