CN1090333C - 光能源与纤维镜片的连接装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种将由一高能光源出来的光与一光学纤维(2)连接并在纤维——光源连接处避免光学纤维热损坏的光学纤维连接装置。所述光源包括一个是有一个纤维输入结构的罩，所述纤维输入结构带有限定一个接受所述光学纤维(2)的通孔(29)的内表面。所述纤维输入结构有限定一个大致是圆锥结构外形延伸于罩中的外表面(63)，使所述纤维输入结构的对称轴线基本与输入到所述光学纤维(2)的光一致。所述纤维输入结构而且是由高导热性材料制造，并在输入端面有一反射涂层，反射在接受角之外而入射到所述纤维输入结构上的光。

Description

光能源与光学纤维的耦合装置

发明领域

本发明涉及光传输系统领域，更特定涉及用于在光源和光学纤维之间进行光耦合的纤维耦合系统。

现有技术

在纤维光学领域，使用高能光源，将光耦合至光学纤维，会造成光学纤维涂敷层发生热损坏。光学纤维的光束输入，限定一个相对于此光学纤维轴线的接受角，所以，入射到光学纤维上的角度超过了此接受角的光，将不被通过光学纤维传输，而是辐射到围绕它的入射端的罩的表面上。如果在聚集光的焦点上的能量密度大，并且足够数量的光是在一个不能接受的角度上入射，那么，罩体的贴近表面将会热得足以使光学纤维和罩体之间接触点处的光学纤维涂敷层熔化。

为了减少对光学纤维的加热，曾设计了一些耦合系统，使得光学纤维的输入端从插入到光源罩中的连接器端部突出。用这种方式，光学纤维输入端以及因此光学纤维聚集面上光的焦点，便远离此罩最可能被辐射的表面。即使如此，这种设置仍不足以防止使用聚集光焦点处具有的为30瓦/平方毫米(使用500瓦光源)能量密度的高能光源连接系统而造成的热破坏。而且，这种装置还要求使用光学纤维的输入端从连接器端部伸出的一种光学纤维连接器，因而使光学纤维输入端可能遭到此连接器偶然下落或使用不当造成的物理损坏。

此外，已设计出来的常规的耦合装置，是借助于用一种绝热体将光学纤维在其输入端包围，使光学纤维和它的涂敷层与光源罩的接触表面热隔绝，来减少加热。一般地，这是用一种绝热粘结剂如聚合物、橡胶、环氧树脂等，将绝热体(如由陶瓷一类材料制造的管状构件)，围绕此纤维镜片固定来实现的。虽然这对于抑制热能由罩体到光学纤维涂敷层和传输是有效的，但其主要缺点在于，所用的绝热粘结剂处在高温之下会膨胀和熔化，因而造成绝热体由于应力而开裂，并进而使在绝热体和连接器中的纤维产生偏移。

本发明概述

因此提供一个将聚集于光源罩的被辐射表面和光学纤维涂敷层之间的热能散发出去的装置，而不用会开裂的绝热体和(或)在高温之下会膨胀和熔化的绝热粘结剂是理想的。

因此，本发明目的在于提供一种耦合光学纤维与高能光源的装置，此装置通过设置将热能由光学纤维涂敷层引开的导热组件，来散发聚集的热能。

本发明的另一目的是，提供一种经由一个接受块和衬套的组合，将光学纤维耦合到高能光源的装置，装置包括一个包围光学纤维，并将衬套中产生的热能散发出去的金属纤维支撑管。

本发明还有一目的是，提供一个经由一个接受块和衬套的组合，将光学纤维耦合到高能光源的装置，其中，此衬套包括一个具有圆锥形的外表面，以便提供一个倾斜的光线输入面，用以反射光学纤维输入端的接受角以外的光线。

为了实现这些和其他目的，本发明提供了一种可在纤维——光源连接处防止光学纤维热损坏的光学纤维耦合装置。在优选的实施例中提供了一种插入到光源罩中将光源的光耦合到光学纤维中的光学纤维连接器，这种连接器最好具有屏蔽装置。由高导热性金属制造的一个接受块被安装或形成在罩的一个壁上，将此连接器固定于罩上。此接受块包括一第一和第二端，和通过此两端接受连接器的一个通孔，还包括一个将连接器屏蔽装置导向到位的衬套。

