光纤端帽及光纤激光器

技术领域

本发明涉及激光器技术领域，具体而言，涉及一种光纤端帽及光纤激光器。

背景技术

高功率光纤激光器以其高效率、高稳定性、高光束质量、高寿命、易于向高功率扩展等优点，在工业加工、医疗、国防等技术领域有着广泛的应用前景。由于高功率光纤激光器通常采用双包层光纤技术，其纤芯一般较小，因此高功率光纤激光器的输出端的功率密度很高，细小的端面污染或者加工缺陷都会引起光纤的端面损伤。

为了降低光纤输出端的功率密度，目前最常用的解决办法是在光纤激光器的传能光纤的端面上熔接光纤端帽。目前，光纤端帽的设计特点是采用折射率均匀的光学玻璃（例如融石英等）作为基底材料，光束在光纤端帽内自由传输并在光纤端帽的出光侧直接出射。然而，当光纤端帽在工业加工、装备制造等领域内应用时，通常会要求输出的光束为准直光束、聚焦光束或者发散光束。为获得准直光束、聚焦光束或者是发散光束，传统的方式是在光纤端帽的输出端额外设置透镜组，从而使得光束经过该透镜组实现准直、聚焦或发散的效果，这样，势必将造成光纤端帽的整体体积的增大，使得光学系统较为复杂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光纤端帽及光纤激光器，其通过在端帽本体内设置离子掺杂区，能够改变端帽本体的折射率，进而使得光束通过端帽本体后能够输出特定光学特性的光束。

本发明的实施例是这样实现的：

本发明的一方面，提供一种光纤端帽，该光纤端帽包括端帽本体和位于端帽本体内的离子掺杂区，端帽本体的入光侧用于与光纤激光器的传能光纤的输出端熔接；自传能光纤出射的光束进入端帽本体内，能够通过离子掺杂区改变光束的传输路径。

可选地，沿第一方向离子掺杂区的浓度呈抛物线状分布，第一方向与光路传输方向垂直。

可选地，沿光路传输方向离子掺杂区的浓度呈线性分布。

可选地，离子掺杂区的浓度在垂直于光路传输的平面内，自离子掺杂区的外周向离子掺杂区的中心逐渐降低；离子掺杂区的浓度沿光路传输方向逐渐降低。

可选地，离子掺杂区的浓度在垂直于光路传输的平面内，自离子掺杂区的外周向离子掺杂区的中心逐渐升高；离子掺杂区的浓度沿光路传输方向逐渐降低。

可选地，离子掺杂区的浓度在垂直于光路传输的平面内，自离子掺杂区的外周向离子掺杂区的中心逐渐降低；离子掺杂区的浓度沿光路传输方向逐渐升高。

可选地，离子掺杂区的浓度在垂直于光路传输的平面内，自离子掺杂区的外周向离子掺杂区的中心逐渐升高；离子掺杂区的浓度沿光路传输方向逐渐升高。

可选地，离子掺杂区包括沿光路传输方向并排分布的第一离子掺杂区和第二离子掺杂区，第一离子掺杂区的离子掺杂浓度分布与第二离子掺杂区的离子掺杂浓度分布不同。

可选地，离子掺杂区内的掺杂离子为氧化锗、五氧化二磷和四氟化硅中的任意一种。

可选地，离子掺杂区沿垂直于光路传输方向的长度大于或等于光束在离子掺杂区内传输时的最大口径。

可选地，端帽本体包括呈一体设置的圆台段和圆柱段，圆台段和圆柱段沿光路传输方向并排设置，圆台段远离圆柱段的一端用于与传能光纤的输出端熔接。

本发明的另一方面，提供一种光纤激光器，该光纤激光器包括上述的光纤端帽。

本发明的有益效果包括：

本申请提供的光纤端帽，包括端帽本体和位于端帽本体内的离子掺杂区，端帽本体的入光侧用于与光纤激光器的传能光纤的输出端熔接；自传能光纤出射的光束进入端帽本体内，能够通过离子掺杂区改变光束的传输路径。这样，在使用时，若在光束通过光纤端帽后需要得到准直的光束、汇聚的光束或者是发散的光束，则可以根据所需的光束的特性调整离子掺杂区内的离子浓度的分布。这样，光束通过端帽本体内的离子掺杂区后能够对光束进行准直出射（或汇聚出射，或者发散出射）。本申请通过在端帽本体内设置特定浓度分布的离子掺杂区，如此，相对于现有技术采用额外设置的透镜组以实现光束准直（或汇聚或发散）而言，能够简化光纤端帽的结构，且能够缩小光纤端帽的整体体积，降低加工制造等成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的光纤端帽出射准直光束时的光路示意图；

