CN103314318B - 用于光学纤维部件的封装及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供针对诸如光导纤维的光学纤维部件(30)的封装(1)，其中减小了针对光学纤维部件(30)的热诱发的应变，并且所述封装(1)包括具有第一热膨胀系数(ki)的第一支撑件(10)。此外，封装(1)还包括第二支撑件(20)，其弹性地安装于第一支撑件(10)上，用于减少第一支撑件(10)的热膨胀所诱发的应变向第二支撑件(20)的转移。第二支撑件(20)包括在第二支撑件(20)的至少一边开口的纵向凹槽(21)，其用于容纳光学纤维组件(30)，其中第二支撑件(20)具有比光学纤维组件(30)高得多的拉伸强度。第二支撑件(20)具有比第一热膨胀系数k1小得多的第二热膨胀系数k2，其中第一支撑件(10)适用于交换由自由空间辐射引起的热量。第二支撑件(20)由可以被部件(30)中所用到的波长透射的材料、诸如石英制成。

Description

用于光学纤维部件的封装及其制造方法
技术领域
本发明涉及光学纤维部件的封装。更准确地说，本发明涉及一种光学纤维封装与制造方法。
背景技术
在多种需要高光功率水平来加工工件的工业应用中，纤维激光器从更传统的激光源中获得了市场占有率。纤维激光器越来越高的普及性取决于其高效率、高波束品质，以及其对维护的低要求。
为了使纤维激光器作为整体可靠地运行，其光学纤维部件、诸如泵或信号耦合器必须以稳固的方式构建。当设在高功率纤维激光器的内部时，光学纤维部件可能会受到较高的光辐射波动性的影响。当在前向方向上操作时，大多数光辐射被设计成由部件的玻璃结构引导。然而，在一些情况下高光功率水平可能也会从光学纤维部件中泄露至部件的机械封装内部的自由空间中。比如，从工件处反射回来的辐射可能在与该部件被设计用于引导辐射的方向相反的方向上被引导至光学纤维部件中。这种部件的封装内的自由空间辐射会最终由该封装吸收，这将导致该部件的发热。
在追求光学纤维部件的高可靠性时，其封装必须设计成使得该封装的发热不会损坏该部件。为了预计可能的热功率水平，可以认为纤维激光器在kW级的输出功率水平下工作。当使用这种激光器来加工具有高反射率的金属、诸如铜时，影响该工件的一大部分功率可能被反射回至纤维激光器中。这种被反射回的功率的一部分之后被转换，以在部件封装的内部产生热量。因此，这种情况下的热功率水平为100W级。
针对光学纤维部件的热诱发的应力并不一定会由以上所描述的辐射产生。在激光器系统的运输期间，温度可以变化数十度。其结果是，如果在该部件的封装设计中没有考虑到这种温度变化，则将会发生部件的失效问题。
金属制成的封装通常用于在其中安装光学纤维。在确定给定金属作为封装材料的适用性时，需要考虑两个关键因素。第一个因素是热传导性，其确定材料可以多大程度上将热量从热负荷的引入点传导出去。第二个因素是热膨胀系数，该系数确定当金属被加热时其膨胀的程度。光学纤维部件本身通常由热膨胀系数大约为5×10-7/K的熔融石英构成。金属典型地具有比熔融石英的热膨胀系数高至少10倍的热膨胀系数。因此，如果光学纤维部件刚性地安装在金属外壳上，其产生的热量会导致部件的拉伸，并且造成其应变。由于光学纤维部件通常很脆弱，这种应变可能破坏该部件。
可以通过使用具有很小的热膨胀系数的金属合金来减轻这种影响，比如因瓦合金(即FeNi36)。然而，这种合金的热传导性通常比诸如纯铜或纯铝的热传导性明显小得多。因此它们的低热膨胀系数的优点通常被它们的低热传导性所抵消。
