大功率激光光纤耦合技术
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第 24 卷第 5 期 应 用 激 光 Vol. 24 ,No. 5
Ξ 2004 年 10 月 A P PL I ED L AS ER October 2004
大功率激光光纤耦合技术研究 3
光纤传输大功率激光为激光材料加工开辟了一 个新天地 。大功率激光与光纤传输系统的组合提高 了激光加工的自动化和柔性 ,目前正逐步成为激光 加工用激光器的主流装备 。而光纤传输系统的目标 总是希望光纤能够传输更多的激光功率 。影响整个 系统传 输 效 率 的 主 要 因 素 是 激 光 与 光 纤 的 耦 合 损 失 ,为了使我国的激光加工和大功率激光传输科学 走向更高层次 ,大功率激光光纤耦合技术的研究是 很有必要的 。 在大功率激光光纤耦合技术研究中 ,为了提高 耦合系统的耦合效率 ,主要应从以下五个方面着手 进行研究 。
中 ,若传输激光的功率达到千瓦量级 ,一般都选用石
英包层石英光纤 。
用于传输大功率激光的石英包层石英光纤的芯 径一般从 300μm 到 1500μm 不等 。具体选用多大芯
径的光纤需由激光的光束质量来决定 。激光光束质
量可用下式来表示[1 ] :
B PP =
θ · dlaser laser 4
(1)
式中为光束参数乘积 , dlaser为激光束腰位置处
的光斑直径 ,θlaser 为激光光束远场发散角 ( 全角) 。
激光的光束质量越好 ,选用的光纤芯径就可以越小 。
德国 ROF IN - SINAR 公司的大功率激光器的光纤
芯径与激光光束质量的匹配关系如下表所示 。从该
表中可以发现光束质量和光纤芯径是成比的 。
横向误差 d ,聚焦光束光轴与光纤光轴的角度误差
θ。
(1) 轴向误差 d
轴向误差是指光束与光纤未同轴引起的误差 ,
设激光光束光轴与Leabharlann Baidu纤光轴的横向偏移误差为 d ,
R 为光纤芯径 , w 为激光焦斑半径 。经计算可得到 横向偏移误差 d 与耦合效率的关系式如下[7 ] :
ηd = 1 -
w 2 (α- sinα·cosα) - R2 (θ- sinθ·cosθ) πw 2
ܱՍ
大功率激光 光纤 耦合 耦合效率
Research on f iber optic coupl ing f or the high - power laser beam Li Yu , Zhang Kuohai , Li Qiang , Zuo Tiechuan
( College of L aser Engi neeri ng , Beiji ng U niversity of Technology , Beiji ng , 100022) Abstract Six main research aspects are intruducted. That include : selecting optical fiber and fiber - end surface preparation , coupling conditions , selecting lens , influence of lens’aberrations , accuracy of beam and fiber , t hermal lens. Key words high - power laser optical fiber coupling coupling efficiency
ܻඏაܻ༸ാሙႄఏ֥ᯒੱིކ༯ࢆ
用于大功率激光传输系统的光纤的芯径为 0. 4
- 1. 0mm ,因此在设计耦合器时保证激光束精确与
光纤精确对准是非常重要的 ,如果激光束与光纤的
