CN110221391B - 一种万瓦级可调节的光纤连接器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种万瓦级可调节的光纤连接器，包括：耦合器外壳；耦合器外壳两端安装有光纤连接头，每个光纤连接头上安装有光纤母头；耦合器外壳内设有两个耦合镜片和调节机构；调节机构用于实现：任一耦合镜片上下运动、上下俯仰、左右运动、左右摆动、前后运动的五维调节；或，一耦合镜片上下运动、上下俯仰、前后运动的三维调节和另一耦合镜片左右运动、左右摆动、前后运动的三维调节。本发明通过调节机构可实现镜片的五维调节，使得激光光束更好的耦合光纤，提高了其耦合效率；通过水冷结构，来实现耦合镜片的散热；用于大功率连续激光耦合，器件可以拆卸维护，具有调整方便，温湿度监测，结构紧凑，使用方便灵活，能耦合20KW的激光。

Description

一种万瓦级可调节的光纤连接器

技术领域

本发明涉及半导体激光器技术领域，具体涉及一种万瓦级可调节的光纤连接器。

背景技术

由于激光器具备的种种突出特点，因而被很快运用于工业、农业、精密测量和探测、通讯与信息处理、医疗、军事等各方面，并在许多领域引起了革命性的突破。激光在军事上除用于通信、夜视、预警、测距等方面外，多种激光武器和激光制导武器也已经投入实用。

随着激光技术的飞速发展，大功率激光器在工业与国防等领域有着广泛的应用，是现代激光材料加工、激光再制造、国防安全领域中必不可少的核心组件。在大功率激光器飞速发展的今天，为了让激光能更加方便、灵活的使用，现在的标准是使用光纤光缆将大功率激光从激光器传输到工作设备上，而光纤到光纤的耦合需要大功率光纤连接器来实现。

光纤连接器件的作用是一根光纤中的光最大限度地传到另一光纤中，或光信号在不同光纤之间的耦合传递。广义上的连接器分为两种类型：一种为可拆卸型连接器，它被设计成可被连接，必要时又可拆开；另一种为永久型连接器，它被一次型连接使用，不能在拆开后重复使用。连接器的组成部分分为：连接器插头、光缆跳线、转换器、变换器、裸光纤连接器。

现有的光纤连接器因为体积和散热问题，只适合于低功率的光纤到光纤耦合，而无法满足千万瓦级激光的耦合的要求，影响大功率激光器的使用和发展。对于大功率下的光纤连接通常采用扩束光纤连接器。

扩束光纤连接器是一种非接触式光纤连接器，通常会设置两个透镜及两根光纤，光纤端面一般设置在焦点附近，形成两个明显的平行光准直器，最终光束将得到显著放大，并将放大后的平行光束从一个准直器耦合到另一个准直器中，最终形成光路的有效连接。正是因为光纤束的扩大，因此扩束光纤连接器对于光束的对准要求也将相应降低。一般情况下，扩束光纤连接器的损耗分为两种类型，其一是固定损耗，是由系统自身所用材料、表面处理决定的，包括菲涅耳损耗、球差损耗、吸收损耗等；还有一种损耗是可变损耗，这种情况主要是因为对准误差所产生的，包括径向偏移损耗、纵向偏移损耗以及轴向倾角损耗。其中影响最大的是径向偏移损耗及轴向倾角损耗，虽然扩束光纤连接器的纤芯并不需要直接接触，但是如果透镜和光束出现角度偏转问题仍然会对连接器产生较大的损耗影响。

发明内容

针对上述问题中存在的不足之处，本发明提供一种万瓦级可调节的光纤连接器。

本发明公开了一种万瓦级可调节的光纤连接器，包括：耦合器外壳；

所述耦合器外壳两端安装有光纤连接头，每个所述光纤连接头上安装有光纤母头；所述耦合器外壳内设有两个耦合镜片和调节机构；

所述调节机构用于实现：

任一所述耦合镜片上下运动、上下俯仰、左右运动、左右摆动、前后运动的五维调节；或，

一所述耦合镜片上下运动、上下俯仰、前后运动的三维调节和另一所述耦合镜片左右运动、左右摆动、前后运动的三维调节。

作为本发明的进一步改进，当所述调节机构用于实现：任一所述耦合镜片上下运动、上下俯仰、左右运动、左右摆动、前后运动的五维调节；

所述调节机构为一套耦合镜片调节机构，所述耦合镜片调节机构包括镜片固定架、镜片调整环、导筒、两个第一微分头和四个第二微分头；

任一所述耦合镜片安装在所述镜片固定架上，所述镜片固定架放置在所述镜片调整环内，所述镜片调整环安装在所述导筒内，所述导筒沿轴向滑动安装在所述耦合器外壳内；

所述第一微分头安装在所述光纤连接头上且端部作用在所述镜片调整环或导筒上，用于实现所述耦合镜片前后运动的一维调节；

四个所述第二微分头沿前后方向安装在所述耦合器外壳的上/下位置处和左/右位置处，且端部作用在所述镜片固定架上；用于实现所述耦合镜片上下运动、上下俯仰、左右运动、左右摆动的四维调节。