在US6,942,399中提出了一种解决方案，其中公开了用于连接两种光导纤维的光导纤维耦合器。根据US6,942,399的耦合器包括加强件(20)，其稳固地容纳于圆柱件(50)内。加强件(20)由诸如石英、陶瓷或者因瓦合金的硬质材料制成，并且具有多边形的横截面以及用于容纳光纤(30,31)的纵向的U型槽(22)。光纤(30,31)通过使用粘合剂(60)固定于槽的两端处。加强件(20)的光纤接收表面(23)可以进行镀铭、镀锡或镀镍。
然而，因为加强件是由在接收到来自光导纤维的杂散辐射后无法将热量传输出光纤的材料制成，所提出的这种构造无法有效地减小涉及光学纤维的应变。
发明内容
因此，本发明的一个目的在于提供针对诸如光导纤维的光学纤维部件的封装，其中减小了针对光学纤维的热诱发的应变。
一方面，本发明的目的通过一种新型光学纤维部件的封装来实现，该封装包括具有第一热膨胀系数的第一支撑件。该封装进一步包括第二支撑件，其弹性地安装至第一支撑件，以便于减小第一支撑件的热膨胀所诱发的应变向第二支撑件的转移。第二支撑件包括纵向凹槽，其在第二支撑件的至少一边开口以容纳光学纤维部件，其中，第二支撑件具有比光学纤维部件高得多的拉伸强度。第二支撑件具有比第一热膨胀系数小得多的第二热膨胀系数，其中，第一支撑件适于交换由自由空间辐射引发的热量。第二支撑件由该部件中所使用的波长可以透射的材料、例如石英制成。
更具体来说，根据本发明的封装包括：具有第一热膨胀系数的第一支撑件，具有第二热膨胀系数的第二支撑件，所述第二支撑件弹性地安装至第一支撑件上，以便于减小所述第一支撑件的由热膨胀所诱发的应变向第二支撑件的转移，并且第二支撑件还包括纵向凹槽，其在所述第二支撑件的至少一边开口以容纳光学纤维部件，其中，所述第二支撑件具有比光学纤维部件高的拉伸强度，其中，第二热膨胀系数比第一热膨胀系数小，并且第一支撑件适于交换由其吸收的自由空间辐射引发的热量，第二支撑件由所述部件中所使用的波长可以透射的材料。
优选地，第二支撑件由石英制成。
优选地，所述封装包括安装于所述第二支撑件的凹槽中的具有第三热膨胀系数的光学纤维部件。
优选地，第二热膨胀系数类似于光学纤维部件的第三热膨胀系数。
优选地，所述第二支撑件的横截面的面积比所述光学纤维部件的横截面的面积大。
优选地，所述第二支撑件的横截面的面积至少比所述光学纤维部件的横截面的面积大10倍。
优选地，所述第一支撑件包括用于容纳弹性地与其连接的所述第二支撑件的纵向凹槽。
优选地，所述封装包括盖件，其将所述第二支撑件与所述光学纤维部件封装进由所述第一支撑件与所述盖件形成的壳体内。
优选地，所述第一支撑件包括适用于容纳冷却剂流以实现主动式冷却的通道。
优选地，所述第一支撑件与所述第二支撑件之间的弹性剂具有比所述第二支撑件更低的剪切模量，以便于减少源于所述第一支撑件的热膨胀的所述第二支撑件中的应变。
优选地，所述第一支撑件与所述第二支撑件之间的弹性剂是柔性的弹力体。
优选地，所述第一支撑件与所述第二支撑件之间的弹性剂是硅树脂。
另一方面，本发明的目的通过一种制造新型光学纤维部件封装的新型方法来实现，在该方法中提供了第一和第二支撑件，使得第二支撑件的材料具有比第一支撑件小得多的热膨胀系数。第二支撑件由该部件中所使用的波长可以透射的材料、例如石英制成。第二支撑件弹性地安装至第一支撑件，并且光学纤维部件与第二支撑件连接。
更具体来说，根据本发明的制造光学纤维部件封装的方法包括以下步骤：提供具有第一热膨胀系数的第一支撑件，提供第二支撑件，其材料：具有比第一支撑件的第一热膨胀系数小的第二热膨胀系数，以及可以被部件中所使用的波长透射，将第二支撑件弹性地安装至第一支撑件中，连接光学纤维部件至第二支撑件上。
优选地，通过连接盖件至所述第一支撑件来封闭该封装，由此由盖件与所述第一支撑件形成了针对所述光学纤维部件的壳体。