机械对准误差较大 ,必将产生激光的辐射损耗 。激
光与光纤的对准误差包括聚焦光斑与光纤端面位置
的纵向间距误差 s ,聚焦光束的光轴与光纤光轴的
角 。取θc = 0. 22 rad ,可得纵向间距对耦合效率的曲
线 ,如图 2 。
(3) 角度误差 Q
以上的五个方面是笔者在大功率激光光纤耦合 技术研究中总结得出的经验和心得 ,另外 ,在激光光 纤耦合器的机械设计方面要本着稳定 、可靠的原则 , 以设计出可实际应用的产品化激光光纤耦合器 。
ܻ༸֥࿊ᄴაܻ༸؊૫ԩ
大功率激光光纤耦合技术的研究 ,光纤的选择 是首要问题 。一般来说传能光纤主要分为两种 :塑 料包 层 石 英 光 纤 ( PCS) 和 石 英 包 层 石 英 光 纤 ( HCS) 。两者相比塑料包层石英光纤的损伤阈值较 低 ,可传输功率较小 ,但数值孔径可以做得比较大 , 通常可以达到 0. 37 左右 ,主要用在激光手术 、光动 力学治疗 、光谱测量 、照明 、传感器等较小功率能量 传输领域中 。石英包层石英光纤的损伤阈值较高 , 可传输功率较大 ,但其数值孔径不能做得很大 ,一般 只有 0. 2 左右 。在大功率激光光纤耦合技术应用
Scheme 1. laser beam quality vs. diameter of fibers
激光器型号 固体激光
激光光束质量 (mm mrad)
12
光纤芯径 (μm) 300 400
25
600
光纤选定后 ,需要对光纤进行端面的处理 。这 样做有两个好处 ,一是提高光纤端面的损伤阈值 ,二 是提高光纤的透光率 。光学元件的表面损伤阈值只
2 、单个聚焦镜 只用一个聚焦透镜来完成激光光纤耦合 ,虽然 同样聚焦透镜的聚焦性能相比“伽利略望远镜 + 聚 焦镜”组合的聚焦性能会有所下降 ,但是仅有最少的 两个面 ,使得系统的传输效率大大提高 。而聚焦性 能的下降可以通过改变透镜的焦距来弥补 。
ࣤཞҵ֥႕ཙ
光学设计中 ,光学系统的像差包括色差 、球差 、 彗差 、畸变 、像散和场曲 。但对于激光光纤耦合系 统 ,通常只需考虑透镜的球差即可 。若单透镜的孔 径不大时 ,初级球差和实际球差非常接近 ,高级球差 很小 ,只需考虑光学系统的初级球差即可[6 ] 。 不同的透镜外形对光学系统球差的影响也是不 同的 。一般来说 ,聚焦透镜有 4 种外形 ,分别为 :双 凸型 、平凸型 、弯月型和非球面型 。四种透镜的像差 对比关系为 :双凸型 > 平凸型 > 弯月型 > 非球面消 像差型 。减小或消除透镜的球差 ,可以改善耦合系 统的聚焦性能 ,还能减弱激光在整个传输系统中光 束质量的劣化 。考虑到激光光纤耦合的要求和制作 成本 ,通常选择弯月型聚焦透镜 。 聚焦透镜的放置位置对其球差亦有影响 。平凸 透镜在凸面进光 ,平面出光时的球差相比平面进光 、 凸面出光时的球差要小 。正弯月透镜也遵从类似的 规律 。
有角度误差 Q 。对于阶跃型光纤角度误差 Q 引起
的损耗可以用 D. Marcuse 推导的公式来表示 [7 ] :
ηθ = exp ( - (πnλ2 wθ) 2)
(7)
式中 w 为激光束的束腰半径 , n2 为光纤的包
层折射率 。图 3 所示为角度误差θ对耦合效率的影
响曲线 。
Fig 1 coupling efficiency vs. transverse error (d)
1999. p64 [ 4 ]陈吉星. 激光光纤能量传输研究. 硕士学位论文 , 1992 [ 5 ] E·赫克特《, 光学》,人民教育出版社 ,1979. p297 [ 6 ]张以谟.《应用光学》上册 , 机械工业出版社 , 1982 , p175 [7 ]杨祥 林 等 ,《光 纤 传 输 系 统》, 东 南 大 学 出 版 社 , 1991.
