用于光纤激光阵列光束拼接合成的棒镜阵列装置

1.本发明涉及光纤激光阵列光束合成技术领域，具体为一种用于光纤激光阵列光束拼接合成的棒镜阵列装置。


背景技术：

2.受到非线性效应、材料的激光损失阈值等物理因素的限制，单台光纤激光器的输出功率受限，为了获得更高功率的输出，人们提出了各种光束合成方法。其中，空间光束拼接合成方法是应用较为广泛的方法之一，当前主要采用透镜阵列或光纤准直器直接拼接的方式实现。由于采用透镜阵列或光纤准直器直接拼接必然会存在机械支撑件，高的光束占空比和小的阵列光束尺寸难以同时兼得。另外，阵列光束的单元光束光斑多为圆形，阵列光束的排列形状和紧密程度也受到限制。


技术实现要素：

3.针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种用于光纤激光阵列光束拼接合成的棒镜阵列装置。
4.为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案是：
5.用于光纤激光阵列光束拼接合成的棒镜阵列装置，包括棒镜以及基座，光纤或光纤端帽固定在基座的第一端，与基座第一端相对的基座第二端安装有与光纤或光纤端帽一一相对的棒镜，所有棒镜按照设定的方式排布成棒镜阵列，待拼接合成的单元光束经光纤或光纤端帽入射到棒镜经棒镜产生对应形状的单元光束，由棒镜阵列拼接成对应形状、排布的光纤激光阵列光束输出。
6.作为本发明的优选方案，所述基座的第一端设置有光纤定位件安装孔，光纤定位件安装孔用于安装光纤定位件，各单元光束的输出光纤或光纤端帽分别安装在对应的光纤定位件中。
7.作为本发明的优选方案，所述基座的第二端设置有棒镜安装孔，棒镜安装孔与光纤定位件安装孔一一相对且相通，各棒镜分别安装在对应的棒镜安装孔中。安装要求，各棒镜的焦平面位于对应光纤的输出端面处或光纤端帽的熔点处。
8.根据应用需求不同，棒镜为横截面为圆形的圆柱镜或横截面为多边形的多边形棒镜，通过棒镜产生圆形或多边形的单元光束光斑。采用不同横截面形状的棒镜可以产生不同形状的单元光束光斑，从而拼接成不同形状的光纤激光阵列光束。比如，棒镜为横截面为正六边形的六棱棒镜，通过六棱棒镜生成正六边形单元光束光斑，所有棒镜彼此紧密无间距排布成蜂窝状棒镜阵列，能够实现蜂窝状阵列光束的拼接合成。或者，棒镜为横截面为正方形的四棱棒镜，通过四棱棒镜生成正方形单元光束光斑，所有棒镜彼此紧密无间距排布成方形棒镜阵列，能够实现方形阵列光束的拼接合成。本发明还可实现更多形状、排列形式的阵列光束的拼接合成。另外，棒镜阵列的排布方式不限，通过棒镜阵列中棒镜的排布形式的设计，还可以获得环形光斑、回字形光斑等各种特殊光斑。
9.作为本发明的优选方案，所述棒镜采用高透射率光学玻璃或晶体材料制成的一体成型的整体结构，如熔石英玻璃。棒镜分为两段，棒镜第一段伸入棒镜安装孔内，用于将棒镜安装在基座上，棒镜第一段的端面为棒镜的激光入射面；棒镜第二段位于基座外侧，棒镜第二段的端面为棒镜的激光出射面，激光入射面和激光出射面用于对入射到棒镜中的光束进行准直或/和整形。激光出射面和激光入射面抛光处理，且镀入射激光波长增透膜。
10.当要求棒镜的输出光束为高斯光束时，棒镜只需对入射到棒镜中的光束进行准直即可，因此激光入射面可以为平面或球面，激光出射面为球面。当要求棒镜的输出光束为高斯光束时，根据待输出单元光束的形状、尺寸对棒镜的结构参数进行设计，方法如下：设待输出的单元光束的光斑为圆形或正多边形，其直径或内切圆直径为该单元光束的光斑直径或内切圆直径内激光能量占所有单元光束总能量的百分比为p；获取待拼接合成的单元光束的最大发散角全角a和能量占比为p的发散角全角b；确定棒镜第二段其直径或内切圆直径棒镜第一段的横截面为圆形，直径为d2，长度为l2，棒镜第一段的尺寸形状保证能够将棒镜稳定安装于基座即可。棒镜第一段主要用于将棒镜安装于基座上，因此主要考虑为基座支撑结构留出合理的尺寸即可，比如棒镜第一段直径d2比棒镜第二段d1小1mm，棒镜第一段长度l2为3～5mm。棒镜与光纤的输出端面的间距为l3，根据式f＝l1+l2+l3和式同时确定出棒镜焦距f及间距l3，其中β为发散角全角为b的光束进入棒镜后的光束发散角全角，由式求得，n为棒镜材料在发射激光波段处的折射率。进一步地，为了使入射到棒镜的激光能够经过棒镜全部输出，要求满足要求满足其中α为发散角全角为a的光束进入棒镜后的光束发散角全角，可由式求得。
