CN105223661A - 一种光纤精度调焦耦合装置及装调方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤精密调焦耦合装置，包括基准平台和位于其上端的2秒自准直仪，2秒自准直仪前端和后端分别设有物镜和目镜，2秒自准直仪上设有水平角微动微调旋钮；2秒自准直仪前端设置有连接光源控制盒的光纤耦合组，光纤耦合组包括光纤耦合组底板和位于上端的耦合镜组，耦合镜组包括耦合镜组底座，耦合镜组底座上设有耦合透镜安装面，透镜安装面上设有耦合透镜，耦合透镜前端设有光纤工作端面和与光纤工作端面相匹配的光纤夹持组；耦合镜组和光纤夹持组分别设有相匹配的水冷制冷装置一和水冷制冷装置二。本发明的有益效果为：结构简单，装调方法容易实现，并且可以消除机械件加工误差、光学件误差、装配误差对实际焦点位置产生的影响。

Description

一种光纤精度调焦耦合装置及装调方法

技术领域

本发明涉及激光耦合装置，具体的，涉及一种光纤精密调焦耦合装置及装调方法。

背景技术

在激光行业中，现行的光纤耦合技术普遍存在的问题及缺陷是：

1.在激光光纤耦合技术中，小功率(几瓦——几十瓦级)光纤调焦耦合，常见技术只能进行非定量的目视手控调焦操作，用记录功率输出变化找拐点，凭经验感觉操作；或是用隔圈车配间隔来调焦，不能进行高精密度的精细定量调焦。

2.由前组传递过来准备进行聚焦透镜汇聚的激光束，在光纤激光器中往往是多路激光束，甚至多达近20束高功率激光束，单束激光功率高达60W甚至更高，多路激光束汇聚总功率高达上千瓦，经聚焦于φ0.4mm的石英光纤工作端面上，其功率密度极高，焦点附近温度极高，若接收光纤端面达不到极高精度的调焦位置和正确的端面姿态，使激光能量耦合导入光纤中进行传递，极小的位置误差就会使光纤烧坏；传统的光纤调焦耦合技术不能有效解决这个技术难题，由于达不到必需的调焦耦合精度，极易烧光纤，损坏激光器，且是一种较大的质量事故。

3.传统的光纤调焦耦合技术的耦合效率一般不高，最高见有达到70％的，再想提高存在较大困难，这是由于传统耦合方法的缺点决定的。

4.在实际操作中，由于机械件的加工误差，光学件的误差，装配误差均是不可避免的，实际焦点位置往往偏离原理论的设计位置，传统的光纤调焦耦合方法不能很好的解决这个问题，由于找不到实际焦点的精确位置，往往是不能解决的。

针对现有技术中的相关问题，目前尚未提出有效的解决办法。

发明内容

本发明的目的是提供了一种光纤精密调焦耦合装置及装调方法，以克服现有技术中的上述不足。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现：

一种光纤精密调焦耦合装置，包括基准平台，所述基准平台上设有2秒自准直仪，所述2秒自准直仪包括分别设置在所述2秒自准直仪前端和后端的物镜和目镜，并且所述2秒自准直仪上设有水平角微动微调旋钮；所述2秒自准直仪的前端设有相匹配的光纤耦合组，所述光纤耦合组连接有相匹配的光源控制盒，其中所述光纤耦合组包括光纤耦合组底板，所述光纤耦合组底板上端设有耦合镜组，所述耦合镜组包括耦合镜组底座和设置在所述耦合镜组底座上端的耦合透镜安装面，所述透镜安装面上设有相匹配的耦合透镜，所述耦合透镜的前端设有光纤工作端面以及与光纤工作端面相匹配的光纤夹持组；并且所述耦合镜组和光纤夹持组分别设有相匹配的水冷制冷装置一和水冷制冷装置二。

进一步的，所述光纤耦合组连接有激光光纤，所述光源控制盒连接有与激光光纤相匹配的红光光源，所述光纤耦合组通过激光光纤和红光光源的相互配合与所述光源控制盒相连接。

进一步的，所述2秒自准直仪上设有相匹配的分划板，所述分划板位于所述物镜的后端以及目镜的前端，所述分划板上设有分划板十字刻线，所述2秒自准直仪上还设有与分划板相配合的照明光源。

进一步的，所述水冷制冷装置一包括设置在耦合镜组后端的透镜组进水管，并且所述耦合镜组的前端设有相匹配的透镜组出水管；

所述水冷制冷装置二包括设置在光纤夹持组后端的光纤组进水管，并且所述光纤夹持组的前端设有相匹配的光纤组出水管。

进一步的，所述2秒自准直仪下端通过调节螺钉连接有相匹配直仪底座，所述直仪底座为三角结构。

进一步的，所述基准平台由双零级花岗岩构成。

一种光纤精密调焦耦合装置的装调方法，包括以下步骤：

步骤1：将2秒自准直仪放置在基准平台上的预计位置处，在所述2秒自准直仪的前端放置预先准备好的0.2秒直角规，通过0.2秒直角规将2秒自准直仪的光轴调整为与所述基准平台平行，使得光轴成为基准轴，然后固定所述2秒自准直仪的姿态；

