[实用新型]一种传输高功率激光的光纤端部结构

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种光纤端部结构，尤其涉及一种传输高功率激光的光纤端部结构。

背景技术

光纤的结构通常由一个截面为圆形的纤芯和包裹纤芯的光学包层，以及起保护作用和增加机械强度的外包层组成。由于纤芯的折射率比光学包层的折射率高，进入纤芯的光在纤芯与光学包层间发生全内反射，实现低损耗传输。外包层材料的选择侧重其保护功能，如隔离水气、增加机械强度等。高功率激光光纤传输系统广泛应用于激光材料加工和医疗等领域，将高功率激光传输到工件上进行热处理、切割和焊接等。

理想情形，激光束应聚焦在传输光纤输入端芯径内。实际上，由于多种因素，常常有一部分激光束不能耦合进入光纤纤芯内。这些因素可能是：在光纤的输入端面上激光聚焦光斑比光纤芯径大；激光聚焦光斑与光纤芯径轴向或横向错位；聚焦光斑的发散角比光纤的数值孔径大；聚焦光束的入射方向与光纤的轴线偏离等。对高功率激光而言，这部分未耦合进入纤芯的激光强度足以导致光纤传输系统的坏损。例如，用于固定光纤的粘接剂或胶吸收激光，导致粘接剂软化，再导致光纤位置偏离，进一步恶化造成更多的激光不能耦合进入光纤纤芯。粘接剂、外包层等有机材料吸收激光，导致发热产生有机气体，加剧材料的老化，污染光纤端面，缩短材料的使用寿命，严重时发生过热燃烧。

对光纤输出端，通常用光学系统如透镜组将光纤输出端面成像在工件表面上。高能激光和材料相互作用时会产生高能辐射，该辐射经光学系统聚焦成像在光纤输出端附近，一部分辐射耦合进入光纤纤芯。工件表面对激光也有不同程度的反射，反射光一部分进入光纤纤芯。通常将工件表面倾斜使反射光尽可能地偏离光学系统，或将工件表面涂黑降低反射率。同样地，在高功率激光应用中，在光纤输出端附近未耦合进入光纤纤芯的反射光和衍生辐射足以对光纤传输系统构成损坏。

迄今，有多种方法和装置用来降低有害光进入光纤传输系统。

美国专利US4575181介绍了运用毛化光纤光学包层的外表面降低光纤光学包层内的有害光对光纤传输系统的损害。将光纤输入端的外包层剥落后，对光纤光学包层的外表面进行毛化或粗糙处理。这样，进入光纤光学包层的光在毛化的外表面通过散射逃逸出来，进入外围的吸收体或热沉。为了充分降低有害光，光纤的毛化段会很长，使得结构不紧凑；其次，毛化过程所形成的微小裂纹会导致光纤断裂，降低使用寿命。

美国专利US4678273公开了一种避免高功率激光进入光纤外包层的方法。将光纤输入端的外包层剥落，用折射率大于或至少等于光纤光学包层的折射率的热阻材料或透光材料包裹在光纤的光学包层外，使光学包层内的光逃逸出来，进入外围的吸收体或热沉。该方法要求很长的引导光路，结构不紧凑；其次，该方法就近将光转换成热，要求结构具备足够的散热能力，同样导致体积大。

美国专利US4737011介绍了一个套管，该套管有一个比光纤（含光学包层）稍大的内孔用于支承光纤。套管具有透射、反射和散射结构。落在光纤附件的高功率激光进入该套管，经透射、反射或散射，避免了进入光纤传输系统。但是，该套管对进入光纤光学包层的光没有疏导和削减作用。

美国专利US5619602介绍了一种熔接在光纤端部的石英棒。石英棒引导落在光纤外的光进入锥形反射体，由反射体反射到吸收体和热沉上，避免未耦合进入光纤的光进入光纤传输系统。在石英棒和反射体间设置一玻璃套管，其内孔壁与光纤的光学包层接触，引导进入光纤光学包层的光逃逸出光纤光学包层。该方法原理上是可行的，但实际操作上难以实现，达不到设计的效果。

美国专利US6282349公开了一种利用熔结光纤输入端和套管，避免使用粘接剂来固定光纤的方法。将光纤的外包层除去预定的长度，插入石英套管内指定的位置，利用CO₂激光熔结套管和光纤。该结构消除了使用粘接剂来固定光纤，避免粘接剂因吸收未耦合进入光纤纤芯的光而软化、老化、或烧坏。但该结构不能减小或排除进入光纤光学包层的光，不能排除这部分光对光纤外包层的损坏。

美国专利US6883975介绍了运用一层比光纤和套管软化温度低的材料来熔接光纤和套管。该结构的目的旨在实现光纤和套管的封装固定，并不能减小或消除有害光进入光纤传输系统。