一种光纤端帽熔接系统及熔接方法
技术领域
本发明涉及光纤端帽熔接领域,尤其涉及一种光纤端帽熔接系统。
背景技术
近几年来,大功率光纤激光器是激光领域关注的焦点,其具有较大的光功率密度、较好的光束质量、使用简单等特点,广泛应用于工业加工、武器装备和医疗器械等方面。由于大功率光纤激光器中采用的光纤通常是大模场面积的双包层光纤,纤芯中的光功率密度很大,任何细小的端面污染和加工缺陷,都可能使得其局部电场加强,进而引起光纤端面的损伤。
一种有效的解决方法是在光纤端面上熔接大直径的石英光纤端帽。光纤端帽就是实现光纤端面保护的高功率光纤无源器件,通过对输出光纤的扩束降低输出端的光功率密度,从而保护光纤端面不受损坏。因此,研究光纤端帽的关键制作工艺,实现可承受高功率光纤端帽的制作对于光纤激光器和放大器的应用具有重要意义。
光纤端帽的常见加热方法有电弧环工艺,丝焰加热,CO2激光这三种方法。相对于传统的电弧环工艺和丝焰加热法,CO2激光作为一种新兴的加热方式,传承于CO2激光器加工设备,复用了石英材质对CO2激光的吸收特性,属于直接加热的加热方式。石英对二氧化碳激光(波长10.6um)吸收率高,通过激光辐射的方式熔接光纤与端帽。这种熔接方式可以准确的将激光透射到熔接区域,而且在整个加工过程中不会引入杂质,符合大功率光纤器件的使用要求。
然而,目前的光纤端帽熔接技术存在两个重要的技术难题。其一为光纤与端帽的对准,当光纤与端帽熔接过程中发生横向错位或者角度偏移时,导致传输效率降低,大功率激光器便达不到使用要求;其二为目前的CO2激光器输出功率不稳定,导致熔接部位受热不均匀,从而影响光纤端帽的传输功率。
发明内容
鉴于此,本发明的一个目的是提供了一种光纤端帽熔接系统,该系统能够使光纤与石英端帽精确对准。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种光纤端帽熔接系统,包括:
激光发生器,用于产生激光;
扩束准直器,将激光发生器发出的激光进行扩束准直;
平面反射镜,将经扩束准直器扩束准直的光折返90°;
离轴抛物面反射镜,将平面反射镜反射过来的光束聚焦至光纤和石英端帽的熔接部位;
平移旋转台,所述平移旋转台可在动力源的驱动下旋转以及平移;
端帽夹持件,用于夹持所要进行熔接的石英端帽,使光纤端帽竖直设置,所述端帽夹持件设置于所述平移旋转台上;
光纤夹持件,用于夹持所要进行熔接的光纤,使光纤竖直设置,并位于石英端帽的上方;
激光光源,用于产生可见光束,所述激光光源设置于所述光纤的正上方,所述激光光源产生的可见光经过光纤后产生的光斑位于所述石英端帽上;
计算机,所述计算机内设有光束质量分析软件;
探测器,设置于所述端帽夹持件的正下方,与所述计算机连接,用于探测激光光源产生的可见光束经光纤传输的传输效率以及传输后的光束质量。
根据本发明的一个实施例,还包括图像采集系统,所述图像采集系统用于在熔接前采集所述光纤和所述石英端帽待熔接部位的图像,所述图像采集系统与所述计算机连接,所述计算机内设有图像分析软件,用于分析图像采集系统采集的图像,对所述光纤和所述石英端帽进行定位。
根据本发明的一个实施例,所述图像采集系统包括:
第一CCD相机,设置于所述光纤和所述石英端帽之间并位于所述光纤和所述石英的外侧,用于沿所述光纤的径向拍摄所述光纤与石英端帽的待熔接部位;
第二CCD相机,设置于所述石英端帽的外侧,用于沿所述光纤的轴向拍摄所述光纤与石英端帽的待熔接部位。
根据本发明的一个实施例,所述探测器为光束质量分析仪。
根据本发明的一个实施例,所述激光发生器为CO2激光器。
本发明的另一个目的是提供了一种光纤端帽熔接方法,该方法能够解决石英端帽受热不均与、熔接质量差的问题。
本发明的上述目的是通过以下技术手段实现的。
采用上述光纤端帽熔接系统的熔接方法,包括:
对所述光纤的待熔接端面进行切割和研磨;
将所述光纤放置于所述光纤夹持件中,对所述光纤与所述石英端帽进行定位;
所述CO2激光器发出较弱的激光,调节平面反射镜的位置,使CO2激光通过离轴抛物面反射镜聚焦在熔接面附近,并使所述光纤位于CO2激光的焦点的前方;
