CN104122619A - 带监控装置的集束光纤锥体熔融拉锥系统及锥体加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及带监控装置的集束光纤锥体熔融拉锥系统，包括拉锥机左部、拉锥机右部、拉锥机加热火炬和拉锥实时监控装置。拉锥机左部包括左部底板、左部集束光纤夹具、左部集束光纤轴筒支座、左部旋转传动装置和左部电机。拉锥机右部包括右部底板、右部集束光纤夹具、右部集束光纤轴筒支座、右部旋转传动装置和右部电机。拉锥实时监控装置包括监控装置支架、监控装置和监控输出装置。本发明还涉及带监控装置的集束光纤锥体熔融拉锥系统加工集束光纤锥体的方法，包括夹紧、固定、拉锥、监控和合束等步骤。本发明采用旋转合束和双向熔融的方案实现了集束光纤的合束工艺，采用实时监控装置控制拉锥质量，简化了工艺步骤，提高了加工精度和效率。

Description

带监控装置的集束光纤锥体熔融拉锥系统及锥体加工方法

技术领域

本发明涉及一种光纤锥体熔融拉锥系统及其加工工艺，特别涉及一种集束光纤锥体熔融拉锥系统及其加工工艺，属于光学元件制造设备领域。

背景技术

光纤合束器是将多束光纤耦合成一束光纤的光学元件，光纤合束器将多束光纤的输出泵浦耦合成一束光纤输出，实现了提高光纤激光器输出功率的技术目的，是制作大功率激光器的核心元件，主要应用在生物医疗、激光切割、光纤通信和国防建设等众多领域内。目前，光纤合束器的制造工艺通常分为三种，其一是磨抛法，将除去涂覆层的光纤按设定的曲率和深度磨抛，再将磨抛光纤进行拼接实现光纤束间模场耦合和激光合束；其二是腐蚀法，是使用特殊化学腐蚀剂将光纤束的设定部位腐蚀，再将腐蚀区域扭缠合束；其三是熔融拉锥法，将待合束的光纤排列捆扎整齐，在光纤束两端施加拉力拉锥，使用热源加热拉锥部使其熔融合束。其中，熔融拉锥法制造工艺简单，成品率高，实现了输出大功率激光的技术目的，是光纤合束器的主流制造工艺。现有的光纤拉锥机在将光纤束靠近并拢时通常采用机械夹具和手工打结的方式，其中机械夹具的夹持方式通常采用多束光纤平行放置的方式，而手工打结也仅限于多束光纤中的两束靠近并拢，这种方案工艺复杂，加工精度较低，具体是逐一固定光纤束，光纤束不能规则靠拢，手工操作易产生失误和误差。上述方案的加热源通常采用单热源火炬，在加热多束光纤时常发生加热不均匀，光纤束两侧温差较大，影响熔融合束。在拉锥操作的监控方面，现有的解决方案是将熔融拉锥后的光纤锥体从平台上取下，再利用金相显微镜测量锥体的尺寸和外形，这种方案不仅工艺复杂，容易损坏光纤锥体，而且容易产生操作失误和误差。

发明内容

本发明带监控装置的集束光纤锥体熔融拉锥系统及锥体加工方法公开了新的方案，采用对称设置的旋转拉锥设备以及实时监控装置的方案，解决了现有光纤拉锥机加工工艺复杂和加工精度低的问题。

本发明带监控装置的集束光纤锥体熔融拉锥系统包括拉锥机左部100、拉锥机右部200、拉锥机加热火炬300和拉锥实时监控装置400。

拉锥机左部100包括左部底板110、左部集束光纤夹具120、左部集束光纤轴筒支座130、左部旋转传动装置140和左部电机150，左部集束光纤轴筒支座130和左部电机150固定设置在左部底板110上，左部旋转传动装置140包括左部电机主动齿轮141、左部旋转轴筒142和固定套设在左部旋转轴筒142上的左部从动齿轮143，左部旋转轴筒142设置在左部集束光纤轴筒支座130内，左部电机150通过左部电机主动齿轮141和左部从动齿轮143啮合传动带动左部旋转轴筒142作旋转运动。