此衬套由高导热性金属，如铝或铜合金制造，具有第一和第二端和一个与接受块通孔同轴线的通孔，以便允许无套的光学纤维端通过，进入罩的内腔。衬套的第二输入端，面向由光源的光学耦合系统传输的集中光束，此端包括一个形成圆锥形的外表面，对角度超过接受角的入射到光学纤维上的光，以及具有比光学纤维更大直径的光束的周边的光进行反射。为了使此圆锥外表面的反射性达到最大，此表面最好是有镀镍、镀金或增强铝的涂层。

此衬套的作用是引导连接器的屏蔽装置在衬套中到位，使此光学纤维端部自动脱套并准确插入到罩的内腔之中。此屏蔽装置包括：一个插入光学纤维的细长筒；一个接受此筒的管状筒夹；和一个接受筒夹的保护套。可以控制屏蔽装置的这些元件，既可将光学纤维端部套在此装置内，也可露出此端部，插入到光源的接受块中。

当将连接器插入接受块时，由于保护套与一个止动垫片接触并被向后推，光学纤维端部被暴露并随之突出到光源内腔之中。为了使光学纤维在衬套的通孔中对准，筒夹的叉被导向进入一个在衬套侧壁形成的与通孔同心的环形槽中。一旦到位，金属纤维支撑管沿衬套的通孔延伸，与邻近侧壁的衬套内表面接触。这样一来，产生在衬套外表面的热能将通过衬套体传输到纤维支撑管，散发关键表面接触处的热能，并令其贯穿支撑管的全长改变方向。而且，此衬套也具有穿过侧壁进入环形槽的通风孔，帮助散发在衬套内聚集的热能。

附图简介

图1是光源罩体的示意图，此罩体具有配备散热器的壁，接受块和衬套，衬套中插入本发明光学纤维连接器的输入端。

图2是表示本发明光学纤维连接器输入端在插入接受块的衬套之前的详细示意图；

图3是表示本发明光学纤维连接器输入端插入接受块的衬套中时的详细示意图。

本发明的详述

本发明提供一种光学纤维耦合装置，它包括在纤维——光源的耦合处防止光学纤维热损坏的装置。在本文随后的介绍中，提出了一些特定的细节，诸如特殊尺寸、数量、光学装置等均是为了解释，并不是为了限定，是为了彻底理解本发明。然而精通本技术的人士会理解，在偏离这些特定细节的其他实施例中可以实现本发明。在另一些例子中，有关熟知的装置、特点和技术的叙述被省略，而不会使带有这些不必需细节的本发明的介绍变得含糊不清。

根据本发明，由耐热材料，如高温塑料、铝或其他金属制成主体的光学纤维连接器8，是为了支撑光学纤维2的输入端4。这个连接器8包括一个具有第一和第二端的细长主体，其第二端装有一个当不用时保护此光学纤维2输入端4的屏蔽装置1。

如图1所示，此连接器8可插入到一个高能光源中，此光源包括一个其壁限定一内腔33的罩10，在此内腔中33安装了一个灯(未示出)。在本优选实施例中，光源包括一个改进的聚光会聚光学系统，此系统应用一离轴凹反射镜来提高输入到光学纤维的光的通量密度。如美国专利4,757,431克劳斯(Cross)等人所详细说明的，该文作为参考在此引述，此离轴光学系统具有在反射镜光轴线横向偏移而设置的一个灯，和处于相对于此光轴线一个大致对称位置上的光学纤维输入端。此灯本身最好包括一个装在一种球型玻璃罩中有一毫米弧长的小型氙弧灯。