作为本发明的进一步改进，当所述调节机构用于实现：一所述耦合镜片上下运动、上下俯仰、前后运动的三维调节和另一所述耦合镜片左右运动、左右摆动、前后运动的三维调节；

所述调节机构为两套耦合镜片调节机构，每套所述耦合镜片调节机构包括镜片固定架、镜片调整环、导筒、第一微分头和两个第二微分头；

所述耦合镜片安装在所述镜片固定架上，所述镜片固定架放置在所述镜片调整环内，所述镜片调整环安装在所述导筒内，所述导筒沿轴向滑动安装在所述耦合器外壳内；

所述第一微分头安装在所述光纤连接头上且端部作用在所述镜片调整环或导筒上，用于实现所述耦合镜片前后运动的一维调节；

两个所述第二微分头沿前后方向安装在所述耦合器外壳的上/下位置处或左/右位置处，且端部作用在所述镜片固定架上；用于实现所述耦合镜片上下运动、上下俯仰的二维调节或左右运动、左右摆动的二维调节。

作为本发明的进一步改进，所述光纤母头通过转接环安装在所述光纤连接头上。

作为本发明的进一步改进，所述耦合器外壳内设有温度传感器。

作为本发明的进一步改进，还包括水冷管公头和水冷管母头；

所述水冷管母头安装在所述光纤连接头上，所述水冷管公头安装在所述镜片调整环上；相连接的所述水冷管公头和水冷管母头作为所述镜片调整环和外部的水流通道。

作为本发明的进一步改进，所述镜片调整环侧面的凹槽中设有弹簧盒，用于固定所述镜片固定架。

作为本发明的进一步改进，所述镜片调整环的两端设有夹片，用于固定所述镜片固定架。

作为本发明的进一步改进，所述导筒与光纤连接头相对应的端面上设有多个弹簧卡环，两个相对应的所述弹簧卡环之间通过弹簧连接。

作为本发明的进一步改进，所述耦合镜片的透镜形状满足以下方程：

式中，R为耦合镜片的二次曲面曲率，Y为径向坐标，K为圆锥二次曲线系数，A₄、A₆、A₈、A₁₀为高次项系数。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明通过调节机构可实现镜片的五维调节，使得激光光束更好的耦合光纤，提高了其耦合效率；通过水冷结构，来实现耦合镜片的散热；用于大功率连续激光耦合，器件可以拆卸维护，具有调整方便，温湿度监测，结构紧凑，使用方便灵活，能耦合20KW的激光。

附图说明

图1为本发明提供的光纤连接器的后视剖面结构图；

图2为本发明提供的光纤连接器的后视图；

图3为本发明提供的光纤连接器的俯视剖面结构图；

图4为本发明提供的光纤连接器的俯视图；

图5为本发明提供的光纤连接器的右视图；

图6为本发明提供的光纤连接器的第一右视剖面结构视图；

图7为本发明提供的光纤连接器的第二右视剖面结构视图；

图8为本发明提供的光纤连接器的镜片调整环的结构示意图。

图中：

1、光纤QD母头；2、QD转接环；3、光纤连接头；4、耦合器外壳；5、第一微分头；6、第二微分头；7、导筒；8、镜片调整环；9、水冷管公头；10、水冷管母头；11、耦合镜片；12、镜片固定架；13、弹簧盒；14、温度传感器；15、夹片；16、弹簧卡环；17、弹簧。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明提供一种万瓦级可调节的光纤连接器，包括：耦合器外壳；耦合器外壳两端安装有光纤连接头，每个光纤连接头上安装有光纤母头；耦合器外壳内设有两个耦合镜片和调节机构；调节机构用于实现：任一耦合镜片上下运动、上下俯仰、左右运动、左右摆动、前后运动的五维调节；或，一耦合镜片上下运动、上下俯仰、前后运动的三维调节和另一耦合镜片左右运动、左右摆动、前后运动的三维调节。本发明通过调节机构可实现镜片的五维调节，使得激光光束更好的耦合光纤，提高了其耦合效率；通过水冷结构，来实现耦合镜片的散热；用于大功率连续激光耦合，器件可以拆卸维护，具有调整方便，温湿度监测，结构紧凑，使用方便灵活，能耦合20KW的激光。

