[发明专利]一种环形激光输出器件

说明书

本发明公开了一种环形激光输出器件，包括封装壳、填充物、输入光纤和输出光纤，输入光纤与输出光纤匹配相连并设置于封装壳内，且填充物对封装壳与输入光纤、输出光纤之间的区域进行填充；输出光纤包括输出纤芯、输出内包层和输出外包层，输出内包层、输出外包层依次套设于输出纤芯外围，输出光纤拉锥端与输入光纤一端耦合熔接，输出内包层的折射率大于输出纤芯以及输出外包层的折射率。本发明通过输入光纤与双包层结构的输出光纤配合耦接方式，输出内包层的折射率大于输出纤芯以及输出外包层的折射率，使该器件采用全光纤耦合结构输出没有中心能量的环形光束，并且实现了高能实心光束向环形光束的高效转化。

技术领域

本发明涉及激光器件领域，特别是一种环形激光输出器件。

背景技术

随着500～6000W国产光纤激光器的成熟，光纤激光器已经成为目前国内工业激光切割机使用的主流激光器。但采用传统光束激光进行切割时，若切割板厚度较大，则容易造成割缝前沿中下部局部过热，从而导致切割缺陷，使切割端面的平整度较差。为了解决传统光束激光在切割过程中所存在的问题，目前多选用环形光束，由于环形光斑中心能量密度较低，不仅能够提高对薄板的切割速度，而且在对厚板的切割时可以使切割端面更加细腻，粗糙度更低，呈现出较好的端面平整度，能够提升高能光纤激光器的综合切割能力。但如需进一步提高环形光束对不同厚度板材的切割适应性，就需要环形光束能够进行可控性的变化调节。

现如今实现可变化的环形光束方法主要分为两种：一种方案采用透镜组实现光束变化，以专利号为CN108931855的发明方案为例，其装置包括聚焦透镜、管状反射器和准直透镜，该结构能够实现环形光束内径和外径的任意变化，但采用空间光学结构进行激光光束整形，对器件之间的配合精度要求很高，不利于装置的工业集成化，且机械结构稳定性较差，大规模工业应用方面具有很大的局限性。另一方案则是利用特殊的光波导结构进行光束整形，以专利号CN210465873U为例，其采用输入光纤与输出光纤熔接后拉锥匹配的结构来实现点环形光斑的输出；这种传输结构稳定可靠，但不能避免输出光斑中心能量的存在，集中的中心能量光斑的存在使得激光在切割厚板过程中，在切割断面上产生波浪纹，造成粗糙度增加、切割质量下降的问题。故需要提供一种新的环形激光输出装置用于解决现有技术中所存在的上述问题。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种环形激光输出器件，用于解决现有技术中基于全光纤耦合结构的光纤所产生的环形光束存在中心能量，使激光的切割断面处平整度较差的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种环形激光输出器件，包括封装壳、填充物、输入光纤和输出光纤，输入光纤与输出光纤匹配相连并设置于封装壳内，且填充物对封装壳与输入光纤、输出光纤之间的区域进行填充；输入光纤包括输入纤芯和输入包层，输入包层套设于输入纤芯外围，且输入纤芯的折射率大于输入包层的折射率；输出光纤包括输出纤芯、输出内包层和输出外包层，输出内包层、输出外包层依次套设于输出纤芯外围，输出光纤一端为拉锥结构并与输入光纤一端耦合熔接，输出内包层的折射率大于输出纤芯的折射率并且大于输出外包层的折射率。

优选的，输入纤芯的数值孔径记为NA1，并满足0.03≤NA1≤1；输入纤芯的半径记为r1，并满足0r1≤25μm；输入包层的半径记为R1，并满足52.5≤R1≤200μm。

优选的，输出内包层与输出外包层形成的数值孔径记为NA2，输出纤芯与输出内包层形成的数值孔径记为NA3，并满足0.03≤NA2≤1，NA2≤NA3；拉锥后输出光纤锥区的径向长度记为L，且5mm≤L≤500mm。

优选的，输出纤芯的半径记为r2，并满足0r2≤100μm，输出纤芯的半径与环形激光输出器件所产生环形光束的中央暗斑尺寸相匹配；输出内包层的截面厚度记为T2，并满足r1≤T2≤200μm，输出内包层的截面厚度与环形激光输出器件所产生环形光束的宽度相匹配；输出外包层的外侧半径记为R2，并满足r2+T2≤R2≤500μm。