优选地，在其相对的端面处将所述光学纤维部件与所述第二支撑件连接。
优选地，通过粘合剂来在其相对的端面处将所述光学纤维部件与所述第二支撑件连接。
优选地，向所述第一支撑件提供冷却通道，并且将冷却剂连接器与冷却剂通道的联轴器耦合，以用于所述封装的主动性冷却。
通过本发明可以获得相当的技术效果。由于第二支撑件具有比第一热膨胀系数小得多的热膨胀系数，也可以这样选择第一支撑件的材料，以便于有效地散去通过自由空间辐射产生的由第一支撑件吸收的热量。换言之，由于没有对第一热膨胀系数的数值施加严格的限制，因此可以减小该封装的温度增长。此外，第一与第二支撑件之间的弹性连接减少了第一支撑件的热膨胀所诱发的应变向第二支撑件的转移。结合起来，该封装适用于减小对光学纤维的热诱发的应变。本发明的封装方法也非常简单，并且在实践中容易操作。可以使用具有简单几何形状的相对价格低廉的材料的能力实现了高可靠性部件的低成本、工业可行的封装。
附图说明
在下文中，参考附图描述了本发明的优选实施例，附图包括：
图1是显示了根据本发明的一个实施例的光导纤维部件封装的分解图；
图2是显示了没有盖件的图1所示组装好的封装的截面图。
具体实施方式
从图1和2中可以看到，根据本发明的光学纤维部件的封装1包括具有第一热膨胀系数k1的第一支撑件10。该封装还包括具有第二热膨胀系数k2的第二支撑件20。诸如光导纤维的光学纤维部件30安装于第二支撑件20的纵向凹槽21中，并且优选地通过施加在凹槽21两端的粘合剂将二者连接在一起。换言之，第二支撑件20作为光学纤维部件30的子支撑。此外，第二支撑件20安装于第一支撑件10的对应的纵向长方形的凹槽11中。
第二支撑件20与第一支撑件10的连接以弹性的方式实施，以便于减小第一支撑件10的热膨胀所诱发的应变向第二支撑件20的转移。第一支撑件10与第二支撑件20之间的弹性接口或固定剂50优选地具有比第二支撑件20明显更低的剪切模量，以便于减少源于第一支撑件10的热膨胀的第二支撑件20的应变。优选地在第一支撑件10的凹槽11与第二支撑件20之间的每个配合面、即围绕着第二支撑件20来施加弹性剂50。弹性剂50可以使用柔性粘合剂，比如硅树脂、光学胶粘剂、聚氨酯胶粘剂或类似物。诸如硅树脂的弹性胶泥典型地具有大约1MPa的剪切模量，而石英的剪切模量大约为3×1010Pa或者为其30000倍大的系数。柔软的光学胶粘剂可以具有10MPa级的剪切模量，但是其依然远远小于石英的剪切模量。因此，在实践中大部分由第一支撑件10的热膨胀所引发的应变由弹性接口剂来承担。由于第二支撑件20没有经受源于第一支撑件10的热膨胀的应变，针对光学纤维部件30所诱发的应变会很小。
弹性剂50可以沿着第一支撑件10的凹槽11的整个长度来施加，但并不必如此。比如，弹性剂50可以只施加于凹槽11的一端。
根据一个实施例，第二热膨胀系数k2基本上类似于光学纤维部件的热膨胀系数k3。诸如光导纤维的光学纤维部件30通常由熔融石英或者类似物制成。根据一个特别优选的实施例，第二热膨胀系数k2因此就是熔融石英的热膨胀系数。于是，由于第一支撑件10与第二支撑件20之间的弹性剂，可以相当自由地选择k1的相对量级。因此，第一支撑件10的材料的选择很大程度上取决于热传导性、价格，以及一些可能的力学性能。