其中：

当调节机构用于实现：任一耦合镜片上下运动、上下俯仰、左右运动、左右摆动、前后运动的五维调节时：

本发明的调节机构为一套耦合镜片调节机构，耦合镜片调节机构包括镜片固定架、镜片调整环、导筒、第一微分头和四个第二微分头；任一耦合镜片安装在镜片固定架上，镜片固定架放置在镜片调整环内，镜片调整环安装在导筒内，导筒沿轴向滑动安装在耦合器外壳内；第一微分头安装在光纤连接头上且端部作用在镜片调整环或导筒上，用于实现耦合镜片前后运动的一维调节；四个第二微分头沿前后方向安装在耦合器外壳的上/下位置处和左/右位置处，且端部作用在镜片固定架上；用于实现耦合镜片上下运动、上下俯仰、左右运动、左右摆动的四维调节。

当调节机构用于实现：一耦合镜片上下运动、上下俯仰、前后运动的三维调节和另一耦合镜片左右运动、左右摆动、前后运动的三维调节时：

本发明的调节机构为两套耦合镜片调节机构，每套耦合镜片调节机构包括镜片固定架、镜片调整环、导筒、第一微分头和两个第二微分头；耦合镜片安装在镜片固定架上，镜片固定架放置在镜片调整环内，镜片调整环安装在导筒内，导筒沿轴向滑动安装在耦合器外壳内；第一微分头安装在光纤连接头上且端部作用在镜片调整环或导筒上，用于实现耦合镜片前后运动的一维调节；两个第二微分头沿前后方向安装在耦合器外壳的上/下位置处或左/右位置处，且端部作用在镜片固定架上；用于实现耦合镜片上下运动、上下俯仰的二维调节或左右运动、左右摆动的二维调节。

进一步，光纤母头通过转接环安装在光纤连接头上。

进一步，耦合器外壳内设有温度传感器。

进一步，还包括水冷管公头和水冷管母头；水冷管母头安装在光纤连接头上，水冷管公头安装在镜片调整环上；相连接的水冷管公头和水冷管母头作为镜片调整环和外部的水流通道。

进一步，镜片调整环侧面的凹槽中设有弹簧盒，用于固定镜片固定架。

进一步，镜片调整环的两端设有夹片，用于固定镜片固定架。

进一步，导筒与光纤连接头相对应的端面上设有多个弹簧卡环，两个相对应的弹簧卡环之间通过弹簧连接。

进一步，耦合镜片的透镜形状满足以下方程：

式中，R为耦合镜片的二次曲面曲率，Y为径向坐标，K为圆锥二次曲线系数，A₄、A₆、A₈、A₁₀为高次项系数。

下面以调节机构为两套耦合镜片调节机构为例，结合附图对本发明做进一步的详细描述：

如图1-8所示，本发明提供一种万瓦级可调节的光纤连接器，包括：光纤QD母头1、QD转接环2、光纤连接头3、耦合器外壳4、第一微分头5、第二微分头6、导筒7、镜片调整环8、水冷管公头9、水冷管母头10、耦合镜片11、镜片固定架12、弹簧盒13、温度传感器14、夹片15、弹簧卡环16和弹簧17；其中：

本发明的光纤连接头3通过螺丝固定在耦合器外壳4两侧，光纤QD母头1通过卡扣的形式与光纤连接头3上的QD转接环2相连，从而使光纤接入光纤连接器。

本发明的两个耦合镜片11均同轴布置在耦合器外壳4内，且每个耦合镜片11对应安装在各自的耦合镜片调节机构上，实现该耦合镜片11的上下运动、上下俯仰、前后运动的三维调节；具体为：耦合镜片11耦合镜片安装在镜片固定架12上，镜片固定架12放置在镜片调整环8内，镜片调整环8安装在导筒7内，导筒7沿轴向滑动安装在耦合器外壳4内；第一微分头5安装在光纤连接头3上且端部作用在镜片调整环8或导筒7上，用于实现耦合镜片11前后运动的一维调节；两个第二微分头6沿前后方向安装在耦合器外壳4的顶部位置处或左部位置处，且端部作用在镜片固定架12上；用于实现耦合镜片11上下运动、上下俯仰的二维调节或左右运动、左右摆动的二维调节。其中，镜片调整环8在侧面的凹槽里使用螺丝固定弹簧盒13，镜片固定架12通过滑动和夹片15的夹紧的方式固定在镜片调整环8内，用来固定镜片固定架12；镜片调整环8的侧面圆柱面有特殊的环形凹槽，用于冷却水的导流；镜片调整环8使用螺丝和星型圈连接在导筒7里。