拉锥机右部200包括右部底板210、右部集束光纤夹具220、右部集束光纤轴筒支座230、右部旋转传动装置240和右部电机250，右部集束光纤轴筒支座230和右部电机250固定设置在右部底板210上，右部旋转传动装置240包括右部电机主动齿轮241、右部旋转轴筒242和固定套设在右部旋转轴筒242上的右部从动齿轮243，右部旋转轴筒242设置在右部集束光纤轴筒支座230内，右部电机250通过右部电机主动齿轮241和右部从动齿轮243啮合传动带动右部旋转轴筒242作旋转运动。

拉锥实时监控装置400包括监控装置支架410、监控装置和监控输出装置，监控装置包括监控探头420和摄像装置430，监控装置设置在监控装置支架410上。

左部集束光纤夹具120和右部集束光纤夹具220将穿设在左部旋转轴筒142和右部旋转轴筒242内的集束光纤夹紧固定，拉锥机左部100和拉锥机右部200将集束光纤旋转拉锥，拉锥机加热火炬300将集束光纤拉锥部熔融，摄像装置430通过监控探头420摄取集束光纤拉锥部信息，集束光纤拉锥部信息通过监控输出装置显示出。

本发明带监控装置的集束光纤锥体熔融拉锥系统加工集束光纤锥体的方法包括步骤：(1)将集束光纤两端利用光纤夹具夹持，使得集束光纤的每根光纤在夹具中呈环状规则排列；(2)将经夹持的集束光纤放入左右旋转轴筒内，将集束光纤待拉锥熔融部分剥除表面的涂覆层，使得每根光纤的剥层部分对齐排列，利用捆扎部件将对齐后的集束光纤固定在左右旋转轴筒内；(3)开启拉锥实时监控装置，调整监控位置，使得监控探头对准集束光纤拉锥部，将固定设置在左右旋转轴筒内的集束光纤旋转拉锥，通过监控输出装置观测拉锥部的尺寸和形状，完成拉锥工艺；(4)利用加热火炬将集束光纤拉锥部熔融形成光纤合束器部件。

本发明带监控装置的集束光纤锥体熔融拉锥系统及锥体加工方法采用旋转合束和双向均匀熔融的方案实现了集束光纤的合束工艺，采用实时监控装置控制拉锥质量，简化了工艺，提高了加工精度和效率。

附图说明

图1是本发明带监控装置的集束光纤锥体熔融拉锥系统结构示意图。

图2是图1局部放大示意图。

图3是本发明加工集束光纤示意图。

图4是本发明带监控装置的集束光纤锥体熔融拉锥系统集束光纤夹具剖面示意图。

图1～4中，100是拉锥机左部，110是左部底板，120是左部集束光纤夹具，130是左部集束光纤轴筒支座，140是左部旋转传动装置，141是左部电机主动齿轮，142是左部旋转轴筒，143是左部从动齿轮，150是左部电机，160是左部安装板，170是左部电机安装板，200是拉锥机右部，210是右部底板，220右部集束光纤夹具,230是右部集束光纤轴筒支座，240是右部旋转传动装置，241是右部电机主动齿轮，242是右部旋转轴筒，243是右部从动齿轮，250是右部电机，260是右部安装板，270是右部电机安装板，300是拉锥机加热火炬，400是拉锥实时监控装置，410是监控装置支架，411是支架底座，412是支架立柱，413是一级旋转臂，414是二级旋转臂，415是铰接件，420是监控探头，430是摄像装置。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明作进一步说明。

如图1～3所示，本发明带监控装置的集束光纤锥体熔融拉锥系统示意图。带监控装置的集束光纤锥体熔融拉锥系统包括拉锥机左部100、拉锥机右部200、拉锥机加热火炬300和拉锥实时监控装置400。生产实践中发现，在集束光纤中光纤束的数目逐步增加的情况下，加热火炬很难将拉锥部均匀加热，具体是靠近火炬喷头的拉锥部位和远离火炬喷头的拉锥部位温差较大，影响熔融合束的质量，为了解决这个问题，本方案的拉锥机加热火炬300是双向加热火炬，双向加热火炬包括左右对称的2个加热火炬，集束光纤拉锥部设置在上述2个加热火炬间，当加热拉锥部时，拉锥部的两侧同时熔融，提高了集束光纤合束质量。

