CN112764163A - 一种阵列光纤与大尺寸石英端帽的熔接装置与方法 - Google Patents

一种阵列光纤与大尺寸石英端帽的熔接装置与方法 Download PDF

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Abstract

一种实现阵列光纤与大尺寸石英端帽熔接的装置，包括二氧化碳激光器、分光镜、光束整形器、高反镜、图像探测模块、阵列光纤及其载具、大尺寸石英端帽及其载具、步进电机、测温仪、计算机；二氧化碳激光器发出的激光束经分光镜分成两束光，其在分别经光束整形器和高反镜后，整形成两束功率密度均匀的条状光斑来加热大尺寸石英端帽的熔接面，通过间接加热和热传导实现目标熔接区域均匀温度场，当熔接区域处温度达到预设温度后，驱动步进电机使阵列光纤匀速平移至熔接区域处与端帽融合叠加，即可实现阵列光纤的一次性熔接。阵列光纤与大尺寸石英端帽熔接完成的阵列光纤端帽有助于优化光谱合成系统的合成光的光束质量和实现合束装置紧凑化和轻量化。

Description

一种阵列光纤与大尺寸石英端帽的熔接装置与方法
技术领域
本发明属于光纤端帽熔接领域，尤其涉及一种阵列光纤与大尺寸石英端帽的熔接装置与方法。
背景技术
高亮度光纤激光器在工业、医疗、国防等领域具有广泛应用前景。受非线性效应、模式不稳定效应以及材料损伤特性等因素的限制，单路单模光纤激光器的输出功率存在理论极限。多光束合成技术是实现高功率和高光束质量激光输出的重要技术途径，通过特定的合束方法不仅可以提升输出激光功率，还可以保证输出激光具有优良的光束质量。其中，光谱合成技术具有输出光束质量好、对子光束相位没有要求、结构简单稳定等优点，展现出无可替代的重要应用价值。理论上光谱合成可以在保持输入激光光束质量的情况下，通过成比例地增加路数来提高激光输出功率，实现合成光束亮度的定标放大。但在实际的合成系统中，合成光的光束质量要比单根光纤输入激光的光束质量差，这主要受激光阵列的扰动、转换透镜的像差、衍射光栅热畸变和阵列光源线宽等因素的影响。
由于光谱合束装置中需对单路光纤输出头进行机械夹持和水冷，所以相邻光纤间距Δx不能无限制缩小，无法使合束装置实现紧凑化和轻量化，这限制了高亮度光纤激光器在机动平台上的应用。
阵列光纤与大尺寸石英端帽熔接完成的阵列光纤端帽有助于优化光谱合成系统的合成光的光束质量和实现合束装置紧凑化和轻量化。阵列光纤端帽是将光纤激光器阵列耦合到光谱合成系统，实现紧凑化高亮度激光光源的核心关键器件。
发明内容
本发明为克服上述现有技术的不足，提供了一种阵列光纤与大尺寸石英端帽的熔接装置与方法。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的：
一种阵列光纤与大尺寸石英端帽的熔接装置，其特点在于，包括：
光源整形模块，用于在待熔接的大尺寸石英端帽的端帽熔接面形成两束光斑大小与功率密度相同的功率密度均匀的平行条状光斑，同时对端帽熔接面加热，在熔接区域处即端帽熔接面上阵列光纤的投影区域，形成均匀温度场；
图像探测模块，用于实现阵列光纤和大尺寸石英端帽的对准和间距测量，以及检查阵列光纤的光纤端面是否平齐；
