导光光纤（光纤导光系统系统简介）

光学导光系统

(相关资料图)

光学导光系统的作用是将激光器输出的激光引导到聚焦系统或匀光系统。常用的导光系统有光纤导光系统、多关节式导光系统等。

光纤导光系统的原理和要求

光纤是利用光的全反射原理传输光能。光纤是圆柱形光波导，纤芯折射率n1大于包层折射率n2,光线在子午面内由光纤端面进入到光纤纤芯，并以人射角0人射到纤芯和包层界面时，若入射角0大于临界角。0=n2/n1,则发生全反射，在纤芯中继续不断地全反射，以锯齿形状在光纤中传输，从另一端折射输出。对于光纤端面上的入射角φ·存在一个最大值c,可由全反射条件和临界角关系给出：

当φ>4m时，光线将透过界面进入包层，向周围空间产生辐射损耗，光纤则不能有效地传输光能，通常将nsing弥为光纤的数值孔经（NA)。

称为纤芯和包层的相对折射率差，一般光纤的为0.01~0.05,若光纤所在介质为空气（no=1),则数值孔径（VA)一定小于1。

普通光纤是以SiO₂为基质材料，可以很好地透过波长为1.06um的YAG激光，但是对波长为10.6μm的CO₂激光不透明，目前在研究将卤化物材料用来作为传输CO₂激光的光纤材料。激光加工用的光纤与普通光通信用光纤不同，需要传输高功率激光，要求能承受高功率密度。

一般芯径较大，为几百至上千微米。例如，用芯径为600μm的光纤传输1kW的激光时，功率密度可达3x105 W/c㎡.可以满足焊接和切割等激光加工的要求。虽然光纤可以传输连续和脉冲激光，但由于调Q激光和锁模激光的峰值功率太高。容易把光纤端面损坏。所以一般调Q激光和锁摸激光不能用光纤传输。必须采用转动反射镜提高损伤阈值的多关节式导光系统，另外应当注意光纤端面保持干净，否则再灰尘在强激光照射下很快汽化，容易将光纤端面损坏、严重影响加工质影响光纤传输的因素包括光纤的数值孔径、纤芯的尺寸、纤芯和包层的相对折射率差、光斑尺寸、激光功率、光纤端面质量、连接隅合、光纤长度等参数。

光纤导光系统的优点

①光纤传输系统比透镜、反射镜、校镜等系统体积小，结构简单，柔性好，灵活方便，可以加工常规系统不容易加工的部位。

②光纤传输系统容易实现一台激光输出，轮流或同时导向多个加工部位。

③采用光纤可以远距离传输，光束不发散。

④采用光纤可显著改善加工光束的均匀性，使加工区域的边缘清晰。

⑤光纤便于与机器人或其他元件耦合，给各种应用带来了方便。

但由于光纤传输存在光纤端面的反射损耗、光纤的吸收损耗、散射损耗等，所以光纤传输系统的传输效率约为90%.目前光纤导光系统仅可用于波长为1.06um的Nd:YAG激光器的导光系统，波长为10.6μm的CO₂激光器因热损严重，一般不采用。

多关节式导光系统

多关节式导光系统是将多个光学关节组合在一起，形成光学关节臂，其输入端固定，输出端由外部操作，可以按任意方位到达任何需要加工的位置。光束经过多关节式导光系统后，在导光光路长为2m时，出射光束相对于光轴中心的偏移量可做到士1mm以内，每一个拐弯处都是一个45°的转动反射镜，即反射镜绕入射光轴线转动，以改变光束的方向。多个转动反射镜的组合，将光束传播至所需加工的任意部位。每个反射镜一般镀有高破坏阈值的45°全反射介质膜，以便尽可能多地将光束能量传播到加工部位，并防止被激光打坏。

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