拉锥机左部100包括左部底板110、左部集束光纤夹具120、左部集束光纤轴筒支座130、左部旋转传动装置140和左部电机150，左部集束光纤轴筒支座130和左部电机150固定设置在左部底板110上，左部旋转传动装置140包括左部电机主动齿轮141、左部旋转轴筒142和固定套设在左部旋转轴筒142上的左部从动齿轮143，左部旋转轴筒142设置在左部集束光纤轴筒支座130内，左部电机150通过左部电机主动齿轮141和左部从动齿轮143啮合传动带动左部旋转轴筒142作旋转运动。拉锥机右部200包括右部底板210、右部集束光纤夹具220、右部集束光纤轴筒支座230、右部旋转传动装置240和右部电机250，右部集束光纤轴筒支座230和右部电机250固定设置在右部底板210上，右部旋转传动装置240包括右部电机主动齿轮241、右部旋转轴筒242和固定套设在右部旋转轴筒242上的右部从动齿轮243，右部旋转轴筒242设置在右部集束光纤轴筒支座230内，右部电机250通过右部电机主动齿轮241和右部从动齿轮243啮合传动带动右部旋转轴筒242作旋转运动。

拉锥实时监控装置400包括监控装置支架410、监控装置和监控输出装置，监控装置包括监控探头420和摄像装置430，监控装置设置在监控装置支架410上。为了方便监控探头在适当的位置和角度监视拉锥部的局部细节，本方案的监控装置支架410包括支架底座411、支架立柱412、一级旋转臂413和二级旋转臂414，支架立柱412固定设置在支架底座411上，一级旋转臂413一端与支架立柱412活动铰接，一级旋转臂413另一端通过铰接件415与二级旋转臂414一端活动铰接，上述二级旋转臂414一端与铰接件415活动铆接，二级旋转臂414另一端与监控装置固定连接，这种结构使得监控装置能够在横向和纵向空间内随意调整位置和角度，方便了监控操作。为了更好的完成实时监控，本方案的监控探头420优选是远芯显微镜，摄像装置430优选是CCD相机，监控输出装置是电子显示屏。

左部集束光纤夹具120和右部集束光纤夹具220将穿设在左部旋转轴筒142和右部旋转轴筒242内的集束光纤夹紧固定，拉锥机左部100和拉锥机右部200将集束光纤旋转拉锥，拉锥机加热火炬300将集束光纤拉锥部熔融，摄像装置430通过监控探头420摄取集束光纤拉锥部信息，集束光纤拉锥部信息通过监控输出装置显示出。

带监控装置的集束光纤锥体熔融拉锥系统在生产使用一定时间后经常会出现旋转轴筒和轴筒支座接触部磨损严重的情况，为了解决这个问题，通常要更换轴筒和轴筒支座，这样不仅给生产造成了影响，而且增加了维护成本。为了更好地解决上述问题，本方案在左部旋转轴筒142外侧设有左部旋转轴筒轴套，左部旋转轴筒142通过左部旋转轴筒轴套设置在左部集束光纤轴筒支座130内；右部旋转轴筒242外侧设有右部旋转轴筒轴套，右部旋转轴筒142通过右部旋转轴筒轴套设置在右部集束光纤轴筒支座230内，轴套可以选择硬度较低，耐磨性较好的材料，降低轴筒与支座间的摩擦，更换方便，维护成本低。

为了使整台机器各部件分工明确，简化基础部件的功能，方便机器维护工作，本方案在左部底板110上设有左部安装板160，左部集束光纤轴筒支座130和左部电机150固定设置在左部安装板160上；右部底板210上设有右部安装板260，右部集束光纤轴筒支座230和右部电机250固定设置在右部安装板260上。同样，在左部电机150上设有左部电机安装板170，左部电机150通过左部电机安装板170固定设置在左部安装板160上；右部电机250上设有右部电机安装板270，右部电机250通过右部电机安装板270固定设置在右部安装板260上，部件安装板的引入简化了部件的基础功能，维护更方便。