本发明的水冷管母头10安装在光纤连接头3上，水冷管公头9安装在镜片调整环8上，水冷管母头10和水冷管公头9上均设有密封圈（O型圈或星型圈）；相连接的水冷管母头10和水冷管公头9作为镜片调整环和外部的水流通道。

本发明的导筒7被放置在耦合器外壳4的导轨里，导筒7的一端面上通过螺纹固定弹簧卡环16，导筒7的一端面的弹簧卡环16通过弹簧17连接在光纤连接头3里端面的弹簧卡环16上，耦合器外壳4在导轨最里侧放置温度传感器14，温度传感器14的测量温度范围为-20°~500°，也可以改用其他类型传感器。

本发明的耦合镜片11可以是非球面熔融石英玻璃镜片，耦合镜片11透镜形状满足以下方程：

式中，参数R表示非球面镜的二次曲面曲率，Y为径向坐标，k为圆锥二次曲线系数（当k＜-1时面形曲线为双曲线，k＝-1时为抛物线，-1＜k＜0时为椭圆，k＝0时为圆形，k＞0时为扁圆形），A为高次项系数。

同时也可以是同性能的石英球面镜片组，耦合镜片11双表面镀有增透膜，耦合镜片11使用无机热熔胶固定在镜片固定架（12）上。

本装置的具体工作过程如下：

如图1所示，弹簧卡环16和水冷管母头10通过螺纹连接到光纤连接头3里侧端面上；耦合镜片11利用无机热固胶被固定在镜片固定架12上；镜片固定架12放入镜片调整环8的滑道里。

如图1、6所示，利用夹片15将镜片固定架12挡在镜片调整环8中。两个镜片调整环8以其滑道相互垂直的状态用螺丝固定在导筒7中。

如图3、8所示，固定前在镜片调整环8的4个环形凹槽中放置星型圈，用于密封。

如图3、7、8所示，两个镜片调整环8的圆柱侧面分别有一个矩形凹槽，使用螺丝将弹簧盒13固定在凹槽中，两个镜片调整环8的端面有2个螺纹孔，将水冷管公头9配上O型圈后固定在螺纹孔里。

如图1、6、7所示，导筒7的一端面有4个螺纹孔，用于固定弹簧卡环16；将导筒7上的弹簧卡环16与光纤连接头3的弹簧卡环16用弹簧17连接，将镜片调整环8端面上的水冷管公头9加上星型圈插入在光纤连接头里端面上3的水冷管母头10。

如图1、2、4所示，导筒7按其导轨放入耦合器外壳4中，导筒7的圆柱侧面有凸出的那一侧应该在耦合器外壳4槽孔处，光纤连接头3通过螺钉连接到耦合器外壳4上，光纤QD母头1通过卡扣的形式与光纤连接头3上的QD转接环2相连，从而使光纤接入光纤连接器；将温度传感器14插入耦合器外壳4的内腔孔中；微分头(6)通过螺纹的方式从耦合器外壳4个槽孔中拧入固定，微分头5通过螺纹的方式从光纤连接头外端面孔中拧入固定。

需要说明的是，通入镜片调整环8的冷却液可以是水，也可以是其他冷却液，但是其沸点需要在0~110°之间。

需要说明的是，耦合镜片11可以是其他同性能的玻璃镜片组，这里的非球面熔融石英玻璃镜片只是一种优选镜片。

需要说明的是，温度传感器14可以是其他传感器如湿度传感器，光电传感器，这里的温度传感器仅仅是一种优选传感器。

需要说明的是，QD转接环上有光电传感器和温度传感器，能够探测纤芯外部杂散光和检测器件温度，检测光纤断裂和光纤耦合情况。

需要说明的是，上述星型圈可以是其他动密封圈，星型圈只是一种优选的密封圈。

利用万瓦级可调节光纤连接器对激光光源和光纤进行耦合步骤如下：

步骤1、将校准激光利用光纤QD母头1卡入耦合器的光纤连接头处3，光纤连接器两端接入水冷机，开启水冷机，开启激光。

步骤2、测试输出激光的光强，调节耦合器外壳4上的微分头6，当输出激光光强最大时，可以认为激光光束和耦合系统的光学中心已经对准。

步骤3、测试输出激光的光斑，调节光纤连接头3上的微分头5，当输出激光光斑最小时，可以认为系统达到最佳耦合状态。

本发明的优点：

1、本发明通过滑动、夹挡的方式实现耦合镜片的四维调节，同时具有水 冷散热的功能，保证了其在高功率光束耦合时的效率和稳定性。

2、本发明通过活塞的方式连接冷水管公头和母头，使得其在保证稳定的 情况下能够实现耦合镜片在轴向方向的可调节，进一步提升装置的耦合效率。

3、本发明在耦合器腔内放置温度传感器，用于监测光纤连接器的工作情 况。

4、本发明的连接器与外接环境隔离，减少其工作时所受的干扰。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域 的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则 之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围 之内。

