CN108873359B - 一种水冷式光斑可调光缆及其光斑调节方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水冷式光斑可调光缆，包括激光传输器件和外部封装器件，激光传输器件包括多根传输光纤，多根传输光纤和石英套管合束形成合束锥区，该多根传输光纤的纤芯相互独立，外部封装器件包括锥镜保护套、前结构套、光缆铠装套、后结构件，前结构套和后结构件分别固定在光缆铠装套的前后端，水冷内管和前结构套的两端密封并形成了水冷通道，前结构套的外部设置有进水接头、出水接头以及两个触点，光缆铠装套套装在水冷内管后侧的传输光纤上。另外，该发明还公开了该可调光缆的调节方法，该调节方法通过选择开启不同的输出光纤从而输出不同模式的光斑，使光斑控制更加灵活方便，适应性更强，成本更低。
Description
技术领域
本发明涉及一种水冷式光斑可调光缆，同时还涉及利用该可调光缆的光斑可调方法。
背景技术
激光器，特别是高功率光纤激光器，使用的单模或者多模输出光缆通常是单根尾纤，输出光斑的模式基本取决于尾纤的类型。这样的光缆，输出光斑模式单一。随着高功率光纤激光器在各个领域的不断发展，应用也是日新月异，而对于不同材料的处理，往往需要不同模式的光斑或者不同形状的光斑的输出，以达到最好的应用效果。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是：提供一种水冷式光斑可调光缆，该可调光缆可以与激光发生器配合输出不同模式的光斑，使其适应性更强。
本发明所要解决的第二个技术问题是：提供一种水冷式光斑可调光缆的光斑调节方法，该调节方法通过选择开启不同的输出光纤从而输出不同模式的光斑，使光斑控制更加灵活方便，适应性更强，成本更低。
为解决上述第一个技术问题，本发明的技术方案是：一种水冷式光斑可调光缆，包括处于内部的激光传输器件和包裹于激光传输器件外周的外部封装器件，所述激光传输器件包括石英锥镜、石英套管、多根传输光纤和水冷内管，所述多根传输光纤贯穿石英套管并束缚在石英套管内，所述多根传输光纤的前段以及石英套管的前段合束形成合束锥区，该多根传输光纤的包层在合束锥区相互熔接而纤芯相互独立，合束锥区的前端与石英锥镜熔接，所述石英套管的尾端通过密封胶密封，所述石英锥镜和石英套管安装于水冷内管内，所示石英锥镜固定在水冷内管的前端，所述水冷内管的后端通过密封胶密封，所述传输光纤的后段贯穿水冷内管；
所述外部封装器件包括锥镜保护套、前结构套、光缆铠装套、后结构件，所述锥镜保护套固定在水冷内管的前端并与石英锥镜位置适配，所述前结构套和后结构件分别固定在光缆铠装套的前后端，所述前结构套设置在水冷内管的外周且与水冷内管位置对应，所述水冷内管和前结构套的两端密封并之间的间隙形成了水冷通道，所述前结构套的外部设置有一个进水接头、一个出水接头以及两个触点，所述光缆铠装套套装在水冷内管后侧的传输光纤上，各传输光纤的尾端从后结构件穿出。
作为一种优选的方案，所述光缆还包括温度保护开关和光保护开关，所述温度保护开关和光保护开关与电路板电联接，所述电路板电联接、温度保护开关和光保护开关均设置于水冷内管的尾端。
作为一种优选的方案，所述水冷内管和前结构套之间的密封方式为：所述水冷内管的前段套装有前密封圈，所述水冷内管的后段设置有阶梯状结构，所述阶梯状的小径段和大径段均套装有两个后密封圈，所述电路板、温度保护开关和光保护开关位于后密封圈的后方，所述前结构套的后段设置有与水冷内管后段匹配的阶梯孔，前结构套的内孔与各密封圈挤压密封配合。
作为一种优选的方案，所述可调光缆还包括防尘套，该防尘套套装在锥镜保护套和前结构套上。
作为一种优选的方案，所述进水接头和出水接头螺纹可拆卸安装于前结构套上。
作为一种优选的方案，所述传输光纤的数量为七根，其中六根传输光纤布置成环形，剩余一根传输光纤位于环形的中心。
作为一种优选的方案，所述光缆铠装套为金属光缆铠装套。