步骤2：将所述0.2秒直角规撤走，在0.2秒直角规位置处放置光纤耦合组中的光纤耦合组底板、耦合镜组底座以及设置在耦合镜组底座上端的耦合透镜安装面，使得耦合透镜安装面与所述2秒自准直仪对正，在所述耦合透镜安装面内放置预先准备好的平面反射镜，通过平面反射镜将耦合透镜安装面调整为垂直于所述2秒自准直仪的光轴，然后用耦合透镜替换所述平面反射镜，即完成了耦合镜组的装调过程，固定此时所述耦合透镜的姿态；

步骤3：在所述光纤耦合组底板上安装光纤夹持组，打开与光纤耦合组相连接的光源控制盒，使得红光光源发光并经激光光纤的传导在光纤工作端面处产生红光发光面，沿水平轴微调调整位于所述光纤耦合组底板上的光纤夹持组，使得光纤工作端面位于所述耦合透镜的焦面附近处，所述红光发光面经耦合透镜和物镜在分划板的视野中形成红色小圆光斑像的光纤工作端面像，然后对所述光纤工作端面像进行调整，使得与所述分划板十字刻线的中心像面重合，然后固定所述光纤耦合组的姿态；

步骤4：在耦合镜组与光纤夹持组的预计位置处分别安装相匹配的水冷制冷装置一和水冷制冷装置二，此时完成了光纤耦合组的全部装调工作。

进一步的，其中，通过0.2秒直角规将2秒自准直仪的光轴调整为与所述基准平台平行包括：

步骤1-1：将预先准备的0.2秒直角规放置在所述2秒自准直仪的前端，其中，所述0.2秒直角规上设有直角规反射工作面，所述直角规反射工作面与所述2秒自准直仪的物镜对正；

步骤1-2：打开2秒自准直仪上分划板的照明光源，使得所述分划板十字刻线位于所述物镜的焦面位置，调节所述2秒自准直仪的物镜筒，使得所述分划板十字刻线位于所述物镜的像方焦面上；

步骤1-3：所述分划板十字刻线经所述直角规反射工作面反射后，再经物镜的聚焦，在分划板上形成十字线反射像；

步骤1-4：通过调整2秒自准直仪上的水平角微动微调旋钮和调节螺钉使得所述十字线反射像)与分划板十字刻线完全重合，使得所述2秒自准直仪的光轴与所述直角规反射工作面垂直，同时所述2秒自准直仪的光轴平行于基准平台的基准平面成为基准轴，即基准调平完成。

进一步的，所述通过平面反射镜将耦合透镜安装面调整为垂直于所述2秒自准直仪的光轴包括：

步骤2-1：通过目镜看到所述分划板十字刻线经所述平面反射镜并通过物镜在所述分划板上的十字线反射像；

步骤2-2：对于十字线反射像与分划板十字刻线所形成的俯仰角进行调整，通过对所述耦合镜组的耦合镜组底座的精研调整，使得所述十字线反射像与分划板十字刻线的水平线重合；

步骤2-3：对于所述十字线反射像与分划板十字刻线所形成的水平角进行调整，通过对光纤耦合组底板两侧的微调调整，使得所述十字线反射像与分划板十字刻线的垂直线重合，即使得所述耦合透镜安装面调整到位，使得所述耦合透镜安装面垂直于所述2秒自准直仪的光轴。

进一步的，所述对所述光纤工作端面像进行调整，使得与所述分划板十字刻线的中心像面重合包括：

步骤3-1：对所述光纤工作端面像与所述分划板十字刻线所形成的俯仰角进行调整，通过对所述光纤夹持组的光纤夹持组底座的精研调整，使得所述光纤工作端面像与所述分划板十字刻线的水平线重合；

步骤3-2：对所述光纤工作端面像的焦点进行调整，通过对所述光纤夹持组的光纤夹持组底座的前后底端面的微调调整，使得所述光纤工作端面像位于所述耦合透镜的焦面位置；

步骤3-3：对所述光纤工作端面像与所述分划板十字刻线所形成的水平角进行调整，通过所述光纤夹持组的光纤夹持组底座的左右两侧的微调调整，使得所述光纤工作端面像与所述分划板十字刻线的垂直线重合，即使得所述光纤工作端面像与所述分划板十字刻线的中心像面重合，完成了对光纤工作端面的装调工作。

本发明的有益效果为：

1、本发明引进了用红光成像光斑作为判读靶标，进行焦点对准，该焦点是一个空间虚拟的位置，没有直观依据，传统方法是无法确定焦点的精确位置的；在分划板13的视场中，可根据光纤工作端面像，来对光纤工作端面的俯仰角、水平位置、离焦量指引进行精密微调，以及在可视条件下进行位置和角度的判读指引进行精密研磨，以便能够定量、定向的进行精密微调耦合，本技术为激光行业中的一大创新方法；