图2a为图1中离子掺杂区的离子掺杂浓度的分布曲线图之一；

图2b为图1中离子掺杂区的离子掺杂浓度的分布曲线图之二；

图3a为本发明实施例提供的透镜的示意图之一；

图3b为本发明实施例提供的透镜的示意图之二；

图4为本发明实施例提供的光纤端帽出射汇聚光束时的光路示意图；

图5a为图4中离子掺杂区的离子掺杂浓度的分布曲线图之一；

图5b为图4中离子掺杂区的离子掺杂浓度的分布曲线图之二；

图6为本发明实施例提供的光纤端帽出射发散光束时的光路示意图；

图7a为图6中离子掺杂区的离子掺杂浓度的分布曲线图之一；

图7b为图6中离子掺杂区的离子掺杂浓度的分布曲线图之二；

图8为本发明实施例提供的光纤端帽包括第一离子掺杂区和第二离子掺杂区时的结构示意图。

图标：10-端帽本体；11-离子掺杂区；111-第一离子掺杂区；112-第二离子掺杂区；12-圆台段；13-圆柱段；a-第一方向；d-最大口径；

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参照图1、图4和图6，本实施例提供一种光纤端帽，该光纤端帽包括端帽本体10和位于端帽本体10内的离子掺杂区11，端帽本体10的入光侧用于与光纤激光器的传能光纤20的输出端熔接；自传能光纤20出射的光束进入端帽本体10内，能够通过离子掺杂区11改变光束的传输路径。

其中，传能光纤20的一端和端帽本体10的入光侧连接、另一端在使用时通常连接有激光器。激光器输出的激光通过光纤传输至光纤端帽，从而通过光纤端帽降低自光纤输出的激光束的功率密度。传统的光纤端帽不具有准直、汇聚或者发散的功能，若需使得光束自光纤端帽输出后能够获得准直光束、发散光束或者聚焦光束，则需要额外设置光学元件，结构较为复杂，且会使得光纤端帽的体积增大。

在本实施例中，激光器输出的光束经传能光纤20传输至光纤端帽，设于光纤端帽内的离子掺杂区11改变端帽本体的折射率，从而使得进入光纤端帽的端帽本体10后的光束相比于未设置离子掺杂区11而言，传输路径发生改变。如图1所示，图1中的虚线光束为不设置离子掺杂区11时对应的光束的传输路径，图1中的实线光束为设置离子掺杂区11时对应的光束的传输路径。未设置离子掺杂区11时，自传能光纤20输出的光束在端帽本体10内传输时传输方向不会发生改变；设置离子掺杂区11后，自传能光纤20输出的光束在端帽本体10内传输时通过离子掺杂区11，光束传输路径会发生改变。即，本申请通过设置离子掺杂区11使得端帽本体10内的部分区域或全部区域的折射率发生改变，能够实现对光束传输的调控。

需要说明的是，本申请对离子掺杂区11在端帽本体10内的设置位置和设置区域大小不做限定。例如，离子掺杂区11可以设置于端帽本体10的整个区域内（图未示），也可以是位于端帽本体10的部分区域内（如图1所示）。当离子掺杂区11位于端帽本体10的部分区域内时，其可以是位于端帽本体10靠近传能光纤20的一侧（即如图1所示方位的端帽本体10的左侧），也可以是位于端帽本体10远离传能光纤20的一侧（即如图1所示方位的端帽本体10的右侧），还可以是位于端帽本体10的中间区域（即如图1所示方位的端帽本体10的中间位置）。

示例地，端帽本体10的材料可以为石英或与石英折射率相近的光学玻璃。一般地，传能光纤20的材质也为石英或与石英折射率相近的光学玻璃，石英材料制成的端帽本体10对光束的反射少，可降低光能损耗。本申请的离子掺杂区11，是通过对端帽本体10的至少部分区域进行离子掺杂获得的。对端帽本体10进行离子掺杂后能够使得端帽本体10的折射率发生改变。

可选地，离子掺杂区11内的掺杂离子可以为氧化锗、五氧化二磷和四氟化硅中的任意一种。

需要说明的是，在本实施例中，通过对端帽本体10进行离子掺杂以形成离子掺杂区11，该离子掺杂区11具有透镜的功能，即该离子掺杂区11能够起到透镜的作用。为此，则该离子掺杂区11的光程应该等于透镜的光程。

