[发明专利]一种用于将高斯光束整形为平顶光束的下凹型折射率光纤

说明书

一种用于将高斯光束整形为平顶光束的下凹型折射率光纤，属于激光光束整形领域。该用于将高斯光束整形为平顶光束的下凹型折射率光纤能够将高斯光束整形为平顶光束，包括纤芯和包层，纤芯设置在包层内，其中，纤芯的折射率包层的折射率；并且纤芯折射率为下凹型折射率结构分布，其下凹型折射率结构分布满足以下函数关系：n_core＝n_s·sqrt(1+2delta·(r/a)²)；其中，n_core为纤芯区域的折射率分布，n_s为纤芯区域下凹最低点的折射率值，r为纤芯在极坐标下的径向变量，a为光纤纤芯半径，相对折射率差delta＝(n₂²‑n_s²)/2/n_s²，其中，n₂为纤芯区域折射率最大值。该下凹型折射率光纤具有结构简单稳定、制作简单、使用方便、成本低、整形效果好、可调节、降低光强、便于与光学系统结合等优势。

技术领域

本发明设计一种用于将高斯光束整形为平顶光束的下凹型折射率光纤，属于激光光束整形领域。

背景技术

平顶光束是指在光束传输方向的横截面内光强均匀分布的光束，由于能量分布均匀的特点，在显示、全息、激光加工、激光医疗等领域中有着重要的应用。由于激光光束的光强一般服从高斯分布，所以需要对高斯光束进行整形，以便得到均匀性好的平顶光束。1994年，Gori等人提出了另外一种模型称为平坦高斯光束，其模场可以被描述为有限个拉盖尔-高斯模式或厄米-高斯模式的叠加；Li也提出了一种新的理论模型来描述圆形或非圆形的平顶光束，其模场是被看作有限个基本高斯模式的叠加，由Gori和Li所提出的模型为描述相干平顶光束提供了方便有效的方法，并且已经被广泛应用与处理平顶光束的传输问题。

获得平顶光束的方法有很多，用衍射光学原理设计的衍射光束整形器件能达到较好效果，但其制作工艺复杂，成本高，不利于进行产业化应用；采用几何光学原理设计的光束整形光学系统，存在尺寸大、安装困难、价格昂贵以及稳定性差等问题。光纤输出光束通常为单模高斯光束，具有能量分布不均匀的特点，影响激光加工质量。将高斯光束进行光束整形，转换为强度均匀分布的平顶光束，是提高加工质量的重要因素。在激光清洗中，为了得到高的清洗效率，降低基材损伤，这就要求激光束的光场分布为平顶型，平顶光束在激光强化应用中能得到更好的强化效果。

在多模光纤光束整形技术方面，全世界范围内仅德国的一家公司推出了具有光斑匀化功能的光纤。通过这种非圆光纤，可获得能量均匀分布的平顶光斑，大幅度提高加工精度。采用光纤进行光束平顶化，避免了复杂的元件调节步骤，将成为精密激光焊接、切割、表面处理等应用领域的最佳选择。

由此可见，光纤光模场整形，光束转化有着广泛的应用，而且有很好的应用前景。

而现有的光纤，根据折射率分布情况，可以分为阶跃型光纤和渐变型光纤，阶跃型光纤(结构示意图见图1(a))，其光纤的纤芯折射率高于包层的折射率，使得输入的光能在纤芯-包层交界面上不断产生全反射而进行传输，这种阶跃型光纤，光纤纤芯的折射率是均匀的，光纤纤芯到包层只有一个台阶。而渐变型光纤，其光纤纤芯中心到包层的折射率是逐渐变小的，可以使得高阶模的光按正弦形式传播，减少模间色散，提高光纤宽度，增加传输距离，但是其成本较高，现在的多模光纤多为渐变型光纤，其包层折射率是均匀的，其光纤纤芯的中心折射率最大，沿纤芯半径方向逐渐减小。

但是以上两种形式的光纤均不能够将高斯光束整形为平顶光束。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提出了一种用于将高斯光束整形为平顶光束的下凹型折射率光纤，本发明通过改变纤芯折射率的分布由原始均匀的阶跃分布改变为下凹型分布，使得基模在该光纤纤芯内传输时，顶部光强由高斯分布变得均匀，实现平顶光束输出。该下凹型折射率光纤具有结构简单稳定、制作简单、使用方便、成本低、整形效果好、可调节、降低光强、便于与光学系统结合的优势，可理论模拟出平顶光束平顶面积、有效模场面积、损耗等性能参数。