[發(fā)明專(zhuān)利]高功率光纖激光器用光閘中透鏡參數(shù)設(shè)計(jì)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010165451.6
• 申請(qǐng)日: 2020-03-11
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111308699B
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-08-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 孔慶慶;鄧世煒;沈華;朱日宏;卞殷旭;韓志剛
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 南京理工大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G02B27/00
• 分類(lèi)號(hào): G02B27/00
• 代理公司: 南京理工大學(xué)專(zhuān)利中心 32203
• 代理人: 朱沉雁

1.一種高功率光纖激光器用光閘中透鏡參數(shù)設(shè)計(jì)方法，光纖激光器用光閘中光閘耦合系統(tǒng)包括準(zhǔn)直鏡和聚焦鏡；準(zhǔn)直鏡和聚焦鏡均選用平凸透鏡，且選擇熱膨脹系數(shù)低，以及對(duì)紅外光吸收系數(shù)小的熔石英材料，其特征在于，具體步驟如下：

步驟1、確定準(zhǔn)直鏡的幾何模型，為準(zhǔn)直鏡的幾何模型各部分添加相應(yīng)的物理場(chǎng)構(gòu)成物理模型，并將物理模型建模參數(shù)表添加到物理模型相應(yīng)位置，獲得可優(yōu)化準(zhǔn)直鏡參數(shù)的仿真模型，即準(zhǔn)直鏡的水冷仿真模型；

其中，建立關(guān)于準(zhǔn)直鏡的幾何模型和物理模型，幾何模型包括準(zhǔn)直鏡、水循環(huán)體、光線凍結(jié)面，水循環(huán)體兩端開(kāi)口，一端為入水口，另一端為出水口，水循環(huán)體環(huán)繞準(zhǔn)直鏡的圓周外壁面設(shè)置，兩端端面不接觸形成缺口，光線凍結(jié)面位于準(zhǔn)直鏡的后方，光線凍結(jié)面與準(zhǔn)直鏡的平面同側(cè)且平行；

將物理場(chǎng)添加到幾何模型中去，添加的物理場(chǎng)包括幾何光學(xué)模塊、流體流動(dòng)中的層流模塊、傳熱模塊、幾何光學(xué)模塊與傳熱模塊耦合的射線熱源多物理場(chǎng)、以及層流模塊與傳熱模塊耦合的非等溫流動(dòng)多物理場(chǎng)，構(gòu)成物理模型，將表1物理模型建模參數(shù)表中參數(shù)添加到物理模型相應(yīng)位置，獲得準(zhǔn)直鏡的水冷仿真模型，即透鏡的水冷仿真模型；

表1 物理模型建模參數(shù)表

步驟2、根據(jù)準(zhǔn)直鏡的水冷仿真模型優(yōu)化出準(zhǔn)直鏡的最優(yōu)參數(shù)，包括準(zhǔn)直鏡最優(yōu)焦距、準(zhǔn)直鏡最優(yōu)口徑、準(zhǔn)直鏡最優(yōu)曲率半徑、準(zhǔn)直鏡最優(yōu)邊緣厚度，具體如下：

將準(zhǔn)直鏡焦距f^c以30-50mm中的任意值為初值，間隔為5mm進(jìn)行參數(shù)化掃描，直到準(zhǔn)直鏡表面最高溫度在一個(gè)可承受溫度以下為止，其中每一個(gè)焦距的值對(duì)應(yīng)該焦距下準(zhǔn)優(yōu)化準(zhǔn)直鏡，其中邊緣厚度并非最優(yōu)，使得準(zhǔn)直鏡表面最高溫度在準(zhǔn)直鏡可承受溫度Tp之下，且準(zhǔn)直鏡焦距f^c最大，此時(shí)的準(zhǔn)直鏡焦距f^c為準(zhǔn)直鏡最優(yōu)焦距，記為f1^c，將物理模型建模參數(shù)表中準(zhǔn)直鏡焦距f^c表達(dá)式的數(shù)值改為f1^c的數(shù)值，準(zhǔn)直鏡其他相關(guān)參數(shù)在物理模型建模參數(shù)表中獲得，準(zhǔn)直鏡最優(yōu)焦距記為f1^c、準(zhǔn)直鏡最優(yōu)口徑記為D1^c、準(zhǔn)直鏡最優(yōu)曲率半徑記為R1^c、準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)優(yōu)邊緣厚度記為

在準(zhǔn)直鏡最優(yōu)焦距記為f1^c的條件下，參數(shù)化掃描準(zhǔn)直鏡邊緣厚度為初值，間隔為0.2mm，分別向準(zhǔn)直鏡邊緣厚度增大和減小兩個(gè)方向掃描，準(zhǔn)直鏡表面溫度最低時(shí)得到準(zhǔn)直鏡最優(yōu)邊緣厚度

步驟3、根據(jù)準(zhǔn)直鏡的最優(yōu)參數(shù)，優(yōu)化出聚焦鏡的最優(yōu)參數(shù)，包括聚焦鏡最優(yōu)焦距，聚焦鏡最優(yōu)口徑、聚焦鏡最優(yōu)曲率半徑，聚焦鏡最優(yōu)邊緣厚度，具體如下：

聚焦鏡設(shè)計(jì)需要滿足光閘內(nèi)光耦合條件：1)聚焦鏡輸出光斑直徑小于輸出光纖纖芯直徑；2)聚焦鏡會(huì)聚角小于輸出光纖接收角；

設(shè)聚焦鏡焦距為f^f、聚焦鏡曲率半徑為R^f；

聚焦鏡最優(yōu)口徑與準(zhǔn)直鏡最優(yōu)口徑相同，記為D1^c；

聚焦鏡最優(yōu)邊緣厚度與準(zhǔn)直鏡最優(yōu)邊緣厚度相等，記為

定義輸入光斑經(jīng)準(zhǔn)直鏡聚焦鏡作用后的輸出光斑直徑記為D_L-out，需滿足D_L-out＜D_out，D_out為輸出光纖纖芯直徑，輸入光斑直徑即光閘輸入光纖纖芯直徑D_in，經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直鏡聚焦鏡作用，存在一個(gè)放大倍數(shù)M，使得輸入光斑經(jīng)準(zhǔn)直鏡聚焦鏡作用后的輸出光斑直徑D_L-out＝MD_in；

聚焦鏡最優(yōu)焦距為M·f1^c；根據(jù)公式R^f＝(n₀-1)f^f得，聚焦鏡最優(yōu)曲率半徑為(n₀-1)M·f1^c，n₀為透鏡材料熔石英的實(shí)部常溫折射率，f^c為準(zhǔn)直鏡焦距，f1^c為準(zhǔn)直鏡最優(yōu)焦距；

步驟4、根據(jù)準(zhǔn)直鏡的水冷仿真模型獲得水流速及水溫的仿真結(jié)果，進(jìn)而確定冷卻參數(shù)，冷卻參數(shù)包括水循環(huán)體入口溫度T_w和水循環(huán)體流速F_w，具體如下：

水冷機(jī)水體溫度即水循環(huán)體入口溫度T_w，控制在15-25℃；

取水循環(huán)體流速F_w為∞無(wú)窮大的曲線上方相差1℃的流速，記為水循環(huán)體最小流速F_wmin，在使用時(shí)需滿足F_w≥F_wmin。