p141
— 278 —
(4)
当 w =
2 3
d
时 ,ΔwW
= 1 %。式中
w
为光纤端面
处激光束宽 。因此 ,光纤端面处激光光斑直径不大
于光纤纤芯直径 2/ 3 是较为合适的 。
ऊࢊࣤቆ֥ކ࿊ᄴ
从激光光学变换的角度来说 ,透镜的组合有无 穷多种 ,但是在激光光纤耦合系统中 ,透镜组合主要 有以下两种 : 1 “、伽利略望远镜 + 聚焦镜”组合 使用望远镜是为先将光束进行准直 、扩束 ,这样 做可以使光束更好地聚焦 。此处特别指出使用伽利 略望远镜是因为它没有内部焦点 ,否则激光束在那 一点聚焦产生的很高的激光功率密度会使周围空气 电离[5 ] 。但是透镜数量的增加也使得激光在透镜传 输时的损失增大 。按每一个面损失 2 %能量计算 , 望远镜系统的 4 个面会损失掉 8 %左右的能量 ,这使 得系统的传输效率下降 ,而且增加了透镜组冷却的 负担 。如果系统对聚焦的要求非常高而对能量传输 效率的要求不高 ,在不损伤器件的情况下 ,还是可以 使用这种组合的 。
Ξ 北京市教委科技发展计划资助项目 。项目编号 P27050001
— 276 —
有体损伤阈值的
1 2
～
1 [2] 100
,光纤的端面和内部的
损伤阈值也基本满足这个关系 ,这使得光纤的损坏
易发生在光纤端面处 。所以为了提高光纤端面的损
伤阈值 ,必须要对光纤端面进行抛光 、镀增透膜的处
理。
ܻܻࠗ༸ᯒࡱ่ކ
(5)
— 277 —
式中 ,θ= arcsin
d2
+ R2 2·d·R
w2
,α =
arcsin (
R w
·sinθ)
。
取 R = 0. 3mm ,w = 0. 2mm ,可得横向偏移对耦合效
率的曲线 ,如图 1 。
当激光束的光轴与光纤的中心轴并不在一条直
线上 ,而是存在一个夹角时 ,称为激光与光纤之间具
向误差 。我们假设聚焦激光光斑半径与光纤芯径是
相等的 ,耦合进光纤的光功率与光纤和光斑的重叠
面积成正比 ,则光纤耦合效率就等于光纤纤芯的面
积与激光光斑面积之比 。计算可以得到激光光斑与 光纤端面的纵向偏移对耦合效率影响为[7 ] :
ηs
=
Sf So
=
( w
+
w
s·ta
nθc
)
2
(6)
式中 w 为激光焦斑半径 ,θc 为光纤的临界入射
ࢲં
简要讨论了大功率激光光纤耦合技术研究的主 要研究方向 ,从原理上和工艺上提出了提高激光光 纤耦合器耦合效率的方法 。
ҕॉ໓ང
[ 1 ] Th. Beck et al , O ptics and L asers Engi neeri ng , 2000 , vol. 34 : 255
[ 2 ]孙承伟.《激光辐照效应》, 国防工业出版社 , 2002. p264 [3 ] 吕 百 达. 《强 激 光 的 传 输 与 控 制》, 国 防 工 业 出 版 社 ,
李 钰 张阔海 李 强 左铁钏
(北京工业大学激光工程研究院 , 北京 100022)
ิေ 简要介绍了大功率激光光纤耦合技术的六个主要的研究方向 。包括 :光纤的选择与光纤端面处理 、激光光纤耦合
条件 、聚焦透镜组合的选择 、透镜像差的影响 、光束与光纤失准引起的耦合效率下降以及透镜的热透镜效应 。
激光和光纤的耦合必须满足以下条件 ,如下式 :
w < d/ 2
(2)
θ< 2N . A.
