CN109346909B - 一种多路光纤激光高占空比一维拼接装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多路光纤激光高占空比一维拼接装置及方法，所述装置包括：底板，后面板，前面板，调节装置以及封装外壳；所述后面板上设置有多个光纤出口；所述前面板上设有出光口；每个所述光纤出口间隔相同，且中心高度与所述出光口的中心高度相同；所述调节装置上安装有多个准直光学元件；所述准直光学元件包括：尾纤和准直端；所述尾纤远离准直端的一端穿过所述光纤出口；所述准直端远离尾纤的一端的端面正对所述出光口；所述调节装置用于调节所述准直光学元件的空间位置，使所述准直端的中心轴与所述出光口和光纤出口的中心高度一致，且每个所述准直端的端面间隔相同。本发明通过将准直光学元件进行整齐排列，可以实现多路光的组束输出。

Description

一种多路光纤激光高占空比一维拼接装置及方法

技术领域

本发明涉及光纤激光技术应用领域，尤其是一种多路光纤激光高占空比一维拼接装置及方法。

背景技术

目前高功率光纤激光技术得到迅速发展，基模千瓦级光纤激光器已经实现商用化，但单台光纤激光器的输出功率毕竟有限，在系统级的应用中需使用多台光纤激光进行合束来达到更高功率。利用光栅进行共孔径光谱合成是目前发展迅速的合成技术，能够实现上百千瓦功率高光束质量输出。光谱合成技术对多路激光密集组束输入有严格要求，必须保证输入激光的光轴一致，光瞳间隔与光谱设计匹配。目前公知的密集组束方式采用棱镜拼接，棱镜拼接能够满足多路光纤激光严格光轴光瞳要求，其缺点也很明显：体积大，不利于系统小型化紧凑化设计；拼接占空比低，导致光学设计上光谱间隔大，合成光谱范围宽，光栅尺寸大；模块化程度低，拼接棱镜都为分离元件，模块化集成不方便。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种多路光纤激光高占空比一维拼接装置及方法，可以提高密集组束占空比，减少系统体积。

本发明采用的技术方案如下：

一种多路光纤激光高占空比一维拼接装置，包括：底板，后面板，前面板，调节装置以及与所述底板、后面板和前面板相匹配的封装外壳；所述后面板和前面板分别安装在所述底板的长度方向的两端并与底板垂直；所述调节装置固定安装在底板上；所述后面板上设置有多个光纤出口；所述前面板上设有出光口；每个所述光纤出口间隔相同，且中心高度与所述出光口的中心高度相同；

所述调节装置上安装有多个准直光学元件；所述准直光学元件包括：尾纤和准直端；所述尾纤远离准直端的一端穿过所述光纤出口；所述准直端远离尾纤的一端的端面正对所述出光口；所述调节装置用于调节所述准直光学元件的空间位置，使所述准直端的中心轴与所述出光口和光纤出口的中心高度一致，且每个所述准直端的端面间隔相同。

进一步地，所述多路光纤激光高占空比一维拼接装置，还包括固定安装在所述底板上的水冷面板；所述水冷面板表面具有多个与所述尾纤相匹配的冷却槽，用于放置并冷却所述尾纤。

进一步地，所述多路光纤激光高占空比一维拼接装置，还包括固定安装在所述前面板上的防尘罩，用户防护所述准直端的端面。

进一步地，所述调节装置包括：调节装置底座、多个调节装置主体和楔形块；

所述调节装置主体，包括：主体上部和主体下部；所述主体上部和主体下部的后端弱连接，前端形成开合口；所述楔形块塞入该开合口，并与所述主体上部和主体下部滑移连接；

所述调节装置底座与主体下部的前端和后端通过螺栓连接；所述调节装置底座上与主体下部的连接处，为具有沿调节装置底座宽度方向活动距离的沉孔；所述调节装置底座与主体下部连接处的螺栓上设有调节垫片。