采用了上述技术方案后，本发明的效果是：1、该光斑可调光缆采用了多根传输光纤合束在石英套管内，各传输光纤的包层熔融在一起而纤芯相互独立，这样使用该光缆时，可以选择其中一根传输光纤或者多个传输光纤开启，这样通过各种不同的组合就可以输出不同模式的光斑，这样调节更加灵活方便，调节成本更低，适应各种激光使用场合；2、该光缆可以对光纤发热的区域进行水冷散热，散热效果更好。
又由于所述光缆还包括温度保护开关和光保护开关，所述温度保护开关和光保护开关与电路板电联接，所述电路板电联接、温度保护开关和光保护开关均设置于水冷内管的尾端，通过温度保护开关和光保护开关可以在光缆使用时对光缆进行过温和无光的保护。
又由于所述水冷内管和前结构套之间的密封方式为：所述水冷内管的前段套装有前密封圈，所述水冷内管的后段设置有阶梯状结构，所述阶梯状的小径段和大径段均套装有两个后密封圈，所述电路板、温度保护开关和光保护开关位于后密封圈的后方，所述前结构套的后段设置有与水冷内管后段匹配的阶梯孔，前结构套的内孔与各密封圈挤压密封配合，该密封方式合理，并通过水冷内管的阶梯状结构和前结构套的阶梯孔配合可以方便定位和装配。
又由于所述可调光缆还包括防尘套，该防尘套套装在锥镜保护套和前结构套上，该防尘套可以起到防尘效果。
又由于所述进水接头和出水接头螺纹可拆卸安装于前结构套上，该进水接头和出水接头方便拆卸和装配。。
又由于所述传输光纤的数量为七根，其中六根传输光纤布置成环形，剩余一根传输光纤位于环形的中心，该传输光纤的数量适中，并且布置的结构形式更合理，可以输出多种模式，并且输出的光斑可以更加均匀。
为解决上述第二个技术问题，本发明的技术方案是：一种水冷式光斑可调光缆的光斑调节方法，该方法使用了上述的可调光缆，将该光缆的每条传输光纤的尾端均与激光发生器连接，激光发生器选择性开启其中一条传输光纤或者多条传输光纤来改变光纤输出的光斑。
其中，优选的，所述传输光纤的数量大于等于四根且小于等于七根；当传输光纤的数量为四至六根时，各传输光纤分别设置在对应的正多边形的顶点上，各传输光纤的包层顺次熔接；当传输光纤的数量为七根时，该七根传输光纤位于正六边形的顶点以及中心处，该中心处的传输光纤与其他六个传输光纤均熔接。
其中，优选的，多根传输光纤和石英套管通过氢氧火焰拉锥的方式熔接并形成合束锥区。
该光斑调节方法使用了上述的光缆，利用激光发生器选择性开启其中一条传输光纤或者多条传输光纤来改变光纤输出的光斑，这种调节方式更加灵活更加简单，实现光斑调节的成本更低。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明实施例的激光传输器件的结构示意图；
图2是本发明实施例的外部封装器件的结构示意图；
图3是石英套管和传输光纤的截面布置图；
图4是传输光纤发出的激光光斑模式示意图；
图5是单根传输光纤发出的激光光斑示意图；
图6是七根传输光纤同时开启时的激光光斑强度示意图；
图7是单根传输光纤开启时的激光光斑形式示意图；
图8是外圈的六根传输光纤同时开启时的激光光斑形式示意图；
附图中：100.激光传输器件；101.石英锥镜；102.传输光纤；103.石英套管；104.密封胶；105.水冷内管；106.密封胶；107.温度保护开关；108.光保护开关；109.电路板；110.合束锥区；111.前密封圈；112.后密封圈；113.信号线；200.外部封装器件；201.防尘套；202.锥镜保护套；203.前结构套；204.触点；205.进水接头；206.出水接头；207.光缆铠装套；208.后结构件。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
