CN102841409B - 细光束小发散角光纤耦合结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型光纤耦合器件，采用垂直光轴的空间立体反射折转结构解决通过光纤输出激光时，难以实现小光束截面、小发散角度光束长距离传输的问题。本发明通过将激光在垂直光轴方向进行空间扩展来压缩光学不变量，结合精密微调整技术，同时压缩光纤输出光束的发散角度和光斑直径，形成小直径、小发散角的输出光束。本发明可以应用在长工作物质端面泵浦的激光器的泵浦光耦合中，也可以应用在激光加工中，并且体积小巧、结构紧凑稳定，具有很好的实用价值。

Description

细光束小发散角光纤耦合结构

技术领域

本发明涉及一种新型光纤耦合器件，特别是涉及一种能够形成细光束小发散角激光输出的耦合器件。该器件能够在保证高效率、紧凑体积的前提下，通过立体折转的方式改变光纤输出激光束的发散角度与光斑直径的乘积，实现近细光束平行光的输出。本发明属于激光器件技术领域。

背景技术

光纤是由纤芯、包层所组成的圆柱形的介质光波导，纤芯的折射率比包层的折射率略大。当光波从折射率较大的介质入射进入较小的介质时，会在两种介质的边界发生折射和反射。由斯奈尔(Snell)定律可知，如果光与光纤轴之间的夹角过大，光进入纤芯后以就无法在纤芯与包层的分界面上发生全反射，这就导致光无法在光纤中传输。因此，投射到光纤端面上的光必须在一个有限的角度范围，这个角度范围就是光纤的数值孔径。光纤的数值孔径表示光纤接收入射光的能力，数值孔径越大，光纤接收光的角度范围越大，同时从光纤出射的光的发散角也就越大。光纤的数值孔径大小与纤芯折射率，及纤芯与包层相对折射率差有关，不同厂家不同型号的光纤的数值孔径不同，多模光纤的数值孔径取值范围为0.18至0.23，对应的光纤端面接收角在10°至13°。

由牛顿公式和拉赫公式可知，在旁轴近似的条件下，物距与像距的比值等于物方和像方光束发散角度比值的倒数。例如发散角12度的光束，经过物距10mm、像距30mm的成像结构后，发散角度变为4度。对于一个通过光纤输出的光学系统，如果想减小出射光的发散角，就需要小物距与大像距。但是透镜材料的折射率限制了透镜偏折光线的能力，结合像差因素，在压缩发散角10°至13°的光束时，通常需要10mm至20mm的距离，通过2至3片透镜来实现。为了将光纤发出的光压缩到近平行光，就需要1米至2米的距离，这对于在激光器等仪器设备上应用来说，占据的空间过长，不实用。

对于光纤耦合器件，目前国内外有很多专利进行了这方面的保护，比如专利号为US005283885A的美国专利，保护了一种衰减光纤耦合方式，通过旋转内部的衰减控制器件，来实现输出光强度的正弦变化调节；专利号US4798428的美国专利保护了一种通过两边的螺旋结构固定，中间包含2个或多个聚焦透镜进行耦合的光纤连接耦合结构；此外，美国专利US2008/0118204、US2010/0232753、US8208773、US4659175、US4676584、US4315666也针对光纤耦合技术进行了专利保护。在国内，申请号200910041179.4的专利保护了一种适用于荧光测量系统和光纤传感系统的N型光纤耦合器；专利ZL200820123932.5保护了一种能够方便调节聚焦透镜姿态的光纤耦合结构；专利ZL200810072098.6保护了一种双包层光纤激光器的泵浦耦合结构。然而现有专利的保护都是针对便捷、高效实现光纤与光纤、光纤与光波导、激光与光纤之间的耦合来展开的，能够压缩拉赫不变量，同时实现小光束截面、小发散角度激光长距离传输的结构并没有提出。

发明内容

本发明目的在于提供一种新的光纤耦合器件，采用垂直光轴的空间立体反射折转结构，解决通过光纤输出激光时难以实现小光束截面、小发散角度光束长距离传输的问题。本发明通过将激光在垂直光轴方向进行空间扩展来压缩长度，结合精密调整技术，同时压缩光纤输出光束的发散角度和光斑直径，形成小直径、小发散角的输出光束。