(3)
式中 w 为光纤端面处激光光斑半径 ,d 为光纤
芯直径 θ, 为激光聚焦后的发散角 (全角) ,N . A. 为光
纤的数值孔径 。
一般情况下 ,激光束在通过理想无衍射 、无像差 光学系统时 ,光束参数乘积是一个不变量[3 ] ,一味地
Fig 3 coupling efficiency vs. obliquitous error (θ)
Fig 2 coupling efficiency vs. upright error (s)
(2) 纵向误差 s
纵向偏移误差是指激光的束腰不在光纤的端面
上 ,而是与光纤端面有一定的距离 ,这个距离就是纵
追求小的聚焦光斑只能使光束的发散角变大 ,所以
在激光 聚 焦 时 应 将 光 斑 半 径 和 光 束 发 散 角 统 一 考
虑 ,务必使两者都能满足耦合条件 。
对于大功率激光光纤耦合技术研究来讲 ,所用
的光纤都是传能用大芯径多模光纤 ,激光能量在光 纤端面的相对衍射损耗为[4 ] :
ΔwW = e - 2 ( d/ N) 2
Ξ 2004 年 10 月 A P PL I ED L AS ER October 2004
大功率激光光纤耦合技术研究 3
光纤传输大功率激光为激光材料加工开辟了一 个新天地 。大功率激光与光纤传输系统的组合提高 了激光加工的自动化和柔性 ,目前正逐步成为激光 加工用激光器的主流装备 。而光纤传输系统的目标 总是希望光纤能够传输更多的激光功率 。影响整个 系统传 输 效 率 的 主 要 因 素 是 激 光 与 光 纤 的 耦 合 损 失 ,为了使我国的激光加工和大功率激光传输科学 走向更高层次 ,大功率激光光纤耦合技术的研究是 很有必要的 。 在大功率激光光纤耦合技术研究中 ,为了提高 耦合系统的耦合效率 ,主要应从以下五个方面着手 进行研究 。
中 ,若传输激光的功率达到千瓦量级 ,一般都选用石
英包层石英光纤 。
用于传输大功率激光的石英包层石英光纤的芯 径一般从 300μm 到 1500μm 不等 。具体选用多大芯
径的光纤需由激光的光束质量来决定 。激光光束质
量可用下式来表示[1 ] :
B PP =
θ · dlaser laser 4
(1)
式中为光束参数乘积 , dlaser为激光束腰位置处
的光斑直径 ,θlaser 为激光光束远场发散角 ( 全角) 。
激光的光束质量越好 ,选用的光纤芯径就可以越小 。
德国 ROF IN - SINAR 公司的大功率激光器的光纤
芯径与激光光束质量的匹配关系如下表所示 。从该
表中可以发现光束质量和光纤芯径是成比的 。
横向误差 d ,聚焦光束光轴与光纤光轴的角度误差
θ。
(1) 轴向误差 d
轴向误差是指光束与光纤未同轴引起的误差 ,
设激光光束光轴与Leabharlann Baidu纤光轴的横向偏移误差为 d ,
R 为光纤芯径 , w 为激光焦斑半径 。经计算可得到 横向偏移误差 d 与耦合效率的关系式如下[7 ] :
ηd = 1 -
w 2 (α- sinα·cosα) - R2 (θ- sinθ·cosθ) πw 2
ܱՍ
大功率激光 光纤 耦合 耦合效率
Research on f iber optic coupl ing f or the high - power laser beam Li Yu , Zhang Kuohai , Li Qiang , Zuo Tiechuan
( College of L aser Engi neeri ng , Beiji ng U niversity of Technology , Beiji ng , 100022) Abstract Six main research aspects are intruducted. That include : selecting optical fiber and fiber - end surface preparation , coupling conditions , selecting lens , influence of lens’aberrations , accuracy of beam and fiber , t hermal lens. Key words high - power laser optical fiber coupling coupling efficiency