如上所述，在本发明中可以使用多种材料。根据一个实施例，第一支撑件10由铜制成。第二支撑件20可以由具有更好的光导传导性但较差的热传导性的材料制成。根据一个实施例，第二支撑件20由石英制成。典型的波长可以透射由石英制成的第二支撑件20，由此，来自光学纤维部件30中发出的辐射(例如散射光)基本上不会直接加热第二支撑件20。因此，所述辐射被由铜制成的第一支撑件10吸收，由此第一支撑件10被加热，并能够将热量从光学纤维部件30中交换出去。同时，第一支撑件10中的热量也可以加热第二支撑件20。然而，由于石英的热膨胀(每度0.5ppm)远小于铜的热膨胀(每度17ppm)，这部分所产生的热量不会对光学纤维部件30造成伤害。
在一个备选实施例中，第一支撑件10由铝制成。铝是相对比较便宜的材料，其具有良好的热传导性，并且很容易用机器制造。在这个实施例中，当考虑到光学纤维部件是由熔融石英制成时，第二支撑件20由优选材料石英制成。
第一支撑件10的冷却可以通过将其安装于较大的散热器上来被动地实施，或者通过提供贯穿通道12的冷却剂流来主动地实施。通道12优选地配有针对冷却系统的用于辅助连接的联轴器。第一支撑件10的第一功能是吸收自由空间辐射并将其转换成热量，并且高效地将热量传导至散热器中介。第一支撑件10的第二功能是针对部件30以及第二支撑件20来提供机械保护。
第二支撑件20优选地具有比光学纤维部件30明显更大(优选地至少大10倍)的拉伸强度。根据一个实施例，第二支撑件20以及光学纤维部件30的相对拉伸强度通过将第二支撑件20的横截面面积设定成比光学纤维部件30的横截面面积大明显更大、优选地至少大10倍来提供。典型的光学纤维部件30的横截面不足1mm2。因此，第二支撑件20优选地具有至少10mm2的横截面面积。
封装1优选地由盖件40关闭，该盖件将第二支撑件20的凹槽21与光学纤维部件30封装进由第一支撑件10与盖件40形成的壳体内。因此，第一支撑件10与第二支撑件20的面对盖件40的表面优选是齐平的。通过延伸穿过盖件40和第一支撑件10上各自的相互对齐的孔41、13的螺丝或类似物，盖件40可以固定至第一支撑件10上。备选地，盖件40可以通过其他方式来连接，比如粘合剂或形状匹配接头。另外，盖件40可以通过设置在其间的密封件来与第一支撑件10进一步连接，以用于提高集成度。
上述光学纤维部件封装1的制造优选地设置成使得第一支撑件10与第二支撑件20可以从上述合适的材料中制成。通过诸如硅树脂的弹性粘合剂来将第二支撑件20连接到第一支撑件10的凹槽11中，从而形成了子装配件。在弹性粘合剂固化至充分的程度后，将诸如光导纤维的光学纤维部件30连接到第二支撑件20。优选地通过粘合剂来将部件30与第二支撑件20在其相对的两端处连接。最终，通过盖件40与第一支撑件10的连接来封闭封装1，由此由第一支撑件10与盖件40形成了针对光学纤维部件30的壳体。冷却剂连接器优选地连接到冷却剂通道21的接头上，以用于主动性冷却。
附图标记列表
编号 部分
1 封装
10 第一支撑件
11 纵向凹槽
12 冷却通道
13 孔
20 第二支撑件
21 纵向凹槽
30 光学纤维部件
40 盖件
41 孔
50 弹性粘合剂

Claims (17)

1.光学纤维部件封装(1)，包括：
具有第一热膨胀系数(k1)的第一支撑件(10)，
具有第二热膨胀系数(k2)的第二支撑件(20)，所述第二支撑件(20)弹性地安装至第一支撑件(10)上，以便于减小所述第一支撑件的由热膨胀所诱发的应变向第二支撑件的转移，并且第二支撑件(20)还包括纵向凹槽(21)，其在所述第二支撑件(20)的至少一边开口以容纳光学纤维部件(30)，其中，所述第二支撑件(20)具有比光学纤维部件(30)高的拉伸强度，
其中，第二热膨胀系数(k2)比第一热膨胀系数(k1)小，并且第一支撑件(10)适于交换由其吸收的自由空间辐射引发的热量，
其特征在于，第二支撑件(20)由所述光学纤维部件(30)中所使用的波长可以透射的材料制成。
