CN111158088A - 一种具有热补偿功能的光学器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有热补偿功能的光学器件，涉及光学器件精密配合技术领域，主要包括：玻璃结构、热补偿结构和金属外壳；所述玻璃结构设置于所述金属外壳中；所述热补偿结构固定于所述玻璃结构与所述金属外壳之间，所述热补偿结构用于在温度升高时，消除所述金属外壳对所述玻璃结构产生的拉扯力或填充所述金属外壳与所述玻璃结构之间出现的空隙。本发明公开的具有热补偿功能的光学器件，无需采用水冷结构即可实现热补偿。

Description

一种具有热补偿功能的光学器件

技术领域

本发明涉及光学器件精密配合技术领域，特别是涉及一种具有热补偿功能的光学器件。

背景技术

由于不同材料具有不一样的热膨胀系数，这会导致两种不同材料配合、焊接、胶水连接、螺纹连接、螺钉固定时可能出现挤压、松动、错位、绷紧中一种或多种现象。这些现象一旦出现最坏结果会引起整个产品可靠性下降，甚至整个产品损坏。例如在光学器件中核心结构大部分材料用的是玻璃，如常见的光纤、准直器、镜片、晶体等，而光学器件外壳往往是金属结构。随着温度的升高，玻璃跟金属之间的配合、连接就有可能会因玻璃材料的膨胀系数远小于金属材料的膨胀系数而导致配合出现不良现象，光学器件生产中往往需要对准调焦这方面工艺，在某一温度下进行该工艺达到最佳效果，之后由于使用环境温度发生变化，那么就会出现由于热膨胀导致器件偏离最佳效果的现象。

现有技术为了消除温度升高带来的影响或者降低温度升高带来的影响，采用水冷结构，使整体结构处于恒温或者微小变温范围的状态下。由于采用水冷结构进行热补偿的目的是消除或者降低由于温度升高导致器件不良或者性能变差的影响。而温度升高带来的影响主要有松动和拉扯两个现象，由于地球存在重力，一旦出现松动，那么被固定于金属结构中的玻璃就有可能出现位移；一旦出现拉扯，被拉扯的玻璃就有可能脱离原来位置形成位移，或者被拉扯的玻璃没有产生位移但是内部由于拉扯力会产生应力，这种应力会影响到玻璃(如保偏光纤和光子晶体光纤)的耦合效率。虽然现有技术采用水冷结构可以实现热补偿，但是水冷结构需要水泵进水使水进行循环散热，其水路设计往往会使整体结构变大和复杂，因此本领域亟需一种具有热补偿功能的光学器件，无需采用水冷结构即可实现热补偿。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有热补偿功能的光学器件，无需采用水冷结构即可实现热补偿。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种具有热补偿功能的光学器件，包括玻璃结构、热补偿结构和金属外壳；

所述玻璃结构设置于所述金属外壳中；

所述热补偿结构固定于所述玻璃结构与所述金属外壳之间，所述热补偿结构用于在温度升高时，消除所述金属外壳对所述玻璃结构产生的拉扯力或填充所述金属外壳与所述玻璃结构之间出现的空隙。

可选的，当所述玻璃结构为光纤时，所述热补偿结构的膨胀系数与所述玻璃结构的膨胀系数相同，并在温度升高时，所述热补偿结构膨胀以消除所述金属外壳对所述光纤产生的拉扯力。

可选的，当所述玻璃结构为晶体时，所述热补偿结构的膨胀系数大于所述金属外壳的膨胀系数，并在温度升高时，所述热补偿结构膨胀以填充所述金属外壳与所述玻璃结构之间出现的空隙。

可选的，当所述玻璃结构为光纤时，所述热补偿结构的材料与所述玻璃结构的材料相同或者所述热补偿结构的材料为特定温度范围内的合金材料。

可选的，当所述玻璃结构为光纤时，所述热补偿结构为一管状结构；所述热补偿结构套设于所述玻璃结构外，所述金属外壳套设于所述热补偿结构外；所述热补偿结构的长度小于所述玻璃结构的长度，并且大于金属外壳套设部的长度；所述金属外壳套设部为所述金属外壳与所述热补偿结构接触的部分。