本方案带监控装置的集束光纤锥体熔融拉锥系统能够在制作光纤椎体的时候将集束光纤中各光纤束进行规则的靠紧并拢，这主要是通过集束光纤夹具实现的，如图4所示，具体是本方案的左部集束光纤夹具120和右部集束光纤夹具220分别包括圆柱筒状外壳和2个以上规则固定排列在圆柱筒外壳内壁上的光纤卡扣，集束光纤中单根光纤设置在光纤卡扣内。在实际加工生产过程中，通常需要加工含有7束光纤的集束，因此，本方案优选左部集束光纤夹具120和右部集束光纤夹具220分别包括圆柱筒状外壳和6个规则固定排列在圆柱筒状外壳内壁上的光纤卡扣，集束光纤包括7根光纤，7根光纤中的6根光纤设置在上述6个光纤卡扣内，7根光纤中的另外1根光纤设置在圆柱筒状外壳的中央轴线部，保证7根光纤束呈环状规则排列靠紧并拢，提高了熔融拉锥的质量。

为了提高带监控装置的集束光纤锥体熔融拉锥系统的生产效率，减少人为操作和判断造成的错误和误差，本方案带监控装置的集束光纤锥体熔融拉锥系统还包括智能自控系统，智能自控系统包括电机控制模块和加热火炬控制模块。电机控制模块包括电机开关控制电路、旋转时间控制电路和旋转角度控制电路，电机开关控制电路控制左部电机150和右部电机250的开启和关闭，旋转时间控制电路控制左部电机150和右部电机250开启持续的时间，旋转角度控制电路控制左部旋转轴筒142和右部旋转轴筒242的旋转方向和角度。加热火炬控制模块包括加热火炬推进控制电路、加热火炬开关控制电路、加热火炬加热时间控制电路和加热火炬加热温度控制电路，加热火炬推进控制电路控制加热火炬进入或退出加工位置，加热火炬开关控制电路控制加热火炬的开启和关闭，加热火炬加热时间控制电路控制加热火炬的加热时间，加热火炬加热温度控制电路控制加热火炬加热的温度。以上采用的模块、电路和电路元件可以采用本领域惯常设计和选用方案，也可以根据具体机器设计的特点采用专门匹配的设计方案。

本发明带监控装置的集束光纤锥体熔融拉锥系统加工集束光纤锥体的方法包括步骤：

将集束光纤两端利用光纤夹具夹持，使得集束光纤的每根光纤在夹具中呈环状规则排列。光纤夹具可以根据光纤束的粗细程度选择适合尺寸的型号，保持光纤束在夹具内基本固定，不会轻易滑落。

将经夹持的集束光纤放入左右旋转轴筒内，将集束光纤待拉锥熔融部分剥除表面的涂覆层，剥层部分的长度可以优选是30mm，使得每根光纤的剥层部分对齐排列，利用捆扎部件将对齐后的集束光纤固定在左右旋转轴筒内。上述捆扎部件可以选择本领域常用的设计，例如弹簧夹或钢丝圈等，也可以根据具体要求采用特制的部件。

开启拉锥实时监控装置，调整监控位置，使得监控探头对准集束光纤拉锥部，将固定设置在左右旋转轴筒内的集束光纤旋转拉锥，通过监控输出装置观测拉锥部的尺寸和形状，完成拉锥工艺。开启电机后，旋转运动通过电机主动轮传递到轴筒从动轮，轴筒从动轮带动轴筒旋转，轴筒内的集束光纤及其夹持夹具一同旋转，集束光纤的各光纤束更加靠近并拢。

