CN112764177A - 一种双凸非球面万瓦级高抗损伤大口径风冷光纤连接器 - Google Patents
一种双凸非球面万瓦级高抗损伤大口径风冷光纤连接器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种双凸非球面万瓦级高抗损伤大口径风冷光纤连接器，包括发射装置、扩束装置、风冷装置、聚焦装置和接收装置。发射装置包括第一端帽夹持器和第一端帽，接收装置包括第二端帽夹持器和第二端帽；扩束装置包括第一镜片夹持器和准直镜；风冷装置包括第一入风口的第一进气风扇，第二入风口的第二进气风扇，第一出风口的第一排气风扇，第二出风口的第二排气风扇和准直镜后方的石英玻璃板；聚焦装置包括第二镜片夹持器及和聚焦镜。本发明的光学系统采用两个大口径双凸非球面镜，在消除系统球差的同时有效避免了返回光对发射装置的损伤。通过对透镜前后表面均匀的风冷散热，避免透镜产生温度梯度，提高了光纤连接器的耦合效率和阈值功率。
Description
技术领域
本发明属于激光技术领域，具体涉及一种双凸非球面万瓦级高抗损伤大口径风冷光纤连接器。
背景技术
近年来，随着高功率固体激光器和半导体激光器光束质量的不断提高，以及光纤制备技术的成熟，高功率光纤连接器已广泛应用于工业、医疗外科、国防军事等领域。高功率光纤连接器是实现传能光纤之间进行可拆卸连接的器件，可以使发射光纤输出的光能量尽可能耦合到接收光纤中，并使其对整个系统的影响最小。不同于光纤通讯中使用的低功率光纤连接器，对于机械加工、激光医疗、汽车制造和军事等行业所需的高强度激光，均在几千瓦甚至万瓦级功率下使用，光纤连接器在传输和耦合高功率激光过程中，其耦合效率、传输损耗、承受功率需要严格控制，传统的“V型”槽、光纤熔接等光纤连接方法已经不再适用，需对冷却装置、耦合镜设计、防反射损伤等多方面对连接器系统做出改进，使其具备传输效率高、成本低、性能可靠以及便于操作等特点。
返回光损伤是由于高功率激光照射在透镜表面，一部分激光未透过透镜，被反射的激光原路回到光纤发射装置中将其破坏。通常我们将透镜镀上高透过率增透膜来减小返回光的强度。但在几千瓦甚至万瓦级的光纤连接器中，即使增透膜的透过率达到99.5％以上，也会有几十瓦的激光未透过膜层，被反射并沿着原光路返回到发射光纤中将其损坏。因此，万瓦级光纤连接器需进行抗返回光设计，目前，光纤连接器的光学系统多数采用平凸或平凹透镜组，这种方案可以较好地控制光学系统的像差和色差，带来的弊端是多透镜组的封装、调试困难，以及透镜的平面一侧会产生返回光损伤。而双凸非球面镜可以在消球差的同时，利用透镜两侧的双凸面避免返回光沿着原路回到发射光纤中。
在高功率光纤连接器散热方面，主要的散热方式有边缘水冷、相变制冷、半导体制冷等，其中“边缘水冷”是现在运用最广泛的冷却方式，即通过透镜边缘与镜片夹持器接触，镜片夹持器外部通循环冷却水，高功率激光产生的热量通过透镜边缘被带走，这种方式可以保证透镜边缘维持在相对较低的温度。但是，这会使透镜中心得不到有效散热，尤其在对大口径透镜的散热中，透镜中心的热量不能完全传递到透镜边缘，造成中心位置与透镜边缘产生较大的温差。产生这种温度梯度也会引起折射率的变化，进而影响光纤连接器的耦合效率以及激光的光束质量。因此，需要一种新的透镜冷却方式，即“风冷方式”，使透镜前后表面得到均匀散热，减小透镜中心与边缘的温度差所引起的热像差，提高光纤连接器的耦合效率及阈值功率。
发明内容
本发明的目的在于，光学系统采用两个大口径双凸非球面镜，在消除系统球差的同时降低了承受激光的功率密度，高透过率增透膜和透镜的双凸设计有效避免了返回光对发射装置的损伤。此外，通过对透镜前后表面进行风冷均匀散热，避免了大口径透镜在进行“边缘水冷”散热时，由于中心温度过高引起的透镜表面温度梯度，从而提高了光纤连接器的耦合效率和阈值功率。
实现本发明目的的技术解决方案为：本发明属于激光技术领域，涉及一种双凸非球面万瓦级高抗损伤大口径风冷光纤连接器，所述光纤连接器包括发射装置、扩束装置、风冷装置、聚焦装置和接收装置。发射装置包括第一端帽夹持器及和设有端帽夹持器内的第一端帽，接收装置包括第二端帽夹持器及和设有端帽夹持器内的第二端帽；扩束装置包括第一镜片夹持器及设有镜片夹持器内的准直镜；风冷装置包括设置在第一入风口的第一进气风扇，第二入风口的第二进气风扇，第一出风口的第一排气风扇，第二出风口的第二排气风扇，以及设置在准直镜后方的石英玻璃板；聚焦装置包括第一镜片夹持器及和设有镜片夹持器内的聚焦镜。
