CN104977665A - 一种激光器光纤耦合器件及耦合方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种激光器光纤耦合器件，其包括激光器及依次顺次放置于所述激光器的激光光路中的耦合透镜和光纤，还包括两个厚度完全相同且相互垂直地设置于激光光路中的光学反射镜片及至少一个用于实时监测所述光纤位置和激光聚焦光点位置的光学感测元件，所述两个光学反射镜片位于所述激光器和所述耦合透镜之间，所述激光器发射的激光束以45°入射到临近的一个所述光学反射镜片，所述光学感测元件设置于至少一个所述光学反射镜片的远离所述激光器的表面外侧。所述激光器光纤耦合器件可在耦合时实时监测聚焦点与光纤端面的重合情况，并可在高功率下实现快速耦合操作，降低光纤损坏的几率。本发明另外提供一种激光器光纤耦合方法。

Description

一种激光器光纤耦合器件及耦合方法
技术领域
本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种激光器光纤耦合器件及耦合方法。
背景技术
随着激光技术的发展，工业激光器以其独特的优势已经越来越广泛的应用于工业加工中，并逐渐取代了常规的机械加工方式，成为工业加工应用的主流。对于很多工业应用，例如激光切割、激光焊接等，实际中可能需要用到机械手来夹持激光器以进行工作，但对于大功率激光器来说，直接夹持激光器是难以实现的，因此，将大功率激光输出耦合到光纤中，并通过夹持光纤来实现激光加工设备的柔性操作，就成了一项具有竞争力技术。
在激光加工中，将大功率激光耦合到光纤中从而进行加工应用的技术已经相对成熟，但是仍存在一些技术问题：第一，光纤与耦合透镜焦点的精确定位问题；第二，大功率下耦合透镜的热形变引起的焦点位置变化，进而引起耦合效率变低的问题。申请号CN201310107291.X的中国专利公开了一种激光二极管泵浦固体激光器光纤耦合输出方法，其虽然在机械稳定性方面具有独到之处，但在耦合调试方面仍无法精确定位光纤端面和耦合透镜焦点的相对位置，使得调试时无法直观监测耦合情况，因此在大功率条件下，容易损坏光纤，造成额外的成本损耗。
一般情况下，为了避免在大功率下耦合调试时损坏光纤，在调试时通常先采用低功率下进行耦合调试达到最佳效率，然后固定光纤和耦合透镜的位置。但是，这种方法同时带来大功率下耦合效率降低的问题，因为随着激光功率输出的增加，耦合透镜会有热量积累，从而造成透镜形变，引起聚焦点出现位置变化，进而耦合效率也会略有降低，以致达不到最佳的耦合效率。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种简单、易于调试且能精确定位的激光器光纤耦合器件及耦合方法。
一种激光器光纤耦合器件，其包括激光器及依次顺次放置于所述激光器的激光光路中的耦合透镜和光纤，还包括两个厚度完全相同且相互垂直地设置于激光光路中的光学反射镜片及至少一个用于实时监测所述光纤位置和激光聚焦光点位置的光学感测元件，所述两个光学反射镜片位于所述激光器和所述耦合透镜之间，所述激光器发射的激光束以45°入射到临近的一个所述光学反射镜片，所述光学感测元件设置于至少一个所述光学反射镜片的远离所述激光器的表面外侧。
本发明一较佳实施方式中，所述激光器光纤耦合器件包括一个所述光学感测元件，所述光学感测元件设置于任一所述光学反射镜片的远离所述激光器的表面外侧。
本发明一较佳实施方式中，所述激光器光纤耦合器件包括两个所述光学感测元件，所述两个光学感测元件分别对应设置于所述两个光学反射镜片的远离所述激光器的表面外侧。
本发明一较佳实施方式中，所述光学感测元件为CCD传感器或CMOS传感器。
本发明一较佳实施方式中，还包括夹持调试所述耦合透镜的夹持调试装置。
本发明一较佳实施方式中，所述光学反射头镜片的表面镀有45°的高透介质膜。
本发明一较佳实施方式中，还包括放置于所述光学感测元件和与其对应的所述光学反射镜片之间的激光衰减器。
