| 专利类型 | 发明公开 | 法律事件 | 实质审查; |
| 专利有效性 | 实质审查 | 当前状态 | 实质审查 |
| 申请号 | CN202510369929.X | 申请日 | 2025-03-27 |
| 公开(公告)号 | CN119882127A | 公开(公告)日 | 2025-04-25 |
| 申请人 | 山西创芯光电科技有限公司; | 申请人类型 | 企业 |
| 发明人 | 张紫辰; 代莹莹; 孟玉青; 杨敏; 韩学锋; 许震; 郭猛; | 第一发明人 | 张紫辰 |
| 权利人 | 山西创芯光电科技有限公司 | 权利人类型 | 企业 |
| 当前权利人 | 山西创芯光电科技有限公司 | 当前权利人类型 | 企业 |
| 省份 | 当前专利权人所在省份：山西省 | 城市 | 当前专利权人所在城市：山西省太原市 |
| 具体地址 | 当前专利权人所在详细地址：山西省太原市小店区南内环街16号二号厂房一层 | 邮编 | 当前专利权人邮编：030000 |
| 主IPC国际分类 | G02B6/02 | 所有IPC国际分类 | G02B6/02 ; G02B27/09 |
| 专利引用数量 | 0 | 专利被引用数量 | 0 |
| 专利权利要求数量 | 10 | 专利文献类型 | A |
| 专利代理机构 | 太原高欣科创专利代理事务所 | 专利代理人 | 孟肖阳; 冷锦超; |
| 摘要 | 本 发明 提供了一种 光子 晶体光纤及 激光器 光斑匀化装置，属于激光技术领域；解决了现有的激光器光斑匀化方法存在的技术难度大、结构不稳定、光传输损耗大等问题；本发明提出的光子晶体光纤包括纤芯和包覆纤芯的包层，纤芯位于光子晶体光纤的几何中心，包层内分布着三层空气孔，分别为外层空气孔、中间空气孔和内层空气孔，其中内层空气孔和外层空气孔均以纤芯为圆心呈圆形阵列均匀分布，内层空气孔分布于纤芯外围，外层空气孔远离纤芯分布，中间空气孔包括随机分布在内层空气孔和外层空气孔之间的大小不一、不规则排列的多个空气孔；本发明应用于激光器光斑匀化。 | ||
| 权利要求 | 1.一种光子晶体光纤，包括纤芯和包覆纤芯的包层，其特征在于：所述纤芯位于光子晶体光纤的几何中心，包层内分布着三层空气孔，分别为外层空气孔、中间空气孔和内层空气孔，其中内层空气孔和外层空气孔均以纤芯为圆心呈圆形阵列均匀分布，内层空气孔分布于纤芯外围，外层空气孔远离纤芯分布，中间空气孔包括随机分布在内层空气孔和外层空气孔之间的大小不一、不规则排列的多个空气孔。 |
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| 说明书全文 | 一种光子晶体光纤及激光器光斑匀化装置技术领域[0001] 本发明提供了一种光子晶体光纤及激光器光斑匀化装置，属于激光技术领域。 背景技术[0002] 半导体激光器又称激光二极管，是实际应用中最重要的一类激光器。半导体激光器具有体积小、重量轻、光电转换效率高、使用寿命长等优点，具有非常广泛的应用前景。当前实用化的半导体激光器，受限于其自身波导结构的限制，输出光束近似为带有像散的椭圆高斯光束，光强分布不均匀，尤其是半导体巴条、叠阵激光器，依靠增加发光单元数量来提高激光功率，势必会带来更大的光束不均匀性。在某些应用领域，如激光焊接、激光剥离、激光微细加工等，激光光束能量的不均匀分布，会引起局部温度过高从而影响激光与物质间的相互作用，同时，边缘部分能量过低又大大降低了能量的利用率。因此，需要将不均匀的光束整形成能量均匀分布的平顶光束，以改善激光应用效果。 [0003] 目前激光匀化整形技术可主要分为以下几类：非球面透镜法、衍射光学元件法、微透镜阵列法、万花筒法、光纤波导耦合法等。其中非球面透镜法、衍射光学元件法、微透镜阵列法是基于几何光学理论，对特定的入射光束设计透镜或透镜组合，具有适应性差、制作成本高、无法根据入射光束变化及时调整等缺陷。而针对光强分布不均匀，光束相干性差的高功率半导体激光器整形技术，目前主要采用万花筒法、光纤波导耦合等整形匀化方法，这些方法均是通过光束的分割和子束的叠加实现输出光能重新分布或者让光束在波导管内多次反射后使输出光能重新分布的。