大功率光纤激光光闸高效率耦合技术

论文摘要

随着光电子技术的发展,光纤激光器的输出功率不断攀升,目前最高可达到单纤万瓦级的输出功率。光纤激光器在工业加工中已有着广泛的应用,输出功率的不断提高也为激光加工提供了更多可能。大功率输出的光纤激光器价格较为昂贵,实际应用条件下,一台光纤激光器会作为多个加工设备的光源。光闸是光纤激光器光束传输系统的关键部件之一,其采用透镜耦合的方式,将单一光纤输出的激光耦合到不同的光纤中输出,实现激光能量的分时复用,提高大功率激光器利用效率。在光闸系统中,如何保证激光高效耦合是光闸研究中的难点问题。大功率激光通过光闸内部耦合进不同输出光纤,耦合效率的下降不仅会引起输出功率的降低,还会导致大量激光能量泄漏到光闸内部,损毁器件。光纤纤芯面积较小,将激光高效耦合进纤芯,需使光纤端面处的光束参数满足耦合条件,同时又要保证光纤与光束的相对位置精确适配,从而有效控制耦合误差。如何设计数值孔径、焦斑特性符合高效耦合要求的光路系统,以及在线使用过程中,光闸内部结构封闭的情况下,采用何种方法实时监控耦合误差,从而有效提高耦合效率,是光闸研究中的重点问题。根据激光的传输理论和光纤耦合理论,提出了光闸分时复用光学系统的设计方案。针对经过光学系统变换后光束参数求解问题,利用高斯光束传播特点,结合几何光学理论,对光束经光学系统的变换进行分析,提出了透镜焦距比M。研究焦距比M对耦合光束参数的影响,为耦合光束参数及透镜参数的计算提供了便捷的方法。最终基于上述光路分析,设计出焦距比M=1,可高效耦合输出的耦合光学系统。为了合理控制耦合误差,对耦合光纤端面附近高斯光束的场强分布进行仿真,研究不同耦合误差对耦合效率的影响。根据耦合效率随不同耦合误差的变化规律,设计三维调整结构,用于调整耦合误差。针对光闸应用中耦合效率的实时控制问题,研究输出光纤产生后向光波的机理,得出了后向光波的强度与耦合误差之间的关系规律。从而提出了利用输出光纤端面处的后向散射光的强度来实时控制耦合误差的方法。组建光闸实验装置并进行实验。实验所用输入光纤型号为LMA-GDF-20/400-M,采用MM-S50/120/360-22FA型号光纤做为输出光纤,准直和聚焦光学系统焦距皆为50mm。通过调整机构引入耦合误差,测量耦合效率与不同耦合误差的关系,与仿真结果一致。设计后向散射光测量实验,通过测量散射光强随耦合误差变化曲线,证明了利用监测散射光强控制耦合误差方法的可行性。利用监测散射光的方法调整耦合系统,在最高输入激光功率为1009W时,耦合效率达到了95.1%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 国内外研究现状
•   1.3 本文研究内容
• 2 大功率光闸耦合光学系统设计
•   2.1 激光与光纤耦合的基本理论
•     2.1.1 光纤基本结构
•     2.1.2 光纤分类
•     2.1.3 激光与光纤耦合过程的数学模型
•   2.2 激光光闸光学系统设计
•     2.2.1 分时复用光学系统设计
•     2.2.2 透镜对光束的变换
•     2.2.3 光纤端面抗损伤处理
•     2.2.4 包层光剥离技术
•     2.2.5 光学系统整体设计
•   2.3 本章总结
• 3 耦合误差对高斯光束耦合效率的影响
•   3.1 耦合误差对高斯光束耦合效率影响规律研究
•     3.1.1 径向误差
•     3.1.2 轴向误差
•     3.1.3 角度误差
•   3.2 耦合端面处的光束分布仿真
•   3.3 不同耦合误差对耦合效率影响的仿真分析
•     3.3.1 角度误差对耦合效率影响
•     3.3.2 径向误差对耦合效率影响
•     3.3.3 轴向误差对耦合效率影响
•   3.4 精密耦合调整机构设计
•   3.5 本章总结
• 4 光纤端面后向散射光波与耦合误差之间的规律研究
•   4.1 后向光波产生机理
•   4.2 随机粗糙散射表面模型
•   4.3 后向光波强度与耦合误差关系
•   4.4 耦合误差的控制方法
•   4.5 本章小结
• 5 光闸实验装置的组建和实验
•   5.1 实验的设计
•     5.1.1 实验光路设计
•     5.1.2 实验装置及器件
•   5.2 实验过程及数据分析
•   5.3 本章小结
• 6 总结
• 致谢
• 参考文献
• 附录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 任大良

导师: 朱日宏,沈华

关键词: 大功率,光纤激光器,光闸,高斯光束,耦合效率

来源: 南京理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 南京理工大学

分类号: TN248

DOI: 10.27241/d.cnki.gnjgu.2019.000236

总页数: 67

文件大小: 2778K

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