进一步地，所述主体上部，包括：光学元件安装体和固定连接体；

所述光学元件安装体与固定连接体在开合口的一端弱连接；所述光学元件安装体与主体下部远离开合口的一端弱连接；

所述光学元件安装体用于固定准直光学元件；所述固定连接体与楔形块滑移连接。

进一步地，所述楔形块设置有条形孔，所述固定连接体和主体下部具有与所述条形孔宽度相对应的螺纹孔，用于通过螺栓固定楔形块与固定连接体和主体下部的相对位置。

进一步地，所述固定连接体和主体下部在开合口处设置有紧贴楔形块侧面的挡片。

进一步地，所述光学元件安装体上部具有与所述准直光学元件的准直端的外径相匹配的圆弧槽；所述准直光学元件的准直端采用紫外光学胶安装在所述圆弧槽内。

进一步地，所述多路光纤激光高占空比一维拼接装置，还包括：安装在所述底板的宽度方向的两端并与底板垂直的左面板和右面板；所述调节装置通过与所述左面板和右面板的上端连接且方向朝下。

一种多路光纤激光高占空比一维拼接方法，采用所述多路光纤激光高占空比一维拼接装置，进行多路光纤激光高占空比一维拼接；具体包括：

步骤1，安装所述多路光纤激光高占空比一维拼接装置；执行步骤2；

步骤2，通过调节所述调节装置，使所述准直端的中心轴与所述出光口和光纤出口的中心高度一致，且每个所述准直端的端面间隔相同；执行步骤3；

步骤3，输入光纤激光至所述尾纤，光纤激光经过所述准直端准直后，多个准直光学元件输出的准直后的激光拼接成光束。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明通过将准直光学元件进行整齐排列，可以实现多路光的组束输出，而采用调节装置对准直光学元件进行紧密装调，能够实现多路光纤激光瞳偏移设计值0.2mm，光轴一致性小于20urad。

2、本发明通过所述楔形块在开合口的长度方向来回移动，调节主体上部和主体下部的开合口开口度，实现了安装在主体上部的准直光学元件的俯仰调节；并将调节装置主体安装在调节装置底座上，通过调节调节装置底座与调节装置主体的相对位置，实现了准直光学元件的左右移动和旋转调节。并通过在底座与调节装置主体之间增加调节垫片，实现准直光学元件的高度调节。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本发明的多路光纤激光高占空比一维拼接装置的内部结构图。

图2为本发明的多路光纤激光高占空比一维拼接装置的外部结构图。

图3为本发明的调节装置的结构图。

附图标记：1-调节装置主体，11-主体上部，111-光学元件安装体，112-固定连接体，12-主体下部，2-调节装置底座，3-楔形块，100-圆弧槽，101-底板，102-后面板，1020-光纤出口，103-前面板，1030-出光口，104-调节装置，105-封装外壳，106-水冷面板，107-防尘罩，201-尾纤，202-准直端。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

本发明较佳实施例提供的一种多路光纤激光高占空比一维拼接装置，包括：底板101，后面板102，前面板103，调节装置104以及与所述底板101、后面板102和前面板103相匹配的封装外壳105；所述后面板102和前面板103分别安装在所述底板101的长度方向的两端并与底板101垂直；所述调节装置104固定安装在底板101上；所述后面板102上设置有多个光纤出口1020；所述前面板103上设有出光口1030；每个所述光纤出口1020间隔相同，且中心高度与所述出光口1030的中心高度相同；所述调节装置104上安装有多个准直光学元件；通过每个调节装置104调节一个准直光学元件，可以达到准直光学元件的单独调节，精度最高，当然也可以在每个调节装置104上安装两个、三个或N个准直光学元件。所述准直光学元件包括：尾纤201和准直端202；所述尾纤201远离准直端202的一端穿过所述光纤出口1020；所述准直端202远离尾纤201的一端的端面正对所述出光口1030；所述调节装置104用于调节所述准直光学元件的空间位置，使所述准直端202的中心轴与所述出光口1030和光纤出口1020的中心高度一致，且每个所述准直端202的端面间隔相同，从而实现多路光的组束输出。

