特种光纤、激光器及激光加工系统的制作方法

本发明涉及光学元器件，尤其涉及一种特种光纤、激光器及激光加工系统。

背景技术：

1、激光复合焊接技术为高质量精密焊接提供了一个可行的解决方向。通常的双光路复合激光焊接技术或者需要分光器件产生双光束，或者需要两个分立的激光器产生双光束，然后利用双主光路的复合焊接头将两个激光光束合成。

2、更简化的，也可基于合束器和光纤设计从而实现中心和环形输出的双波长复合光斑，可实现高品质的加工。中心区域由信号光作为光源，环形区域由半导体泵浦光作为光源。这种方案从横模角度观察，呈现中心加环形的复合光斑分布；从纵模观察，呈现双波长输出。在光斑能量分布上，可有效抑制焊接的飞溅。从波长利用角度看，泵浦光直接被利用，省去了激光的能量转化的过程，避免了量子亏损带来的能量效率的下降，在同等功率下具备更小的发热量。然而，这样的方案存在一些有待改进的方面：

3、（1）中心区域的光源，在以往的方案中采用的是直接谐振的方式进行激光输出。因此，为进一步提高复合光斑的中心区域的功率，要求由谐振腔产生同时满足高亮度和高功率的激光输出，难度较大。

4、（2）在现有的双波长复合光斑输出的方案中，环形区域的光源为半导体激光器。由于半导体激光器的亮度往往偏低，整机光路的环形发散角会进一步变大。这意味着激光输出后，外环光的传输过程中有加热空间光学器件的风险。

技术实现思路

1、本发明提供一种特种光纤、激光器及激光加工系统，用以解决现有技术中存在的缺陷。

2、本发明提供一种特种光纤，包括：纤芯以及依次环绕设置于所述纤芯外侧的第一二氧化硅层、角谱筛选层和波导层；

3、所述纤芯用于接入信号光；

4、所述波导层用于接入泵浦光；

5、所述角谱筛选层用于束缚所述泵浦光中不低于亮度阈值的第一泵浦成分，且允许低于所述亮度阈值的第二泵浦成分穿过所述角谱筛选层和所述第一二氧化硅层至所述纤芯，对所述纤芯中的所述信号光进行放大。

6、根据本发明提供的一种特种光纤，所述波导层包括第二二氧化硅层和外包层，所述第二二氧化硅层环绕设置于所述角谱筛选层外侧，所述外包层环绕设置于所述第二二氧化硅层外侧；

7、所述第二二氧化硅层的折射率高于所述外包层的折射率。

8、根据本发明提供的一种特种光纤，所述纤芯还用于输出放大得到的目标信号光，所述角谱筛选层还用于输出所述第一泵浦成分，所述目标信号光和所述泵浦成分形成复合光斑；

9、所述复合光斑的功率基于所述泵浦光的功率和所述信号光的功率进行调谐。

10、根据本发明提供的一种特种光纤，所述复合光斑包括中心区域和环形区域；

11、所述中心区域的功率基于所述信号光的功率、所述泵浦光的功率、所述第二泵浦成分的占比和发光效率确定；

12、所述环形区域的功率基于所述泵浦光的功率和所述第一泵浦成分的占比确定。

13、根据本发明提供的一种特种光纤，所述第一泵浦成分的占比基于所述泵浦光的能量谱密度和所述角谱筛选层的数值孔径确定；

14、所述第二泵浦成分的占比基于所述第一泵浦成分的占比确定，或基于所述泵浦光的能量谱密度和所述角谱筛选层的数值孔径确定。

15、根据本发明提供的一种特种光纤，所述中心区域的功率基于如下公式确定：

16、；

17、所述环形区域的功率基于如下公式确定：

18、；

19、其中，为所述中心区域的功率，为所述环形区域的功率，为所述泵浦光的能量谱密度， na为所述角谱筛选层的数值孔径，为发光效率，为所述泵浦光的功率，为所述信号光的功率，为所述第二泵浦成分的占比，为所述第一泵浦成分的占比。

20、根据本发明提供的一种特种光纤，所述外包层掺杂有氟离子或硼离子。

21、根据本发明提供的一种特种光纤，所述纤芯中掺杂有稀土离子。

22、根据本发明提供的一种特种光纤，所述角谱筛选层的折射率大于所述第一二氧化硅层的折射率。

23、根据本发明提供的一种特种光纤，所述角谱筛选层掺杂有锗离子。

24、本发明还提供一种激光器，包括泵浦光源、谐振腔、输出元件和如上述的特种光纤；

25、所述泵浦光源用于为所述特种光纤提供所述泵浦光；

26、所述谐振腔用于为所述特种光纤提供所述信号光；

27、所述输出元件用于传输所述特种光纤输出的复合激光。

28、根据本发明提供的一种激光器，所述输出元件为无源光纤；

29、所述无源光纤与所述特种光纤具有相同的折射率分布。

30、根据本发明提供的一种激光器，还包括合束元件，所述合束元件的输入端分别与所述泵浦光源的输出端和所述谐振腔的输出端连接；

31、所述合束元件用于将所述泵浦光和所述信号光进行合束，并将合束所得结果输入至所述特种光纤，以使所述信号光入射至所述特种光纤的纤芯，所述泵浦光入射至所述特种光纤的波导层或波导层与角谱筛选层。