对于本发明中用于耦合光的光学纤维2，它最好包括：一个直径在0.1毫米一1.0毫米的石英芯；包含1.3间二气杂环戊烯(1，3-DZOXULE)，4.5二氟(4，5-DIFLUORO)，2.2双(三氟甲基)  (BIS(TRIFLUOROMETHYL))和四氟乙烯聚合物(POLYMER with TETRAFLUOROETHENE)的非结晶碳氟化合物组成的涂敷层；和硅缓冲器。然而由其他常规材料制成的直径为0.1-10.0毫米的光学纤维或纤维束也可以应用，而未偏离本发明的精神。

由高导热金属(如铝)制的接受块6安装在或形成在罩壁之上，将光学纤维连接器8固定于外罩10。此接受块6有第一和第二端6a、6b，和在两端之间通过的接受此连接器8的通孔，还有一个将连接器8固定在块6上的锁住机构11。在此优选的实施例中，此锁住机构11安置于块6的通孔之内，并包括一个滚珠轴承，此滚珠轴承被弹簧支撑在块6的一个拱形座上，当连接器8插入到块6中时，与连接器8主体上相应的弓形槽相接合。

再参看图1，此罩10还有一个由高导热材料，如铝或铜合金制的，固定于块6的第二端6b的衬套9。此衬套有第一和第二端9a和9b，及一个与块6的通孔同轴的通孔29，使无套的纤维镜片端部4通过，进入到罩10的内腔33。用螺丝将此衬套9旋紧在止动垫片62上，使衬套9固定在块6上，此止动垫片62是弹簧支撑在块6的一个凹槽中。衬套9的第二端9b是面向由离轴耦合系统传输来的集中光束的一端，包括一个大致是圆锥形的外表面63，此表面提供一个对入射至光学纤维上超过可接受角度的光进行反射的倾斜输入面。为了使此圆锥形的外表面63的反射性达到最大，此表面63最好包有镍或金的镀层。

衬套的内部包括接受连接器8的屏蔽装置1的腔64。衬套9的作用是在此衬套9中引导连接器8的屏蔽装置1到位，以使光学纤维端部4自动脱套并精确地插入到通孔29之中，和罩10的内腔33之中。虽然在此优选实施例中，光源罩10、接受块6和衬套9是分开形成的，以便于制造和维护，但是这些元件与罩整体形成，本发明也是可行的。

就屏蔽装置1来说，它包括一细长的筒3；一个筒夹5和保护套7。此筒3有第一和第二端3a和3b，及一个穿通两端之间用于接受光学纤维2的通孔。筒夹5包括带有第一和第二端5a和5b的管状体，位于第二端5b上的叉13和在两端之间穿通的、可移动地接受细长筒3的通孔。相似地，保护套7包括第一和第二端7a和7b，和一个在此两端穿通的、可移动地接受筒夹5的通孔。

根据一个实施例，将细长筒3的第一端3a，在直径和长度上加以延展，使之适宜于固定光学纤维2，并能插入接受块6之中，细长筒3就可以自身形成整个的光学纤维连接器8。然而，在图2和3所示的优选实施例中，筒3通过一外法兰31固定连接器8之内，此外法兰31贴装安在它的第一端3a上，插入到连接器8的可拆卸接头21之中。在它的第二端3b，一个也是由高导热性金属制的金属支撑管66，摩擦配合安装在筒3的通孔内，一旦光学纤维输入端4插入筒3之内，用来接触并支撑光学纤维输入端4。

另外，为在连接器8之内，因此也是在筒3之内，固定光学纤维2，一个金属容纳管(未示出)围绕光学纤维2被压接，并压配合装在连接器8的后端之中，致使光学纤维输入端4在金属支撑管66之外伸出一预定长度。这样一来，就不需要使用粘结剂将各组件固定在一起，这便避免了由于粘合材料的熔化和/或膨胀，引起组件裂开或松脱和/或对不准的问题。

在筒3内固定光学纤维2，在筒夹5中插入筒3和在套7中插入筒夹5时，屏蔽装置1可以按以下两种方式操作安置：

1.)第一种保护方式(图2)：此时向筒3的第二端3 b的方向移动筒夹5，并向筒夹5的第二端5 b方向移动套7，在适当位置盖住并锁住筒夹5的叉13，使光学纤维端4缩回在筒夹5的通孔中，使此纤维端4被保护；