所述多路光纤激光高占空比一维拼接装置安装时，首先将底板101、前面板103和后面板102进行安装；然后将调节装置104通过螺钉固定安装在底板101上；再然后通过将准直光学元件安装在所述调节装置104上，最后通过调节装置104调节准直光学元件的空间位置。而使用时，所述后面板102后安装有外部光纤保护套接口，对准直光学元件的尾纤201进行防护，光纤激光从尾纤201进入，通过准直端202的准直，由准直端202的中心轴为光轴，由出光口1030的整齐排列的准直端202输出多路光的组束。通过采用调节装置104对准直光学元件精密装调能够实现多路光纤激光瞳偏移设计值0.2mm，光轴一致性小于20urad。该装置在光纤光谱合成系统中应用，具有稳定性高，结构紧凑，可维修性强，功率体积比大的优点。

进一步地，为了对尾纤201进行冷却，所述多路光纤激光高占空比一维拼接装置，还包括固定安装在所述底板101上的水冷面板106；所述水冷面板106表面具有多个与所述尾纤201相匹配的冷却槽，用于放置并冷却所述尾纤201。所述多路光纤激光高占空比一维拼接装置，还包括固定安装在所述前面板103上的防尘罩107，用户防护所述准直端202的端面。所述防尘罩107的尺寸涉及可以仅覆盖准直端202端面至出光口1030的位置，也可以在此基础上增加对整个准直端202的覆盖。

需要详细说明的是，所述调节装置104包括：调节装置底座2、多个调节装置主体1和楔形块3；每个所述调节装置104可以依次沿调节装置底座2的长度方向整齐排列；所述调节装置主体1，包括：主体上部11和主体下部12；所述主体上部11和主体下部12的后端弱连接，前端形成开合口；所述楔形块3塞入该开合口，并与所述主体上部11和主体下部12滑移连接；通过所述楔形块3在开合口的长度方向来回移动，调节主体上部11和主体下部12的开合口开口度，实现安装在主体上部11的准直光学元件的俯仰调节。所述调节装置底座2与主体下部12的前端和后端通过螺栓连接；所述调节装置底座2上与主体下部12的连接处，为具有沿调节装置底座2宽度方向活动距离的沉孔；同时调节主体下部12的前端和后端的螺栓沿调节装置底座2宽度方向移动，可以实现准直光学元件的左右移动；而固定主体下部12的前端或后端的螺栓，调节另一端的螺栓沿调节装置底座2宽度方向移动，可以实现准直光学元件的旋转调节。所述调节装置底座2与主体下部12连接处的螺栓上设有调节垫片。通过使用不同厚度的调节垫片可以调节准直光学元件的整体高度，在实际使用时，可以设计不同标准规格的调节垫片，方便使用。

所述主体上部11，包括：光学元件安装体111和固定连接体112；所述光学元件安装体111与固定连接体112在开合口的一端弱连接；所述光学元件安装体111与主体下部12远离开合口的一端弱连接；所述光学元件安装体111用于固定准直光学元件；所述固定连接体112与楔形块3滑移连接。所述楔形块3设置有条形孔，所述固定连接体112和主体下部12具有与所述条形孔宽度相对应的螺纹孔，用于通过螺栓固定楔形块3与固定连接体112和主体下部12的相对位置。通过分离主体上部11为光学元件安装体111和固定连接体112，在调节完成后固定楔形块3时，避免因安装螺栓而造成光学元件安装体111上安装的准直光学元件发生偏移。在调节楔形块3进行开口度控制时，为了保证调节精度，需要控制楔形块3的表面粗糙度，因此，使所述楔形块3的自锁角角度大于楔角角度。所述固定连接体112和主体下部12在开合口处设置有紧贴楔形块3侧面的挡片，防止楔形块3带来开合口的宽度方向的耦合。