Claims (8)

1.一种万瓦级可调节的光纤连接器，其特征在于，包括：耦合器外壳；

所述耦合器外壳两端安装有光纤连接头，每个所述光纤连接头上安装有光纤母头；所述耦合器外壳内设有两个耦合镜片和调节机构；

所述调节机构用于实现：

任一所述耦合镜片上下运动、上下俯仰、左右运动、左右摆动、前后运动的五维调节；或，

一所述耦合镜片上下运动、上下俯仰、前后运动的三维调节和另一所述耦合镜片左右运动、左右摆动、前后运动的三维调节；所述调节机构为两套耦合镜片调节机构，每套所述耦合镜片调节机构包括镜片固定架、镜片调整环、导筒、第一微分头和两个第二微分头；所述耦合镜片安装在所述镜片固定架上，所述镜片固定架放置在所述镜片调整环内，所述镜片调整环安装在所述导筒内，所述导筒沿轴向滑动安装在所述耦合器外壳内；所述第一微分头安装在所述光纤连接头上且端部作用在所述镜片调整环或导筒上，用于实现所述耦合镜片前后运动的一维调节；两个所述第二微分头沿前后方向安装在所述耦合器外壳的上/下位置处或左/右位置处，且端部作用在所述镜片固定架上；用于实现所述耦合镜片上下运动、上下俯仰的二维调节或左右运动、左右摆动的二维调节；

所述光纤连接器还包括水冷管公头和水冷管母头，所述镜片调整环的侧面圆柱面设有用于冷却水导流的环形流道，所述环形螺旋流道的两侧分别设有两个环形凹槽，且在所述环形凹槽内放置星型圈，用于密封环形流道；所述水冷管公头固定在所述镜片调整环端面的螺纹孔内，所述水冷管母头通过螺纹连接到光纤连接头里侧端面上，所述水冷管公头加上星型圈插入所述水冷管母头内构成活塞结构；相连接的所述水冷管公头和水冷管母头作为所述镜片调整环和外部的水流通道。

2.如权利要求1所述的光纤连接器，其特征在于，其所述调节机构用于实现：任一所述耦合镜片上下运动、上下俯仰、左右运动、左右摆动、前后运动的五维调节；

所述调节机构为一套耦合镜片调节机构，所述耦合镜片调节机构包括镜片固定架、镜片调整环、导筒、两个第一微分头和四个第二微分头；

任一所述耦合镜片安装在所述镜片固定架上，所述镜片固定架放置在所述镜片调整环内，所述镜片调整环安装在所述导筒内，所述导筒沿轴向滑动安装在所述耦合器外壳内；

所述第一微分头安装在所述光纤连接头上且端部作用在所述镜片调整环或导筒上，用于实现所述耦合镜片前后运动的一维调节；

四个所述第二微分头沿前后方向安装在所述耦合器外壳的上/下位置处和左/右位置处，且端部作用在所述镜片固定架上；用于实现所述耦合镜片上下运动、上下俯仰、左右运动、左右摆动的四维调节。

3.如权利要求1-2中任一项所述的光纤连接器，其特征在于，所述光纤母头通过转接环安装在所述光纤连接头上。

4.如权利要求1-2中任一项所述的光纤连接器，其特征在于，所述耦合器外壳内设有温度传感器。

5.如权利要求1-2中任一项所述的光纤连接器，其特征在于，所述镜片调整环侧面的凹槽中设有弹簧盒，用于固定所述镜片固定架。

6.如权利要求1-2中任一项所述的光纤连接器，其特征在于，所述镜片调整环的两端设有夹片，用于固定所述镜片固定架。

7.如权利要求1-2中任一项所述的光纤连接器，其特征在于，所述导筒与光纤连接头相对应的端面上设有多个弹簧卡环，两个相对应的所述弹簧卡环之间通过弹簧连接。

8.如权利要求1-2中任一项所述的光纤连接器，其特征在于，所述耦合镜片的透镜形状满足以下方程：

式中，R为耦合镜片的二次曲面曲率，Y为径向坐标，K为圆锥二次曲线系数，A₄、A₆、A₈、A₁₀为高次项系数。

Images