[发明专利]光纤参数设计方法、锥形光纤及激光水束高效耦合装置

权利要求书

1.一种光纤参数设计方法，其特征在于，所述方法用于激光水束高效耦合装置中的锥形光纤，且包括：

对多个光纤参数进行优先级排序；

基于第一耦合基本条件选取安全系数k，基于加工精度和水束稳定性设计柱形光纤直径d，并预选聚焦透镜以获取入射角α和高斯激光束腰半径ω₀；

基于数学归纳法，选定激光在锥形光纤中发生全内反射次数n和所述锥形光纤的半锥角β；

基于高效耦合方法，计算所述锥形光纤的高度h和耦合端部直径D；

将所述多个光纤参数分别代入所述第一耦合基本条件和第二耦合基本条件中进行验算；以及

基于验算结果，按照优先级顺序调整所述锥形光纤的多个光纤参数，直到满足所述第一耦合基本条件和所述第二耦合基本条件为止，

其中所述第一耦合基本条件为所述锥形光纤的所述耦合端部直径D不小于激光经所述聚焦透镜后的高斯束腰直径2ω₀的k倍，k为大于等于1的正数，并且所述第二耦合基本条件为所述入射角大于临界角，并且

所述高效耦合方法为使经所述锥形光纤全反射一次的光线再汇聚至束腰时所对应的中心点与柱形光纤端部在竖直方向上平齐。

2.根据权利要求1所述的光纤参数设计方法，其特征在于，

所述对多个光纤参数进行优先级排序，包括：

将所述半锥角β、所述入射角α和所述高斯激光束腰半径ω₀设置成第一优先级光纤参数；

将空气介质的折射率n₁、光纤介质的折射率n₂设置成第二优先级光纤参数；

将所述安全系数k、所述柱形光纤直径d设置成第三优先级光纤参数；以及

将所述全内反射次数n设置成第四优先级光纤参数。

3.根据权利要求2所述的光纤参数设计方法，其特征在于，

所述基于验算结果，按照优先级顺序调整所述锥形光纤的多个光纤参数，直到满足所述第一耦合基本条件和所述第二耦合基本条件为止包括：

若所述耦合端部直径D不满足所述第一耦合基本条件，则调整第一优先级光纤参数，重新计算所述锥形光纤的高度h和所述耦合端部直径D并验算所述多个光纤参数，直到所述耦合端部直径D满足所述第一耦合基本条件为止；以及

若所述耦合端部直径D满足所述第一耦合基本条件而不满足所述第二耦合基本条件，则根据所述第二耦合基本条件之中入射角与临界角的差值大小按照所述优先级顺序依次调整所述多个光纤参数，重新计算所述锥形光纤的高度h和所述耦合端部直径D并验算所述多个光纤参数，直到所述耦合端部直径D满足所述第一耦合基本条件且满足所述第二耦合基本条件为止。

4.根据权利要求3所述的光纤参数设计方法，其特征在于，

所述根据所述差值大小按照所述优先级顺序依次调整所述多个光纤参数包括：

若所述差值小于或等于15°，则调整所述第一优先级光纤参数，并重新计算所述锥形光纤的高度h和所述耦合端部直径D并验算所述多个光纤参数，直到所述耦合端部直径D满足所述第一耦合基本条件且满足所述第二耦合基本条件为止；以及

若所述差值大于15°，则按照优先级顺序逐级调整第一优先级光纤参数、第二优先级光纤参数、第三优先级光纤参数，并重新计算所述锥形光纤的高度h和所述耦合端部直径D并验算所述多个光纤参数，直到所述耦合端部直径D满足所述第一耦合基本条件且满足所述第二耦合基本条件为止。

5.一种锥形光纤，其特征在于，

所述锥形光纤通过如权利要求1所述的光纤参数设计方法设计而成，其中：

所述锥形光纤被构造成适配半锥角β、入射角α、高斯激光束腰半径ω₀、光纤介质的折射率n₂和安全系数k，并且具有高度h和耦合端部直径D。

6.一种激光水束高效耦合装置，其特征在于，

主体单元，包括被构造成发射激光的激光器，被构造成扩束激光的扩束镜组，被构造成反射激光的半透镜，被构造成聚焦激光的聚焦透镜，被构造成传导激光的柱形光纤和如权利要求5所述的锥形光纤，和被构造成成像的CCD相机；以及

固定与调整单元，用于对所述主体单元进行固定和调整。