CN105334587B - 一种固体激光光纤耦合对准方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种固体激光光纤耦合对准方法及装置。它包括激光光束、第一可见指示光光束和第二可见指示光光束，激光光束与第一可见指示光光束组成共轴光束，共轴光束经第一耦合装置耦合进光纤前端，第二可见指示光光束经第二耦合装置耦合进光纤后端之后从光纤的前端输出再经过第一耦合装置准直输出形成逆向光束，调整共轴光束或逆向光束，直至共轴光束和逆向光束重合。本发明通过设置从光纤前端输出的逆向光束，当调整共轴光束至共轴光束与逆向光束重合时，即说明完成了固体激光光纤耦合的精确对准，该方法结构灵活简单，便于操作，且对准精确度较高，能够有效地提高固体激光光纤耦合效率。

Description

一种固体激光光纤耦合对准方法及装置

技术领域

本发明属于激光光纤耦合技术领域，具体涉及一种固体激光光纤耦合对准方法及装置，它适用于激光打标、激光活化、激光固化、激光焊接等领域激光光纤耦合的应用。

背景技术

随着激光技术和光纤技术的发展，使光纤耦合激光器的应用非常广泛，包括激光光纤通讯、激光空间远距离通讯、工业造船、汽车制造、激光雕刻、激光打标、激光切割、激光钻孔、激光焊接、医疗器械仪器设备等等。

从激光器里发射出的光束并耦合于光纤传输有着广泛的应用。从激光器发射出的激光光束直径一般都比较大，必须经过透镜聚焦耦合后才能进入光纤，但是由于光纤芯径很细，使得聚焦后光斑对准纤芯非常困难，同时对调节精度要求很高。以常用的芯径为0.4mm的光纤为例，当耦合透镜焦距为11mm时，光束角度偏差0.018弧度就会使光斑完全落在光纤芯外。而且对于插入式光纤要在调节同时实现实时观察也是非常困难的事情。

现有多采用CCD或观察器，沿着固体激光光束与可见指示光光束共轴传输的方向，观察耦合共轴光束在光纤耦合前端的位置来判断是否达到的耦合条件。此类技术专利包括：CN00249352实时观察光纤耦合的辅助调节装置；CN201420305739光纤耦合观察器；CN201310397333用于判断激光是否耦合进入轮形光纤纤芯的方法。观察方法如图1所示，采用CCD或观察器14，能够实时观察耦合共轴光束中的可见指示光光束焦点在光纤端面上的位置，当焦点落在光纤端面的中心时，即完成耦合过程。但是，此类方法不能判断光束入射的角度，从而影响最佳耦合效率。如图1所示，激光光束2和第一可见指示光光束9所组成的共轴光束未与耦合透镜的光轴同轴，具有一定的角度入射时，虽然聚焦光斑能落在光纤端面中心，但入射角度超过光纤的数值孔径，则耦合效率大大降低，且光纤另一端输出的激光模式也会变差。同时，此类观测方法调整过程繁琐，元器件多，成本高。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的诸如成本高、结构复杂、过程繁琐、精确度较差等不足，提供一种固体激光光纤耦合对准方法及装置。

本发明采用的技术方案是：一种固体激光光纤耦合对准方法，包括激光光束、第一可见指示光光束和第二可见指示光光束，激光光束与第一可见指示光光束组成共轴光束，共轴光束耦合进光纤前端，第二可见指示光光束耦合进光纤后端之后从光纤的前端输出再准直输出形成逆向光束，调整共轴光束或逆向光束，直至共轴光束和逆向光束重合。

进一步地，所述共轴光束和逆向光束重合的判断方法为：在共轴光束和逆向光束的光路上设置观测片，共轴光束和逆向光束在观测片上分别形成光斑，当调整共轴光束至共轴光束和逆向光束在观测片上形成的光斑同心时，共轴光束和逆向光束重合。