2.)第二种不保护方式(图3)：此时向筒夹5的第一端5a移动套7，露出叉13，并向筒3的第一端3a移动筒夹5，露出光学纤维端4，而使光学纤维端4从筒夹5突出。

根据本发明的优选实施例，屏蔽装置1进一步被设计成自动地保留在保护方式的状态中，直至连接器8被插入到罩10的接受块6内。如图2和图3所示，利用安装在筒3和筒夹5之间和筒夹5和套7之间的弹簧40和42，可以将此实现。这些弹簧的作用是共同将筒3保持缩回筒夹5内，将套7保持于筒夹5的叉13之上，使碰撞到筒夹5第二端5b的物体将不会与套在套7中的叉13所保护的光学纤维端部4相接触。

当连接器8被插入到接受块6之中时，由于套7与止动垫片62接触并被向后推，光学纤维端部4便露出，并随之突出到光源罩10的内腔33之中。为了在衬套9的通孔29之中对准光学此纤维2，筒夹5的叉13被导向进入一个形成在衬套9侧壁43上与通孔29同心的环形槽30中。

一旦到位，金属纤维支撑管66便沿衬套9的通孔29延伸(但不进入罩10的内腔33)，与衬套9的接近于侧壁43的内表面接触(即在衬套的圆锥形部分之内)。在衬套9的外表面63产生的热能，将在两个方向上经由衬套9的导热材料传导：一个是向接受块6的较大的散热器方向；另一个是向纤维支撑管66。向着光学纤维输入端4的热能流被拦截，并被支撑管66的导热材料吸收，并因此沿管66的长度改变方向，离开使纤维涂层最易于熔化的光学纤维2和衬套9第二端9b之间的关链性的加热区。

最后，衬套9也可做成带有穿透侧壁43并进入环形槽30的通风孔，以帮助散发在衬套9的通道64内聚集的热能。

应该意识到，不偏离本公开的精神和要素，以上介绍的发明可以按其他特定安排实施，并可以用于有多个光学纤维连接器(不论它们有没有屏蔽装置)和光源的场合。因此，应该意识到，本发明不限于上述说明的细节，而是由后附的权利要求所限定。

Claims (27)

1、一种光学纤维耦合装置，用于将来自高能光照系统的光，耦合到光学纤维的输入端，并在纤维与系统耦合之处防止光学纤维的热损坏，光照系统有一个光源和一个罩体，该装置包括：

纤维输入结构，其内表面限定一个接受光学纤维的通孔；

纤维输入结构由高导热金属制成，并具有带反射涂层的、表面倾斜的外壁，外壁装在光学纤维输入端的附近并在罩内延伸，用来反射入射到纤维输入结构上的杂散光；

导热介质，安置在纤维输入结构的内表面和光学纤维之间，导热介质将入射到纤维输入结构的倾斜表面上的光产生的热能，沿导热介质的长度引离纤维输入结构的外壁。

2、一种光学纤维耦合装置，用来将来自高能光照系统的光，耦合到光学纤维，并在纤维与系统耦合之处防止光学纤维的热损坏，光照系统有一个光源和一个罩体，该装置包括：

纤维输入结构，其内表面限定一个接受光学纤维的通孔；

纤维输入结构有一个输入端，用以包装光学纤维的输入端，输入结构的外表面限定一个在罩内延伸的基本上是圆锥形的结构外形，从而使纤维输入结构的对称轴线基本上与光学纤维的输入光的方向一致，纤维输入结构由高导热材料制成，其外表面上加有反射涂层，用来反射入射到纤维输入结构上的杂散光；

纤维支撑管，它至少有一部分安置在纤维输入结构的通孔内，以便容纳插入到支撑管中的光学纤维，使光学纤维与纤维输入结构的内表面隔离，支撑管由高导热材料制成，将纤维输入结构外表面上产生的热能，沿支撑管的长度引离结构的输入端。

