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制造技术

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

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术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，本专利技术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。为了实现本专利技术的目的，本专利技术采用以下技术方案：本专利技术的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，用于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：ncore＝ns·sqrt(1+2delta·(r/a)2)其中，ncore为纤芯区域的折射率分布，ns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-ns2)/2/ns2，其中，n2为纤芯区域折射率最大值。所述的纤芯区域下凹最低点的折射率值ns，根据设计的光纤结构尺寸进行仿真计算，直到出现平顶光束时，得到纤芯区域下凹最低点的折射率值ns的确定值。进一步的，纤芯的下凹型折射率结构分布中，纤芯区域下凹最低点的折射率值ns>包层的折射率。进一步的，以纤芯在极坐标下的径向变量r为自变量，通过改变r的值，求得纤芯区域任意半径位置对应的折射率分布ncore，从而控制纤芯呈现下凹型折射率结构分布。所述的纤芯材料选用掺杂高折射率材料的石英(SiO2)，纤芯的下凹型折射率结构分布，通过改变石英中高折射率材料的掺杂浓度实现。其中，纤芯和包层分界处的掺杂率最高，随着折射率降低，其高折射率材料的掺杂浓度降低。所述的高折射率材料为以Sellmeier方程描述的折射率大于SiO2折射率的材料，本专利技术的高折射率材料优选为GeO2材料。所述的包层选用的材料为纯石英(SiO2)，或掺杂低折射率材料的石英(SiO2)，所述的低折射率材料为以Sellmeier方程描述的折射率小于SiO2折射率的材料，低折射率材料优选为F材料。所述的纤芯材料选用掺杂高折射率材料的石英(SiO2)，进一步的，所述的纤芯选用石英(SiO2)掺杂GeO2材料，其纤芯区域的折射率分布ncore取值范围为1.45～1.46，纤芯区域下凹最低点的折射率值ns取值范围为1.45～1.4575，包层选用的材料为石英(SiO2)，其折射率n1，通过Sellmeier公式计算得到n1＝1.444。进一步的，用于将高斯光束整形为平顶光束的下凹型折射率光纤，其光纤纤芯直径优选为10μm～80μm。进一步的，用于将高斯光束整形为平顶光束的下凹型折射率光纤，其包层直径优选为50μm～125μm。进一步的，当纤芯区域的折射率分布在1.45～1.46，当光纤纤芯直径为10μm～80μm，其随着光纤纤芯直径的增加，通过将高斯光束整形的平顶光束的平顶面积从20μm2增加到366μm2。进一步的，当光纤纤芯直径为10μm～80μm，随着光纤纤芯直径的增加，用于将高斯光束整形为平顶光束的下凹型折射率光纤的有效模场面积从114μm2增加到3400μm2。本专利技术的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，与现有技术相比，其优点在于：本专利技术所述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，通过对光纤纤芯的折射率进行合理设计，纤芯折射率的分布由原始的均匀阶跃分布改变为下凹型分布，使得从激光器输出的基模高斯光束通过该光纤纤芯内传输后，光强分布变得均匀，实现平顶光束输出。与传统匀化整形的方法相比，能够直接和激光器连接，实现将高斯光束整形为平顶光束，并无需配合任何整形元件，具有制作简单，使用方便，成本低，光束匀化和整形效果好，可调节，能够降低光强等优势。通过对纤芯进行高折射率掺杂，利用有限元方法分析其基本特性，得到三维模场分布以及光束传输方向平顶区域面积，并对提出结构的有效模场面积、损耗等参数进行仿真计算，分析得到，区别于常规阶跃结构，提出的下凹型结构的有效模场面积随波长的增加逐渐减小。对于损耗，虽然总体水平大于常规阶跃型光纤，但损耗值仍低于0.1dB/km，且不作为通信光纤进行长距离传输，故可忽略不本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于将高斯光束整形为平顶光束的下凹型折射率光纤，其特征在于，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，其包括纤芯和包层，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：/nn

【技术特征摘要】
1.一种用于将高斯光束整形为平顶光束的下凹型折射率光纤，其特征在于，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，其包括纤芯和包层，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：
ncore＝ns·sqrt(1+2delta·(r/a)2)
其中，ncore为纤芯区域的折射率分布，ns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-ns2)2/ns2，其中，n2为纤芯区域折射率最大值。


2.根据权利要求1所述的用于将高斯光束整形为平顶光束的下凹型折射率光纤，其特征在于，所述的纤芯区域下凹最低点的折射率值ns，根据设计的光纤结构尺寸进行仿真计算，直到出现平顶光束时，得到纤芯区域下凹最低点的折射率值ns的确定值。


3.根据权利要求1所述的用于将高斯光束整形为平顶光束的下凹型折射率光纤，其特征在于，纤芯的下凹型折射率结构分布中，纤芯区域下凹最低点的折射率值ns>包层的折射率。


4.根据权利要求1所述的用于将高斯光束整形为平顶光束的下凹型折射率光纤，其特征在于，以纤芯在极坐标下的径向变量r为自变量，通过改变r的值，求得纤芯区域任意半径位置对应的折射率分布ncore，从而控制纤芯呈现下凹型折射率结构分布。


5.根据权利要求1所述的用于将高斯光束整形为平顶光束的下凹型折射率光纤，其特征在于，所述的纤芯选用的材料为掺杂高折射率材料的石英，纤芯的下凹型折射率结构分布，通过改变石英中高折射率材料的掺杂浓度实现；其中，纤芯和包层分界处的...

【专利技术属性】
技术研发人员：程同蕾，张继伟，汪国瑞，张函，李曙光，闫欣，王方，张学楠，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21