ܻඏაܻ༸ാሙႄఏ֥ᯒੱིކ༯ࢆ
用于大功率激光传输系统的光纤的芯径为 0. 4
- 1. 0mm ,因此在设计耦合器时保证激光束精确与
光纤精确对准是非常重要的 ,如果激光束与光纤的
机械对准误差较大 ,必将产生激光的辐射损耗 。激
光与光纤的对准误差包括聚焦光斑与光纤端面位置
的纵向间距误差 s ,聚焦光束的光轴与光纤光轴的
角 。取θc = 0. 22 rad ,可得纵向间距对耦合效率的曲
线 ,如图 2 。
(3) 角度误差 Q
以上的五个方面是笔者在大功率激光光纤耦合 技术研究中总结得出的经验和心得 ,另外 ,在激光光 纤耦合器的机械设计方面要本着稳定 、可靠的原则 , 以设计出可实际应用的产品化激光光纤耦合器 。
ܻ༸֥࿊ᄴაܻ༸؊૫ԩ
大功率激光光纤耦合技术的研究 ,光纤的选择 是首要问题 。一般来说传能光纤主要分为两种 :塑 料包 层 石 英 光 纤 ( PCS) 和 石 英 包 层 石 英 光 纤 ( HCS) 。两者相比塑料包层石英光纤的损伤阈值较 低 ,可传输功率较小 ,但数值孔径可以做得比较大 , 通常可以达到 0. 37 左右 ,主要用在激光手术 、光动 力学治疗 、光谱测量 、照明 、传感器等较小功率能量 传输领域中 。石英包层石英光纤的损伤阈值较高 , 可传输功率较大 ,但其数值孔径不能做得很大 ,一般 只有 0. 2 左右 。在大功率激光光纤耦合技术应用
Scheme 1. laser beam quality vs. diameter of fibers
激光器型号 固体激光
激光光束质量 (mm mrad)
12
光纤芯径 (μm) 300 400
25
600
光纤选定后 ,需要对光纤进行端面的处理 。这 样做有两个好处 ,一是提高光纤端面的损伤阈值 ,二 是提高光纤的透光率 。光学元件的表面损伤阈值只
2 、单个聚焦镜 只用一个聚焦透镜来完成激光光纤耦合 ,虽然 同样聚焦透镜的聚焦性能相比“伽利略望远镜 + 聚 焦镜”组合的聚焦性能会有所下降 ,但是仅有最少的 两个面 ,使得系统的传输效率大大提高 。而聚焦性 能的下降可以通过改变透镜的焦距来弥补 。
ࣤཞҵ֥႕ཙ
光学设计中 ,光学系统的像差包括色差 、球差 、 彗差 、畸变 、像散和场曲 。但对于激光光纤耦合系 统 ,通常只需考虑透镜的球差即可 。若单透镜的孔 径不大时 ,初级球差和实际球差非常接近 ,高级球差 很小 ,只需考虑光学系统的初级球差即可[6 ] 。 不同的透镜外形对光学系统球差的影响也是不 同的 。一般来说 ,聚焦透镜有 4 种外形 ,分别为 :双 凸型 、平凸型 、弯月型和非球面型 。四种透镜的像差 对比关系为 :双凸型 > 平凸型 > 弯月型 > 非球面消 像差型 。减小或消除透镜的球差 ,可以改善耦合系 统的聚焦性能 ,还能减弱激光在整个传输系统中光 束质量的劣化 。考虑到激光光纤耦合的要求和制作 成本 ,通常选择弯月型聚焦透镜 。 聚焦透镜的放置位置对其球差亦有影响 。平凸 透镜在凸面进光 ,平面出光时的球差相比平面进光 、 凸面出光时的球差要小 。正弯月透镜也遵从类似的 规律 。
有角度误差 Q 。对于阶跃型光纤角度误差 Q 引起
的损耗可以用 D. Marcuse 推导的公式来表示 [7 ] :
ηθ = exp ( - (πnλ2 wθ) 2)
(7)
式中 w 为激光束的束腰半径 , n2 为光纤的包
层折射率 。图 3 所示为角度误差θ对耦合效率的影
响曲线 。
Fig 1 coupling efficiency vs. transverse error (d)
1999. p64 [ 4 ]陈吉星. 激光光纤能量传输研究. 硕士学位论文 , 1992 [ 5 ] E·赫克特《, 光学》,人民教育出版社 ,1979. p297 [ 6 ]张以谟.《应用光学》上册 , 机械工业出版社 , 1982 , p175 [7 ]杨祥 林 等 ,《光 纤 传 输 系 统》, 东 南 大 学 出 版 社 , 1991.