将所述光纤向上方移动3~5mm,调节所述CO2激光器的光阑孔径,对所述石英端帽的端面进行预热,预热完成后,将所述光纤与所述石英端帽接触,CO2激光再次照射,从而对所述光纤与所述端帽进行熔接,同时在熔接过程中使平移旋转台旋转。
根据本发明的一个实施例,对所述石英端帽进行预热时,将所述石英端帽加热至1200℃~1400℃,对所述光纤与所述端帽进行熔接时,将所述光纤的端头加热至1800℃~2000℃,完成熔接过程。
根据本发明的一个实施例,其中对所述光纤与所述石英端帽进行定位,包括:
分析所述第一CCD相机的图像,获得所述光纤与所述石英端帽在竖直方向的距离D1;
分析所述第二CCD相机的图像,获得所述光纤与所述石英端帽的轴向偏离距离D2;
启动平移旋转台,调整所述石英端帽的位置,使D1和D2在允许范围内;
所述激光光源发出可见光束,并经过所述光纤传输后,光斑位于所述石英端帽上,移动所述平移旋转台,使得所述光斑位于所述石英端帽的端面中心,并且所述探测器探测到的光束质量和传输效率达到要求后,停止移动平移旋转台,完成定位。
本发明的有益效果:
1.本发明在光纤的正上方设置激光光源,激光光源产生可见光束经光纤传播后在石英端帽的端面产生光斑,通过探测器探测激光光源产生的可见光束经光纤传输的传输效率以及传输后的光束质量,同时调整平移旋转台,使传输效率和传输质量位于预设范围内,即能够实现了光纤与石英端帽的精确对准。
2.本发明通过图像监测系统检测光纤与石英端帽在竖直方向的距离D1、轴向偏移距离D2以及光斑位于石英端帽端面的位置,同时调整平移旋转台使D1、D2位于允许范围内,并使光斑位于石英端帽的端面中心时,即可完成初定位,然后再通过探测器以及平移旋转台实现精定位,通过粗定位与精定位的结合,使光纤与石英端帽更加精确对准。
3.本发明的光纤端帽熔接方法,采用了对光纤端帽先预热,预热后,光纤与石英端帽接触,CO2激光再次照射进行加热,同时使平移旋转台旋转从而对光纤与端帽进行熔接,能够解决因CO2激光器输出功率不稳定,导致熔接受热不均匀的问题。
附图说明
图1为本发明实施例的光纤端帽熔接系统图。
图2为本发明实施例的光纤与石英端帽8对准的示意图。
附图标记:
1、激光发生器,2、扩束准直镜,3、平面反射镜,4、离轴抛物面反射镜,5、端帽夹持件,6、探测器,7、平移旋转台,8、石英端帽8,9、第一CCD相机,10、光纤,11、光纤夹持件,12、激光光源,13、第二CCD相机。
具体实施方式
为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能偶以很多不同于在此描述的其它方式来实施,本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进,因此本发明不受于下面公开的具体实施的限制。
下面首先结合附图具体描述根据本发明实施例的光纤端帽熔接系统。
请参阅图1和图2,根据本发明实施例的光纤端帽熔接系统,包括激光发生器1、扩束准直器2、平面反射镜3、离轴抛物面反射镜4、平移旋转台7、端帽夹持件5、光纤夹持件11、激光光源12、计算机和探测器6。
具体而言,激光发生器1用于产生激光,所产生的激光波长为石英端帽8吸收波长。扩束准直器2将激光发生器1发出的激光进行扩束准直;由于不同激光发生器1发出的激光光斑大小不同,而且有一定的发散角,因此,当需要特定光斑大小的平行光束时,需要对激光发生器1产生的激光进行扩束。
平面反射镜3,将经扩束准直器2扩束准直的光折返90°;离轴抛物面反射镜4,将平面反射镜3反射过来的光束聚焦至光纤10和石英端帽8的熔接部位。
平移旋转台7可在动力源的驱动下旋转以及平移。
端帽夹持件5用于夹持所要进行熔接的石英端帽8,使光纤10端帽竖直设置,端帽夹持件5设置于平移旋转台7上,通过平移旋转台7带动端帽夹持件5平移已改变石英端帽8的位置,或者在熔接过程中通过平移旋转台7旋转以使石英端帽8绕自身轴线转动,达到均匀受热的目的。
光纤夹持件11用于夹持所要进行熔接的光纤10,使光纤10竖直设置,并位于石英端帽8的上方。
激光光源12用于产生可见光束,激光光源12设置于光纤10的正上方,激光光源12产生的可见光经过光纤10后产生的光斑位于石英端帽8上。
