本發明提供了一種光子晶體光纖及激光器光斑勻化裝置，屬于激光。

背景技術：

1、半導體激光器又稱激光二極管，是實際應用中最重要的一類激光器。半導體激光器具有體積小、重量輕、光電轉換效率高、使用壽命長等優點，具有非常廣泛的應用前景。當前實用化的半導體激光器，受限于其自身波導結構的限制，輸出光束近似為帶有像散的橢圓高斯光束，光強分布不均勻，尤其是半導體巴條、疊陣激光器，依靠增加發光單元數量來提高激光功率，勢必會帶來更大的光束不均勻性。在某些應用領域，如激光焊接、激光剝離、激光微細加工等，激光光束能量的不均勻分布，會引起局部溫度過高從而影響激光與物質間的相互作用，同時，邊緣部分能量過低又大大降低了能量的利用率。因此，需要將不均勻的光束整形成能量均勻分布的平頂光束，以改善激光應用效果。

2、目前激光勻化整形技術可主要分為以下幾類：非球面透鏡法、衍射光學元件法、微透鏡陣列法、萬花筒法、光纖波導耦合法等。其中非球面透鏡法、衍射光學元件法、微透鏡陣列法是基于幾何光學理論，對特定的入射光束設計透鏡或透鏡組合，具有適應性差、制作成本高、無法根據入射光束變化及時調整等缺陷。而針對光強分布不均勻，光束相干性差的高功率半導體激光器整形技術，目前主要采用萬花筒法、光纖波導耦合等整形勻化方法，這些方法均是通過光束的分割和子束的疊加實現輸出光能重新分布或者讓光束在波導管內多次反射后使輸出光能重新分布的。這些方法由于裝調簡易，設計靈活，價格低廉，目前在半導體光束勻化整形中得到很好的應用，然而其所帶來的光學損耗一直是備受困擾的問題。

3、而目前現有的一些技術方案也普遍存在各種不足，如專利cn201921555348.1提出了一種通過設置不同彎曲半徑及周期的彎曲溝槽，使嵌在彎曲溝槽中的多模光纖彎曲半徑及周期不同，從而改變激光在傳輸光纖中傳輸模式分布，進而改變多模光纖端面輸出的激光光束模式，實現光斑勻化。該方法結構簡單，技術水平低，但所要求的光纖彎折半徑較小，當激光功率較大時很容易出現光纖因彎折半徑過小而造成的燒毀。專利cn202211715232.6提出了一種通過設置彎曲段以增大激光的傳播路徑，利用激光在光纖內的相干性勻化激光的裝置，此外，通過設置振動裝置來驅動彎曲段振動，使光子經過多次相互疊加反射在短時間內重新經過不同的路徑，利用激光的相干性和疊加實現更均勻的輸出。該方法采用振動裝置提高激光的勻化效果，克服了光纖半徑彎折過小的問題，但振動裝置的引入對激光器整體的出光穩定性又帶來了極大影響。

4、傳統的采用光纖耦合實現半導體激光器光斑勻化的方法雖然結構簡易，價格低廉，但普通光纖在勻光過程中的激光能量損耗較大，同時，使用普通光纖產生非常平坦的頂部能量的前提是需要光纖具有很小的盤繞直徑，通常需要小于4cm，但如此小的盤繞直徑不滿足光纖的長期可靠性要求，當激光功率較大時，光纖多次的小半徑彎折盤繞容易引起光纖燒毀，對其應用造成極大影響。

5、光子晶體光纖作為二十世紀的一種新型產品，得益于其獨特良好的光學特性，目前在光通信、光傳感、集成電路等領域已經得到了廣泛的應用。與傳統光纖波導耦合勻化方法相比，光子晶體光纖不僅具備傳統光纖的所有優點，還克服了傳統光纖傳輸損耗大、單模波長范圍窄等問題，在降低光纖損耗和實現高非線性方面也具有很大的優勢。因此，將光子晶體光纖代替傳統光纖應用于半導體激光器光束整形勻化領域，將顯著提升現有勻化方法的不足，帶來更好的勻化效果。

技術實現思路

1、為了解決現有的激光器光斑勻化方法存在的技術難度大、結構不穩定、光傳輸損耗大等問題，本發明提出了一種光子晶體光纖及激光器光斑勻化裝置。

2、本發明采用的技術方案為：一種光子晶體光纖，包括纖芯和包覆纖芯的包層，所述纖芯位于光子晶體光纖的幾何中心，包層內分布著三層空氣孔，分別為外層空氣孔、中間空氣孔和內層空氣孔，其中內層空氣孔和外層空氣孔均以纖芯為圓心呈圓形陣列均勻分布，內層空氣孔分布于纖芯外圍，外層空氣孔遠離纖芯分布，中間空氣孔包括隨機分布在內層空氣孔和外層空氣孔之間的大小不一、不規則排列的多個空氣孔。