利用加热火炬将集束光纤拉锥部熔融形成光纤合束器部件。双向加热火炬分别从集束光纤的两侧同时加热，保证集束光纤的熔融拉锥部受热均匀。

本方案带监控装置的集束光纤锥体熔融拉锥系统及锥体加工方法采用旋转拉锥、双向加热和光纤束环状排列方式的结合方案实现了集束光纤熔融拉锥合束的技术目的，同时采用实时监控装置辅助拉锥操作，解决了现有光纤拉锥机加工工艺复杂，加工精度低的技术问题，具备突出的实质性特点和显著的进步。

本方案带监控装置的集束光纤锥体熔融拉锥系统及锥体加工方法并不限于实施例公开的内容，实施例中出现的技术方案可以单独存在，也可以相互包含，本领域技术人员根据本方案结合现有技术作出的简单替换方案也属于本方案的范围。

Claims (10)

1.带监控装置的集束光纤锥体熔融拉锥系统，其特征是包括拉锥机左部(100)、拉锥机右部(200)、拉锥机加热火炬(300)和拉锥实时监控装置(400)；

拉锥机左部(100)包括左部底板(110)、左部集束光纤夹具(120)、左部集束光纤轴筒支座(130)、左部旋转传动装置(140)和左部电机(150)，左部集束光纤轴筒支座(130)和左部电机(150)固定设置在左部底板(110)上，左部旋转传动装置(140)包括左部电机主动齿轮(141)、左部旋转轴筒(142)和固定套设在左部旋转轴筒(142)上的左部从动齿轮(143)，左部旋转轴筒(142)设置在左部集束光纤轴筒支座(130)内，左部电机(150)通过左部电机主动齿轮(141)和左部从动齿轮(143)啮合传动带动左部旋转轴筒(142)作旋转运动；

拉锥机右部(200)包括右部底板(210)、右部集束光纤夹具(220)、右部集束光纤轴筒支座(230)、右部旋转传动装置(240)和右部电机(250)，右部集束光纤轴筒支座(230)和右部电机(250)固定设置在右部底板(210)上，右部旋转传动装置(240)包括右部电机主动齿轮(241)、右部旋转轴筒(242)和固定套设在右部旋转轴筒(242)上的右部从动齿轮(243)，右部旋转轴筒(242)设置在右部集束光纤轴筒支座(230)内，右部电机(250)通过右部电机主动齿轮(241)和右部从动齿轮(243)啮合传动带动右部旋转轴筒(242)作旋转运动；

拉锥实时监控装置(400)包括监控装置支架(410)、监控装置和监控输出装置，所述监控装置包括监控探头(420)和摄像装置(430)，所述监控装置设置在监控装置支架(410)上；

左部集束光纤夹具(120)和右部集束光纤夹具(220)将穿设在左部旋转轴筒(142)和右部旋转轴筒(242)内的集束光纤夹紧固定，拉锥机左部(100)和拉锥机右部(200)将所述集束光纤旋转拉锥，拉锥机加热火炬(300)将集束光纤拉锥部熔融，摄像装置(430)通过监控探头(420)摄取集束光纤拉锥部信息，所述集束光纤拉锥部信息通过所述监控输出装置显示出。

2.根据权利要求1所述的带监控装置的集束光纤锥体熔融拉锥系统，其特征在于，所述带监控装置的集束光纤锥体熔融拉锥系统还包括智能自控系统，所述智能自控系统包括电机控制模块和加热火炬控制模块；所述电机控制模块包括电机开关控制电路、旋转时间控制电路和旋转角度控制电路，所述电机开关控制电路控制左部电机(150)和右部电机(250)的开启和关闭，所述旋转时间控制电路控制左部电机(150)和右部电机(250)开启持续的时间，所述旋转角度控制电路控制左部旋转轴筒(142)和右部旋转轴筒(242)的旋转方向和角度；所述加热火炬控制模块包括加热火炬推进控制电路、加热火炬开关控制电路、加热火炬加热时间控制电路和加热火炬加热温度控制电路，所述加热火炬推进控制电路控制加热火炬进入或退出加工位置，所述加热火炬开关控制电路控制加热火炬的开启和关闭，所述加热火炬加热时间控制电路控制加热火炬的加热时间，所述加热火炬加热温度控制电路控制加热火炬加热的温度。

