[发明专利]一种多锥非对称光束整形器件

说明书

本发明提供了一种多锥非对称光束整形器件，属于激光整形领域。该器件包含N个整形单元串联而成(N≥1)，整形单元包含带有单锥结构的光输入结构和光输出结构，通过两个单锥端连接而成，光输出结构单锥锥长小于光输入结构单锥锥长，光输出结构数值孔径大于等于光输入结构数值孔径。本发明通过控制单锥结构的拉锥长度和拉锥直径等，控制拉锥比和拉锥角参数，进而形成不同的波导结构，以完成光束整形效果，具有体积小、稳定性强、损耗低、可承受阈值功率高、可调节光斑范围大、使用便捷等优势，尤其适用于激光加工切割领域。

技术领域

本发明属于激光光束整形领域，具体涉及一种多锥非对称光束整形器件。

背景技术

自激光诞生以来，凭借着其亮度高、方向性好、单色性好、准直性高的优点，在工业、通信、医疗、航天航空、光储存、军事和科学与研究领域扮演着重要的角色，促进各领域的快速发展。各领域的广泛应用，同样对激光技术提出了新的挑战。

激光一般都是高斯光束，即光束强度在空间上呈现高斯分布，这样的光束具备有中间强度高，往外沿高斯径向轮廓逐渐下降。在高功率的激光应用过程中，高斯光束能量集中在中心部分，很容易将光学器件损坏，所以各领域实际应用往往不仅仅需要高斯光束，还需要采用一些方法进行光束整形改变光束能量分布，进行可控制光斑劣化，比如在能量上，具备均匀能量分布的平顶光斑或者环状分布的环形光斑，在光束形状上，具有方形，圆形等形状，这些都是进一步提升激光的应用水平。尤其是在激光器对碳钢、不锈钢等金属材料进行切割焊接过程中，对于光斑能量要求较为均匀，以提升切割焊接断面质量。

传统的光束整形方法包括以下：光阑法，多透镜阵列，二元光学元件，随机位相板，液晶空间光调制器，双折射透镜组、异形棱镜和圆锥镜等等。以上整形方法多是利用空间光学进行激光光束整形，空间光学整形系统一般体积较大不利于光纤激光器的集成化，且系统对于环境的要求较高，随时间的结构稳定性也相对较差，实际使用不够方便快捷。

在光纤波导领域内，目前光束整形的方式有以下几种。

扰模法(专利CN 102866501A、CN 100424494C)：通过调整激光束中不同模式光的入射角度，来进行光束整形；

光纤应力挤压：通过对光纤施加应力改变光纤折射率进一步影响光纤传输的波导结构，来进行光束整形；

以上两种方法利用光纤材料本身进行波导结构的改变，进而改善光束输出的能量分布进行光束整形，但通过外部方式精确改变的波导结构的控制难度很高，这种控制方式稳定性较低实用性较差。

改变光纤结构：在普通两层阶跃光纤的基础上，在纤芯或包层中心引入一个凹陷部分，并使该部分折射率不同于其他部分折射率，且通过理论计算得出对于凹陷部分取不同的折射率，得到不同的平顶基模模场分布。国内外也都对模场光纤结构进行不同的优化设计。总体而言，此方法需要对光纤制作工艺有较高的要求，不易于制备。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服上述激光光束整形方法的不足，提出一种多锥非对称光束整形器件，本发明采用非对称光纤结构控制光路的传输方式，以达到稳定的光束整形效果。

本发明解决的技术方案为：一种多锥非对称光束整形器件，包含N个整形单元(1)，

所述的整形单元(1)(如图1所示)包含光输入结构(11)、光输出结构(12)，所述的光输入结构(11)两端分别为正常端口(111)和小口径端口(112)，所述的光输出结构(12)两端分别为正常端口(121)和小口径端口(122)，所述的光输入结构小口径端口(112)与所述的光输出结构小口径端口(122)连接，所述的光输入结构小口径端口(112)和所述的光输出结构小口径端口(122)均为单锥结构，所述的输出结构小口径端口(122)的锥长L2小于输入结构小口径端口(112)的锥长L1，所述的光输入结构(11)的数值孔径NA1和所述的光输出结构(12)数值孔径NA2需要互相匹配，保证NA1≤NA2；