2、本发明的调焦耦合精度可量化判断：a)角度误差：对光纤工作端面，可以判读出最后的耦合角度状态误差，精细调整下俯仰角、水平方向角精确度可做到高达到2-3角秒级以内；b)中心位置误差：接收光纤工作端面(光纤工作端面)中心位置误差可以精确到1/8光纤直径，即：约50微米，这是一个很高的调焦精度；传统的调焦耦合方法，凭经验感觉，用功率计读数找拐点来指引大致估调，两者完全不可比；c)调焦位置误差：可在视场中直观观察找出光纤工作端面像的最清晰位置，就可以将光纤工作端面定位在高斯光束的束腰中心位置上(误差值一般可控制在聚焦透镜的1/2-1/3焦深范围内)；

3、可以消除机械件加工误差、光学件误差、装配误差对实际焦点位置产生的影响，使实际的激光束汇聚焦点被调整到光纤工作端面中心上或控制在极小的可以接受的误差范围内；

4、光纤耦合头结构稳定，本发明方法可以定量、定方向地指引光纤头角度微调结构以精密研磨的方法进行微小角度调整，在此方法下调试好的结构稳定性极高，有效避开了传统弹性镜架调整微小角度后不能长期稳定工作的重大缺陷；使得在大功率下激光器能长期稳定地工作；

5、由于以上特点，使用本技术进行调焦耦合后，可以将大功率激光在高斯光束汇聚的范围内几乎完全导入到光纤本身的数值孔径内，因此可以达到很高的一个耦合效率；已经过实际验证：可以使耦合效率实际高达82％(按高斯光束理论计算，激光束聚焦后能够参与耦合的最大能量只占86.5％)，远高于传统耦合方法的效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例所述的一种光纤精密调焦耦合装置的整体结构示意图；

图2是根据本发明实施例所述的一种光纤精密调焦耦合装置的装调方法中的基准调平示意图；

图3是根据本发明实施例所述的一种光纤精密调焦耦合装置的装调方法中的耦合透镜安装面自准直调整示意图；

图4是根据本发明实施例所述的一种光纤精密调焦耦合装置的装调方法中的光纤调焦耦合部分调试示意图。

图中：

1、基准平台；2、2秒自准直仪；3、光纤耦合组；4、激光光纤；5、红光光源；6、光源控制盒；7、透镜组进水管；8、透镜组出水管；9、光纤组进水管；10、光纤组出水管；11、0.2秒直角规；12、直角规反射工作面；13、分划板；14、分划板十字刻线；15、十字线反射像；16、目镜；17、物镜；18、平面反射镜；19、耦合透镜安装面；20、光纤耦合组底板；21、耦合镜组；22、耦合透镜；23、光纤工作端面；24、光纤夹持组；25、光纤工作端面像；26、中心像面。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-4所示，根据本发明实施例所述的一种光纤精密调焦耦合装置，包括基准平台1，所述基准平台1上设有2秒自准直仪2，所述2秒自准直仪2包括分别设置在所述2秒自准直仪2前端和后端的物镜17和目镜16，并且所述2秒自准直仪2上设有水平角微动微调旋钮；所述2秒自准直仪2的前端设有相匹配的光纤耦合组3，所述光纤耦合组3连接有相匹配的光源控制盒6，其中所述光纤耦合组3包括光纤耦合组底板20，所述光纤耦合组底板20上端设有耦合镜组21，所述耦合镜组21包括耦合镜组底座和设置在所述耦合镜组底座上端的耦合透镜安装面19，所述透镜安装面19上设有相匹配的耦合透镜22，所述耦合透镜22的前端设有光纤工作端面23以及与光纤工作端面23相匹配的光纤夹持组24；并且所述耦合镜组21和光纤夹持组24分别设有相匹配的水冷制冷装置一和水冷制冷装置二。

所述光纤耦合组3连接有激光光纤4，所述光源控制盒6连接有与激光光纤4相匹配的红光光源5，所述光纤耦合组3通过激光光纤4和红光光源5的相互配合与所述光源控制盒6相连接。

所述2秒自准直仪2上设有相匹配的分划板13，所述分划板13位于所述物镜17的后端以及目镜16的前端，所述分划板13上设有分划板十字刻线14，所述2秒自准直仪2上还设有与分划板13相配合的照明光源。

所述水冷制冷装置一包括设置在耦合镜组21后端的透镜组进水管7，并且所述耦合镜组21的前端设有相匹配的透镜组出水管8；

所述水冷制冷装置二包括设置在光纤夹持组24后端的光纤组进水管9，并且所述光纤夹持组24的前端设有相匹配的光纤组出水管10。

所述2秒自准直仪2下端通过调节螺钉连接有相匹配的直仪底座，所述直仪底座为三角结构，所述光纤耦合组3的底座为矩形结构。

所述基准平台1由双零级花岗岩构成。

一种光纤精密调焦耦合装置的装调方法，包括以下步骤：

步骤1：将2秒自准直仪2放置在基准平台1上的预计位置处，在所述2秒自准直仪2的前端放置预先准备好的0.2秒直角规11，通过0.2秒直角规11将2秒自准直仪2的光轴调整为与所述基准平台1平行，使得光轴成为基准轴，然后固定所述2秒自准直仪2的姿态；