11.当要求棒镜的输出光束为平顶光束或其他形态光束时，棒镜需要对入射到棒镜中的光束同时进行准直和整形，因此棒镜的激光入射面和激光出射面可能为非球面。激光出射面和激光入射面抛光处理，且镀入射激光波长增透膜。
12.作为本发明的优选方案，棒镜第一段的横截面形状、尺寸与棒镜安装孔的横截面形状、尺寸相适应，可以对棒镜第一段的外侧面进行打毛处理，利于与棒镜安装孔进行更稳定的固定。棒镜第二段的横截面为圆形、多边形或其他形状曲面，棒镜第二段的外侧面进行抛光处理，主要用于不同形状单元光束的成形和将截断光反射到棒镜外部。
13.作为本发明的优选方案，所述基座由不锈钢或其它金属材料制成，基座外形及端帽安装孔数量和排列形式可根据用户实际需求进行设计，基座长度需确保棒镜的焦平面位于光纤的输出端面处或光纤端帽的熔点处。
14.通过以上技术方案，本发明能够达到的技术效果是：
15.本发明可大幅缓解高光束占空比和小阵列光束尺寸间的矛盾，实现任意形状光束的紧密排列。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
17.图1为本发明实施例1的剖视图；
18.图2为本发明实施例1的立体图；
19.图3为本发明实施例1中棒镜阵列的主视图；
20.图4为本发明实施例2的剖视图；
21.图5为本发明实施例2的立体图；
22.图6为本发明实施例2中棒镜阵列的主视图；
23.图7为本发明实施例3的剖视图；
24.图8为本发明实施例3的立体图；
25.图9为本发明实施例3中棒镜阵列的主视图；
26.图10为本发明一实施例中采用的六棱棒镜的侧视图；
27.图11为本发明一实施例中采用的六棱棒镜的立体图；
28.图12为本发明一实施例中采用的棒镜的结构尺寸图；
29.图13为本发明一实施例中采用的基座的剖视图；
30.图14为本发明一实施例中采用的光纤定位器的剖视图；
31.图15为图14对应的光纤定位器的立体图；
32.图16为本发明一实施例中采用的光纤定位器的剖视图；
33.图17为图16对应的光纤定位器的立体图；
34.图中标号：
35.1、棒镜；101、棒镜第一段；102、激光入射面；103、棒镜第二段；104、激光出射面；2、基座；201、棒镜安装孔；202、光纤定位件安装孔；203、基座第一端；204、基座第二端；3、光纤；301、光纤端帽；4、光纤定位件；401、转接件；402、陶瓷插芯。
36.本发明目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
37.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
38.需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
39.另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含
义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
40.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
41.另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
