CN111123441A - 一种用于高功率激光电缆的光纤连接器 - Google Patents

一种用于高功率激光电缆的光纤连接器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于高功率激光电缆的光纤连接器，包括：光纤和光连接器本体；其中光连接器本体包括沿纵向轴线A延伸的套管，套管分别为内管体和外管体，两者之间形成与纵向轴线A同轴的环形的中空腔体；内管体分隔为轴向间隔的第一内腔和第二内腔，第一内腔内设置耦合体，第二内腔内被填充材料完全填充，所述填充材料具有光散射特性，通过填充材料进入第二内腔的光散射而不与光纤耦合。通过在光连接器中限制光损耗，并进行适当的吸收和耗散；采用间接冷却的方式，确保光纤、耦合区域与冷却液接触的墙壁之间具有高导热性；对损失的光和从包层中提取的光，充分利用光连接器内的空间进行吸收和耗散。

Description

一种用于高功率激光电缆的光纤连接器
技术领域
本发明涉及一种用于高功率激光电缆的光纤连接器。
背景技术
高功率光缆可作为激光传输的载体，目前其在工业领域已具有广泛应用。实际使用时，光缆一侧与激光源相连，另一侧则连接到相应的工具或工作器件。一般情况下，光纤中的输入输出的光功率耦合会发生在光缆末端，此时通常需要在光缆末端配置光连接器，其目的是简化光缆与工具或工作器件的耦合。然而光缆的耦合处存在的光损耗通常是不可避免，因此必须对其加以考虑。造成光损耗有众多可能原因，如耦合不良、光缆使用过程中由于定位不准导致的耦合性能损失、加工过程产生的反射、耦合光功率进入光纤包层等。而这些光损耗往往会引起热量集中。光连接器热管理系统可确保对光损耗所产生的热量进行处理，对于高功率激光电缆，通常采用冷却液的强制循环来散热。在直接冷却时，冷却剂可能会从光连接器的流出，并严重损坏连接器所连接的光学器件和设备，其危害程度将远远超出光缆故障。而间接冷却时效率低和热传递不及时，可能存在局部集热的情况，光纤上的热量可能在造成永久性损坏后，才将产生的热量消散到冷却回路中。因此，如何解决光纤连接器内的热量耗散是目前亟待解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种用于高功率激光电缆的光纤连接器，通过在光连接器中限制光损耗，并进行适当的吸收和耗散；采用间接冷却的方式，确保光纤、耦合区域与冷却液接触的墙壁之间具有高导热性；对损失的光和从包层中提取的光，充分利用光连接器内的空间进行吸收和耗散。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种用于高功率激光电缆的光纤连接器，包括：
光纤，其具有纤芯和一个或多个包层区域；
光连接器本体，其包括沿纵向轴线A延伸的套管，套管包括两个管，分别为内管体和外管体，内管体和外管体同轴布置，两者之间形成与纵向轴线A同轴的环形的中空腔体；
内管体设置有一个垂直于纵轴的环形的内凸部，将内管体分隔为轴向间隔的第一内腔和第二内腔，第一内腔和第二内腔通过内凸部中心的通道连通；
第一内腔内设置耦合体，耦合体设置在内凸部的侧壁上，并部分的从其所在的第一个内腔中突出；耦合体由与光纤的纤芯相同折射率的材料构成；
第二内腔内被填充材料完全填充，填充材料的颗粒填充在光纤与内管体的第二内腔的之间的空间，并与光纤的外表面与第二内腔的内表面接触；
所述填充材料具有光散射特性，通过填充材料进入第二内腔的光散射而不与光纤耦合而传播，从而导致光产生的热量沿第二内腔衰减。
优选的，其中填充材料包括在第二内腔靠近内凸部的区域内由大颗粒填充材料，以及在第二内腔远离较远内凸部的区域内由小颗粒填充材料，以便于光向第二内腔内部渗透。
优选的，光纤包括纤芯和外层包层，其中外层包层区域直接接触的填充材料。
优选的，其中填充材料的折射率等于或高于光纤的外层包层区域的折射率。
优选的，其中光纤的外层包层区域在远离内凸部的一段距离内设置有一外表面波纹。
优选的，内管体的第二内腔的部分的内表面具有表面粗糙度和涂层，以便于在第二内腔靠近内凸部的区域实现光反射和散射。