其中，如图2所示，通过0.2秒直角规11将2秒自准直仪2的光轴调整为与所述基准平台1平行包括：

步骤1-1：将预先准备的0.2秒直角规11放置在所述2秒自准直仪2的前端，其中，所述0.2秒直角规11上设有直角规反射工作面12，所述直角规反射工作面12与所述2秒自准直仪2的物镜17对正；

步骤1-2：打开2秒自准直仪2上分划板13的照明光源，使得所述分划板十字刻线14位于所述物镜17的焦面位置，调节所述2秒自准直仪2的物镜筒，使得所述分划板十字刻线14位于所述物镜17的像方焦面上；

步骤1-3：所述分划板十字刻线14经所述直角规反射工作面12反射后，再经物镜17的聚焦，在分划板13上形成十字线反射像15；

步骤1-4：通过调整2秒自准直仪2上的水平角微动微调旋钮和调节螺钉使得所述十字线反射像15与分划板十字刻线14完全重合，使得所述2秒自准直仪2的光轴与所述直角规反射工作面12垂直，同时所述2秒自准直仪2的光轴平行于基准平台1的基准平面成为基准轴，即基准调平完成。

步骤2：将所述0.2秒直角规11撤走，在0.2秒直角规11位置处放置光纤耦合组3中的光纤耦合组底板20、耦合镜组底座以及设置在耦合镜组底座上端的耦合透镜安装面19，使得耦合透镜安装面19与所述2秒自准直仪2对正，在所述耦合透镜安装面19内放置预先准备好的平面反射镜18，通过平面反射镜18将耦合透镜安装面19调整为垂直于所述2秒自准直仪2的光轴，然后用耦合透镜22替换所述平面反射镜18，即完成了耦合镜组21的装调过程，固定此时所述耦合透镜21的姿态；

其中，如图3所示，所述通过平面反射镜18将耦合透镜安装面19调整为垂直于所述2秒自准直仪2的光轴包括：

步骤2-1：通过目镜16看到所述分划板十字刻线14经所述平面反射镜18并通过物镜17在所述分划板13上的十字线反射像15；

步骤2-2：对于十字线反射像15与分划板十字刻线14所形成的俯仰角进行调整，通过对所述耦合镜组21的耦合镜组底座的精研调整，使得所述十字线反射像15与分划板十字刻线14的水平线重合；

步骤2-3：对于所述十字线反射像15与分划板十字刻线14所形成的水平角进行调整，通过对光纤耦合组底板两侧的微调调整，使得所述十字线反射像15与分划板十字刻线14的垂直线重合，即使得所述耦合透镜安装面19调整到位，使得所述耦合透镜安装面19垂直于所述2秒自准直仪2的光轴。

步骤3：在所述光纤耦合组底板20上安装光纤夹持组24，打开与光纤耦合组3相连接的光源控制盒6，使得红光光源5发光并经激光光纤4的传导在光纤工作端面23处产生红光发光面，沿水平轴微调调整位于所述光纤耦合组底板20上的光纤夹持组24，使得光纤工作端面23位于所述耦合透镜22的焦面附近处，所述红光发光面经耦合透镜22和物镜17在分划板13的视野中形成红色小圆光斑像的光纤工作端面像25，然后对所述光纤工作端面像25进行调整，使得与所述分划板十字刻线14的中心像面26重合，然后固定所述光纤耦合组3的姿态；

其中，如图4所示，所述对所述光纤工作端面像25进行调整，使得与所述分划板十字刻线14的中心像面16重合包括：

步骤3-1：对所述光纤工作端面像25与所述分划板十字刻线14所形成的俯仰角进行调整，通过对所述光纤夹持组24的光纤夹持组底座的精研调整，使得所述光纤工作端面像25与所述分划板十字刻线14的水平线重合；

步骤3-2：对所述光纤工作端面像25的焦点进行调整，通过对所述光纤夹持组24的光纤夹持组底座的前后底端面的微调调整，使得所述光纤工作端面像25位于所述耦合透镜22的焦面位置；

步骤3-3：对所述光纤工作端面像25与所述分划板十字刻线14所形成的水平角进行调整，通过所述光纤夹持组24的光纤夹持组底座的左右两侧的微调调整，使得所述光纤工作端面像25与所述分划板十字刻线14的垂直线重合，即使得所述光纤工作端面像25与所述分划板十字刻线14的中心像面26重合，完成了对光纤工作端面23的装调工作。

步骤4：在耦合镜组21与光纤夹持组24的预计位置处分别安装相匹配的水冷制冷装置一和水冷制冷装置二，此时完成了光纤耦合组3的全部装调工作。

具体使用时，本技术是对装置以及方法的改进，其中精密基准传递及微小量精密测量的概念贯穿始终，调试中光纤夹持座的微小倾角精密研磨和轴向微小量移动、红光像的对中心等都是本发明的核心步骤，具体体现在：1)在激光精密调试中引进了自准直精密测角方法；2)巧妙利用红光成像方法指示光纤端面的实际位置；3)在自准直仪分划板视场上的可视条件下，对光纤夹持座指导进行精密研磨，指引进行微小倾角的机械对中心的操作方法；4)通过观察红光成像光斑的清晰度指引进行轴向微量调焦的操作方法。