42.参照图1、图2、图3和图13，本实施例提供一种用于光纤激光阵列光束拼接合成的棒镜阵列装置，包括棒镜1以及基座2。棒镜1有7个，所有棒镜1的尺寸形状完全相同，均采用熔石英玻璃或其它高透射率光学玻璃或晶体材料一体成型而成。
43.光纤3固定在基座第一端203，基座第一端203设置有光纤定位件安装孔202，光纤定位件安装孔202用于安装光纤定位件4，输出各单元光束的光纤3分别安装在对应的光纤定位件4中。输出各单元光束的光纤3可以通过光纤末端的光纤端面直接输出也可以通过连接在光纤尾端的光纤端帽301输出，输出各单元光束的光纤3通过胶水粘接方式固定在光纤定位件上，光纤定位件4通过机械或粘接方式固定在光纤定位件安装孔202中。
44.与基座第一端203相对的基座第二端204安装有与光纤3一一相对的棒镜1。所述基座第二端204设置有棒镜安装孔201，各棒镜1分别安装在对应的棒镜安装孔201中。各棒镜1可以通过胶水粘接方式固定在对应的棒镜安装孔201中。从图1可知，各棒镜安装孔201彼此间是相互独立的，各光纤定位件安装孔202彼此间也是相互独立的，棒镜安装孔201与光纤定位件安装孔202一一相对且相通。
45.待拼接合成的单元光束经光纤3入射到棒镜1，经棒镜1产生对应形状的单元光束，由棒镜阵列拼接成对应形状、排布的光纤激光阵列光束输出。
46.参照图1、图4、图7、图10和图11，本发明采用的棒镜1分为两段，棒镜第一段101伸入棒镜安装孔201内，用于将棒镜1安装在基座2上，棒镜第一段101的端面为棒镜的激光入射面102；棒镜第二段103位于基座外侧，棒镜第二段103的端面为棒镜的激光出射面104，激光入射面102和激光出射面104用于对入射到棒镜中的光束进行准直和整形，当要求棒镜的输出光束为高斯光束时，棒镜只需对入射到棒镜中的光束进行准直即可，因此激光入射面104可以为平面或球面，出射面为球面。当要求棒镜的输出光束为平顶光束或其他形态光束时，棒镜需要对入射到棒镜中的光束同时进行准直和整形，因此棒镜的激光入射面和激光出射面可能为非球面。激光出射面和激光入射面抛光处理，且镀发射激光波长增透膜。
47.棒镜第一段101的横截面形状、尺寸与棒镜安装孔201面形状、尺寸相适应，可以对棒镜第一段101的外侧面进行打毛处理，利于与棒镜安装孔201稳定的固定。棒镜第二段103的横截面为圆形、多边形或其他形状的曲面，对棒镜第二段103的外侧面进行抛光处理，主要用于不同形状单元光束的成形和将截断光反射到棒镜外部。
48.参照图2、图10和图11，所采用的棒镜1为横截面为正六边形的六棱棒镜，棒镜第二段103的横截面为正六边形。经棒镜的激光入射面102入射的光束，经六棱棒镜后从棒镜的激光出射面104输出，可以产生横截面为正六边形的单元光束光斑。如图2和图3所示，所有
棒镜1彼此紧密无间距排布成蜂窝状棒镜阵列，能够实现蜂窝状阵列光束的拼接合成。这样，可以克服传统阵列光束中的圆形单元光束的排列形状和紧密程度受到限制的缺陷。本实施例中，棒镜的数目为7个，在实际应用中，可以根据需求设置具有更多棒镜的蜂窝状棒镜阵列。
49.参照图1、图2和图3，所有棒镜1彼此紧密无间距排布成蜂窝状棒镜阵列，待拼接合成的单元光束经光纤3入射到棒镜1，经棒镜1产生与棒镜第二段103横截面形状对应的单元光束，最终由棒镜阵列拼接合成输出蜂窝状的光纤激光阵列光束。
50.根据应用需求不同，棒镜可做成横截面为圆形的圆形棒镜或横截面为其他多边形的多边形棒镜。采用不同横截面形状的棒镜可以产生不同形状的单元光束光斑，从而拼接成不同形状的光纤激光阵列光束。另外，棒镜阵列的排布方式不限，通过棒镜阵列中棒镜的排布形式的设计，还可以获得环形光斑、回字形光斑等各种特殊光斑。比如，参照图1、图2和图3，所提供的实施例1中，采用横截面为正六边形的六棱棒镜可生成正六边形光斑和实现蜂窝状阵列光束的拼接合成。参照图4、图5和图6，所提供的实施例2中，采用横截面为正方形的四棱棒镜可生成正方形光斑和实现方形阵列光束的拼接合成。参照图7、图8和图9，所提供的实施例3中，采用横截面为圆形的圆形棒镜可生成圆形光斑，实现圆形或圆环形阵列光束的拼接合成。