如图1至图3所示，一种水冷式光斑可调光缆，包括处于内部的激光传输器件100和包裹于激光传输器件100外周的外部封装器件200，所述激光传输器件100包括石英锥镜101、石英套管103、多根传输光纤102和水冷内管105，所述多根传输光纤102贯穿石英套管103并束缚在石英套管103内，所述多根传输光纤102的前段以及石英套管103的前段合束形成合束锥区110，该合束锥区110通过氢氧火焰拉锥的方式熔接并形成。该多根传输光纤102的包层在合束锥区110相互熔接而纤芯相互独立，在合束锥区110中，石英套管103和传输光纤102虽然都变细，但是其纤芯依旧独立，因此传输光纤102可以单独开启互不影响。多根传输光纤102的前端与石英锥镜101熔接，所述石英套管103的尾端通过密封胶104密封，所述石英锥镜101和石英套管103安装于水冷内管105内，所示石英锥镜101固定在水冷内管105的前端，所述水冷内管105的后端通过密封胶106密封，所述传输光纤102的后段贯穿水冷内管105；水冷内管105的后端密封胶106密封，同时石英套管103的尾端密封胶104密封，这样可以起到非常好的防水密封效果，避免水冷系统的冷却水与传输光纤102接触造成系统故障。
所述外部封装器件200包括锥镜保护套202、前结构套203、光缆铠装套207、后结构件208，锥镜保护套202、前结构套203、光缆铠装套207、后结构件208均采用金属材质制成。所述光缆铠装套207为金属光缆铠装套207。水冷内管105也采用金属材质。
所述锥镜保护套202固定在水冷内管105的前端并与石英锥镜位置适配，该锥镜保护套202与水冷所述前结构套203和后结构件208分别固定在光缆铠装套207的前后端，所述前结构套203设置在水冷内管105的外周且与水冷内管105位置对应，所述水冷内管105和前结构套203的两端密封并之间的间隙形成了水冷通道，所述前结构套203的外部设置有一个进水接头205、一个出水接头206以及两个触点204，该触点204与外部的连接器连接。所述光缆铠装套207套装在水冷内管105后侧的传输光纤102上，各传输光纤102的尾端从后结构件208穿出。
所述光缆还包括温度保护开关和光保护开关108，所述温度保护开关和光保护开关108通过导线焊接在电路板109电联接，所述电路板109电联接、温度保护开关和光保护开关108均设置于水冷内管105的尾端，电路板109再通过两根信号线113和激光发生器内部控制电路相连，使用时，对光缆进行过温和无光的保护。
所述水冷内管105和前结构套203之间的密封方式为：所述水冷内管105的前段套装有前密封圈111，所述水冷内管105的后段设置有阶梯状结构，所述阶梯状的小径段和大径段均套装有两个后密封圈112，所述电路板109、温度保护开关107和光保护开关108位于后密封圈112的后方，所述前结构套203的后段设置有与水冷内管105后段匹配的阶梯孔，前结构套203的内孔与各密封圈挤压密封配合，而锥镜保护套202螺纹安装在水冷内管105的前端，这样就限制了前结构套203的前端。
所述可调光缆还包括防尘套201，该防尘套201套装在锥镜保护套202和前结构套203上。
所述进水接头205和出水接头206螺纹可拆卸安装于前结构套203上。
如图3所示，所述传输光纤102的数量为七根，其中六根传输光纤102布置成环形，剩余一根传输光纤102位于环形的中心。传输光纤102包括纤芯和包层，熔接时，纤芯是相互独立，包层和石英内管之间均熔接形成光纤束。
如图4至图8所示，一种水冷式光斑可调光缆的光斑调节方法，该方法使用了上述的可调光缆，将该光缆的每条传输光纤102的尾端均与激光发生器连接，激光发生器选择性开启其中一条传输光纤102或者多条传输光纤102来改变光纤输出的光斑。
其中，优选的，所述传输光纤102的数量大于等于四根且小于等于七根；当传输光纤102的数量为四至六根时，各传输光纤102分别设置在对应的正多边形的顶点上，各传输光纤102的包层顺次熔接；当传输光纤102的数量为七根时，该七根传输光纤102位于正六边形的顶点以及中心处，该中心处的传输光纤102与其他六个传输光纤102均熔接。多根传输光纤102和石英套管103通过氢氧火焰拉锥的方式熔接并形成合束锥区110。当然还可以通过电极加热或CO2激光加热。