本发明另外提供一种激光器光纤耦合方法，在激光器和耦合透镜或自聚焦透镜之间放置两个厚度完全相同、且相互垂直的光学反射镜片，并在至少一个所述光学反射镜片的远离所述激光器的表面外侧用光学感测元件实时监测光纤端面位置和聚焦光点位置，激光束从所述激光器出来后以45°入射到临近的一个所述光学反射镜片。
本发明还提供一种激光器光纤耦合器件，其包括激光器及依次顺次放置于所述激光器的激光光路中的耦合透镜和光纤，所述激光器具有用于辅助调试激光且与激光同轴输出的指示红光，还包括两个厚度完全相同且相互垂直的光学反射镜片，所述两个光学反射镜片设置于激光光路中，且位于所述激光器和所述耦合透镜之间，指示红光以45°入射到临近的一个所述光学反射镜片，观察者于至少一个所述光学反射镜片的远离所述激光器的表面外侧实时监测所述光纤位置和激光聚焦光点位置。
本发明一较佳实施方式中，所述光学反射头镜片的表面镀有45°的高透介质膜。
相对于现有技术，所述激光器光纤耦合器件实现了耦合时实时监测聚焦点与光纤端面的重合情况，并可在高功率下实现快速耦合操作，降低光纤损坏的几率。所述激光器光纤耦合器件及激光器光纤耦合方法易于操作实现，在实际应用中，既可以在设备装配时进行应用，也可在客户端进行维护时使用，可大大提高工作效率。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1为本发明第一实施例提供的激光器光纤耦合器件的示意图；
图2为图1所示激光器光纤耦合器件的第一种实现方式示意图；
图3为图1所示激光器光纤耦合器件的第二种实现方式示意图；
图4为图1所示激光器光纤耦合器件的第三种实现方式示意图；
图5为本发明第二实施例提供的激光器光纤耦合器件的示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细的说明。
请参阅图1，本发明第一实施例提供一种激光器光纤耦合器件100，其包括激光器10、耦合透镜20、光纤30、两个光学反射镜片40及至少一个光学感测元件50。所述激光器10用于发射激光束；所述耦合透镜20和所述光纤30依次顺序放置于所述激光器10的激光光路中，所述耦合透镜20用于将所述激光器10发射的激光束聚焦至所述光纤30的端面，所述光纤30用于传输激光束。所述两个光学反射镜片40的厚度完全相同且相互垂直地设置于激光光路中，所述两个光学反射镜片40位于所述激光器10和所述耦合透镜20之间，所述激光器10发射的激光束以45°入射到临近的一个所述光学反射镜片40。所述光学感测元件50设置于至少一个所述光学反射镜片40的远离所述激光器10的表面外侧。
优选地，所述光学反射头镜片40的表面镀有45°的高透介质膜。本实施例中，每一所述光学发射镜片40的两个表面分别镀45°的1064nm高透介质膜，可以理解的是，光学发射镜片40的镀膜可以根据激光器10输出的激光波长的不同而不同，并不局限于1064nm，也可以为10.6μm、532nm等波长。
本实施例中，所述激光器光纤耦合器件100包括一个所述光学感测元件50，所述光学感测元件50设置于任一所述光学反射镜片40的远离所述激光器10的表面外侧。具体地，所述光学感测元件50可以设置于靠近所述耦合透镜20的光学反射镜片40b的远离所述激光器10的表面外侧，如图2所示。当然，并不局限于此，所述光学感测元件50也可以设置于远离所述耦合透镜20的光学反射镜片40a的远离所述激光器10的表面外侧，如图3所示。
请参阅图4，本发明另一实现方式中，所述激光器光纤耦合器件100包括两个所述光学感测元件50，所述两个光学感测元件50分别对应设置于光学反射镜片40a和光学反射镜片40b的远离所述激光器10的表面外侧。
本实施例中，所述光学感测元件50为CCD（Charge-coupled Device，电荷耦合元件），可以理解的是，所述光学感测元件50也可以为（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体）。