进一步地，所述观测片包括第一薄纸片和第二薄纸片，第一薄纸片和第二薄纸片间隔设置于共轴光束和逆向光束的光路上。

进一步地，所述共轴光束和逆向光束的光路上任意位置的激光光斑的尺寸不大于逆向光束光斑的尺寸。更进一步地，所述共轴光束通过消色差透镜耦合进光纤前端耦合装置。

一种固体激光光纤耦合对准装置，包括激光光源、第一可见指示光光源、光学系统和光纤，激光光源和第一可见指示光光源发出的光束通过光学系统组成共轴光束，共轴光束耦合进光纤前端，还包括第二可见指示光光源和光测片，所述第二可见指示光光源发出的光束耦合进光纤后端后从光纤的前端输出再准直输出形成逆向光束，观测片设置在共轴光束和逆向光束的光路上。

进一步地，所述观测片包括第一薄纸片和第二薄纸片，第一薄纸片和第二薄纸片间隔设置于共轴光束和逆向光束的光路上。

进一步地，还包括第一耦合装置，第一耦合装置设置在光纤前端，共轴光束通过第一耦合装置耦合进光纤前端。

进一步地，所述第一耦合装置为消色差透镜。

更进一步地，还包括第二耦合装置，第二耦合装置设置在光纤后端，第二可见指示光光源发出的光束通过第二耦合装置耦合进光纤后端再经过第一耦合装置准直输出形成逆向光束。

本发明通过设置从光纤前端输出的逆向光束，当调整共轴光束至共轴光束与逆向光束重合时，即说明完成了固体激光光纤耦合的精确对准，该方法操作灵活，且对准精确度较高，能够有效地提高固体激光光纤耦合效率；在共轴光束与逆向光束的光路上任意位置放置多个薄纸片，通过观察共轴光束与逆向光束在薄纸片上形成的两个光斑的同心度，来判断共轴光束与逆向光束是否重合，方法简单，成本低，易操作。

附图说明

图1为现有技术CCD或观察器同轴观察光纤耦合的示意图。

图2为本发明的结构示意图。

图中：1-激光光源；2-激光光束；3-反射镜；4-第一薄纸片；5-第一耦合装置；6-光纤；7-第一可见指示光光源；8-第二薄纸片；9-第一可见指示光光束；10-合束镜；11-第二可见指示光光源；12-第二可见指示光光束；13-第二耦合装置；14-CCD或观察器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

如图1所示，本发明固体激光光纤耦合对准方法采用的光学系统结构包括激光光源1、光学系统、观测片、第一耦合装置5、光纤6、第一可见指示光光源7、第二可见指示光光源11和第二耦合装置13，光学系统包括反射镜3和合束镜10。

激光光源1，用于产生高光束质量M^2因子激光光束2，波长为1064nm，激光光束2的质量决定可用于耦合进相同数值孔径光纤的最小纤芯直径，可用激光光束参数积wq来表示光束质量，其中，w为激光光束束腰半径，q为激光光束半角发散角。激光光束参数积在聚焦光学系统中具有不变性，当激光光束质量M^2因子被确定时，光束参数积的值也就被确定。常用光纤的数值孔径为NA0.22，即激光光束通过耦合装置后的光束锥度不能超过这个值，同时聚焦光斑的尺寸也不能超过光纤的纤芯直径，才能保证最大的光纤耦合效率。假设光束质量M^2因子为11，光源输出光束直径约为4.0mm，则对应的光束参数积的值约为3.73mm*mrad；理论上，该光束质量的光束可以耦合进数值孔径为NA0.22的光纤的纤芯直径可以在0.037mm以上的光纤中；考虑到光学系统对光束质量的损耗、机械系统的定位精度以及对准精度等容差因素，将该光束质量的激光耦合进纤芯直径为0.05mm的光纤是比较合理的。