2.根据权利要求1所述的光学纤维部件封装(1)，其特征在于，第二支撑件(20)由石英制成。
3.根据权利要求1所述的光学纤维部件封装(1)，其特征在于，所述封装(1)包括安装于所述第二支撑件(20)的凹槽(21)中的具有第三热膨胀系数(k3)的光学纤维部件(30)。
4.根据权利要求1到3中任一项所述的光学纤维部件封装(1)，其特征在于，第二热膨胀系数(k2)类似于光学纤维部件的第三热膨胀系数(k3)。
5.根据权利要求1到3中任一项所述的光学纤维部件封装(1)，其特征在于，所述第二支撑件(20)的横截面的面积比所述光学纤维部件(30)的横截面的面积大。
6.根据权利要求1到3中任一项所述的光学纤维部件封装(1)，其特征在于，所述第二支撑件(20)的横截面的面积至少比所述光学纤维部件(30)的横截面的面积大10倍。
7.根据权利要求1到3中任一项所述的光学纤维部件封装(1)，其特征在于，所述第一支撑件(10)包括用于容纳弹性地与其连接的所述第二支撑件(20)的纵向凹槽(11)。
8.根据权利要求1到3中任一项所述的光学纤维部件封装(1)，其特征在于，所述封装(1)包括盖件(40)，其将所述第二支撑件(20)与所述光学纤维部件(30)封装进由所述第一支撑件(10)与所述盖件(40)形成的壳体内。
9.根据权利要求1到3中任一项所述的光学纤维部件封装(1)，其特征在于，所述第一支撑件(10)包括适用于容纳冷却剂流以实现主动式冷却的通道(12)。
10.根据权利要求1到3中任一项所述的光学纤维部件封装(1)，其特征在于，所述第一支撑件(10)与所述第二支撑件(20)之间的弹性剂具有比所述第二支撑件(20)更低的剪切模量，以便于减少源于所述第一支撑件(10)的热膨胀的所述第二支撑件(20)中的应变。
11.根据权利要求10中所述的光学纤维部件封装(1)，其特征在于，所述第一支撑件(10)与所述第二支撑件(20)之间的弹性剂是柔性的弹力体。
12.根据权利要求11所述的光学纤维部件封装(1)，其特征在于，所述第一支撑件(10)与所述第二支撑件(20)之间的弹性剂是硅树脂。
13.用于制造光学纤维部件封装(1)的方法，其特征在于以下步骤：
提供具有第一热膨胀系数(k1)的第一支撑件(10)，
提供第二支撑件(20)，其材料：
具有比第一支撑件(10)的第一热膨胀系数(k1)小的第二热膨胀系数(k2)，以及
可以被部件(30)中所使用的波长透射，
将第二支撑件(20)弹性地安装至第一支撑件(10)中，
连接光学纤维部件(30)至第二支撑件(20)上。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，通过连接盖件(40)至所述第一支撑件(10)来封闭该封装，由此由盖件(40)与所述第一支撑件(10)形成了针对所述光学纤维部件(30)的壳体。
15.根据权利要求13或14所述的方法，其特征在于，在所述光学纤维部件(30)与所述第二支撑件(20)的相对的端面处将所述光学纤维部件(30)与所述第二支撑件(20)连接。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，通过粘合剂来在所述光学纤维部件(30)与所述第二支撑件(20)的相对的端面处将所述光学纤维部件(30)与所述第二支撑件(20)连接。
17.根据权利要求13或14所述的方法，其特征在于，向所述第一支撑件(10)提供冷却通道(12)，并且将冷却剂连接器与冷却剂通道(12)的联轴器耦合，以用于所述封装(1)的主动性冷却。
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