3.根据权利要求1或2所述的带监控装置的集束光纤锥体熔融拉锥系统，其特征在于，左部集束光纤夹具(120)和右部集束光纤夹具(220)分别包括圆柱筒状外壳和2个以上规则固定排列在所述圆柱筒状外壳内壁上的光纤卡扣，所述集束光纤中单根光纤设置在所述光纤卡扣内。

4.根据权利要求3所述的带监控装置的集束光纤锥体熔融拉锥系统，其特征在于，左部集束光纤夹具(120)和右部集束光纤夹具(220)分别包括圆柱筒状外壳和6个规则固定排列在所述圆柱筒状外壳内壁上的光纤卡扣，所述集束光纤包括7根光纤，所述7根光纤中的6根光纤设置在所述6个光纤卡扣内，所述7根光纤中的另外1根光纤设置在所述圆柱筒状外壳的中央轴线部。

5.根据权利要求3所述的带监控装置的集束光纤锥体熔融拉锥系统，其特征在于，拉锥机加热火炬(300)是双向加热火炬，所述双向加热火炬包括左右对称的2个加热火炬，所述集束光纤拉锥部设置在所述2个加热火炬间。

6.根据权利要求5所述的带监控装置的集束光纤锥体熔融拉锥系统，其特征在于，左部旋转轴筒(142)外侧设有左部旋转轴筒轴套，左部旋转轴筒(142)通过所述左部旋转轴筒轴套设置在左部集束光纤轴筒支座(130)内；右部旋转轴筒(242)外侧设有右部旋转轴筒轴套，右部旋转轴筒(142)通过所述右部旋转轴筒轴套设置在右部集束光纤轴筒支座(230)内。

7.根据权利要求6所述的带监控装置的集束光纤锥体熔融拉锥系统，其特征在于，左部底板(110)上设有左部安装板(160)，左部集束光纤轴筒支座(130)和左部电机(150)固定设置在左部安装板(160)上，右部底板(210)上设有右部安装板(260)，右部集束光纤轴筒支座(230)和右部电机(250)固定设置在右部安装板(260)上；左部电机(150)上设有左部电机安装板(170)，左部电机(150)通过左部电机安装板(170)固定设置在左部安装板(160)上，右部电机(250)上设有右部电机安装板(270)，右部电机(250)通过右部电机安装板(270)固定设置在右部安装板(260)上。

8.根据权利要求3所述的带监控装置的集束光纤锥体熔融拉锥系统，其特征在于，监控装置支架(410)包括支架底座(411)、支架立柱(412)、一级旋转臂(413)和二级旋转臂(414)，支架立柱(412)固定设置在支架底座(411)上，一级旋转臂(413)一端与支架立柱(412)活动铰接，一级旋转臂(413)另一端通过铰接件(415)与二级旋转臂(414)一端活动铰接，所述二级旋转臂(414)一端与铰接件(415)活动铆接，二级旋转臂(414)另一端与所述监控装置固定连接；监控探头(420)是远芯显微镜，摄像装置(430)是CCD相机，所述监控输出装置是电子显示屏。

9.一种根据权利要求1所述带监控装置的集束光纤锥体熔融拉锥系统加工集束光纤的方法，其特征是包括步骤：

(1)将集束光纤两端利用光纤夹具夹持，使得集束光纤的每根光纤在夹具中呈环状规则排列；

(2)将经夹持的集束光纤放入左右旋转轴筒内，将集束光纤待拉锥熔融部分剥除表面的涂覆层，使得每根光纤的剥层部分对齐排列，利用捆扎部件将对齐后的集束光纤固定在左右旋转轴筒内；

(3)开启拉锥实时监控装置，调整监控位置，使得监控探头对准集束光纤拉锥部，将固定设置在左右旋转轴筒内的集束光纤旋转拉锥，通过监控输出装置观测拉锥部的尺寸和形状，完成拉锥工艺；

(4)利用加热火炬将集束光纤拉锥部熔融形成光纤合束器部件。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，步骤(2)中所述剥层部分的长度是30mm。