所述的光源整形模块包括二氧化碳激光器、分束镜、第一光束整形器、第一高反镜、第二光束整形器和第二高反镜；所述的二氧化碳激光器，用于产生准直的二氧化碳单模激光，加热端帽熔接面；所述的分束镜为透射/反射比为50/50的分束镜，将二氧化碳激光器输出的激光分为相同的两束激光；所述的第一光束整形器和第二光束整形器均由两个柱面微透镜阵列和一个球面傅里叶透镜组成，其材质均是ZnSe，能将分束后的两个激光圆光斑整形为功率密度均匀的条状光斑；所述的第一高反镜和第二高反镜，用于改变激光束的方向；；
所述的图像探测模块由相互垂直放置的第一CCD相机和第二CCD相机组成，且第一CCD相机和第二CCD相机的成像方向均垂直于光纤光轴；
所述的阵列光纤与大尺寸石英端帽的熔接装置，其特征在于，还包括：
端帽载具，可分为夹持固定端帽的二维可调镜架和平移台底座两部分，用于夹持固定大尺寸石英端帽，并对其实现五维位移调节即二维可调镜架的俯仰和方位的二维位移调节和平移台底座的三维位移调节；；
阵列光纤载具用于夹持固定阵列光纤，并对其实现五维位移调节，可分为压板夹持器、二维可调镜架和平移台底座三部分，其中，通过按需定制压板夹持器的层数和V型槽阵列，以实现夹持并固定阵列光纤，并且压板夹持器固定光纤的定位精度可达±1微米，使得光纤间有很高的平行度，使阵列光纤平行排列；；
步进电机，安装固定于所述的阵列光纤载具上，用于实现所述的阵列光纤的线性平移；
计算机，分别与所述的测温仪、第一CCD相机、第二CCD相机和步进电机相连，控制所述的测温仪实现温度监测、对第一CCD相机和第二CCD相采集的图像进行处理、控制步进电机进行线性位移。
所述的阵列光纤由多根光纤组成，各相邻光纤的间距Δx任意可变、相邻光纤的尺寸可各不相等。
所述的阵列光纤是单列或两列。在熔接区域处即大尺寸石英端帽的端帽熔接面上阵列光纤的投影区域处，两束条状光斑到阵列光纤投影的距离相等，可大于条状光斑宽度。
所述的阵列光纤的列数为两列时，其应关于端帽中心对称放置。
根据本发明的一个实施例，由材质均为ZnSe的两个柱面微透镜阵列(MLA1和MLA2)和一个球面傅里叶透镜(FL)组成的光束整形器对分束后的圆光斑进行整形，实现准直高斯光束的平顶匀化，得到功率均匀分布的条状光斑。在球面傅里叶透镜焦平面上的光斑长度L为：
Figure BDA0002881678770000031
其中fFL为透镜(FL)的焦距，fMLA1和fMLA2分别为两个柱面微透镜阵列的焦距，MLA2柱面微透镜阵列位于两个光学元件之间，两柱面微透镜阵列的间距为d，且透镜单元大小相同，均为PMLA；在光学元件确定的条件下，通过改变d的大小能实现不同长度的条状光斑(在先技术周叶,祝启欣,黄中亚等.基于柱面微透镜阵列的激光匀化系统设计及实验研究.激光与红外,2020,50(04):486-492)。通过两个相互平行的功率均匀分布的条状光斑对端帽熔接面进行加热，两光斑间的区域的温度分布呈近似一维梯度分布，且温度分布关于端帽中心对称，在光纤包层直径范围内，熔接区域处中心和边缘温度相差较小，对熔接质量影响较小，可认为在熔接区域处形成均匀温度场，利于阵列光纤与大尺寸石英端帽的熔接。
根据本发明的一个实施例，该熔接方法包括如下步骤：
①使用按需定制的压板夹持器夹持并固定待熔接的阵列光纤，使得阵列光纤平行排列，压板夹持器可通过磁吸的方式安装在阵列光纤载具上；使用端帽载具将待熔接的大尺寸石英端帽夹持并固定；
②使用计算机控制第一CCD相机和第二CCD相机对阵列光纤和大尺寸石英端帽进行成像，检查阵列光纤的光纤端面是否平齐，再通过调节阵列光纤载具和端帽载具完成阵列光纤和大尺寸石英端帽的对准和间距测量，再驱动步进电机带动阵列光纤平移使两者间距合适(100微米左右即可)，在每次熔接实验中间距应保持不变；