本实施例中采用的是七根传输光纤102，如图4所示，图中示意了光斑模式可调的三种形式，通过激光发生器内部控制单元，对激光的传输光纤102的开启或关闭输出进行控制，可以得到各种模式的光斑输出。例如，当只开启一根光纤输出的时候，可以以常规的TEM00模式输出；当开启两根光纤输出的时候，可以以TEM01模式输出；当开启三根光纤输出的时候，可以以TEM02模式输出，以此类推。
而各模式下可以得到不同的光斑形状，例如当只有一根输出光纤开启时，可以得到一个能量较集中的高斯分布光斑，且为实心的圆形区域，如图5和图7所示，中心区域为红色，最边缘为紫色。
而当七根传输光纤102全部开启时，可以得到一个能量均匀的圆形光斑，如图6所示，圆形光斑的红色区域比较大，而边缘则为变色区域。
而当中心的传输光纤102不开启，而外围的六根传输光纤102开启，则形成了一个环形光斑，如图8所示。
不同的输出模式和光斑形状可以适合不同的激光使用环境，如激光焊接或者激光切割时就需要不同的输出模式和光斑形状来适应不同的场合，该光缆可以适合上述要求，使用成本低，并且采用水冷，降温效果好。
以上所述实施例仅是对本发明的优选实施方式的描述，不作为对本发明范围的限定，在不脱离本发明设计精神的基础上，对本发明技术方案作出的各种变形和改造，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。
Claims (1)
1.一种水冷式光斑可调光缆，包括处于内部的激光传输器件和包裹于激光传输器件外周的外部封装器件，其特征在于：所述激光传输器件包括石英锥镜、石英套管、多根传输光纤和水冷内管，所述多根传输光纤贯穿石英套管并束缚在石英套管内，所述多根传输光纤的前段以及石英套管的前段合束形成合束锥区，该多根传输光纤的包层在合束锥区相互熔接而纤芯相互独立，合束锥区的前端与石英锥镜熔接，所述石英套管的尾端通过密封胶密封，所述石英锥镜和石英套管安装于水冷内管内，石英锥镜固定在水冷内管的前端，所述水冷内管的后端通过密封胶密封，所述传输光纤的后段贯穿水冷内管；水冷内管采用金属材质；所述外部封装器件包括锥镜保护套、前结构套、光缆铠装套、后结构件，所述锥镜保护套固定在水冷内管的前端并与石英锥镜位置适配，所述前结构套和后结构件分别固定在光缆铠装套的前后端，所述前结构套设置在水冷内管的外周且与水冷内管位置对应，所述水冷内管和前结构套的两端密封并之间的间隙形成了水冷通道，所述前结构套的外部设置有一个进水接头、一个出水接头以及两个触点，所述光缆铠装套套装在水冷内管后侧的传输光纤上，各传输光纤的尾端从后结构件穿出；所述光缆还包括温度保护开关和光保护开关，所述温度保护开关和光保护开关与电路板电联接，所述电路板电联接、温度保护开关和光保护开关均设置于水冷内管的尾端；电路板再通过两根信号线和激光发生器内部控制电路相连，对光缆进行过温和无光的保护，所述水冷内管和前结构套之间的密封方式为所述水冷内管的前段套装有前密封圈，所述水冷内管的后段设置有阶梯状结构，阶梯状的小径段和大径段均套装有两个后密封圈，所述电路板、温度保护开关和光保护开关位于后密封圈的后方，所述前结构套的后段设置有与水冷内管后段匹配的阶梯孔，前结构套的内孔与各密封圈挤压密封配合；所述可调光缆还包括防尘套，该防尘套套装在锥镜保护套和前结构套上；所述进水接头和出水接头螺纹可拆卸安装于前结构套上；所述传输光纤的数量为七根；所述光缆铠装套为金属光缆铠装套；将该光缆的每条传输光纤的尾端均与激光发生器连接，激光发生器选择性开启多条传输光纤；七根传输光纤位于正六边形的顶点以及中心处，中心处的传输光纤与其他六个传输光纤均熔接；多根传输光纤和石英套管通过氢氧火焰拉锥的方式熔接并形成合束锥区；开启三根光纤输出以TEM02模式输出。
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