具体的操作步骤如下：

一、基准调平：

如图2所示，将2秒自准直仪2安放在已水平放置好的双零级花岗岩基准平台1上的适当位置，所述2秒自准直仪2和基准平台1之间是三点接触，在2秒自准直仪2前面适当位置安放0.2秒直角规11，使0.2秒直角规11上的直角规反射工作面12对正2秒自准直仪2上的物镜17，打开2秒自准直仪2上分划板13的照明光源，使得分划板十字刻线14位于物镜17的焦面位置，适当调节2秒自准直仪2的物镜筒进行调焦，可使分划板十字刻线14精确位于物镜17的像方焦面上，可在物镜17前方的无穷远处成像，经直角规反射工作面12反射回来再经过物镜17的聚焦，将在所述分划板13上形成十字线反射像15。

自准直调整方法：依次调节2秒自准直仪2的水平角微动微调旋钮及2秒自准直仪2上的三个支脚调节螺钉，可分别精细调整十字线反射像15在水平面内的水平角“θ水平”和在铅垂面内俯仰角“θ垂直”，调节目镜筒可清晰观察到在分划板13视场上的十字线反射像15，当“θ水平”及“θ垂直”调整到零，即十字线反射像15与分划板十字刻线14完全重合时，所述2秒自准直仪2的光轴就被调整到和直角规反射工作面12严格垂直，也就是使2秒自准直仪2的光轴平行于基准平台1的基准平面成为基准轴，此时基准调平完成。

基准调平完成后必须固定2秒自准直仪2的姿态(此时物镜17与角规反射工作面12之间是平行光，2秒自准直仪2的物镜筒可以前后移动进行调焦而不会影响2秒自准直仪2的姿态)，常用的实用方法就是用502胶点固2秒自准直仪2的三个支脚调节螺钉以及锁紧2秒自准直仪2的水平角微调旋钮(注意：一旦有变动就必须重新进行基准调平过程)。

基准调平的目的是，使2秒自准直仪2的光轴严格平行于基准平台1的基准平面成为基准轴进行基准传递。

二、耦合透镜安装面19自准直调整：

如图3所示，撤去所述0.2秒直角规11，在0.2秒直角规11的位置安放光纤耦合组3(此时可以暂不安装24)并使光纤耦合组3对正所述2秒自准直仪2；用平面反射镜18取代耦合透镜22，通过目镜16可以观察到分划板十字刻线14经平面反射镜18反射并通过物镜17在分划板13的视场上的十字线反射像15。

a)俯仰角调整：观察视场中十字线反射像15的水平线位置在分划板十字刻线14的水平线上方或下方及间距大小，对应不同的俯仰角方向和角度大小；调整俯仰角的方法是在这种可视判断下，通过精研耦合镜组21的镜座底面，研磨量的大小和研磨方向均可在分划板视场中进行对应的观察判读及进行对应的精研，精细操作下可以达到2-3角秒的高精度；当“θ垂直”被调整到零时(实操中接近零即可)，十字线反射像15的水平线与分划板十字刻线14的水平线重合(实操中接近重合即可)，此时耦合透镜安装面19的俯仰方向角调整到位。

b)水平角调整：适量松开安装螺钉，轻轻敲击光纤耦合组底板20的两侧，可以在水平面内微调“θ水平”，当“θ水平”被调整到零时(实操中接近零即可)，十字线反射像15的竖线与分划板十字刻线14的竖线重合(实操中接近重合即可)，此时耦合透镜安装面19的水平方向角调整到位。

完成这两步调整后，所述耦合透镜安装面19严格垂直于2秒自准直仪2的光轴。此时就可用耦合透镜22替换平面反射镜18，即将耦合透镜22重新装配在透镜安装面19上，到此耦合镜组21就装调完成，固紧调整中涉及的各螺钉。

耦合透镜安装面19自准直调整的目的是，使耦合透镜22的光轴严格平行于2秒自准直仪2的光轴，并基本共轴。从而可以使分划板十字刻线14通过物镜17、耦合透镜22成像在耦合透镜22的焦面上，当调整光纤夹持组24使得光纤工作端面23正好位于耦合透镜22的物方焦面上时(或在焦面附近)就可以在分划板13上看到光纤工作端面23的光纤工作端面像25，从而可以进行对光纤夹持组24的微小倾角和沿轴微小平移量的精密测量以及在可视条件下进行精密研磨修正。