本实施例中，为了防止激光束损坏光学感测元件50（CCD），在所述光学感测元件50和与其对应的所述光学反射镜片40之间放置一个激光衰减器60，即在光学感测元件50朝向对应光学反射镜片40的前方放置激光衰减器60，如图1至图4所示。
以下本发明以1064nm灯泵浦激光为例对激光器光纤的耦合进行说明。请参阅图2，首先让激光器10输出低功率或低能量的1064nm脉冲激光束，激光束输出后以45°入射至靠近激光器10的光学反射镜片40a，通过光学反射镜片40a时，由于折射而产生传输方向的第一次偏移（如图2所示水平方向的侧移），可以理解的是，偏移距离与光学反射镜片40a的厚度有关。然后，激光束继续传输到靠近耦合透镜10的光学反射镜片40b，通过光学反射镜片40b时，同样由于折射而产生传输方向的第二次偏移，此时，由于两个光学反射镜片40厚度完全相同，且相互垂直设置，因此第二次偏移时激光束向第一次偏移的反方向偏移相同距离，进而使得激光束的传输方位与出射时一致。其后，激光束传输到耦合透镜20，并被耦合透镜20聚焦到光纤30的端面，由于光纤端面对激光的发射作用，在完全垂直光纤端面入射的情况下，部分激光束将被反射并沿原光路返回。被光纤端面反射的激光束沿原光路返回并射向光学反射镜片40b时，将有微弱的激光束被远离所述激光器10的表面（即朝向所述耦合透镜20的表面）反射到光学感测元件50，由此，通过光学感测元件50即可以清晰地看到光纤30的端面情况，进而便于调节耦合透镜20，使光纤30的端面在光学感测元件50上的成像最清晰，并在光纤30的端面呈现光斑，使光斑居中于光纤30的端面。最后，加大激光器10的激光输出功率至最高，输出稳定后，微调耦合透镜20的位置至光纤30的端面在光学感测元件50的成像显示最佳时，固定耦合透镜20和光纤30，移去光学反射镜片40a、光学反射镜片40b及光学感测元件50，即可完成激光器光纤的耦合。
本实施例中，所述激光器光纤耦合器件100还包括夹持调试所述耦合透镜20的夹持调试装置（图未示）。
同样的原理，光学感测元件50放置在靠近激光器10的光学反射镜片40a的远离激光器10的表面外侧（如图3所示），或者在两个光学反射镜片40（光学反射镜片40a和光学反射镜片40b）的远离激光器10的表面外侧均放置一个光学感测元件50时（如图4所示），同样可以达到相同效果，在对激光器光纤进行耦合时实现实时监测聚焦点与光纤端面的重合情况，并可在高功率下实现快速耦合操作。
可以理解的是，本发明提供的激光器光纤耦合器件100中，耦合透镜20也可以用自聚焦透镜进行替换，只要能将激光束有效的聚焦至光纤30的端面即可。
可以理解的是，所述两个光学反射镜片40和光学感测元件50共同组成实时监测激光器光纤耦合的监测器件，本实施例中，所述两个光学反射镜片40共同构成的直角按图1所示方向向上的位置进行设置，当然，并不局限于此，所述两个光学反射镜片40共同构成直角也可以按图1所示方向旋转180°，即所述两个光学反射镜片40共同构成直角向下设置，光学感测元件50相应的变换位置即可。
请参阅图5，本发明第二实施例提供一种激光器光纤耦合器件200，其与本发明第一实施例激光器光纤耦合器件100的区别在于：所述激光器10’具有用于辅助调试激光且与激光同轴输出的指示红光，指示红光以45°入射到临近的一个所述光学反射镜片40；同时，激光器光纤耦合器件200中没有所述光学感测元件50。观察者于至少一个所述光学反射镜片40的远离所述激光器10的表面外侧实时监测所述光纤位置和激光聚焦光点位置
激光器光纤耦合器件200的工作原理和本发明第一实施例中激光器光纤耦合器件100的工作原理类似，此处不再赘述。
可以理解的是，对于所述激光器10’，其本身存在用于辅助调试激光的指示红光，且与激光同轴输出，因此，利用所述激光器10’时，所述激光器光纤耦合器件200可以在不开启激光的情况下，用肉眼直接观测指示红光聚焦点与光纤端面的重合程度，以判断耦合透镜20是否调节到最佳位置，此时即可以省去光学感测元件50，相应地，还可以省去激光衰减器60。