本申请通过对端帽本体10进行离子掺杂，以调控离子掺杂浓度的方式实现端帽本体10内的折射率分布的调控，其中，端帽本体10内折射率应该满足以下公式：

其中，

透镜的光程OPD的表达式如下：

其中，

离子掺杂区11的光程可表示为：

其中，

当透镜的光程OPD与离子掺杂区11的光程相等时，该离子掺杂区11便可以实现透镜的功能，则有：

为了便于说明离子掺杂区11的掺杂浓度的分布情况，假设相关参数满足以下假设：

则有：

这样，则对公式（4）进行化简之后，可以得到：

为了便于说明离子掺杂区11的掺杂浓度的分布情况，假设离子掺杂区11的折射率沿z方向呈线性分布，即有：

则可以得到：

这样，则可以得到离子掺杂区11的折射率的变化量的分布Δ

需要说明的是，本申请提供的上述公式（6）和公式（7）仅为示例，不应该看做是对本申请的限制。例如当离子掺杂区11的掺杂长度和透镜的顶点厚度若不相等时，则通过本申请提供的以上获取离子掺杂区11的离子掺杂浓度的分布以及离子掺杂区11的折射率的变化量的方式则对应会有所变化。

综上所述，本申请提供的光纤端帽，包括端帽本体10和位于端帽本体10内的离子掺杂区11，端帽本体10的入光侧用于与光纤激光器的传能光纤20的输出端熔接；自传能光纤20出射的光束进入端帽本体10内，能够通过离子掺杂区11改变光束的传输路径。这样，在使用时，若在光束通过光纤端帽后需要得到准直的光束、汇聚的光束或者是发散的光束，则可以根据所需的光束的特性调整离子掺杂区11内的离子浓度的分布。这样，光束通过端帽本体10内的离子掺杂区11后能够对光束进行准直出射（或汇聚出射，或者发散出射）。本申请通过在端帽本体10内设置特定浓度分布的离子掺杂区11，如此，相对于现有技术采用额外设置的透镜组以实现光束准直（或汇聚或发散）而言，能够简化光纤端帽的结构，且能够缩小光纤端帽的整体体积，降低加工制造等成本。

在本实施例中，请参照图2a、图5a和图7a所示，在本实施例中，沿第一方向a离子掺杂区11的浓度呈抛物线状分布，第一方向a与光路传输方向垂直。

需要说明的是，上述第一方向a与光路传输方向垂直。其中，以图1为例，与光路传输方向垂直的方向包括两个。其中一个方向为图1所示的竖直方向，另一个方向相对图1所示的方位为垂直纸面的方向。在本实施例中，在图1中。离子掺杂区11的离子掺杂浓度沿竖直方向呈抛物线状分布；离子掺杂区11的离子掺杂浓度沿垂直纸面的方向也呈抛物线状分布。其中，抛物线的原点位置位于离子掺杂区11的中心。

图2a、图5a和图7a中的x方向为垂直纸面的方向。当离子掺杂区11的离子掺杂浓度沿y轴分布时，其变化曲线与沿x轴分布相同（即分别对应图2a、图5a、图7a），故本申请不再赘述。

在本实施例中，沿光路传输方向离子掺杂区11的浓度呈线性分布（如图2b、图5b、图7b）。对应至图1中，光路传输方向则为图1所示的水平方向。

需要说明的是，在本实施例中，图2a、图2b、图5a、图5b、和图7a、图7b仅为示意图，不代表绝对的变化趋势。例如，抛物线的开口方向可以是朝上的还可以是朝下的，开口大小也可以不同等。线性分布的斜率大小对应至实际情况中也不尽相同。

以下，本申请将举例说明不同的情况下的离子掺杂区11的掺杂浓度的分布情况。

示例地，在第一种情况下，以传能光纤20的输出的光束在端帽本体10内发散半角为0.06rad为例，假设光纤端帽的长度为50mm，离子掺杂区11为全端帽调控（即离子掺杂区11的掺杂长度L=50mm）；要实现光束的准直焦距f=50mm，那么掺杂浓度分布为：

由于离子掺杂浓度需要大于或等于0，则，对应的K值则应当取呈负折射率变化量的系数，例如，可以取四氟化硅氟（SiF

此时，对应的离子掺杂区11的离子掺杂浓度沿第一方向a的呈抛物线状分布，如图2a；沿光路传输方向呈线性分布，如图2b。

示例地，在第二种情况下，以传能光纤20的输出的光束在端帽本体10内发散半角为0.06rad为例，假设光纤端帽的长度为50mm，离子掺杂区11为全端帽调控（即离子掺杂区11的掺杂长度L=50mm）；要实现光束的聚焦，焦距f=25mm，那么，同理，取四氟化硅氟（SiF