三、精密调焦耦合：

如图4所示，在光纤耦合组3上安装好光纤夹持组24(在前面的步骤二中，也可以不撤去光纤夹持组24)，如图1所示，打开光源控制盒6的开关(功率有2W即可)，使红光光源5发光并照明激光光纤4的一端，红光经过激光光纤4的传导，在光纤工作端面23处就产生一个直径φ0.4mm的红光发光面；沿轴向前后稍稍调整光纤夹持组24，使光纤工作端面23基本处于耦合透镜22的焦面附近，这个发光面(即光纤工作端面23)经过耦合透镜22、物镜17就成像在分划板13的视场中形成光纤工作端面像25，通过目镜16就可观察到光纤工作端面像25，这个光纤工作端面像25是一个红色小圆光斑像。下面就进行对光纤工作端面23的调试，一般顺序是沿轴向初步调好平移看到光纤工作端面像，之后调俯仰角度，再调平移找焦点，最后再调水平角度。

a)俯仰角调整：如图4所示，观察视场中光纤工作端面像25，其圆心的位置在分划板十字刻线14的水平线上方或下方及间距大小，对应不同的俯仰角方向和角度大小。调整俯仰角的方法是在这种可视判断下，通过精研光纤夹持组24的光纤夹持座底面，研磨量的大小和研磨方向均可在分划板视场中进行对应的观察判读及进行对应的精研，精细操作下可以达到2-3角秒的高精度。当“θ垂直”被调整到零时(实操中接近零即可)，光纤工作端面像25的中心就与分划板十字刻线14的水平线重合(实操中接近重合即可)，此时光纤工作端面23的俯仰方向角调整到位。

b)调平移找焦点：适量松开安装螺钉，轻轻敲击光纤夹持组24底座的前后底端面使光纤夹持组24沿轴向微量平移，在视场中可以看到光纤工作端面像25的清晰度会逐渐变化，通过在视场中观察光纤工作端面像25的清晰度，可以判断光纤工作端面23的位置是否在耦合透镜22的焦点上，即可以判断离焦量的大小和方向，当处于最清晰时对应的光纤工作端面23的位置就是耦合透镜22的实际焦面位置。

c)水平角调整：适量松开安装螺钉，轻轻敲击光纤夹持组24的底座两侧，可以在水平面内微调“θ水平”，当“θ水平”被调整到零时(实操中接近零即可)，光纤工作端面像25这个红色圆形光斑的中心在水平方向就与分划板十字刻线14的竖线重合(实操中接近重合即可)，此时光纤工作端面23的水平方向角调整到位(注：光纤工作端面23的微小量横向位移也可在此步骤中调试，这里不作为重点描述)。

以上位置、角度的调试是一个逐渐趋近的过程，实际调试中常常需要细心的反复调试，直至完成。当光纤工作端面像25被调整到与中心像面26完全重合时(实操中只要基本重合即可)，光纤工作端面23的中心就准确位于耦合透镜22的焦点上了，同时光纤工作端面23的对准方向也调整好了。固紧调整中涉及的各螺钉。到此时光纤精密调焦耦合就全部完成。

四、调焦耦合前准备工作、辅助调试及一些说明：

1)光纤耦合组底板20上下两面，已经过精密研磨后其平面度达到要求：

a)上下底面均可和双零级花岗岩基准平台1严密贴合共面；下底面作为和基准平台1间的基准传递，上底面可作为光纤夹持组24及耦合镜组21的安装基准面；

b)上下两底面间的平行度达到设计图纸要求即可(这一点不难达到)。

2)本发明所述的调试方法可以保证耦合透镜22与2秒自准直仪2的光轴之间相互严格平行，但还需做到使耦合透镜22与2秒自准直仪2大致共轴，这一点靠在基准平台1上画一条中心定位线进行安放2秒自准直仪2、0.2秒直角规11及光纤耦合组3，并测量它们的左右对称性就基本可以达到要求。达不到严格共轴对光纤端面调焦位置的影响可以忽略不计。

3)在视场中，当看到十字线反射像15与分划板十字刻线14不平行时，可以适当旋转2秒自准直仪2的分划板13的镜筒使二者平行即可。

4)位置、角度的调试是一个逐渐趋近的过程，实际调试中常常需要细心的反复调试，直至完成。

5)所述光纤夹持组24的光纤中心高和耦合镜组21的耦合透镜中心高的二者等高要求由设计、加工即可保证，不涉及本发明的影响因素。

6)所用2秒自准直仪2在标定波长下已经过校正。

其中，在调试过程中需注意以下事项：

本发明所述光纤调焦耦合的调试过程不需打开激光器，所以不需进行冷却工作。但在调试完成后装配入激光器光路系统中，以验证耦合效率以及进行激光大功率下拷机实验，则必须打开制冷系统对光纤夹持组24及耦合镜组21进行水冷制冷，并严格按GB7247.1-2012激光产品的安全操作要求进行。

通过耦合镜组进水管7、耦合镜组出水管8、光纤夹持组进水管9、光纤夹持组出水管10可以分别接入冷却系统对耦合镜组21及光纤夹持组24进行水冷制冷。

与现有技术相比，本技术存在以下优势：

1.本发明引进了用红光成像光斑作为判读靶标，进行焦点对准。该焦点是一个空间虚拟的位置，没有直观依据，传统方法是无法确定焦点的精确位置的。在分划板13的视场中，可根据光纤工作端面像25，来对光纤工作端面23的俯仰角、水平位置、离焦量指引进行精密微调，以及在可视条件下进行位置和角度的判读指引进行精密研磨，以便能够定量、定向的进行精密微调耦合。这一点是激光行业中的一大创新方法。