光纤6通常为多模光纤，常规多模光纤纤芯直径最小即为0.05mm，其余分别为0.1mm、0.2mm、0.3mm等等；光纤纤芯直径越大，则对输出光束的光束质量损耗越大；另外一方面，在保证基本相同的输出光束质量的基础上，选择数值孔径较小而纤芯直径较大的光纤能够减小光纤端面能量密度，降低光纤烧毁的概率，因此该实例中选择数值孔径为NA0.12、纤芯直径为0.1mm的多模光纤作为光纤6。

第一可见指示光光源7发出的第一可见指示光光束9用于跟踪不可见的激光光束2的传输方向和位置；激光光束2和第一可见指示光光束9通过反射镜3和合束镜10调整组合成为正向同向传输的共轴光束。正向传输的共轴光束通过第一耦合装置5聚焦耦合进光纤6的前端。当激光光源1内部设置了同轴指示光光源时，第一可见指示光光源7则可以略去。

反射镜3反射激光光束2并可二维调节方向，合束镜10反射激光光束2并透过第一可见指示光光束9且可二维调节方向；通过反射镜3和合束镜10的组合可将激光光束2和第一可见指示光光束9合并为正向同向传输的共轴光束。通过调整反射镜3和合束镜10即可调整共轴光束的入射角度。

第一耦合装置5选用消色差透镜，消色差透镜是校正光学球差和色差的透镜，普通透镜存在色差使得不同波长的光束聚焦后焦平面位于不同位置，从而影响指示光对激光位置的判定精度，而球差则会影响聚焦后光斑的大小，使用消色差透镜则能克服上述问题。

本发明激光光源1的输出口到第一耦合装置5的距离为500mm左右，以保证有足够的位置空间来观察光斑；当激光光束2传输到第一耦合装置5的位置处，光斑直径约为4.5mm；第一耦合装置5的焦距为25mm，聚焦后的激光光束2的焦点直径约为0.085mm，数值孔径约为NA0.09，满足所选光纤6的参数要求。

第二可见指示光光源11发出的第二可见指示光光束12通过第二耦合装置13耦合进光纤6的后端，并从光纤6的前端输出，输出的光束经过第一耦合装置5准直后再沿光路反向传输形成逆向光束。第二可见指示光光束12通过第二耦合装置13耦合进光纤6的后端时，无需达到最佳耦合效率，只要保证从光纤6前端输出的光斑亮度清晰可见即可，因此第二耦合装置13选用焦距为25mm的普通聚焦透镜。

第一可见指示光光源7和第二可见指示光光源11发出的波长为650nm的红色光源。

第一耦合装置5和光纤6的机械装置具有五维调节功能，第一耦合装置5与光纤6之间的距离可调，整体可以调节二维方向和二维离轴量。通过调节第一耦合装置5与光纤6之间的距离，可以调节逆向光束的准直特性，即发散角；由于激光光束2具有正发散角，光斑直径随传输距离逐渐变大，因此逆向传输的第二可见指示光光束12经过第一耦合装置5后应该略微具有负发散角，即光斑直径随传输距离逐渐变小。因此只要保证共轴光束和逆向光束的光路上任意位置的激光光斑的尺寸不大于逆向光束光斑的尺寸，才能使聚焦后的激光光斑尺寸不超过光纤的纤芯直径，进而保证最大的光纤耦合效率。

观测片用于观察可见光光束在其上形成的光斑，因此只要结构正反两面都能够显示光斑且不影响光束传输都可作为观测片，本发明的观测片采用薄纸片，包括第一薄纸片4和第二薄纸片8，第一薄纸片4和第二薄纸片8间隔放置在正向传输光束和逆向传输光束的光路上的任意位置，即在第一可见指示光光源7和第一耦合装置5之间的任意位置上；第一薄纸片4放置在靠近第一耦合装置5的位置，第二薄纸片8放置在靠近第一指示光光源7的位置。从第一薄纸片4和第二薄纸片8的正反两面均可以观察共轴光束和逆向光束的光斑尺寸和位置。