本发明第三实施例提供一种激光器光纤耦合方法，在激光器10和耦合透镜20之间放置两个厚度完全相同、且相互垂直的光学反射镜片40，并在至少一个所述光学反射镜片40的远离所述激光器10的表面外侧用光学感测元件50实时监测光纤30端面位置和聚焦光点位置，激光束从所述激光器10出来后以45°入射到临近的一个所述光学反射镜片40。
本实施例中，所述光学感测元件50为CCD（Charge-coupled Device，电荷耦合元件），可以理解的是，所述光学感测元件50也可以为（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体）。
相对于现有技术，所述激光器光纤耦合器件100实现了耦合时实时监测聚焦点与光纤端面的重合情况，并可在高功率下实现快速耦合操作，降低光纤损坏的几率。所述激光器光纤耦合器件100及激光器光纤耦合方法易于操作实现，在实际应用中，既可以在设备装配时进行应用，也可在客户端进行维护时使用，可大大提高工作效率。
以上所述，仅是本发明的实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种激光器光纤耦合器件，其包括激光器及依次顺次放置于所述激光器的激光光路中的耦合透镜和光纤，其特征在于，还包括两个厚度完全相同且相互垂直地设置于激光光路中的光学反射镜片及至少一个用于实时监测所述光纤位置和激光聚焦光点位置的光学感测元件，所述两个光学反射镜片位于所述激光器和所述耦合透镜之间，所述激光器发射的激光束以45°入射到临近的一个所述光学反射镜片，所述光学感测元件设置于至少一个所述光学反射镜片的远离所述激光器的表面外侧。
2.如权利要求1所述的激光器光纤耦合器件，其特征在于，所述激光器光纤耦合器件包括一个所述光学感测元件，所述光学感测元件设置于任一所述光学反射镜片的远离所述激光器的表面外侧。
3.如权利要求1所述的激光器光纤耦合器件，其特征在于，所述激光器光纤耦合器件包括两个所述光学感测元件，所述两个光学感测元件分别对应设置于所述两个光学反射镜片的远离所述激光器的表面外侧。
4.如权利要求1所述的激光器光纤耦合器件，其特征在于，所述光学感测元件为CCD传感器或CMOS传感器。
5.如权利要求1所述的激光器光纤耦合器件，其特征在于，还包括夹持调试所述耦合透镜的夹持调试装置。
6.如权利要求1所述的激光器光纤耦合器件，其特征在于，所述光学反射头镜片的表面镀有45°的高透介质膜。
7.如权利要求1～6任一项所述的激光器光纤耦合器件，其特征在于，还包括放置于所述光学感测元件和与其对应的所述光学反射镜片之间的激光衰减器。
8.一种激光器光纤耦合方法，其特征在于，在激光器和耦合透镜或自聚焦透镜之间放置两个厚度完全相同、且相互垂直的光学反射镜片，并在至少一个所述光学反射镜片的远离所述激光器的表面外侧用光学感测元件实时监测光纤端面位置和聚焦光点位置，激光束从所述激光器出来后以45°入射到临近的一个所述光学反射镜片。
9.一种激光器光纤耦合器件，其包括激光器及依次顺次放置于所述激光器的激光光路中的耦合透镜和光纤，所述激光器具有用于辅助调试激光且与激光同轴输出的指示红光，其特征在于，还包括两个厚度完全相同且相互垂直的光学反射镜片，所述两个光学反射镜片设置于激光光路中，且位于所述激光器和所述耦合透镜之间，指示红光以45°入射到临近的一个所述光学反射镜片，观察者于至少一个所述光学反射镜片的远离所述激光器的表面外侧实时监测所述光纤位置和激光聚焦光点位置。
10.如权利要求9所述的激光器光纤耦合器件，其特征在于，所述光学反射头镜片的表面镀有45°的高透介质膜。
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