可选的，所述热补偿结构的两端通过胶水固定在所述玻璃结构的外表面，所述金属外壳套设部的一端通过胶水固定在所述热补偿结构的外表面；其中，光从所述玻璃结构的另一端输入，从所述玻璃结构的一端输出，且所述玻璃结构的一端与所述金属外壳套设部的一端为同侧。

可选的，当所述玻璃结构为晶体时，所述热补偿结构为实心圆柱结构、实心三菱柱结构、实心四棱柱结构、实心五棱柱、实心六棱柱结构或实心八棱柱结构，所述热补偿结构的长度大于所述玻璃结构的长度，且所述热补偿结构的数量为至少3个；至少3个所述热补偿结构均匀固定于所述玻璃结构的外侧，所述金属外壳套设于所述热补偿结构的外侧。

可选的，所述热补偿结构的一端通过胶水、螺钉、焊接或焊锡固定在所述玻璃结构与所述金属外壳之间。

可选的，所述热补偿结构上开设有槽体，通过过盈配合使所述玻璃结构卡在所述槽体内；所述热补偿结构的一端通过胶水、螺钉、焊接或焊锡固定在所述金属外壳内。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明公开的具有热补偿功能的光学器件，在玻璃结构和金属外壳之间设置热补偿结构，当光学器件所处的温度升高时，热补偿结构自身膨胀，从而消除因金属外壳膨胀程度远大于玻璃结构膨胀程度，所导致的金属外壳对玻璃结构产生的拉扯力，或填充因金属外壳膨胀程度远大于玻璃结构膨胀程度，所导致的金属外壳与玻璃结构之间出现的空隙，实现无需采用水冷结构即可进行热补偿的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明具有热补偿功能的光学器件实施例一的结构剖视图；

图2为不具有热补偿功能的光学器件受热变化的结构剖视图和部分结构剖视图；

图3为本发明具有热补偿功能的光学器件受热变化的部分结构剖视图；

图4为本发明具有热补偿功能的光学器件实施例二的部分结构剖视图；

图5为本发明具有热补偿功能的光学器件实施例三的部分结构剖视图；

图6为本发明具有热补偿功能的光学器件实施例四的部分结构剖视图；

图7为本发明具有热补偿功能的光学器件实施例五的部分结构剖视图；

图8为本发明具有热补偿功能的光学器件实施例六的结构剖视图；

图9为本发明具有热补偿功能的光学器件实施例六的结构等轴侧视图；

图10为不具有热补偿功能的光学器件受热变化的结构剖视示意图；

图11为本发明具有热补偿功能的光学器件受热变化的结构剖视示意图；

图12为本发明具有热补偿功能的光学器件实施例七的结构剖视图；

图13为本发明具有热补偿功能的光学器件实施例七的结构等轴侧视图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。

本发明的目的是提供一种具有热补偿功能的光学器件，无需采用水冷结构即可实现热补偿。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

图1为本发明具有热补偿功能的光学器件实施例一的结构剖视图。参见图1，该具有热补偿功能的光学器件包括玻璃结构、热补偿结构102和金属外壳103，本实施例的玻璃结构为光纤101。

光纤101设置于金属外壳103中。

热补偿结构102固定于光纤101与金属外壳103之间，热补偿结构102用于在温度升高时，消除金属外壳103对光纤101产生的拉扯力。

热补偿结构102的膨胀系数与光纤101的膨胀系数相同，并在温度升高时，热补偿结构102膨胀以消除金属外壳103对光纤101产生的拉扯力。

热补偿结构102的材料与光纤101的材料相同或者热补偿结构102的材料为特定温度范围内的合金材料。热补偿结构102的材料与光纤101的材料相同时，热补偿结构102可以为石英玻璃管、高硼硅玻璃管、二氧化铝陶瓷管或二氧化锆陶瓷管。热补偿结构102的材料为特定温度范围内的合金材料时，热补偿结构102可以为可伐合金。