采用上述的系统结构实现本发明固体激光光纤耦合对准的方法的过程为：

通过调整上述各光学系统来不断调整共轴光束或逆向光束，通过判断逆向光束和共轴光束是否重合来确定固体激光光纤耦合是否对准。具体判断逆向光束和共轴光束是否重合则通过设置的光测片来实现，共轴光束和逆向光束在观测片上均会形成光斑，在最佳耦合条件下，任意位置观察到的共轴光束和逆向光束的光斑均为同心光斑，则可以确定共轴光束和逆向光束重合。

根据两点一线的原则，因此至少需要观察位置相距一定距离的两处光斑的同心度，且两处位置相距越远越好。本发明观测片采用两片薄纸片，在靠近第一可见指示光光源7的一端位置放置第二薄纸片8，在靠近第一耦合装置5的一端位置放置第一薄纸片4，当这两个位置同时观察到的正反光斑具有较好的同心度时，表明对准完成；通过上述方法，实际测试一次就可以将耦合效率做到90％以上。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (8)

1.一种固体激光光纤耦合对准方法，其特征在于：包括激光光源发出的激光光束(2)、第一可见指示光光源发出的第一可见指示光光束(9)和第二可见指示光光源发出的第二可见指示光光束(12)，激光光束(2)与第一可见指示光光束(9)组成共轴光束，共轴光束耦合进光纤(6)前端，第二可见指示光光束(12)耦合进光纤后端之后从光纤的前端输出再经过准直输出形成逆向光束，调整共轴光束或逆向光束，直至共轴光束和逆向光束重合；所述共轴光束和逆向光束重合的判断方法为：在共轴光束和逆向光束的光路上设置观测片，共轴光束和逆向光束在观测片上分别形成光斑，当调整共轴光束至共轴光束和逆向光束在观测片上形成的光斑同心时，共轴光束和逆向光束重合；所述观测片包括第一薄纸片(4)和第二薄纸片(8)，第一薄纸片(4)和第二薄纸(8)片间隔设置于共轴光束和逆向光束的光路上。

2.根据权利要求1所述的一种固体激光光纤耦合对准方法，其特征在于：所述共轴光束和逆向光束的光路上任意位置的激光光斑的尺寸不大于逆向光束光斑的尺寸。

3.根据权利要求1所述的一种固体激光光纤耦合对准方法，其特征在于：所述共轴光束通过消色差透镜耦合进光纤(6)前端。

4.一种固体激光光纤耦合对准装置，包括激光光源(1)、第一可见指示光光源(7)、光学系统和光纤(6)，激光光源(1)和第一可见指示光光源(7)发出的光束通过光学系统组成共轴光束，共轴光束耦合进光纤(6)前端，其特征在于：还包括第二可见指示光光源(11)和光测片，所述第二可见指示光光源发出的光束耦合进光纤后端后从光纤的前端输出再准直输出形成逆向光束，观测片设置在共轴光束和逆向光束的光路上。

5.根据权利要求4所述的一种固体激光光纤耦合对准装置，其特征在于：所述观测片包括第一薄纸片(4)和第二薄纸片(8)，第一薄纸片(4)和第二薄纸(8)片间隔设置于共轴光束和逆向光束的光路上。

6.根据权利要求4所述的一种固体激光光纤耦合对准装置，其特征在于：还包括第一耦合装置(5)，第一耦合装置(5)设置在光纤前端，共轴光束通过第一耦合装置耦合进光纤前端。

7.根据权利要求6所述的一种固体激光光纤耦合对准装置，其特征在于：所述第一耦合装置为消色差透镜。

8.根据权利要求6所述的一种固体激光光纤耦合对准装置，其特征在于：还包括第二耦合装置(13)，第二耦合装置(13)设置在光纤后端，第二可见指示光光源发出的光束通过第二耦合装置耦合进光纤后端再经过第一耦合装置准直输出形成逆向光束。