这些方法由于装调简易，设计灵活，价格低廉，目前在半导体光束匀化整形中得到很好的应用，然而其所带来的光学损耗一直是备受困扰的问题。 [0004] 而目前现有的一些技术方案也普遍存在各种不足，如专利CN201921555348.1提出了一种通过设置不同弯曲半径及周期的弯曲沟槽，使嵌在弯曲沟槽中的多模光纤弯曲半径及周期不同，从而改变激光在传输光纤中传输模式分布，进而改变多模光纤端面输出的激光光束模式，实现光斑匀化。该方法结构简单，技术水平低，但所要求的光纤弯折半径较小，当激光功率较大时很容易出现光纤因弯折半径过小而造成的烧毁。专利CN202211715232.6提出了一种通过设置弯曲段以增大激光的传播路径，利用激光在光纤内的相干性匀化激光的装置，此外，通过设置振动装置来驱动弯曲段振动，使光子经过多次相互叠加反射在短时间内重新经过不同的路径，利用激光的相干性和叠加实现更均匀的输出。该方法采用振动装置提高激光的匀化效果，克服了光纤半径弯折过小的问题，但振动装置的引入对激光器整体的出光稳定性又带来了极大影响。 [0005] 传统的采用光纤耦合实现半导体激光器光斑匀化的方法虽然结构简易，价格低廉，但普通光纤在匀光过程中的激光能量损耗较大，同时，使用普通光纤产生非常平坦的顶部能量的前提是需要光纤具有很小的盘绕直径，通常需要小于4cm，但如此小的盘绕直径不满足光纤的长期可靠性要求，当激光功率较大时，光纤多次的小半径弯折盘绕容易引起光纤烧毁，对其应用造成极大影响。 [0006] 光子晶体光纤作为二十世纪的一种新型产品，得益于其独特良好的光学特性，目前在光通信、光传感、集成电路等领域已经得到了广泛的应用。与传统光纤波导耦合匀化方法相比，光子晶体光纤不仅具备传统光纤的所有优点，还克服了传统光纤传输损耗大、单模波长范围窄等问题，在降低光纤损耗和实现高非线性方面也具有很大的优势。因此，将光子晶体光纤代替传统光纤应用于半导体激光器光束整形匀化领域，将显著提升现有匀化方法的不足，带来更好的匀化效果。 发明内容[0007] 为了解决现有的激光器光斑匀化方法存在的技术难度大、结构不稳定、光传输损耗大等问题，本发明提出了一种光子晶体光纤及激光器光斑匀化装置。 [0008] 本发明采用的技术方案为：一种光子晶体光纤，包括纤芯和包覆纤芯的包层，所述纤芯位于光子晶体光纤的几何中心，包层内分布着三层空气孔，分别为外层空气孔、中间空气孔和内层空气孔，其中内层空气孔和外层空气孔均以纤芯为圆心呈圆形阵列均匀分布，内层空气孔分布于纤芯外围，外层空气孔远离纤芯分布，中间空气孔包括随机分布在内层空气孔和外层空气孔之间的大小不一、不规则排列的多个空气孔。 [0009] 进一步地，外层空气孔的直径大于内层空气孔的直径。 [0010] 进一步地，纤芯采用折射率大于空气折射率的材料制作。 [0011] 进一步地，外层空气孔、中间空气孔和内层空气孔中的每个空气孔均为圆形。 [0013] 进一步地，还包括匀化盒，盘绕的光子晶体光纤固定在匀化盒内。 [0014] 更进一步地，匀化盒内设置有凹槽，将盘绕好的光子晶体光纤放入匀化盒的凹槽内。 [0015] 更进一步地，盘绕好的光子晶体光纤通过透明且固化后具有弹性的光学胶水固定。 [0016] 进一步地，光子晶体光纤的盘绕直径为5‑8cm。 [0017] 进一步地，激光器采用半导体激光器、固体激光器、气体激光器、液体激光器、光纤激光器、自由电子激光器中的任意一种。 [0019] （2）本发明通过光子晶体光纤内部大小不均匀、不规则排列的空气孔结构，进一步提高了光子在光纤内部传播过程中的不规则性，增强了激光在光纤内部的反射折射以及相干性，从而提升光斑的匀化效果。 [0020] （3）匀化盒的设计不仅提升了结构的稳定性，减少了光学损耗，还增强了光纤之间的串扰，进一步提升了光斑匀化效果。 [0022] 下面结合附图对本发明做进一步说明：图1为本发明光子晶体光纤的结构示意图； 图2为本发明匀化装置的结构示意图； 图3为本发明匀化盒的结构示意图； 图中：1为光子晶体光纤、2为半导体激光器、3为耦合接口、4为光纤出光端口、5为匀化盒、11为纤芯、12为包层、13为空气孔。 