③打开二氧化碳激光器产生合适功率的准直激光束，其经分束镜后分成两束相同的激光束，分别经过第一光束整形器、第一高反镜和第二高反镜、第二光束整形器后变成两束间距合适的功率密度均匀的条状光斑，且要求两束激光束经光束整形器后的光程需保持一致，用于加热端帽熔接面，在熔接区域处形成均匀温度场，条状光斑与阵列光纤的间距应大于线光斑宽度；
④使用测温仪监控熔接区域的实时温度，在达到预设温度后，以合适的平移速度和距离设置步进电机，驱动步进电机实现阵列光纤的精确线性平移，步进电机的平移距离与阵列光纤和大尺寸石英端帽的间距之差为熔接长度；
⑤移动完成后关闭二氧化碳激光器，即完成阵列光纤与大尺寸石英端帽的一次性熔接。
⑥由于辐照加热光束的光轴与阵列光纤的离轴结构，可对熔接完成的阵列光纤端帽进行再次加热，能够释放熔接应力，提升熔接质量。
本发明的有益效果：
该熔接方法有如下技术优势：①光纤阵列预排列技术，按需定制的压板夹持器能使阵列光纤的光轴有很高的平行度，即阵列光纤平行排列；②双光束耦合均匀加热技术，使用两束平行的功率密度均匀的条状光斑对非目标区域加热，通过热传导的方式间接加热熔接区域，实现熔接区域的均匀温度场，有利于阵列光纤端帽的熔接，并可对熔接完成的阵列光纤端帽进行再次加热，能够释放熔接应力并提升熔接质量；③光纤阵列规模扩展性强，通过光束整形后的条状光斑加热端帽实现熔接区域的均匀温度场，可实现相邻光纤间距Δx任意可变、相邻光纤的尺寸可各不相等、列数可以是两列的阵列光纤与大尺寸石英端帽的熔接，且阵列光纤规模扩展性强，当均匀温度场范围扩大时，待熔接的阵列光纤规模便可以扩大；
可为高亮度光谱合成系统中激光阵列部分的优化设计提供参考；相比于将多个光纤端帽排列成线性阵列实现激光阵列输出，将阵列光纤与大尺寸石英端帽相熔接成的阵列光纤端帽有更高的集成度和阵列光纤灵活可变的优势；
附图说明：
图1为本发明阵列光纤与大尺寸石英端帽熔接的结构示意图。
图2为本发明实施例阵列光纤与大尺寸石英端帽熔接的光路示意图。
图3为本发明实施例的端帽熔接面的正视图，其中，a为单列阵列光纤，b为两列阵列光纤。
图4为光束整形器原理示意图。
图5为阵列光纤的压板夹持器示意图。
图6为列数为两列的阵列光纤的压板夹持器示意图。
附图标记：
二氧化碳激光器1、分束镜2、第一光束整形器3、测温仪4、第一高反镜5、第一CCD相机6、端帽载具7、大尺寸石英端帽8、第二CCD相机9、阵列光纤载具10、步进电机11、第二光束整形器12、第二高反镜13、阵列光纤14、计算机15。
具体实施方式
为使本发明的上述特征及效果更明显易懂，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。但是本发明能通过多种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本发明实施例的实现阵列光纤与大尺寸石英端帽熔接的装置。
请参阅图1、图2和图3，本发明实施例的实现阵列光纤与大尺寸石英端帽熔接的装置包括：二氧化碳激光器1、分束镜2、第一光束整形器3、测温仪4、第一高反镜5、第一CCD相机6、端帽载具7、大尺寸石英端帽8、第二CCD相机9、阵列光纤载具10、步进电机11、第二光束整形器12、第二高反镜13、阵列光纤14、计算机15。
具体而言，实现阵列光纤与大尺寸石英端帽熔接的方法包括如下步骤：