51.参照图12，以高斯光束为例介绍的棒镜设计过程：当要求棒镜的输出光束为高斯光束时，根据待输出单元光束的形状、尺寸对棒镜的结构参数进行设计，方法如下：
52.(1)设待输出的单元光束的光斑为圆形或正多边形，其直径(圆形棒镜对应直径)或内切圆(正多边形棒镜对应内切圆)直径为该单元光束的光斑直径或内切圆直径内激光能量占单元光束总能量的百分比为p；
53.(2)通过现有方法计算或者测量获知待拼接合成的单元光束的最大发散角全角a和能量占比为p的发散角全角b；
54.(3)确定棒镜第二段的直径或内切圆直径
55.(4)棒镜第一段的横截面为圆形，直径为d2，长度为l2，棒镜第一段的尺寸形状保证能够将棒镜稳定安装于基座即可。棒镜第一段主要用于将棒镜安装于基座上，因此主要考虑为基座支撑结构留出合理的尺寸即可，比如棒镜第一段直径d2比棒镜第二段d1小1mm，棒镜第一段长度l2为3～5mm。
56.(5)棒镜与光纤的输出端面的间距为l3，根据式f＝l1+l2+l3和式同时确定出棒镜焦距f及间距l3，其中β为发散角全角为b的光束进入棒镜后的光束发散角全角，可由式求得，n为棒镜材料在发射激光波段处的折射率；
57.(6)进一步地，为了使入射到棒镜的激光能够经过棒镜全部输出，要求满足其中α为发散角全角为a的光束进入棒镜后的光束发散角全角，可由式求得。
58.参照图1、图4、图7以及图13，本发明中的基座2由不锈钢或其它金属材料制成，基座外形及端帽安装孔数量和排列形式可根据用户实际需求进行设计，基座长度需确保棒镜的焦平面位于光纤或光纤端帽的输出端面处。基座外形及端帽安装孔数量和排列形式可根据用户实际需求进行设计。基座2主要用于为棒镜1和光纤定位件4提供安装支撑。基座第一端203设置有光纤定位件安装孔202，与基座第一端203相对的基座第二端204设置有棒镜安装孔201。棒镜安装孔201用于棒镜安装，棒镜第一段101安装到基座的棒镜安装孔201内；光纤定位件安装孔202用于安装光纤定位件4。棒镜和光纤定位件安装好之后，要求各棒镜的焦平面位于对应光纤的输出端面处或光纤端帽的熔点处。这样其实也是对基座2的要求，要求基座长度能够确保棒镜的焦平面位于光纤输出端面处。
59.光纤定位件4用于光纤或者光纤端帽的定位安装，如果单元光束是通过光纤直接输出，则光纤定位件的结构参照图14和图15所示。如果单元光束是通过光纤端帽输出，则光纤定位件的结构如图16和图17所示。下面予以分别介绍：
60.光纤直接输出时的光纤定位件的结构参照图14和图15所示，光纤定位件由转接件401和陶瓷插芯402组成，陶瓷插芯402套接在转接件401中，且陶瓷插芯402中设有供光纤3插入的穿插通孔。陶瓷插芯401采用商用成品器件，转接件401采用金属材料加工而成，各器件之间采用胶水粘接方式连接。陶瓷插芯402主要是易于光纤3固定，光纤3的输出端面应与陶瓷插芯的末端端面平齐；转接件主要用于光纤端面的三维定位，通过调节转接件在光纤定位件安装孔中与光轴垂直平面内的位置，可补偿机械误差带来的光轴倾斜偏差，通过调节转接件与陶瓷插芯的轴向位置，可使光纤端面精确定位于棒镜的焦平面上。
61.光纤端帽输出时的光纤定位件的结构如图16和图17所示，光纤定位件包括转接件401，转接件401中设有供光纤3末端的光纤端帽301插入的穿插通孔。光纤端帽301和光纤3均采用商用成品器件，转接件401采用金属材料加工而成，光纤端帽301与光纤3之间采用熔接方式连接，光纤端帽301与转接件401之间采用胶水粘接方式连接。
62.综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书界定的范围为准。