热补偿结构102为一管状结构。热补偿结构102套设于光纤101外，金属外壳103套设于热补偿结构102外。热补偿结构102的长度小于光纤101的长度，并且大于金属外壳套设部1031的长度。金属外壳套设部1031为金属外壳103与热补偿结构102接触的部分。

热补偿结构102的两端通过胶水固定在光纤101的外表面，金属外壳套设部1031的一端通过胶水固定在热补偿结构102的外表面；其中，光从光纤101的另一端输入，从光纤101的一端输出，且光纤101的一端与金属外壳套设部1031的一端为同侧。

该具有热补偿功能的光学器件在使用时需要确定器件使用的温度环境，由于器件使用到胶水固定，其必然不能在太高温的环境下使用，因此胶水的使用条件必须考虑，虽然该器件的使用环境最高温度是1500℃，但由于胶水最高温度只能承受150℃，因此在确定器件的使用环境温度符合胶水的耐温条件后，开始确定热补偿结构102的长度，热补偿结构102的长度需要比金属外壳套设部1031的长度长4mm到5mm，比如，金属外壳套设部1031的长度为50mm长，热补偿结构102的长度就要为54mm到55mm，之所以这样是因为可以方便点胶和防止胶水流到光纤101上，点胶时只能点一侧，只有这样整个器件才能起到热补偿作用。最后把光纤101放到热补偿结构102里面然后点胶，点胶时点两侧进行固定，在规定的点胶位置进行点胶能够让整个器件稳定。

该具有热补偿功能的光学器件用来固定光纤101并保证光纤101在温度变化中不受影响或使影响尽可能的低。为了解决这一问题，在光纤101与金属外壳103之间添加一种材料，通过这种材料使光纤101跟金属外壳103之间形成间接固定。这种材料，与光纤101的材料相同或者为特定温度范围内的合金材料。

该具有热补偿功能的光学器件为一种线补偿结构，其补偿原理为线补偿，即沿着光束传播方向进行补偿。该具有热补偿功能的光学器件，其热补偿的目的是消除或者降低由于温度升高带来的拉扯现象。热补偿结构102的设计围绕这个目的而进行，即针对松动这个现象而设计。由于地球存在重力，一旦出现拉扯，被拉的金属外壳103就有可能脱离原来位置形成位移，或者被拉的金属外壳103没有产生位移但是内部由于拉力会产生应力，这种应力能影响到保偏光纤和光子晶体光纤的耦合效率。

线补偿结构针对的是拉扯这个现象，适合领域是光纤耦合。图2为不具有热补偿功能的光学器件受热变化的结构剖视图和部分结构剖视图。参见图2，经过100℃的温度变化，得到右边的剖视图，由于金属外壳103的膨胀系数远大于光纤101的膨胀系数，所以金属外壳103的膨胀量X大于光纤101的膨胀量Y，膨胀量是指沿光方向的轴线上的线膨胀量(膨胀可以往左可以往右，图2中只是选取其中一个现象)。膨胀后，原来的点胶位置发生变化，出现如图2中右边的剖视图中所示的挪动后的点胶位置，由于膨胀量不一样，挪动后的点胶位置必然会产生力，这个力将变成拉力，作用在光纤101上。当这个力大于胶固化后的粘力，那么这个胶就掉胶，而器件是不允许胶脱落的，脱落的就是不良产品，并且在前端的胶脱落后光纤101就无法被固定，光纤101是很细的，在足够长度的情况下，前端没有胶支撑它，它必然会晃动，这一晃动会影响到耦合效率。上述拉扯现象可以这样理解，两个人一起赛跑，膨胀系数当做速度，由于膨胀系数不同，两个人速度也不同，也就是一个快一个慢，温度当做时间。假设两个人之间绑一根绳子，这个绳子看做点胶点，经过一段时间，跑得快的那个就会一直拉着慢的，当拉力超过了绳子的极限，绳子就会断掉。图3为本发明具有热补偿功能的光学器件受热变化的部分结构剖视图，参见图3，在金属外壳103与光纤101之间添加热补偿结构102，经过100℃的温度变化(只是举个例子，可以是50℃、10℃、11℃、24℃、60℃等等不一样的温度)，各个结构出现如图3中右边的剖视图中所示的膨胀量：热补偿结构102的膨胀量X、光纤101的膨胀量Y、金属外壳103的膨胀量Z。由于热补偿结构102跟光纤101是同一种材料或者膨胀系数相近的材料，膨胀系数相近的材料有：可伐合金、石英玻璃、高鹏硅玻璃、二氧化铝陶瓷、二氧化锆陶瓷，因此膨胀量X等于膨胀量Y，膨胀后，原来的点胶位置发生变化，出现如图3中右边的剖视图中所示的挪动后的点胶位置，挪动后的点胶位置在位置上与热补偿结构102和光纤101都是相对静止，也就没有力的产生，而膨胀量Z由于那个位置没有点胶，因此金属外壳103不会对光纤101产生作用力。金属外壳103跟热补偿结构102之间点胶为了防止滑动。在整个器件中，热补偿结构102起到的作用是：支撑光纤101和避免金属外壳103直接作用在光纤101上。支撑光纤101指的是由于光纤101细软，没有东西把光纤101顶起来它就会弯或者晃动。