3、根据权利要求2的装置，其中，纤维输入结构包括一个接受块和一个衬套，两者均由包括铝和铜合金之一的高导热金属制成，接受块有一个固定在系统罩体的壁上的第一端，一个适于接受衬套的第二端，和在接受块两端之间经过的一个通孔，这个通孔让光学纤维通过而进入衬套，衬套有一个形成纤维输入结构圆锥形外形的输入端面，其内部形成一个开口，以便光学纤维输入端通过而进入系统罩体。

4、根据权利要求3的装置，其中，衬套还包括限定一个内腔的壁，纤维支撑管插在这个内腔和衬套输入端面开口这两者之中，从而使纤维支撑管包着光学纤维，在衬套的内腔中提供导热介质，把热能导离衬套的输入端面。

5、根据权利要求4的装置，其中，贯穿衬套的输入端面，形成几个开口，使衬套的内腔通风。

6、根据权利要求5的装置，其中，接受块包括一个形成多个肋条的外表面，以便散发在接受块内聚集的热能。

7、根据权利要求3的装置，其中，衬套的输入端面涂有反射涂层，这个反射涂层从包括镀镍、镀金和增强铝涂层在内的涂层类中选用。

8、在一种包含光学纤维耦合器和高能光照系统的组合中，提供的一种装置，用于将光照系统产生的光，耦合到光学纤维，并在纤维与系统耦合之处防止光学纤维的热损坏，该装置包括：

光照系统，包括含有光源的罩体，罩体有一个纤维输入结构，纤维输入结构的内表面限定一个接受光学纤维的通孔，纤维输入结构有一个输入端，其外表面限定一个基本上为圆锥形的结构外形，并在罩内延伸，从而使纤维输入结构的对称轴线基本上与光学纤维的输入光的方向一致；

光学纤维连接器，包括一个具有接受光学纤维的通孔的罩体，和一个与细长的纤维支撑管适配的输入端，这个输入端接受并导引光学纤维进入光照系统的纤维输入结构，光学纤维被插入将光学纤维与纤维输入结构的内表面隔离的支撑管中，支撑管由高导热材料制成，以便将纤维输入结构外表面产生的热能，沿支撑管的长度引离结构的输入端。

9、根据权利要求8的装置，其中，纤维输入结构由高导热材料制成，结构的外表面涂有反射涂层，这个反射涂层从包括镀镍、镀金和增强铝涂层在内的涂层类中选用。

10、根据权利要求8的装置，其中，纤维输入结构包括一个接受块和一个衬套，两者均由包括铝和铜合金之一的高导热金属制成，接受块有一个固定在系统罩体的壁上的第一端，一个适于接受衬套的第二端，和在接近块两端之间经过一个通孔，这个通孔让光学纤维通过而进入衬套，衬套有一个形成纤维输入结构圆锥形外形的输入端面，其内部形成一个开口，以便光学纤维输入端通过而进入系统罩体。

11、根据权利要求10的装置，其中，衬套还包括限定一个内腔的壁，纤维支撑管被插在这个内腔和衬套输入端面开口这两者之内，从而使纤维支撑管包着光学纤维，在衬套的内腔中提供导热介质，把热能引离衬套的输入端面。

12、根据权利要求11的装置，其中，贯穿衬套的输入端面，形成几个开口，使衬套的内腔通风。

13、根据权利要求12的装置，其中，接受块包括一个形成多个肋条的外表面，以便散发在接受块内聚集的热能。

14、一种光学纤维耦合装置，用于将来自高能光照系统的光，耦合到光学纤维的输入端，并在纤维与系统耦合之处防止光学纤维的热损坏，光照系统包括一个具有接收块的罩体，接受块固定在罩体的一个内壁上，接受块有一个让光学纤维穿过的通孔，该装置包括：

固定在接受块通孔内的衬套，衬套有一个主体，其中，带有接受光学纤维的通道，并有一个基本上是圆锥形的输入端面，其中带有让光学纤维输入端通过的开口，输入端面在系统的罩体内延伸，从而使输入端面的对称轴线基本上与光学纤维的输入的光的方向一致，衬套由导热金属构成，以便散发入射到输入端面上的光；