2.本发明的调焦耦合精度可量化判断：

a)角度误差：对光纤工作端面23，可以判读出最后的耦合角度状态误差，精细调整下俯仰角、水平方向角精确度可做到高达到2-3角秒级以内。

b)中心位置误差：接收光纤工作端面(光纤工作端面23)中心位置误差可以精确到1/8光纤直径，即：约50微米，这是一个很高的调焦精度了。传统的调焦耦合方法，凭经验感觉，用功率计读数找拐点来指引大致估调，两者完全不可比。

c)调焦位置误差：可在视场中直观观察找出光纤工作端面像25的最清晰位置，就可以将光纤工作端面23定位在高斯光束的束腰中心位置上(误差值一般可控制在聚焦透镜的1/2--1/3焦深范围内)。

3.可以消除机械件加工误差、光学件误差、装配误差对实际焦点位置产生的影响，使实际的激光束汇聚焦点被调整到光纤工作端面中心上或控制在极小的可以接受的误差范围内。

4.光纤耦合头结构稳定。本发明方法可以定量、定方向地指引光纤头角度微调结构以精密研磨的方法进行微小角度调整，在此方法下调试好的结构稳定性极高，有效避开了传统弹性镜架调整微小角度后不能长期稳定工作的重大缺陷。使得在大功率下激光器能长期稳定地工作。

5.由于以上特点，本发明所具有的一个最大优点是：用此方法进行调焦耦合后，可以将大功率激光在高斯光束汇聚的范围内几乎完全导入到光纤本身的数值孔径内，因此可以达到很高的一个耦合效率。已经过实际验证：可以使耦合效率实际高达82％(按高斯光束理论计算，激光束聚焦后能够参与耦合的最大能量只占86.5％)，远高于传统耦合方法的效率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光纤精密调焦耦合装置，包括基准平台(1)，其特征在于，所述基准平台(1)上设有2秒自准直仪(2)，所述2秒自准直仪(2)包括分别设置在所述2秒自准直仪(2)前端和后端的物镜(17)和目镜(16)，并且所述2秒自准直仪(2)上设有水平角微动微调旋钮；所述2秒自准直仪(2)的前端设有相匹配的光纤耦合组(3)，所述光纤耦合组(3)连接有相匹配的光源控制盒(6)，其中所述光纤耦合组(3)包括光纤耦合组底板(20)，所述光纤耦合组底板(20)上端设有耦合镜组(21)，所述耦合镜组(21)包括耦合镜组底座和设置在所述耦合镜组底座上端的耦合透镜安装面(19)，所述透镜安装面(19)上设有相匹配的耦合透镜(22)，所述耦合透镜(22)的前端设有光纤工作端面(23)以及与光纤工作端面(23)相匹配的光纤夹持组(24)；并且所述耦合镜组(21)和光纤夹持组(24)分别设有相匹配的水冷制冷装置一和水冷制冷装置二。

2.根据权利要求1所述的光纤精密调焦耦合装置，其特征在于，所述光纤耦合组(3)连接有激光光纤(4)，所述光源控制盒(6)连接有与激光光纤(4)相匹配的红光光源(5)，所述光纤耦合组(3)通过激光光纤(4)和红光光源(5)的相互配合与所述光源控制盒(6)相连接。

3.根据权利要求2所述的光纤精密调焦耦合装置，其特征在于，所述2秒自准直仪(2)上设有相匹配的分划板(13)，所述分划板(13)位于所述物镜(17)的后端以及目镜(16)的前端，所述分划板(13)上设有分划板十字刻线(14)，所述2秒自准直仪(2)上还设有与分划板(13)相配合的照明光源。

4.根据权利要求3所述的光纤精密调焦耦合装置，其特征在于，所述水冷制冷装置一包括设置在耦合镜组(21)后端的透镜组进水管(7)，并且所述耦合镜组(21)的前端设有相匹配的透镜组出水管(8)；

所述水冷制冷装置二包括设置在光纤夹持组(24)后端的光纤组进水管(9)，并且所述光纤夹持组(24)的前端设有相匹配的光纤组出水管(10)。

5.根据权利要求1至4中任意一项所述的光纤精密调焦耦合装置，其特征在于，所述2秒自准直仪(2)下端通过调节螺钉连接有相匹配直仪底座，所述直仪底座为三角结构。

6.根据权利要求1至4中任意一项所述的光纤精密调焦耦合装置，其特征在于，所述基准平台(1)由双零级花岗岩构成。

7.一种光纤精密调焦耦合装置的装调方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：将2秒自准直仪(2)放置在基准平台(1)上的预计位置处，在所述2秒自准直仪(2)的前端放置预先准备好的0.2秒直角规(11)，通过0.2秒直角规(11)将2秒自准直仪(2)的光轴调整为与所述基准平台(1)平行，使得光轴成为基准轴，然后固定所述2秒自准直仪(2)的姿态；