图4-图7为本发明具有热补偿功能的光学器件实施例二-五的部分结构剖视图。参见图4-图7，实施例二-五中，各具有热补偿功能的光学器件除金属外壳套设部1031的外形与实施例一中具有热补偿功能的光学器件不同外，其余均与实施例一中具有热补偿功能的光学器件相同。由于金属外壳103可以是各种各样的结构，因此金属外壳套设部1031的外形可以是各种各样的。

图8为本发明具有热补偿功能的光学器件实施例六的结构剖视图。图9为本发明具有热补偿功能的光学器件实施例六的结构等轴侧视图。参见图8和图9，该具有热补偿功能的光学器件包括玻璃结构、热补偿结构102和金属外壳103，本实施例的玻璃结构为晶体104。

晶体104设置于金属外壳103中。

热补偿结构102固定于晶体104与金属外壳103之间，热补偿结构102用于在温度升高时，填充金属外壳103与晶体104之间出现的空隙。

热补偿结构102的膨胀系数大于金属外壳103的膨胀系数，并在温度升高时，热补偿结构102膨胀以填充金属外壳103与晶体104之间出现的空隙。

热补偿结构102为实心圆柱结构、实心三菱柱结构、实心四棱柱结构、实心五棱柱、实心六棱柱结构或实心八棱柱结构，热补偿结构102的长度大于晶体104的长度，且热补偿结构102的数量为至少3个。至少3个热补偿结构102均匀固定于晶体104的外侧，金属外壳103套设于热补偿结构102的外侧。

热补偿结构102的一端通过胶水、螺钉、焊接或焊锡固定在晶体104与金属外壳103之间。

热补偿结构102上开设有槽体，通过过盈配合使晶体104卡在槽体内。热补偿结构102的一端通过胶水、螺钉、焊接或焊锡固定在金属外壳103内。

该具有热补偿功能的光学器件，整个结构整体装配如图9的等轴侧视图。其金属外壳103为环形结构，环形结构指中间空四周连续的结构，而且该环形结构上基本都是中心对称结构最多，比如圆形、三角形、方形以及各类多边形，复杂的环形结构如椭圆，对于加工来说会增加难度，也就会增加成本，而增加成本，器件的市场竞争能力就下降，当环形结构为椭圆时，根本无法使用四个一样外形尺寸的热补偿结构102，只需要使用的热补偿结构102大小跟晶体104与它的空隙大小接近就行，这种情况无法完全消除温度变化带来影响，只能是某些允许条件下达到不影响性能的效果。晶体104需要安装在金属外壳103的中心。以图8和图9中立方体形状的晶体为例，其固定需要四个同一材料的热补偿结构102，热补偿结构102一般为圆柱，也可以使用三菱柱、四棱柱、五棱柱、六棱柱、八棱柱等结构，晶体104的形状也可以为圆柱、三菱柱、长方体、六棱柱等多侧面的棱柱。晶体104的材料有多种，比如二氧化硅、熔石英为主要常用材料，不常用的有金刚石、红宝石、蓝宝石、树脂等。热补偿结构102的材料选用一般是膨胀系数比较大的，该材料必须选择比金属外壳103的材料的膨胀系数大的，比如金属外壳103的材料为不锈钢，那么热补偿结构102的材料可以选用铝合金、铜合金等比钢的膨胀系数大的材料作为补偿材料。