光学纤维连接器，包括一个具有接受光学纤维的通孔的罩体，和一个与细长的纤维支撑管适配的输入端，这个输入端接受并导引光学纤维输入端贯穿衬套的开口，当光学纤维输入端被插在系统罩体内时，纤维支撑管被置于光学纤维和衬套之间，纤维支撑管在衬套的通道内自由伸展，纤维支撑管由导热金属制成，以便将热能引离衬套的输入端面。

15、根据权利要求14的装置，其中，接受块和衬套两者均由包括铝和铜合金之一的高导热金属制成。

16、根据权利要求15的装置，其中，衬套的圆锥形输入端面涂有反射涂层，这个反射涂层从包括镀镍、镀金和增强铝涂层在内的涂层类中选用，用以反射入射到输入端面的光。

17、根据权利要求15的装置，其中，贯穿衬套的输入端面，形成几个开口，使衬套的内腔通风。

18、根据权利要求14的装置，其中，接受块包括一个形成多个肋条的外表面，以便散发在接受块内聚集的热能。

19、一种光学系统，包括：

罩体；

安装在罩体内的高能光照系统；

光学纤维耦合装置，用于将来自高能光照系统的光，耦合到光学纤维的输入端，并在纤维与系统耦合之处防止光学纤维的热损坏，所述装置有一个纤维输入结构，其内表面限定一个用于接受光学纤维的通孔；

纤维输入结构由高导热金属制成，并具有带反射涂层的、表面倾斜的外壁，外壁在罩体内延伸，用来反射入射到纤维输入结构上的杂散光；

导热介质，安置在纤维输入结构的内表面和光学纤维之间，以便将入射到纤维输入结构的倾斜表面上的光产生的热能，沿导热介质的长度引离纤维输入结构外表面。

20、一种光学系统，包括：

罩体；

安装在罩体内的高能光照系统；

光学纤维耦合装置，用于将来自高能光照系统的光，耦合到光学纤维的输入端，并在纤维与系统耦合之处防止光学纤维的热损坏，所述装置有一个纤维输入结构，其内表面限定一个用于接受光学纤维的通孔；

纤维支撑管，它至少有一部分安置在纤维输入结构的通孔内，以便容纳插入到支撑管中的光学纤维，使光学纤维与纤维输入结构的内表面隔离，支撑管由高导热材料制成，将纤维输入结构外表面上产生的热能，沿着支撑管的长度引离结构的输入端。

21、根据权利要求20的光学系统，其中，纤维输入结构包括一个接受块和一个衬套，两者均由包括铝和铜合金之一的高导热金属制成，接受块有一个固定在系统罩体的壁上的第一端，一个适于接受衬套的第二端，和在接受块两端之间经过一个通孔，这个通孔让光学纤维通过而进入衬套，衬套有一个形成纤维输入结构圆锥形外形的输入端面，其内部形成一个开口，以便光学纤维输入端通过而进入系统罩体。

22、根据权利要求21的光学系统，其中，衬套还包括限定一个内腔的壁，纤维支撑管被插在这个内腔和衬套输入端面开口这两者之中，从而使纤维支撑管包着光学纤维，在衬套的内腔中提供导热介质，把热能导离衬套的输入端面。

23、根据权利要求22的光学系统，其中，贯穿衬套的输入端面，形成几个开口，使衬套的内腔通风。

24、根据权利要求20的光学系统，其中，接受块包括一个形成多个肋条的外表面，以便散发在接受块内聚集的热能。

25、根据权利要求22的光学系统，其中，衬套的输入端面涂有反射涂层，这个反射涂层从包括镀镍、镀金和增强铝涂层在内的涂层类中选用。

26、根据权利要求1的光学纤维耦合装置，还包括一个锁定机构，用以滑动地接受并固定装有光学纤维的光学纤维连接器。

27、根据权利要求26的光学纤维耦合装置，其中，锁定机构包括一个以弹簧支撑在拱形座上的滚珠轴承，与连接器内相应的拱形槽相配合。

Images