优选的，光耦合体包括突出部，突出部沿纵向轴线A同轴地延伸，穿过在内凸部中形成的通道并且具有锥形端部。
优选的，突出部的锥形端部的顶面与内凸部另一侧的第二内腔的对应的侧壁所在的平面对齐。
本发明的一种用于高功率激光电缆的光纤连接器，通过限制光损耗，并进行适当的吸收和耗散，如引导进入光纤包层的部分光被移除、吸收和耗散，从而能够改善光连接器中光损耗；采用间接冷却的方式，冷却液不与光纤和耦合区域接触，确保光纤、耦合区域与冷却液接触的墙壁之间具有高导热性，通过结构的限制光连接器输入时的光损失量；为了消除光纤纤芯与耦合块之间折射率可能发生的跳跃，通过包层将光纤散热的光提取出来，以一种循序渐进的方式分布，防止高光功率的位置出现集热点；对损失的光和从包层中提取的光进行扩散，并且充分利用光连接器上可用的空间和表面来吸收和耗散。
附图说明
图1是根据本发明的一种用于高功率激光电缆的光纤连接器的截面图。
图2是图1的一种用于高功率激光电缆的光纤连接器中接收光的示意图。
图3a、3b是图1的一种用于高功率激光电缆的光纤连接器中光传播的示意图。
图4a、4b、4c是一种用于高功率激光电缆的光纤连接器的光纤包层中引导光的示意图。
图5是根据本发明的一种用于高功率激光电缆的光纤连接器的内管体5的截面图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，本发明的一种用于高功率激光电缆的光纤连接器，包括光连接器本体，光连接器本体包括套管3；所述套管3包括内管体5和外管体4，内管体5同轴布置在外管体4的内部，两者之间形成环形的中空腔体6，与套管3同轴布置且纵向延伸，中空腔体6具有一个入口和一个出口构成冷却循环，在中空腔体6内具有冷却液体，按图1中指示的方向流动。
外管体4作为机械光连接器1，由金属材料制成，例如不锈钢、电镀铝等，这样能够确保所需的定位精度和所需的强度。
内管体5作为吸收器或散热器，由金属材料制造，例如，铝或铜，具有高导热性，在光反射下会因表面粗糙度导致一些μm级别的扩散光。
内管体5设置有一个垂直于纵轴的环形的内凸部7，将内管体5分隔为轴向间隔的第一内腔8和第二内腔9，第一内腔8和第二内腔9通过内凸部7中心的通道10连通。
第一内腔8内设置耦合体11，耦合体11设置在内凸部7的侧壁上，并部分的从其所在的第一个内腔8中突出；耦合体11由与光纤13的纤芯相同折射率的材料构成，如玻璃或熔融石英。
光耦合体11作为耦合光窗，其目的在于降低连接器与空气耦合处的光密度，降低耦合处的光纤功率。耦合光窗的折射率近似等于光纤核心的折射率，光耦合体11从第一个内腔8中突出部分的外表面覆盖有抗反射涂层，以此对光的波长经过优化处理，目的在于减少光损失。
光耦合体11包括突出部12，突出部12沿纵向轴线A同轴地延伸，穿过在内凸部7中形成的通道10，直到内凸部7的另一侧壁，并且具有锥形端部。锥形端部的顶面设置在内凸部7的另一侧的第二内腔9的对应的侧壁所在的平面。
如图2所示，内管体5的末端为第一个内腔8的入口，该第一个内腔8内装有光耦合体11，限制了光在光连接器1输入时的损失。这有助于提高光连接器1的光接受度，即进入第一内腔8的光在光连接器外表面的没有反射和扩散回来的特性。这些特性是由光连接器的光接受角度和入射光的到达方向与光纤之间的角度失调来定义的。光纤的接收立体角取决于光纤本身的数值孔径，数值孔径越大，光纤的接收立体角越大，而造成光损耗的失调除了与光连接器(Z)轴上的位移有关的光束的倾斜角度有关外，还与光束的横向错位(x、y，垂直于连接器的轴线)有关。
光束沿着光耦合体11突出第一腔体8的末端所允许的最大方向进入，在光连接器的内部反射和扩散。光束虽然在此过程中会有丢失，但并没有在光连接器中吸收和消散，而是返回到外部。设计机械限幅器对光束的限制时需要要考虑光纤本身的数值孔径。
内凸部7与耦合块11相靠的轴向位置和在内凸部7中形成的通道10的面积进一步形成了光束的限制装置。光连接器1输入的光丢失量定义为光连接器1的第二光接受度，即进入第一内腔8的入口的光在光连接器外表面的没有反射和扩散回来的特性。