32、本发明还提供一种激光加工系统，包括焊接头和如上述的激光器，所述焊接头与所述激光器中的输出元件相连接，用于将所述激光器输出的复合激光的复合光斑成像至待加工工件进行加工。

33、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

34、本发明提供的特种光纤、激光器及激光加工系统，特种光纤包括纤芯以及第一二氧化硅层、角谱筛选层和波导层等多包层结构，使该特种光纤可以实现mopa结构，可满足更高功率的复合输出，使输出的复合光斑的中心区域的光斑能量能够在信号光功率的基础上获得进一步地放大，可以提高复合光斑的中心区域的功率，降低对谐振腔输出的激光的要求。而且，由于环形区域可实现高亮度的光斑输出，可以避免整机光路的环形发散角的进一步变大，进而可以避免外环光传输过程中对空间光学器件的加热风险，降低对空间光路器件的损伤风险，不仅实现了mopa结构和复合光斑输出的结合，还降低了光路的复杂度。

技术特征：

1.一种特种光纤，其特征在于，包括：纤芯以及依次环绕设置于所述纤芯外侧的第一二氧化硅层、角谱筛选层和波导层；

2.根据权利要求1所述的特种光纤，其特征在于，所述波导层包括第二二氧化硅层和外包层，所述第二二氧化硅层环绕设置于所述角谱筛选层外侧，所述外包层环绕设置于所述第二二氧化硅层外侧；

3.根据权利要求1所述的特种光纤，其特征在于，所述纤芯还用于输出放大得到的目标信号光，所述角谱筛选层还用于输出所述第一泵浦成分，所述目标信号光和所述泵浦成分形成复合光斑；

4.根据权利要求3所述的特种光纤，其特征在于，所述复合光斑包括中心区域和环形区域；

5.根据权利要求4所述的特种光纤，其特征在于，所述第一泵浦成分的占比基于所述泵浦光的能量谱密度和所述角谱筛选层的数值孔径确定；

6.根据权利要求5所述的特种光纤，其特征在于，所述中心区域的功率基于如下公式确定：

7.根据权利要求2所述的特种光纤，其特征在于，所述外包层掺杂有氟离子或硼离子。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的特种光纤，其特征在于，所述纤芯中掺杂有稀土离子。

9.根据权利要求1-7中任一项所述的特种光纤，其特征在于，所述角谱筛选层的折射率大于所述第一二氧化硅层的折射率。

10.根据权利要求9所述的特种光纤，其特征在于，所述角谱筛选层掺杂有锗离子。

11.一种激光器，其特征在于，包括泵浦光源、谐振腔、输出元件和如权利要求1至10中任一项所述的特种光纤；

12.根据权利要求11所述的激光器，其特征在于，所述输出元件为无源光纤；

13.根据权利要求11所述的激光器，其特征在于，还包括合束元件，所述合束元件的输入端分别与所述泵浦光源的输出端和所述谐振腔的输出端连接；

14.一种激光加工系统，其特征在于，包括焊接头和如权利要求11-13中任一项所述的激光器，所述焊接头与所述激光器中的输出元件相连接，用于将所述激光器输出的复合激光的复合光斑成像至待加工工件进行加工。

技术总结
本发明涉及光学元器技术领域，提供一种特种光纤、激光器及激光加工系统，特种光纤包括纤芯以及第一二氧化硅层、角谱筛选层和波导层等多包层结构，使该特种光纤可以实现MOPA结构，可满足更高功率的复合输出，使输出的复合光斑的中心区域的光斑能量能够在信号光功率的基础上获得进一步地放大，可以提高复合光斑的中心区域的功率，降低对谐振腔输出的激光的要求。而且，由于环形区域可实现高亮度的光斑输出，可以避免整机光路的环形发散角的进一步变大，进而可以避免外环光传输过程中对空间光学器件的加热风险，降低对空间光路器件的损伤风险，不仅实现了MOPA结构和复合光斑输出的结合，还降低了光路的复杂度。

技术研发人员：蒋峰,请求不公布姓名,张显廷,张心贲,杨德权,雷剑
受保护的技术使用者：深圳市创鑫激光股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13