①使用按需定制的压板夹持器夹持并固定待熔接的阵列光纤14(相邻光纤间距Δx任意可变、相邻光纤的尺寸可各不相等如图5、列数可以是两列如图6)，使阵列光纤14平行排列，压板夹持器可通过磁吸的方式安装在阵列光纤载具10上；通过端帽载具7将待熔接的大尺寸石英端帽8夹持并固定；
②CCD相机可使用远心镜头，需有合适的视场和照明光源；使用计算机15控制第一CCD相机6和第二CCD相机9对阵列光纤14和大尺寸石英端帽8进行成像，检查阵列光纤14的光纤端面是否平齐，再调节阵列光纤载具10和端帽载具7完成阵列光纤14和大尺寸石英端帽8的对准和间距测量，再驱动步进电机11使两者间的距离合适(为避免因步进电机往复运动造成的误差，可采用步进电机的绝对位移命令来控制步进电机；在一系列的熔接实验中此合适距离应保持不变)；
③打开二氧化碳激光器1产生合适功率的准直激光束，其经分束镜2后分成两束相同的激光束，分别经过第一光束整形器3、第一高反镜5和第二高反镜13、第二光束整形器12后变成两束间距合适的功率密度均匀的条状光斑，其中要求两束激光束经柱透镜后的光程需保持一致，两束条状光斑用于加热端帽熔接面，并在熔接区域处形成均匀温度场，且单列阵列光纤的最大熔接光纤数目为NMAX＝L/D，其中L为条状光斑的长度，D为光纤直径；
④使用测温仪4监控熔接区域的实时温度，在达到预设温度后，以合适的平移速度和距离设置步进电机(平移速度和距离需要根据不同的光纤尺寸做出相应的设置)，并驱动步进电机带动阵列光纤14进行线性平移，步进电机11的平移距离与阵列光纤14和大尺寸石英端帽8的间距之差为熔接长度；
⑤移动完成后关闭二氧化碳激光器1，即完成阵列光纤14与大尺寸石英端帽(8)的一次性熔接。
⑥由于辐照加热光束的光轴与阵列光纤14的离轴结构，可对熔接完成的阵列光纤端帽进行再次加热，能够释放熔接应力，提升熔接质量。
根据本发明的一个实施例，设定待熔接的光纤尺寸为20/250微米，阵列光纤为单列，二氧化碳激光器输出的脉冲激光中心波长为10.6微米，且输出激光功率大小合适，线光斑间距为合适长度，使阵列光纤和石英端帽的间距为100微米，驱动步进电机平移130微米，且平移速度为75微米每秒，在激光加热合适的时间后，在测温仪测得的熔接区域处的温度为1700摄氏度左右时驱动步进电机带动阵列光纤作精确线性平移，平移完成后关闭激光器即完成阵列光纤与大尺寸石英端帽的一次性熔接。
本发明的另一种实施方式是，在二氧化碳激光器后放置一个光束整形透镜组，该透镜组能将准直的二氧化碳激光束整形为准直的功率密度均匀的条状光斑，以替代光束整形器，能简化实验装置和熔接实验的调试步骤。
本发明不限于所述的实施方式，对本发明的实质内容做出的任何显而易见的改进、替换或是变型均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种阵列光纤与大尺寸石英端帽的熔接装置，其特征在于，包括：
光源整形模块，用于在待熔接的大尺寸石英端帽(8)的端帽熔接面形成两束光斑大小与功率密度相同的功率密度均匀的平行条状光斑，同时对端帽熔接面加热，在熔接区域处即端帽熔接面上阵列光纤(14)的投影区域，形成均匀温度场；
图像探测模块，用于实现阵列光纤(14)和大尺寸石英端帽(8)的对准和间距测量，以及检查阵列光纤(14)的光纤端面是否平齐。