该具有热补偿功能的光学器件实现的是晶体104相对金属外壳103的中心位置上保持相对静止。如图8所示，金属外壳103的中心是金属外壳103中间空的圆的圆心，而晶体104固定的位置相对这个圆心静止。假如没有热补偿结构102，那么经过温度变化(温度升高)，金属外壳103会膨胀，然后金属外壳103中心的圆会变大，但是晶体104由于膨胀系数远小于金属外壳的膨胀系数，于是晶体104和金属外壳103之间出现空隙，导致晶体104在重力作用下偏移原来位置，添加热补偿结构102，由于热补偿结构102的材料的膨胀系数大于金属外壳103的材料的膨胀系数，在温度变化(温度升高)时，热补偿结构102会膨胀，从而填满金属外壳103因膨胀出现的空隙。

该具有热补偿功能的光学器件为一种点补偿结构，其补偿原理为点补偿。该具有热补偿功能的光学器件，其热补偿的目的是消除或者降低由于温度升高带来的松动现象。热补偿结构102的设计围绕这个目的而进行，即针对松动这个现象而设计。由于地球存在重力，一旦出现松动，那么被固定的晶体104就有可能出现位移，导致器件不良或者性能变差，甚至是根本无法使用。点补偿结构针对的是松动现象，由于金属外壳103固定晶体104的位置是个环形，当温度变化(温度升高)时，整个环会以中心点往外扩散，因此接触位置会产生空隙，随之就形成松动。图10为不具有热补偿功能的光学器件受热变化的结构剖视示意图，参见图10，经过100℃的温度变化(只是举个例子，可以是50℃、10℃、11℃、24℃、60℃等等不一样的温度)，得到右边的剖视示意图，可以看出，该不具有热补偿功能的光学器件在受热变化后，其金属外壳103与晶体104之间出现空隙，不再接触。图11为本发明具有热补偿功能的光学器件受热变化的结构剖视示意图，参见图11，在金属外壳103与晶体104之间添加热补偿结构102，经过100℃的温度变化，得到右边的剖视示意图，如图11中右边的剖视示意图所示，接触位置是热补偿结构102中出现相切的位置，当温度变化100℃时，金属外壳103从中心往外扩散，但是由于热补偿结构102的材料比金属外壳103的材料的膨胀系数大，那么热补偿结构102的膨胀量会比金属外壳103的膨胀量大，因此热补偿结构102会始终紧挨着晶体104和金属外壳103，这使得晶体104不会松动。图11中黑点为点胶，作用只是防止热补偿结构102滑动，也可以不使用胶点，以螺钉、焊接、焊锡等多种连接方式固定。该具有热补偿功能的光学器件适合用范围是金属外壳103的膨胀系数远大于晶体104，一般在3倍以上，热补偿结构102的材料一般选择的是铝、铝合金、铜、铜合金、锡等这类膨胀系数比较大的材料，因为环形结构膨胀是整体向外变大，从而导致中心空隙变大，因此需要膨胀系数更大的材料才能保证晶体相对光束位置不变。

图12为本发明具有热补偿功能的光学器件实施例七的结构剖视图，图13为本发明具有热补偿功能的光学器件实施例七的结构等轴侧视图。参见图12和图13，实施例七中，具有热补偿功能的光学器件除不采用点胶固定晶体104和热补偿结构102外，其余均与实施例六中具有热补偿功能的光学器件相同。实施例六中晶体104与热补偿结构102之间点胶的作用是为了防止晶体104滑动，如果器件结构设计复杂完全可以去掉点胶，比如在热补偿结构102上开槽，刚好能放进去晶体104，通过过盈配合使槽卡住晶体104，只要控制精度，晶体104就不会出现松动或者压裂。

