[發明專利]通過多階梯光纖改變光束參數積的光學攪拌器及方法

在審

• 申請號: 202210252000.5
• 申請日: 2022-03-15
• 公開（公告）號: CN114603251A
• 公開（公告）日: 2022-06-10
• 發明（設計）人: 鐘晨;鄭家容;洪春權;劉懷亮
• 申請（專利權）人: 廣東國志激光技術有限公司
• 主分類號: B23K26/06
• 分類號: B23K26/06;B23K26/073;B23K26/00;G02B27/09
• 代理公司: 北京華際知識產權代理有限公司 11676
• 代理人: 劉靜

本發明公開一種通過多階梯光纖改變光束參數積的光學攪拌器及方法，包括：光源、第一多階梯折射率分布光纖、傳輸光波導以及第二多階梯折射率分布光纖；其中，第一多階梯折射率分布光纖的長度為激光束在第一多階梯折射率分布光纖內重復光線軌跡最小距離的四分之一，或，重復光線軌跡最小距離的四分之一的奇數整數倍。通過第一多階梯折射率分布光纖對激光束進行第一次折射，傳輸光波導對激光束傳導后形成旋轉對稱分布的激光束，第二多階梯折射率分布光纖對激光束進行第二次折射，從而實現對激光束的光束參量積進行改變，無需增加復雜機加件結構，制作方法簡單，體積小，結構緊湊，穩定性好，可以兼容現有的光纖激光加工系統。

技術領域

本發明涉及光纖激光領域技術，尤其是指一種通過多階梯光纖改變光束參數積的光學攪拌器及方法。

背景技術

光纖激光器是目前工業應用主流激光器，其優勢在于光纖柔軟可彎曲，可以做到小型輕量化，不易受外界環境影響，穩定性高，可通過泵源的串聯或并聯設計，實現單腔高功率輸出，在工業加工、材料處理、國防科研等領域具有廣泛的應用前景。工業應用主要包括激光切割、焊接、打標、清洗、熔覆等。過去用于鈑金切割的設備主要是CO2激光等，隨著技術發展，光纖激光器逐步擠占固體激光器和氣體激光器的市場，成為鈑金加工市場最大激光器品種。光纖激光器在切割薄板方面優勢明顯，但是對于30mm以上的厚板材，困難顯著。首先，由于加工用的激光光斑直徑普遍較小，通過透鏡匯聚后焦距深度有限。在切割此類板材時，盡管能夠維持切深內較高的激光功率密度，但由于光束直徑較小，切縫較細，不利于切割排渣。其次，由于切割速度降低使得切割區域熱量損失增加。另外，對加工不同厚度和不同材質的板材，需要變更加工頭內部鏡頭的垂直位置，改變焦平面的位置，因此對一臺加工設備，需要了解詳細的參數配置信息，對人員經驗依賴性較高。

為了提高厚板加工效率，需要在不使用長焦透鏡的情況下延長焦點的焦深，以減少切割區域的崩邊、熔邊，提升切割質量。激光功率和激光光束參量積是加工工藝兩個重要參數。激光光束的光束參量乘積(BPP)定義為光束半徑(束腰處)與半發散角(遠場)的乘積。常用來表征激光光束的光束質量。對特定切割，通過改變光斑尺寸或光束發散角實現對激光光束參量積的調整。市面上調制光斑的方法主要有兩種，第一種是通過復合加工頭將兩臺不同光斑的激光進行組合，該方法需要額外增加光學元器件和復雜機加件，成本較高，且由于光學元器件容易受振動影響，降低系統穩定性。第二種是通過對激光器中的光纖進行彎折，改變光纖中光波模式，實現對光斑的調整，但彎折光纖可能導致光纖性能下降，降低激光器穩定性。

發明內容

有鑒于此，本發明針對現有技術存在之缺失，其主要目的是提供一種通過多階梯光纖改變光束參數積的光學攪拌器及方法，其具有穩定性好，可以兼容現有的光纖激光加工系統的優點。

為實現上述目的，本發明采用如下之技術方案：一種通過多階梯光纖改變光束參數積的光學攪拌器，其特征在于：包括：光源、第一多階梯折射率分布光纖、傳輸光波導以及第二多階梯折射率分布光纖；

所述光源位于所述第一多階梯折射率分布光纖的側旁，所述傳輸光波導的一端連接所述第一多階梯折射率分布光纖背離所述光源的一端；所述第二多階梯折射率分布光纖的一端連接所述傳輸光波導的另一端；

所述激光束沿所述第一多階梯折射率分布光纖的軸向傳播，光線軌跡上各點與光軸的垂直距離周期性變化，以形成第一重復光線軌跡；所述激光束沿所述第二多階梯折射率分布光纖的軸向傳播，光線軌跡上各點與光軸的垂直距離周期性變化，以形成第二重復光線軌跡；

其中，所述第一多階梯折射率分布光纖的長度為所述激光束在所述第一多階梯折射率分布光纖內重復光線軌跡最小距離的四分之一，或，重復光線軌跡最小距離的四分之一的奇數整數倍；

所述第二多階梯折射率分布光纖的長度為所述激光束在所述第二多階梯折射率分布光纖內重復光線軌跡最小距離的四分之一，或，重復光線軌跡最小距離的四分之一的奇數整數倍。