如图1所示，内管体5的第二内腔9内设置由光纤13的端部，光纤13包括纤芯和包层，使光纤13的纤芯的轴向端通过熔接与耦合块11进行耦合。耦合块11的径向方向的投影面与第二个内腔9和内凸部7的壁面相对应，使得耦合连接的漫散射强，能够将光纤13与耦合块11之间的耦合损失降至最低。
光纤13具有适合于传输激光的结构，根据不同的应用可能有不同的尺寸(直径核心、厚度包层、涂层厚度涂层)和不同的长度，如图2所示双包层光纤。
第二内腔9的径向尺寸比光纤13的径向尺寸大得多，光纤13与内管体5的第二内腔9的之间的空间由填充材料14填充，填充材料14为惰性粒状，不吸光，能抵抗高温，具有一定的导热性和合适的折射率。通过填充材料可以将光连接器1中的光损耗进行漫射，即光进入与光纤13的纤芯非耦合的部分。
具体的，光从耦合块11进入，经过限制输入反射后耦合，并传输至光连接器1的内部，由于限幅器的存在，部分的光没有耦合到光纤13，该部分光传送导光纤13的包层，从光纤13上移除，这些光的热可以被导向到内管体5的第二内腔9的部分吸收。所有从耦合块11无法耦合的光利用第二内腔9的深度以渐进的方式扩散，以便从外部冷却的吸收器吸收。
此时，包含光纤13的第二个内腔9内就填满了填充材料14，其颗粒为球形的颗粒。可知的是，颗粒也可为其他的大小和任何形状的颗粒。
填充材料14均匀分布在第二内腔9与光纤13的空间，并进行压制，使填充最大化，避免空隙和不完整的填充区域。填充完成后，密封第二内腔9，避免填充材料14泄漏，保持结构的稳定。当第二个内腔9被完全填满并密封后，即使在光连接器1受到机械压力时，颗粒也无法移动。同样的，为了避免在光纤13上产生机械压力，选择填充材料14时，要使其具有热膨胀系数。
如图3a和3b所示，靠近耦合块11区域的颗粒尺寸较大，扩散方向更高。由于扩散中心的密度(每单位体积的颗粒数)与颗粒的直径的三次幂成反比，所以那些直径较大的扩散效果不如那些直径较小的扩散效果。通过填充材料传播的光损耗是一种逐渐衰减的扩散过程，光扩散后被第二内腔9的壁吸收。
由于光纤13的端部包含在没有防护涂层、外套、缓冲(涂层)的第二内腔9内，第二内腔9中填充材料14与光纤13的外包层直接接触，因此填充材料14起模态剥离器的作用。通过选择填充材料14的形状和尺寸，可以控制光纤13与填充材料14之间接触点的密度，并调节光在最外包层中传播的强度。为了执行模式剥离器功能，填充材料14的折射率必须大于或等于与其接触的光纤13的外包层的折射率。
如图4a-4c所示，光纤连接器的光纤包层中引导光的示意图。光纤13与填充材料14的接触面积越大，在包层中传播的光的散射就越大。这取决于填充材料14的颗粒形状和大小:颗粒较大，密度较低的光纤13与填充材料14之间的接触点密度越低，导致散射有限；颗粒越小，接触点密度越高，散射越高。当光纤13不与填充材料14的颗粒接触时，光纤13的包层被空气包围，在这些区域内不发生散射。
在本发明中，优选使靠近耦合块11为直径更大的颗粒，而在远离的耦合块11的区域中使用直径更小的颗粒，这样设置以便有利于将散射的光穿透到第二内腔9的内部，并且避免在光学连接器1的靠近耦合块11的区域中的出现热过载。
填充材料14为可以为石英、玻璃、陶瓷材料，如A1203、AlN、BN等。填充材料14与光纤与内管体5的冷却壁直接接触，可实现热量在光学连接器1内快速热分布，避免局部过热并促进温度均匀分布。需要注意的是，填充材料14需要保证一定的纯度。外来物质、杂质和污染物会吸收光辐射，造成局部过热。
填充材料14可由不同材料构成，用于第二内腔9的不同区域。例如，大颗粒的熔融石英可用于耦合块11的附近区域，这是因为其高透明度，传播方向上的优先扩散，低密度的接触点，折射率与光纤包层的折射率非常接近或相等，导热性差。这样保证了光连接器1内部良好的透光性以及热负荷的可接受性。由于在这个区域虽然没有很高的导热系数，但是相对于空气的导热系数却大了10-20倍。
在第二内腔9的剩余区域使用AlN，选择比熔融石英小的直径小的颗粒，这是因为其扩散非常明显，堆积密度高，热导率高，接触点密度高，折射率高于光纤包层的折射率。这样保证了光可以完全扩散吸收，避免了集热点的形成。填充材料的颗粒大小使光的波长在毫米级别进行浮动，范围从5μm到500μm。