具体实施方式[0023] 如图1至图3所示，本实施例提供了一种光子晶体光纤1，如图1所示，本发明提出的光子晶体光纤1为非对称结构，包括纤芯11和包层12，纤芯11设置在整个光子晶体光纤1的几何中心处，包层12用于包覆纤芯11。纤芯11一般由石英或其他材料掺杂组成。包层12内分布着大小不一且非均匀非对称的空气孔13。具体的，在纤芯11的外围呈圆形阵列均匀分布着一圈内层空气孔，在远离纤芯11的外围呈圆形阵列均匀分布着一圈外层空气孔，在内层空气孔和外层空气孔之间随机分布着大小不一、不规则排列的中间空气孔，且外层空气孔的直径大于内层空气孔的直径。纤芯11采用折射率大于空气折射率的材料。 [0024] 本发明的光子晶体光纤1的直径与普通光纤尺寸基本相同，纤芯11的直径为9um，包层12的直径为125um。 [0025] 由于空气孔13的加入，包层12与纤芯11相比具有更小的等效折射率，根据全内反射条件可知，相比于普通光纤，光子晶体光纤1可以大大提升光纤内部发生全反射光子的比例，进而有效减少光子外溢带来的光学损耗。 [0026] 由于纤芯11的折射率大于空气的折射率，根据全内反射临界角公式sinC=n2/n1，其中C为发生全内反射的临界角，n1为密度较大的纤芯11的折射率，n2为空气的折射率。因此光子晶体光纤1中空气孔13的引入可以进一步提高纤芯11内外折射率的差值，当激光耦合进入纤芯11后，将使得更多的光子被束缚在光子晶体光纤1内部，从而减少光学损耗。 [0027] 基于上述光子晶体光纤1，本发明还提出了一种激光器光斑匀化装置，主要用于半导体激光器2的匀化，包括光子晶体光纤1和半导体激光器2，光子晶体光纤1的一端通过耦合接口3与半导体激光器2相连，光子晶体光纤1的另一端连接光纤出光端口4，半导体激光器2产生的光耦合进入经过盘绕的光子晶体光纤1，根据光的折射反射以及相干性原理，最终实现光斑的匀化。 [0028] 实际应用中光子晶体光纤1将被弯折成一定角度的环形结构，光在弯曲的结构中传输时方向将被打乱，利用光在光子晶体光纤1内部的折射反射及相干性，即可实现光的匀化，而不规则空气孔13的排列方式，将进一步提高光在光子晶体光纤1内部传输的不规则性，从而进一步提高光的匀化效果。相比于传统光纤，本发明提出的不规则空气孔13排列的光子晶体光纤1可以在更大盘绕半径、更短传输距离上实现更可观的匀化效果。具体操作时，光子晶体光纤1的盘绕直径可控制在5‑8cm，盘绕圈数可根据实际匀化效果自行调整。 [0029] 如图2和3所示，在实际使用时，需要将光子晶体光纤1盘绕并固定在匀化盒5内，保证半导体激光器2在工作时的稳定性。匀化盒5内设置有凹槽，具体应用时，将盘绕好的光子晶体光纤1放入匀化盒5的凹槽内，并在凹槽内注入适量透明且固化后具有弹性的光学胶水。匀化盒5的作用是固定盘绕的光子晶体光纤1，防止光子晶体光纤1在使用过程中由于包层12之间的摩擦等造成的光纤损耗，同时固定盘绕的光子晶体光纤1也可进一步提升激光传输过程中的稳定性。光学胶水的使用增加了光子晶体光纤1之间的串扰，可以提升光子利用率，进而提升光斑匀化效果。匀化盒5采用黑色盒子，并在注入光学胶水后使用盖子进行密封。 [0030] 本发明的装置也可应用于半导体单管、多管等各类型激光器，此外，对固体激光器、气体激光器、液体激光器、光纤激光器等非半导体激光器也同样适用；耦合进光子晶体光纤1的光经多次反射，在光纤出射面得到了能量分布均匀的光斑，匀化效果较其它匀化方法有很大提升；空气孔13的存在使得光在传输过程中大部分光子因全内反射保留在了光子晶体光纤1内部，传输损耗更低；匀化盒5的设计进一步减少了光学损耗，提升了光斑匀化效果。 [0031] 本发明提出的光子晶体光纤1及基于该光子晶体光纤1的激光器光斑匀化装置，是在光纤波导耦合理论基础上，采用光子晶体光纤1代替普通光纤，并设置了大尺寸半径的光纤盘绕结构，使用了黑色密封且灌注弹性光学胶水的匀化盒5，与其它方法相比，不仅改善了光斑匀化效果，提高了激光器的稳定性，还减少了激光在传输过程中的能量损耗，进而提高了激光器整体的传输效率。 [0032] 最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。 |
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