步骤2：将所述0.2秒直角规(11)撤走，在0.2秒直角规(11)位置处放置光纤耦合组(3)中的光纤耦合组底板(20)、耦合镜组底座以及设置在耦合镜组底座上端的耦合透镜安装面(19)，使得耦合透镜安装面(19)与所述2秒自准直仪(2)对正，在所述耦合透镜安装面(19)内放置预先准备好的平面反射镜(18)，通过平面反射镜(18)将耦合透镜安装面(19)调整为垂直于所述2秒自准直仪(2)的光轴，然后用耦合透镜(22)替换所述平面反射镜(18)，即完成了耦合镜组(21)的装调过程，固定此时所述耦合透镜(21)的姿态；

步骤3：在所述光纤耦合组底板(20)上安装光纤夹持组(24)，打开与光纤耦合组(3)相连接的光源控制盒(6)，使得红光光源(5)发光并经激光光纤(4)的传导在光纤工作端面(23)处产生红光发光面，沿水平轴微调调整位于所述光纤耦合组底板(20)上的光纤夹持组(24)，使得光纤工作端面(23)位于所述耦合透镜(22)的焦面附近处，所述红光发光面经耦合透镜(22)和物镜(17)在分划板(13)的视野中形成红色小圆光斑像的光纤工作端面像(25)，然后对所述光纤工作端面像(25)进行调整，使得与所述分划板十字刻线(14)的中心像面(26)重合，然后固定所述光纤耦合组(3)的姿态；

步骤4：在耦合镜组(21)与光纤夹持组(24)的预计位置处分别安装相匹配的水冷制冷装置一和水冷制冷装置二，此时完成了光纤耦合组(3)的全部装调工作。

8.根据权利要求7所述的光纤精密调焦装置的装调方法，其特征在于，其中，通过0.2秒直角规(11)将2秒自准直仪(2)的光轴调整为与所述基准平台(1)平行包括：

步骤1-1：将预先准备的0.2秒直角规(11)放置在所述2秒自准直仪(2)的前端，其中，所述0.2秒直角规(11)上设有直角规反射工作面(12)，所述直角规反射工作面(12)与所述2秒自准直仪(2)的物镜(17)对正；

步骤1-2：打开2秒自准直仪(2)上分划板(13)的照明光源，使得所述分划板十字刻线(14)位于所述物镜(17)的焦面位置，调节所述2秒自准直仪(2)的物镜筒，使得所述分划板十字刻线(14)位于所述物镜(17)的像方焦面上；

步骤1-3：所述分划板十字刻线(14)经所述直角规反射工作面(12)反射后，再经物镜(17)的聚焦，在分划板(13)上形成十字线反射像(15)；

步骤1-4：通过调整2秒自准直仪(2)上的水平角微动微调旋钮和调节螺钉使得所述十字线反射像(15)与分划板十字刻线(14)完全重合，使得所述2秒自准直仪(2)的光轴与所述直角规反射工作面(12)垂直，同时所述2秒自准直仪(2)的光轴平行于基准平台(1)的基准平面成为基准轴，即基准调平完成。

9.根据权利要求7所述的光纤精密调焦装置的装调方法，其特征在于，所述通过平面反射镜(18)将耦合透镜安装面(19)调整为垂直于所述2秒自准直仪(2)的光轴包括：

步骤2-1：通过目镜(16)看到所述分划板十字刻线(14)经所述平面反射镜(18)并通过物镜(17)在所述分划板(13)上的十字线反射像(15)；

步骤2-2：对于十字线反射像(15)与分划板十字刻线(14)所形成的俯仰角进行调整，通过对所述耦合镜组(21)的耦合镜组底座的精研调整，使得所述十字线反射像(15)与分划板十字刻线(14)的水平线重合；

步骤2-3：对于所述十字线反射像(15)与分划板十字刻线(14)所形成的水平角进行调整，通过对光纤耦合组底板两侧的微调调整，使得所述十字线反射像(15)与分划板十字刻线(14)的垂直线重合，即使得所述耦合透镜安装面(19)调整到位，使得所述耦合透镜安装面(19)垂直于所述2秒自准直仪(2)的光轴。

10.根据权利要求7所述的光纤精密调焦装置的装调方法，其特征在于，所述对所述光纤工作端面像(25)进行调整，使得与所述分划板十字刻线(14)的中心像面(16)重合包括：

步骤3-1：对所述光纤工作端面像(25)与所述分划板十字刻线(14)所形成的俯仰角进行调整，通过对所述光纤夹持组(24)的光纤夹持组底座的精研调整，使得所述光纤工作端面像(25)与所述分划板十字刻线(14)的水平线重合；

步骤3-2：对所述光纤工作端面像(25)的焦点进行调整，通过对所述光纤夹持组(24)的光纤夹持组底座的前后底端面的微调调整，使得所述光纤工作端面像(25)位于所述耦合透镜(22)的焦面位置；

步骤3-3：对所述光纤工作端面像(25)与所述分划板十字刻线(14)所形成的水平角进行调整，通过所述光纤夹持组(24)的光纤夹持组底座的左右两侧的微调调整，使得所述光纤工作端面像(25)与所述分划板十字刻线(14)的垂直线重合，即使得所述光纤工作端面像(25)与所述分划板十字刻线(14)的中心像面(26)重合，完成了对光纤工作端面(23)的装调工作。