本发明具有热补偿功能的光学器件使用在由于温度变化导致常温稳定的结构出现挤压、松动、错位、绷紧等现象的领域，尤其是光学器件精密配合领域最实用。本发明的目的是克服由于温度变化导致两个不同热膨胀系数的材料之间配合出现不良现象的影响和代替复杂的水冷结构，使整体结构变小。本发明结构简单、成本低、适用范围广，通过热补偿能够消除或者降低由于温度变化带来的影响，如导致器件不良或者性能变差，甚至是无法使用。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的装置及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种具有热补偿功能的光学器件，其特征在于，包括玻璃结构、热补偿结构和金属外壳；

所述玻璃结构设置于所述金属外壳中；

所述热补偿结构固定于所述玻璃结构与所述金属外壳之间，所述热补偿结构用于在温度升高时，消除所述金属外壳对所述玻璃结构产生的拉扯力或填充所述金属外壳与所述玻璃结构之间出现的空隙。

2.根据权利要求1所述的具有热补偿功能的光学器件，其特征在于，当所述玻璃结构为光纤时，所述热补偿结构的膨胀系数与所述玻璃结构的膨胀系数相同，并在温度升高时，所述热补偿结构膨胀以消除所述金属外壳对所述光纤产生的拉扯力。

3.根据权利要求1所述的具有热补偿功能的光学器件，其特征在于，当所述玻璃结构为晶体时，所述热补偿结构的膨胀系数大于所述金属外壳的膨胀系数，并在温度升高时，所述热补偿结构膨胀以填充所述金属外壳与所述玻璃结构之间出现的空隙。

4.根据权利要求1所述的具有热补偿功能的光学器件，其特征在于，当所述玻璃结构为光纤时，所述热补偿结构的材料与所述玻璃结构的材料相同或者所述热补偿结构的材料为特定温度范围内的合金材料。

5.根据权利要求1所述的具有热补偿功能的光学器件，其特征在于，当所述玻璃结构为光纤时，所述热补偿结构为一管状结构；所述热补偿结构套设于所述玻璃结构外，所述金属外壳套设于所述热补偿结构外；所述热补偿结构的长度小于所述玻璃结构的长度，并且大于金属外壳套设部的长度；所述金属外壳套设部为所述金属外壳与所述热补偿结构接触的部分。

6.根据权利要求5所述的具有热补偿功能的光学器件，其特征在于，所述热补偿结构的两端通过胶水固定在所述玻璃结构的外表面，所述金属外壳套设部的一端通过胶水固定在所述热补偿结构的外表面；其中，光从所述玻璃结构的另一端输入，从所述玻璃结构的一端输出，且所述玻璃结构的一端与所述金属外壳套设部的一端为同侧。

7.根据权利要求1所述的具有热补偿功能的光学器件，其特征在于，当所述玻璃结构为晶体时，所述热补偿结构为实心圆柱结构、实心三菱柱结构、实心四棱柱结构、实心五棱柱、实心六棱柱结构或实心八棱柱结构，所述热补偿结构的长度大于所述玻璃结构的长度，且所述热补偿结构的数量为至少3个；至少3个所述热补偿结构均匀固定于所述玻璃结构的外侧，所述金属外壳套设于所述热补偿结构的外侧。

8.根据权利要求7所述的具有热补偿功能的光学器件，其特征在于，所述热补偿结构的一端通过胶水、螺钉、焊接或焊锡固定在所述玻璃结构与所述金属外壳之间。

9.根据权利要求7所述的具有热补偿功能的光学器件，其特征在于，所述热补偿结构上开设有槽体，通过过盈配合使所述玻璃结构卡在所述槽体内；所述热补偿结构的一端通过胶水、螺钉、焊接或焊锡固定在所述金属外壳内。

Images