3、進一步地，外層空氣孔的直徑大于內層空氣孔的直徑。

4、進一步地，纖芯采用折射率大于空氣折射率的材料制作。

5、進一步地，外層空氣孔、中間空氣孔和內層空氣孔中的每個空氣孔均為圓形。

6、一種激光器光斑勻化裝置，包括盤繞的光子晶體光纖和激光器，盤繞的光子晶體光纖的一端與激光器的耦合接口相連，盤繞的光子晶體光纖的另一端連接光纖出光端口。

7、進一步地，還包括勻化盒，盤繞的光子晶體光纖固定在勻化盒內。

8、更進一步地，勻化盒內設置有凹槽，將盤繞好的光子晶體光纖放入勻化盒的凹槽內。

9、更進一步地，盤繞好的光子晶體光纖通過透明且固化后具有彈性的光學膠水固定。

10、進一步地，光子晶體光纖的盤繞直徑為5-8cm。

11、進一步地，激光器采用半導體激光器、固體激光器、氣體激光器、液體激光器、光纖激光器、自由電子激光器中的任意一種。

12、本發明相對于現有技術具備的有益效果為：

13、（1）與傳統光纖勻化方法相比，本發明減少了激光在光纖傳輸過程中的損耗，進而提升了激光器整體的光學轉化效率。

14、（2）本發明通過光子晶體光纖內部大小不均勻、不規則排列的空氣孔結構，進一步提高了光子在光纖內部傳播過程中的不規則性，增強了激光在光纖內部的反射折射以及相干性，從而提升光斑的勻化效果。

15、（3）勻化盒的設計不僅提升了結構的穩定性，減少了光學損耗，還增強了光纖之間的串擾，進一步提升了光斑勻化效果。

16、（4）本發明不僅適用于半導體激光器，對其它類型激光器的光斑勻化同樣適用。

技術特征：

1.一種光子晶體光纖，包括纖芯和包覆纖芯的包層，其特征在于：所述纖芯位于光子晶體光纖的幾何中心，包層內分布著三層空氣孔，分別為外層空氣孔、中間空氣孔和內層空氣孔，其中內層空氣孔和外層空氣孔均以纖芯為圓心呈圓形陣列均勻分布，內層空氣孔分布于纖芯外圍，外層空氣孔遠離纖芯分布，中間空氣孔包括隨機分布在內層空氣孔和外層空氣孔之間的大小不一、不規則排列的多個空氣孔。

2.根據權利要求1所述的一種光子晶體光纖，其特征在于：外層空氣孔的直徑大于內層空氣孔的直徑。

3.根據權利要求2所述的一種光子晶體光纖，其特征在于：纖芯采用折射率大于空氣折射率的材料制作。

4.根據權利要求1-3任一項所述的一種光子晶體光纖，其特征在于：外層空氣孔、中間空氣孔和內層空氣孔中的每個空氣孔均為圓形。

5.一種激光器光斑勻化裝置，其特征在于：包括盤繞的如權利要求1-4任一項所述的光子晶體光纖和激光器，盤繞的光子晶體光纖的一端與激光器的耦合接口相連，盤繞的光子晶體光纖的另一端連接光纖出光端口。

6.根據權利要求5所述的一種激光器光斑勻化裝置，其特征在于：還包括勻化盒，盤繞的光子晶體光纖固定在勻化盒內。

7.根據權利要求6所述的一種激光器光斑勻化裝置，其特征在于：勻化盒內設置有凹槽，將盤繞好的光子晶體光纖放入勻化盒的凹槽內。

8.根據權利要求7所述的一種激光器光斑勻化裝置，其特征在于：盤繞好的光子晶體光纖通過透明且固化后具有彈性的光學膠水固定。

9.根據權利要求5-8任一項所述的一種激光器光斑勻化裝置，其特征在于：光子晶體光纖的盤繞直徑為5-8cm。

10.根據權利要求5-8任一項所述的一種激光器光斑勻化裝置，其特征在于：激光器采用半導體激光器、固體激光器、氣體激光器、液體激光器、光纖激光器、自由電子激光器中的任意一種。

技術總結
本發明提供了一種光子晶體光纖及激光器光斑勻化裝置，屬于激光技術領域；解決了現有的激光器光斑勻化方法存在的技術難度大、結構不穩定、光傳輸損耗大等問題；本發明提出的光子晶體光纖包括纖芯和包覆纖芯的包層，纖芯位于光子晶體光纖的幾何中心，包層內分布著三層空氣孔，分別為外層空氣孔、中間空氣孔和內層空氣孔，其中內層空氣孔和外層空氣孔均以纖芯為圓心呈圓形陣列均勻分布，內層空氣孔分布于纖芯外圍，外層空氣孔遠離纖芯分布，中間空氣孔包括隨機分布在內層空氣孔和外層空氣孔之間的大小不一、不規則排列的多個空氣孔；本發明應用于激光器光斑勻化。

技術研發人員：張紫辰,代瑩瑩,孟玉青,楊敏,韓學鋒,許震,郭猛
受保護的技術使用者：山西創芯光電科技有限公司
技術研發日：
技術公布日：2025/4/24