[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

说明书

本发明提供一种光纤参数设计方法、锥形光纤及激光水束高效耦合装置。该光纤参数设计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和锥形光纤的半锥角β；基于高效耦合方法，计算锥形光纤的高度h和耦合端部直径D；将多个光纤参数分别代入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锥形光纤的多个光纤参数，直到满足第一耦合基本条件和第二耦合基本条件为止。

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，尤其涉及一种光纤参数设计方法、 锥形光纤及激光水束高效耦合装置。

背景技术

随着光纤激光在民用工业、国防工业、以及医疗行业的运用逐渐 增多，光纤激光技术在近些年也有着飞速的发展。目前该技术已广泛 应用于金属板材的切割，并且同时在焊接、熔覆、清洗等领域都展现 出巨大的潜力。但随着光纤激光技术运用覆盖的领域的增多，其面临 的问题和挑战也日益增长。

现有的耦合激光加工装置通常使激光从装置上方入射，透过玻璃 片，在经过聚焦透镜后，耦合到充满水的液腔中，并且水中的激光由 于发生全内反射而向下传导直至工件表面，从而进行材料的去除加工。 此外，现有的光纤与水导激光耦合加工装置设计了柱形光纤，形成激 光-水束-光纤的三者耦合。

然而，现有的大功率耦合激光加工装置缺少对液体缩流装置的曲 线形状的研究，在具体设计并实施时缺乏设计参数理论支撑，使得在 高效耦合方面亟待优化设计。不仅如此，现有的光纤与水导激光耦合 加工装置在激光耦合入柱形光纤时，由于光纤尺寸较小，容易发生耦 合对准失败而导致的激光损坏耦合装置故障。此外，柱形光纤耦合端 部尺寸较小，在耦合时容易发生激光泄漏，限制耦合效率的提高。

发明内容

本发明提供一种光纤参数设计方法、锥形光纤及激光水束高效耦 合装置，旨在解决柱形水束或柱形光纤存在的激光耦合泄漏和激光损 坏耦合装置的问题，达到能够根据加工需求与现有条件科学合理地设 计高效耦合装置的设计目的，进而提高装置的耦合效率和使用寿命。

具体地，本发明实施例提供了以下技术方案：

第一方面，本发明的实施例提供一种光纤参数设计方法，该方法 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 锥形光纤的半锥角β；

基于高效耦合方法，计算锥形光纤的高度h和耦合端部直径D；

将多个光纤参数分别代入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锥形光纤的多个光纤参数， 直到满足第一耦合基本条件和第二耦合基本条件为止。

进一步地，该光纤参数设计方法还包括：

对多个光纤参数进行优先级排序，包括：

将半锥角β、入射角α和高斯激光束腰半径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；

将安全系数k、柱形光纤直径d设置成第三优先级光纤参数；以及