此时，对应的离子掺杂区11的离子掺杂浓度沿第一方向a的呈抛物线状分布，如图5a；沿光路传输方向呈线性分布，如图5b。

示例地，在第三种情况下，以传能光纤20的输出的光束在端帽本体10内发散半角为0.06rad为例，假设光纤端帽的长度为50mm，离子掺杂区11为全端帽调控（即离子掺杂区11的掺杂长度L=50mm）；要实现光束的发散，焦距f=100mm，那么，同理，取四氟化硅氟（SiF

此时，对应的离子掺杂区11的离子掺杂浓度沿第一方向a的呈抛物线状分布，如图7a；沿光路传输方向呈线性分布，如图7b。

由于沿第一方向a离子掺杂区11的掺杂浓度呈抛物线分布，沿光路传输方向离子掺杂区11的掺杂浓度呈线性分布。在本实施例中，一共包含如下四种情况：

第一，离子掺杂区11的浓度在垂直于光路传输的平面内，自离子掺杂区11的外周向离子掺杂区11的中心逐渐降低；离子掺杂区11的浓度沿光路传输方向逐渐降低。

第二，离子掺杂区11的浓度在垂直于光路传输的平面内，自离子掺杂区11的外周向离子掺杂区11的中心逐渐升高；离子掺杂区11的浓度沿光路传输方向逐渐降低。

第三，离子掺杂区11的浓度在垂直于光路传输的平面内，自离子掺杂区11的外周向离子掺杂区11的中心逐渐降低；离子掺杂区11的浓度沿光路传输方向逐渐升高（如图2b、5b或7b）。

第四，离子掺杂区11的浓度在垂直于光路传输的平面内，自离子掺杂区11的外周向离子掺杂区11的中心逐渐升高；离子掺杂区11的浓度沿光路传输方向逐渐升高。

其中，需要说明的是，垂直于光路传输的平面即为离子掺杂区11的x轴和y轴方向定义出来的平面。在该平面内离子掺杂浓度呈中间高四周低分布，或者呈中间低四周高分布。

请参照图8所示，可选地，离子掺杂区11包括沿光路传输方向并排分布的第一离子掺杂区111和第二离子掺杂区112，第一离子掺杂区111的离子掺杂浓度分布与第二离子掺杂区112的离子掺杂浓度分布不同、掺杂离子可相同也可不同。

其中，第一离子掺杂区111和第二离子掺杂区112可以是邻接的，也可以是间隔设置的，只要第一离子掺杂区111和第二离子掺杂区112依次设置在光路传输方向上即可。

本申请将第一离子掺杂区111的浓度分布和第二离子掺杂区112的分布设置为不同的形式，这样，第一离子掺杂区111能够实现一个透镜的功能，第二离子掺杂区112也可以实现透镜的功能，且两个透镜的功能不同（即对光束的光学作用不同）。例如，一个为准直作用，另一个为汇聚作用（如图8所示）；又例如，一个为准直作用，另一个为发散作用；再例如，一个为汇聚作用，另一个为发散作用。

当然，在可能的情况下，离子掺杂区11在包括第一离子掺杂区111和第二离子掺杂区112的基础上，还可以包括至少一个第三离子掺杂区11，其中，第三离子掺杂区11也位于光路传输方向上，且位于第二离子掺杂区112远离第一离子掺杂区111的一侧。

可选地，离子掺杂区11沿垂直于光路传输方向的长度（为便于描述，简称为第一长度l）大于或等于光束在离子掺杂区11内传输时的最大口径d。

即离子掺杂区11沿垂直于光路传输方向的长度可以和端帽本体10沿垂直与光路传输方向的长度相同（如图1），也可以在光束在离子掺杂区11内传输时的最大口径d与端帽本体10沿垂直与光路传输方向的长度之间（如图4）。具体地，本领域技术人员可以根据需要选择，本申请不做限制。

请参照图8所示，可选地，端帽本体10包括呈一体设置的圆台段12和圆柱段13，圆台段12和圆柱段13沿光路传输方向并排设置，圆台段12远离圆柱段13的一端用于与传能光纤20的输出端熔接。

其中，圆台段12和圆柱段13为一体成型件，且端帽本体10可以为模压成型或冷加工成型。

本发明的另一方面，提供一种光纤激光器，该光纤激光器包括上述的光纤端帽。由于上述的光纤端帽的结构及其有益效果均已在前文做了详细阐述，故本申请在此不再赘述。

以上所述仅为本发明的可选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。