计算机内设有光束质量分析软件,探测器6设置于所述端帽夹持件5的正下方,与计算机连接,用于探测激光光源12产生的可见光束经光纤10传输的传输效率以及传输后的光束质量。作为优选,探测器6为光束质量分析仪。
本实施例在光纤10的正上方设置激光光源12,激光光源12产生可见光束经光纤10传播后在石英端帽8的端面产生光斑,通过探测器6探测激光光源12产生的可见光束经光纤10传输的传输效率以及传输后的光束质量,同时调整平移旋转台7,使传输效率和传输质量位于预设范围内,即能够实现了光纤10与石英端帽8的精确对准。
根据本发明的一个实施例,还包括图像采集系统,用于在熔接前采集光纤10和石英端帽8待熔接部位的图像,图像采集系统与计算机连接,计算机内设有图像分析软件,用于分析图像采集系统采集的图像,实现对光纤10和石英端帽8进行定位。
具体而言,图像采集系统包括第一CCD相机9,设置于光纤10和石英端帽8之间并位于光纤10和石英的外侧,用于沿光纤10的径向拍摄光纤10与石英端帽8的待熔接部位,通过图像分析软件获得光纤10与石英端帽8在竖直方向的距离D1。
第二CCD相机13,设置于石英端帽8的外侧,用于沿所述光纤10的轴向拍摄光纤10与石英端帽8的待熔接部位,通过图像分析软件,获得光纤10与石英端帽8的轴向偏离距离D2。
在使用探测器6精定位之前,采用图像监测系统检测光纤10与石英端帽8在竖直方向的距离D1、轴向偏移距离D2以及光斑位于端帽的位置,同时调整平移旋转台7使D1、D2位于允许范围内,并使光斑位于石英端帽8的端面中心,即可完成初定位,通过粗定位与精定位的结合,使光纤10与石英端帽8更加精确对准。
根据本发明的一个实施例,激光发生器1为CO2激光器,因为石英对二氧化碳激光(波长10.6um)的吸收率高。
本发明具体实施例还提供了一种光纤端帽熔接方法,包括:
对光纤10的待熔接端面进行切割和研磨,确保光纤10的熔接端面光滑、平整、无污染物;
将切割和研磨后的光纤10放置于所述光纤10夹持件11中,对光纤10与所述石英端帽8进行定位;
CO2激光器发出较弱的激光,调节平面反射镜3的位置,使CO2激光通过会聚透镜聚焦在熔接面附近,并使所述光纤10位于CO2激光的焦点的前方;
将光纤10向上方移动3~5mm,缓慢调节CO2激光器的光阑孔径,对石英端帽8的端面进行预热,预热完成后,将光纤10与石英端帽8接触,CO2激光再次照射,使光纤10与端帽进行熔接,同时使平移旋转台7旋转从而实现均匀加热的目的。
本实施例的光纤端帽熔接方法,采用了对光纤10端帽先预热,预热后,光纤10与石英端帽8接触,CO2激光再次照射进行加热,同时使平移旋转台7旋转从而对光纤10与端帽进行熔接,能够解决因CO2激光器输出功率不稳定,导致熔接受热不均匀的问题。
根据本发明的一个实施例,对石英端帽8进行预热时,将石英端帽8加热至1200℃~1400℃,此时温度介于石英材料的变形温度与软化温度之间,使石英端帽8从玻璃态转化并稳定在高弹态,且未达到粘流态,是光纤10与石英端帽8熔接合理的预热温度。在对光纤10与石英端帽8进行熔接时,石英端帽8传热给光纤10,调整激光器参数,将光纤10的端头加热至1800℃~2000℃,完成熔接过程。
根据本发明的一个实施例,上述对光纤10与石英端帽8进行定位,包括:
分析所述第一CCD相机9的图像,获得光纤10与石英端帽8在竖直方向的距离D1;
分析所述第二CCD相机13的图像,获得光纤10与石英端帽8的轴向偏离距离D2;
启动平移旋转台7,调整所述石英端帽8的位置,使D1和D2在允许范围内;
激光光源12发出可见光束,并经过光纤10传输后,光斑位于石英端帽8上,移动平移旋转台7,使得光斑位于石英端帽8的端面中心,完成粗定位,然后探测器6探测到的光束质量和传输效率达到要求后,停止移动平移旋转台7,完成精定位定位。通过粗定位与精定位的结合,使光纤10与石英端帽8更加精确对准。
所述实施例为本发明的优选的实施方式,但本发明并不限于上述实施方式,在不背离本发明的实质内容的情况下,本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。