所述光学元件安装体111上部具有与所述准直光学元件的准直端202的外径相匹配的圆弧槽100；所述准直光学元件的准直端202采用紫外光学胶安装在所述圆弧槽100内。所述准直光学元件还可以以另一种方式安装在所述光学元件安装体上，具体为：所述光学元件安装体设有沿长度方向的光学元件安装孔；所述光学元件安装孔的内部形状与准直光学元件的准直端202相匹配。需要说明的是，所述光学元件安装孔的内部形状与准直光学元件不一定需要完全匹配，该方式只是为了增加光学元件安装孔的内壁与准直光学元件的接触点，保证准直光学元件安装后，不受到额外的弯曲应力，致使光轴指向偏差。进一步地，所述光学元件安装孔侧壁具有至少一个通孔，用于点入液态紫外胶，紫外胶渗透到准直光学元件外圆与圆弧槽的间隙，使得准直光学元件安装牢固。进一步地所述通孔内壁具有螺纹，用于通过装入安装顶丝固定准直光学元件；所述安装顶丝的前端设有柔性压片；所述柔性压片具有与准直光学元件外径匹配的圆弧，增加安装顶丝与准直光学元件的接触面积，使得准直光学元件更加稳固。进一步地，所述光学元件安装孔在开合口的一端外延，外延部分的端部具有与准直光学元件的尾纤201相匹配的圆孔，从而对尾纤201部分进行稳固和保护。

所述调节装置104的材料为殷钢。殷钢材料的热膨胀系数与石英材料相近，在环境温度变化时，变形极小，减小在准直光学元件受到的热应力，保证光束质量不恶化。同时，殷钢具有很好的塑性和韧性，可以满足所述光学元件安装体111与固定连接体112的弱连接，以及所述光学元件安装体111与主体下部12的弱连接，而使得弱连接处不会因为调节带来的形变发生断裂。

实施例2

由于调节装置通过螺栓固定楔形块3与固定连接体112和主体下部12的相对位置，而该螺栓设置在底部，所以实施例1实际的调试是需要将调节装置主体1和调节装置底座2组件倒装于工装上，实现多路调节装置的调试，调试合格后再将其翻转再安装于底板101上，如果需要维修，是需要将其组件重新拆下来放在工装上进行调试，所以维修起来较麻烦。因此，与实施例1不同的是，本实施例的多路光纤激光高占空比一维拼接装置，所述调节装置104和准直光学元件倒置安装在所述底板101上。具体地，所述多路光纤激光高占空比一维拼接装置，还包括：安装在所述底板101的宽度方向的两端并与底板101垂直的左面板和右面板；所述调节装置104通过与所述左面板和右面板的上端连接且方向朝下。本实施例的多路光纤激光高占空比一维拼接装置，在维修时，不用将调节装置104和准直光学元件均拆卸下载，可以单个对准直光学元件进行更换，维修便利。

实施例3

一种多路光纤激光高占空比一维拼接方法，采用如实施例1或实施例2所述的多路光纤激光高占空比一维拼接装置，进行多路光纤激光高占空比一维拼接；具体包括：

步骤1，安装所述多路光纤激光高占空比一维拼接装置；执行步骤2；

步骤2，通过调节所述调节装置104，使所述准直端202的中心轴与所述出光口1030和光纤出口1020的中心高度一致，且每个所述准直端202的端面间隔相同；执行步骤3；步骤2调节方式包括：

(1)通过所述楔形块3在开合口的长度方向来回移动，调节主体上部11和主体下部12的开合口开口度，从而对准直光学元件进行俯仰调节。俯仰调节完成后，通过螺栓固定楔形块3与固定连接体112和主体下部12的相对位置；

(2)同时调节主体下部12的前端和后端的螺栓沿调节装置底座2宽度方向移动，从而对准直光学元件进行左右移动；

(3)固定主体下部12的前端或后端的螺栓，调节另一端的螺栓沿调节装置底座2宽度方向移动，从而对准直光学元件进行旋转调节。

(4)使用不同厚度的调节垫片，调节准直光学元件的整体高度。

步骤3，输入光纤激光至所述尾纤201，光纤激光经过所述准直端202准直后，多个准直光学元件输出的准直后的激光拼接成光束。

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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种多路光纤激光高占空比一维拼接装置，其特征在于，包括：底板（101），后面板（102），前面板（103），调节装置（104）以及与所述底板（101）、后面板（102）和前面板（103）相匹配的封装外壳（105）；所述前面板（103）和后面板（102）分别安装在所述底板（101）的长度方向的两端并与底板（101）垂直；所述调节装置（104）固定安装在底板（101）上；所述后面板（102）上设置有多个光纤出口（1020）；所述前面板（103）上设有出光口（1030）；每个所述光纤出口（1020）间隔相同，且中心高度与所述出光口（1030）的中心高度相同；