p141
— 278 —
(4)
当 w =
2 3
d
时 ,ΔwW
= 1 %。式中
w
为光纤端面
处激光束宽 。因此 ,光纤端面处激光光斑直径不大
于光纤纤芯直径 2/ 3 是较为合适的 。
ऊࢊࣤቆ֥ކ࿊ᄴ
从激光光学变换的角度来说 ,透镜的组合有无 穷多种 ,但是在激光光纤耦合系统中 ,透镜组合主要 有以下两种 : 1 “、伽利略望远镜 + 聚焦镜”组合 使用望远镜是为先将光束进行准直 、扩束 ,这样 做可以使光束更好地聚焦 。此处特别指出使用伽利 略望远镜是因为它没有内部焦点 ,否则激光束在那 一点聚焦产生的很高的激光功率密度会使周围空气 电离[5 ] 。但是透镜数量的增加也使得激光在透镜传 输时的损失增大 。按每一个面损失 2 %能量计算 , 望远镜系统的 4 个面会损失掉 8 %左右的能量 ,这使 得系统的传输效率下降 ,而且增加了透镜组冷却的 负担 。如果系统对聚焦的要求非常高而对能量传输 效率的要求不高 ,在不损伤器件的情况下 ,还是可以 使用这种组合的 。
Ξ 北京市教委科技发展计划资助项目 。项目编号 P27050001
— 276 —
有体损伤阈值的
1 2
～
1 [2] 100
,光纤的端面和内部的
损伤阈值也基本满足这个关系 ,这使得光纤的损坏
易发生在光纤端面处 。所以为了提高光纤端面的损
伤阈值 ,必须要对光纤端面进行抛光 、镀增透膜的处
理。
ܻܻࠗ༸ᯒࡱ่ކ
(5)
— 277 —
式中 ,θ= arcsin
d2
+ R2 2·d·R
w2
,α =
arcsin (
R w
·sinθ)
。
取 R = 0. 3mm ,w = 0. 2mm ,可得横向偏移对耦合效
率的曲线 ,如图 1 。
当激光束的光轴与光纤的中心轴并不在一条直
线上 ,而是存在一个夹角时 ,称为激光与光纤之间具
向误差 。我们假设聚焦激光光斑半径与光纤芯径是
相等的 ,耦合进光纤的光功率与光纤和光斑的重叠
面积成正比 ,则光纤耦合效率就等于光纤纤芯的面
积与激光光斑面积之比 。计算可以得到激光光斑与 光纤端面的纵向偏移对耦合效率影响为[7 ] :
ηs
=
Sf So
=
( w
+
w
s·ta
nθc
)
2
(6)
式中 w 为激光焦斑半径 ,θc 为光纤的临界入射
ࢲં
简要讨论了大功率激光光纤耦合技术研究的主 要研究方向 ,从原理上和工艺上提出了提高激光光 纤耦合器耦合效率的方法 。
ҕॉ໓ང
[ 1 ] Th. Beck et al , O ptics and L asers Engi neeri ng , 2000 , vol. 34 : 255
[ 2 ]孙承伟.《激光辐照效应》, 国防工业出版社 , 2002. p264 [3 ] 吕 百 达. 《强 激 光 的 传 输 与 控 制》, 国 防 工 业 出 版 社 ,
李 钰 张阔海 李 强 左铁钏
(北京工业大学激光工程研究院 , 北京 100022)
ิေ 简要介绍了大功率激光光纤耦合技术的六个主要的研究方向 。包括 :光纤的选择与光纤端面处理 、激光光纤耦合
条件 、聚焦透镜组合的选择 、透镜像差的影响 、光束与光纤失准引起的耦合效率下降以及透镜的热透镜效应 。
激光和光纤的耦合必须满足以下条件 ,如下式 :
w < d/ 2
(2)
θ< 2N . A.
(3)
式中 w 为光纤端面处激光光斑半径 ,d 为光纤
芯直径 θ, 为激光聚焦后的发散角 (全角) ,N . A. 为光
纤的数值孔径 。
一般情况下 ,激光束在通过理想无衍射 、无像差 光学系统时 ,光束参数乘积是一个不变量[3 ] ,一味地
Fig 3 coupling efficiency vs. obliquitous error (θ)
Fig 2 coupling efficiency vs. upright error (s)
(2) 纵向误差 s
纵向偏移误差是指激光的束腰不在光纤的端面
上 ,而是与光纤端面有一定的距离 ,这个距离就是纵
追求小的聚焦光斑只能使光束的发散角变大 ,所以
在激光 聚 焦 时 应 将 光 斑 半 径 和 光 束 发 散 角 统 一 考
虑 ,务必使两者都能满足耦合条件 。
对于大功率激光光纤耦合技术研究来讲 ,所用
的光纤都是传能用大芯径多模光纤 ,激光能量在光 纤端面的相对衍射损耗为[4 ] :
ΔwW = e - 2 ( d/ N) 2