2.根据权利要求1所述的阵列光纤与大尺寸石英端帽的熔接装置，其特征在于，所述的光源整形模块包括二氧化碳激光器(1)、分束镜(2)、第一光束整形器(3)、第一高反镜(5)、第二光束整形器(12)和第二高反镜(13)；所述的二氧化碳激光器(1)，用于产生准直的二氧化碳单模激光，加热端帽熔接面；所述的分束镜(2)为透射/反射比为50/50的分束镜，将二氧化碳激光器(1)输出的激光分为相同的两束激光；所述的第一光束整形器(3)和第二光束整形器(12)均由两个柱面微透镜阵列和一个球面傅里叶透镜组成，其材质均是ZnSe，能将分束后的两个激光圆光斑整形为功率密度均匀的条状光斑；所述的第一高反镜(5)和第二高反镜(13)，用于改变激光束的方向；
所述的图像探测模块由相互垂直放置的第一CCD相机(6)和第二CCD相机(9)组成，且第一CCD相机(6)和第二CCD相机(9)的成像方向均垂直于光纤光轴。
3.根据权利要求2所述的阵列光纤与大尺寸石英端帽的熔接装置，其特征在于，还包括：测温仪(4)，用于监测端帽熔接面的温度；
端帽载具(7)，用于夹持所述的大尺寸石英端帽(8)，并对其实现五维位移调节；
阵列光纤载具(10)，用于夹持所述的阵列光纤(14)，使光纤平行排列，并对其实现五维位移调节；
步进电机(11)，与所述的阵列光纤载具(10)相连，用于实现所述的阵列光纤(14)的线性平移；计算机(15)，分别与所述的测温仪(4)、第一CCD相机(6)、第二CCD相机(9)和步进电机(11)相连，控制所述的测温仪(4)实现温度监测、对第一CCD相机(6)和第二CCD相机(9)采集的图像进行处理、控制步进电机(11)进行线性位移。
4.根据权利要求1所述的阵列光纤与大尺寸石英端帽的熔接装置，其特征在于，所述的阵列光纤(14)由多根光纤组成，各相邻光纤的间距Δx任意可变、相邻光纤的尺寸可各不相等。
5.根据权利要求4所述的阵列光纤与大尺寸石英端帽的熔接装置，其特征在于，所述的阵列光纤(14)是单列或两列。
6.利用权利要求2所述的阵列光纤与大尺寸石英端帽的熔接装置进行熔接的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
①通过阵列光纤载具(10)将待熔接的阵列光纤(14)夹持并固定，使得阵列光纤(14)平行排列；通过端帽载具(7)将待熔接的大尺寸石英端帽(8)夹持并固定；
②通过计算机(15)控制第一CCD相机(6)和第二CCD相机(9)对阵列光纤(14)和大尺寸石英端帽(8)进行成像，检查阵列光纤(14)的光纤端面是否平齐，通过调节阵列光纤载具(10)和端帽载具(7)完成阵列光纤(14)和大尺寸石英端帽(8)的对准和间距测量；
③打开二氧化碳激光器(1)产生准直激光束，经分束镜(2)后分成两束相同的激光束，分别经过第一光束整形器(3)、第一高反镜(5)和第二高反镜(13)、第二光束整形器(12)后变成两束功率密度均匀的条状光斑，用于加热端帽熔接面，在熔接区域处形成均匀温度场；
④使用测温仪(4)监控熔接区域处的实时温度，在达到预设温度后，以合适的平移速度和距离设置步进电机(11)，驱动步进电机(11)实现阵列光纤(14)的精确线性平移；
⑤移动完成后关闭二氧化碳激光器(1)，即完成阵列光纤(14)与大尺寸石英端帽(8)的一次性熔接。
⑥由于辐照加热光束的光轴与阵列光纤的离轴结构，可对熔接完成的阵列光纤端帽进行再次加热，能够释放熔接应力，提升熔接质量。
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