所述调节装置（104）上安装有多个准直光学元件；所述准直光学元件包括：尾纤（201）和准直端（202）；所述尾纤（201）远离准直端（202）的一端穿过所述光纤出口（1020）；所述准直端（202）远离尾纤（201）的一端的端面正对所述出光口（1030）；所述调节装置（104）用于调节所述准直光学元件的空间位置，使所述准直端（202）的中心轴与所述出光口（1030）和光纤出口（1020）的中心高度一致，且每个所述准直端（202）的端面间隔相同；

所述调节装置（104）包括：调节装置底座（2）、多个调节装置主体（1）和楔形块（3）；

所述调节装置主体（1），包括：主体上部（11）和主体下部（12）；所述主体上部（11）和主体下部（12）的后端弱连接，前端形成开合口；所述楔形块（3）塞入该开合口，并与所述主体上部（11）和主体下部（12）滑移连接；

所述调节装置底座（2）与主体下部（12）的前端和后端通过螺栓连接；所述调节装置底座（2）上与主体下部（12）的连接处，为具有沿调节装置底座（2）宽度方向活动距离的沉孔；所述调节装置底座（2）与主体下部（12）连接处的螺栓上设有调节垫片；

所述主体上部（11），包括：光学元件安装体（111）和固定连接体（112）；所述光学元件安装体（111）与固定连接体（112）在开合口的一端弱连接；所述光学元件安装体（111）与主体下部（12）远离开合口的一端弱连接；所述光学元件安装体（111）用于固定准直光学元件；所述固定连接体（112）与楔形块（3）滑移连接；

所述多路光纤激光高占空比一维拼接装置，还包括固定安装在所述底板（101）上的水冷面板（106）；所述水冷面板（106）表面具有多个与所述尾纤（201）相匹配的冷却槽，用于放置并冷却所述尾纤（201）。

2.如权利要求1所述的多路光纤激光高占空比一维拼接装置，其特征在于，还包括固定安装在所述前面板（103）上的防尘罩（107），用户防护所述准直端（202）的端面。

3.如权利要求1所述的多路光纤激光高占空比一维拼接装置，其特征在于，所述楔形块（3）设置有条形孔，所述固定连接体（112）和主体下部（12）具有与所述条形孔宽度相对应的螺纹孔，用于通过螺栓固定楔形块（3）与固定连接体（112）和主体下部（12）的相对位置。

4.如权利要求3所述的多路光纤激光高占空比一维拼接装置，其特征在于，所述固定连接体（112）和主体下部（12）在开合口处设置有紧贴楔形块（3）侧面的挡片。

5.如权利要求4所述的多路光纤激光高占空比一维拼接装置，其特征在于，所述光学元件安装体（111）上部具有与所述准直光学元件的准直端（202）的外径相匹配的圆弧槽（100）；所述准直光学元件的准直端（202）采用紫外光学胶安装在所述圆弧槽（100）内。

6.如权利要求5所述的多路光纤激光高占空比一维拼接装置，其特征在于，还包括：安装在所述底板（101）的宽度方向的两端并与底板（101）垂直的左面板和右面板；所述调节装置（104）通过与所述左面板和右面板的上端连接且方向朝下。

7.一种多路光纤激光高占空比一维拼接方法，其特征在于，采用如权利要求1-6任一项所述的多路光纤激光高占空比一维拼接装置，进行多路光纤激光高占空比一维拼接；具体包括：

步骤1，安装所述多路光纤激光高占空比一维拼接装置；执行步骤2；

步骤2，通过调节所述调节装置（104），使所述准直端（202）的中心轴与所述出光口（1030）和光纤出口（1020）的中心高度一致，且每个所述准直端（202）的端面间隔相同；执行步骤3；

步骤3，输入光纤激光至所述尾纤（201），光纤激光经过所述准直端（202）准直后，多个准直光学元件输出的准直后的激光拼接成光束。