本发明的目的是这样实现的：

本发明涉及的细光束小发散角的光纤耦合器件，如图1至图5所示，包括：光纤接头1、固定支架2、带孔反射镜3、折叠反射镜4、聚焦透镜5、准直透镜6、外套筒7。

在所述的技术方案中，所述的光纤接头1是连接有光纤的光纤接头，光纤的另一端连接光源，接头用来与固定支架连接固定，并可以拆卸下；

在所述的技术方案中，所述的固定支架2用来固定支撑整个耦合器件，并通过上面的固定孔可以固定在箱体、支撑结构件上；

在所述的技术方案中，所述的带孔反射镜3用来反射光束，压缩发散角；

在所述的技术方案中，所述的折叠反射镜4用来将光纤接头1发出的激光在垂轴方向扩散开，并反射到带孔反射镜3上，实现光束的空间立体转折；

在所述的技术方案中，所述的聚焦透镜5用来汇聚光束，压缩光束直径；

在所述的技术方案中，所述的准直透镜6用来将光束调节形成平行光出射；

在所述的技术方案中，所述的外套筒7用来固定带孔反射镜3、分光反射镜4、聚焦透镜5、准直透镜6，将光束调节形成平行光出射；

本发明与已有技术相比具有如下的优点：

可以形成直径小于1mm，平行出射的激光光束，并且传输距离大于100mm。目前对光纤输出光束进行整形时，受到透镜材料折射率的限制，如果采用透镜压缩发散角，很难设计出汇聚后光束直径如此小、传输距离如此长的结构。本发明可以应用在长工作物质端面泵浦的激光器的泵浦光耦合中，也可以应用在激光加工中，并且体积小巧、结构紧凑稳定，具有很好的实用价值。

附图说明

图1是细光束小发散角光纤耦合器件的外形结构。

图2是细光束小发散角光纤耦合器件的剖面图剖面位置。

图3是细光束小发散角光纤耦合器件的剖面图。

图4是细光束小发散角光纤耦合器件的剖面图及光线传播轨迹图。

图5是细光束小发散角光纤耦合器件的另一种实施方案。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例将对本发明进一步详细说明。

实施例1

参考图1、图2、图3、图4，制作一个本发明所述的细光束小发散角的光纤耦合器件。该器件的光纤接头1为一根带有标准SM905接头的光纤，该光纤是多模光纤，可以从现有光纤生产厂家购得。固定支架2由黄铜加工制成，包括能够与SM905接头衔接的螺旋接口，带有标准SM905接头的光纤拧紧后，光纤头从固定支架2中间一个直径约3mm的孔透出，固定支架2上还有4个固定孔，用来固定在所应用的设备上。带孔反射镜3直径20mm，中心厚度3mm，中间有一个直径3mm的孔；带孔反射镜3的一个面是平面，通过胶粘贴在固定支架上；带孔反射镜3另一个面是非球凹面，能够消除不同点照射来激光的光程差并将入射来的光汇聚成平行光。折叠反射镜4直径20mm，厚度4mm，中间抛光加工出了一个圆锥的坑，在圆锥形的坑内镀有银膜，两侧其他平坦的部分均镀有对光纤发出光的增透膜。从光纤接头1中发出的光穿过带孔反射镜3中间的孔，照射在折叠反射镜4上，然后反射到带孔反射镜3上，平行射出后由聚焦透镜5聚焦。聚焦透镜5直径20mm，中心厚度4mm，焦距30mm，是一片双凸球面镜。准直透镜6直径5mm，中心厚度1mm；由聚焦透镜5聚焦的光束经过准直透镜6发散后，变成直径1mm的平行光束射出。准直透镜6固定在由黄铜制成的外套筒7上。外套筒7外直径25mm，内孔径20mm，通过螺纹压圈将折叠反射镜4和聚焦透镜5固定。