其中，光纤13的外层包层区域在远离内凸部的一段距离内设置有一外表面波纹。另外，如图5所示，为了进一步实现光连接器1吸收产生热量，在靠近耦合块11的区域实现反射和扩散功能，可将内管体5的内表面改进为合适的几何形状和进行表面处理，如改进表面粗糙度、设置反射涂层。具体的，内管体5靠近耦合块11的与直径较大颗粒对应的区域设置宽度较大的波纹，与直径较小颗粒对应的区域设置宽度较小的波纹。
本发明的一种用于高功率激光电缆的光纤连接器，通过限制光损耗，并进行适当的吸收和耗散，如引导进入光纤包层的部分光被移除、吸收和耗散，从而能够改善光连接器中光损耗；采用间接冷却的方式，冷却液不与光纤和耦合区域接触，确保光纤、耦合区域与冷却液接触的墙壁之间具有高导热性，通过结构的限制光连接器输入时的光损失量；为了消除光纤纤芯与耦合块之间折射率可能发生的跳跃，通过包层将光纤散热的光提取出来，以一种循序渐进的方式分布，防止高光功率的位置出现集热点；对损失的光和从包层中提取的光进行扩散，并且充分利用光连接器上可用的空间和表面来吸收和耗散。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种用于高功率激光电缆的光纤连接器，其特征在于，包括：
光纤(13)，具有纤芯和一个或多个包层区域；
光连接器本体(1)，其包括沿纵向轴线(A)延伸的套管(3)，套管(3)包括两个管体(4、5)，分别为内管体(5)和外管体(4)，内管体(5)和外管体(4)同轴布置，两者之间形成与纵向轴线(A)同轴的环形的中空腔体(6)；
内管体(5)设置有一个垂直于纵轴的环形的内凸部(7)，将内管体(5)分隔为轴向间隔的第一内腔(8)和第二内腔(9)，第一内腔(8)和第二内腔(9)通过内凸部(7)中心的通道(10)连通；
第一内腔(8)内设置耦合体(11)，耦合体(11)与内凸部(7)的侧壁接触，并部分的从其所在的第一个内腔(8)中突出；耦合体(11)由与光纤(13)的纤芯相同折射率的材料构成；
第二内腔(9)内被填充材料(14)完全填充，填充材料(14)的颗粒填充在光纤(13)与内管体(5)的第二内腔(9)的之间的空间，并与光纤(13)的外表面与第二内腔(9)的内表面接触；
所述填充材料(14)具有光散射特性，通过填充材料(14)进入第二内腔(9)的光散射而不与光纤(13)耦合而传播，从而导致光产生的热量沿第二内腔(9)衰减。
2.根据权利要求1所述的一种用于高功率激光电缆的光纤连接器，其特征在于：其中填充材料(14)包括在第二内腔(9)靠近内凸部(7)的区域内由大颗粒填充材料，以及在第二内腔(9)远离较远内凸部(7)的区域内由小颗粒填充材料，以便于光向第二内腔(9)内部渗透。
3.根据权利要求1所述的一种用于高功率激光电缆的光纤连接器，其特征在于：其中最外层包层区域直接接触的填充材料(14)。
4.根据权利要求4所述的一种用于高功率激光电缆的光纤连接器，其特征在于：其中填充材料(14)的折射率等于或高于光纤(13)的最外层包层区域的折射率。
5.根据权利要求1-3所述的一种用于高功率激光电缆的光纤连接器，其特征在于：其中光纤(13)的最外层包层区域在远离内凸部(7)的一段距离内设置有一外表面波纹。
6.根据权利要求1所述的一种用于高功率激光电缆的光纤连接器，其特征在于：内管体(5)的第二内腔(9)的部分的内表面具有表面粗糙度和涂层，以便于在第二内腔(9)靠近内凸部(7)的区域实现光反射和散射。
7.根据权利要求1所述的一种用于高功率激光电缆的光纤连接器，其特征在于：光耦合体(11)包括突出部(12)，突出部(12)沿纵向轴线(A)同轴地延伸，穿过在内凸部(7)中形成的通道(10)并且具有锥形端部。
8.根据权利要求1所述的一种用于高功率激光电缆的光纤连接器，其特征在于：突出部(12)的锥形端部的顶面与内凸部(7)另一侧的第二内腔(9)的对应的侧壁所在的平面对齐。
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