实施例2

参考图5，制作一个本发明所述的细光束小发散角的光纤耦合器件。该器件的光纤接头1为一根带有非标准接头的光纤，该光纤是单模光纤，可以从现有光纤生产厂家购得。固定支架2由不锈钢加工制成，包括能够与光纤连接的固定接口，固定后光纤头从固定支架2中间一个直径约2mm的孔透出，固定支架2上还有4个固定孔，用来固定在所应用的设备上。带孔反射镜3直径15mm，中心厚度3mm，中间有一个直径2.5mm的孔；带孔反射镜3的一个面是平面，通过胶粘贴在固定支架上；带孔反射镜3另一个面是非球凹面，能够消除不同点照射来激光的光程差并将入射来的光汇聚。折叠反射镜4是采用塑料压制成型的透镜，直径5mm，一端为平面，另一端是曲率半径7mm的球面。从光纤接头1中发出的光穿过带孔反射镜3中间的孔，照射在折叠反射镜4上，然后反射到带孔反射镜3上，并直接聚焦到准直透镜6上。聚焦的光束经过准直透镜6发散后，变成直径1mm的平行光束射出。准直透镜6固定在由黄铜制成的外套筒7上。外套筒7外直径20mm，内孔径15mm，通过胶粘固定。

Claims (7)

1.一种光纤耦合器件，其特征在于，包括：光纤接头、固定支架、带孔反射镜、折叠反射镜、聚焦透镜、准直透镜、外套筒，用来实现同时压缩从光纤出射光束的发散角和光斑直径，形成小直径、小发散角的输出光束；所述光纤接头是连接有光纤的接头，光纤的另一端连接光源，接头用来与固定支架连接固定，并可以拆卸下；所述的固定支架用来固定支撑整个耦合器件，并通过上面的固定孔固定在箱体、支撑结构件上；所述的带孔反射镜用来反射光束，压缩发散角；所述的折叠反射镜用来将光纤接头发出的激光在垂轴方向扩散开，并反射到带孔反射镜上，实现光束的空间立体转折；所述的聚焦透镜用来汇聚光束，压缩光束直径；所述的准直透镜用来将光束调节形成平行光出射；所述的外套筒用来固定带孔反射镜、折叠反射镜、聚焦透镜、准直透镜，将光束调节形成平行光出射；

从光纤接头中发出的光穿过带孔反射镜中间的孔，照射在折叠反射镜上，然后反射到带孔反射镜上，平行射出后由聚焦透镜聚焦，由聚焦透镜聚焦的光束经过准直透镜发散后，变成平行光束射出；

其中，所述折叠反射镜中心加工有一个圆锥形坑或球形坑；或，所述折叠反射镜包含一个球面反射面。

2.按权利要求1所述的光纤耦合器件，其特征在于，所述的光纤接头是标准的商业光纤接头，其型号为SM905。

3.按权利要求1所述的光纤耦合器件，其特征在于，所述的固定支架是金属、塑料或陶瓷材料制成的，且设置有用于固定的定位面及固定孔，所述固定孔数量为1至20个，用于固定所述光纤接头、外套筒和带孔反射镜。

4.按权利要求1所述的光纤耦合器件，其特征在于，所述的带孔反射镜由玻璃或塑料制成，直径5mm至100mm，中心有一个直径1至10mm的圆孔，用来透出光纤发出的光；带孔反射镜的一个面是平面，通过胶粘或夹持方式固定在所述固定支架上；所述带孔反射镜的另一个面是球面或抛物面。

5.按权利要求1所述的光纤耦合器件，其特征在于，所述的折叠反射镜由玻璃或塑料制成，直径5mm至100mm，厚度2至20mm，中心加工有一个底面直径2至10mm，高3至15mm的圆锥形坑或者一个底面直径2至10mm的球形坑，坑内部镀有针对光纤发出光波长的高反射膜；该高反射膜为银膜、铝膜或者非金属膜；其他的平面部分镀有针对光纤发出光波长的增透膜；折叠反射镜用于形成空间离轴，将从光纤出射的光反射到带孔反射镜上。

6.按权利要求1所述的光纤耦合器件，其特征在于，所述的折叠反射镜由玻璃或塑料制成，直径5mm至100mm，厚度2至20mm，包含一个球面反射面，表面镀有针对光纤发出光波长的高反射膜；该高反射膜为银膜、铝膜或者非金属膜。

7.按权利要求1所述的光纤耦合器件，其特征在于，所述的聚焦透镜和准直透镜由玻璃或塑料制成，直径3mm至100mm，厚度2至20mm，均包含一个或两个球面反射面，表面镀有针对光纤发出光波长的增透膜；聚焦透镜用于进一步汇聚光束，准直透镜用于将光束扩散成平行光。