相比与现有技术，本发明的有益效果为：
1、相比多镜片组光学耦合系统，本发明的光学系统利用两个大口径的双凸非球面镜，其有益效果为消球差，成本低，易装调，承受功率高。并且透镜两个表面的双凸设计可以有效避免返回光沿原路回到发射装置中将其损伤。
2、相比于常见的透镜水冷方式，本发明的光纤连接器采用风冷方式，根据输入功率的大小，通过控制风速对透镜的前后表面进行风冷，这种方式克服了传统水冷方式透镜中心散热效果差的弊端。尤其在对大口径透镜的散热中，透镜中心的热量不能完全传递到透镜边缘，造成中心位置与透镜边缘产生较大的温差，而风冷方式使得透镜前后表面得以均匀散热，提高了光纤连接器的耦合效率和阈值功率。
3、本发明可以根据实际应用需求，灵活改变发射装置和接收装置的光纤芯径、种类以及数值孔径NA等，根据不同的传输功率改变透镜尺寸和风速大小。因此，本发明广泛应用于大口径透镜、万瓦级功率的激光传输系统，可以实现高效率、高光束质量、高稳定性的激光传输。
附图说明
图1为本发明一种双凸非球面万瓦级高抗损伤大口径风冷光纤连接器的整体示意图；
图2为本发明一种双凸非球面万瓦级高抗损伤大口径风冷光纤连接器的扩束装置图；
图3为本发明一种双凸非球面万瓦级高抗损伤大口径风冷光纤连接器的聚焦装置图；
图4为本发明一种双凸非球面万瓦级高抗损伤大口径风冷光纤连接器的镜片夹持器示意图；
图5为本发明一种双凸非球面万瓦级高抗损伤大口径风冷光纤连接器的准直镜和聚焦镜示意图；
图6为本发明一种双凸非球面万瓦级高抗损伤大口径风冷光纤连接器的风冷装置俯视图；
图7为本发明一种双凸非球面万瓦级高抗损伤大口径风冷光纤连接器的风冷装置仰视图；
图中：
1、发射装置；2、扩束装置；3、风冷装置；4、聚焦装置；5、接收装置；6-1、第一端帽；6-2、第二端帽；7-1、第一端帽夹持器；7-2、第二端帽夹持器；8-1、第一镜片夹持器；8-2、第二镜片夹持器；9、准直镜；10-1、第一入风口；10-2、第二入风口；11-1、第一进气风扇；11-2、第二进气风扇；12-1、第一出风口；12-2、第二出风口；13-1、第一排气风扇；13-2、第二排气风扇；14、石英玻璃板；15、聚焦镜；16-1、第一上螺钉；16-2、第一下螺钉；17-1、第二上螺钉；17-2、第二下螺钉。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中间”、“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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖：
如图1所示，本发明提供的双凸非球面万瓦级高抗损伤大口径风冷光纤连接器的作用是将发射装置1输出的万瓦级功率的激光，通过扩束装置2将激光准直为平行光，再通过聚焦装置4将激光聚焦进入接收装置5中，并且在此过程中，风冷装置3对光纤连接器中的准直镜9和聚焦镜15进行风冷冷却。光纤连接器包括沿着激光传播方向依次同轴排列的发射装置1、扩束装置2、风冷装置3、聚焦装置4和接收装置5组成。扩束装置2紧贴螺接在所述发射装置1上，风冷装置3与扩束装置2使用第一上螺钉16-1和第一下螺钉16-2固定，所述聚焦装置4与所述风冷装置3使用第二上螺钉17-1和第二下螺钉17-2固定，所述接收装置5紧贴螺接在所述聚焦装置4内。聚焦装置4与扩束装置2关于所述风冷装置3对称放置，发射装置1和接收装置5关于所述风冷装置3对称放置。
由于光纤准直器的对称结构，下面介绍发射装置1、扩束装置2和风冷装置3的实施方式。聚焦装置4和接收装置5的实施方式参考对称关系实施。
发射装置1包括第一端帽夹持器7-1及设有第一端帽夹持器7内的第一端帽6-1，第一端帽夹持器7-1的内径等于第一端帽6-1的直径，将第一端帽6-1插入第一端帽夹持器7-1中，使得二者的出光端面对齐，然后将第一端帽6-1与第一端帽夹持器7-1用胶粘固定在一起。第一端帽夹持器7-1外表面设置有螺纹。接收装置5与发射装置1结构相似，并采用类似方式固定，接收装置5包括第二端帽夹持器7-2及设有第二端帽夹持器7-2内的第二端帽6-2，第二端帽夹持器7-2的内径等于第二端帽6-2的直径，将第二端帽6-2插入第二端帽夹持器7-2中，使得二者的出光端面对齐，然后将第二端帽6-2与第二端帽夹持器7-2用胶粘固定在一起。
如图2所示，扩束装置2包括第二镜片夹持器8-1及设有第一镜片夹持器8-1内的准直镜9，第一镜片夹持器8-1内部设置螺纹起到限位作用，并且与第一端帽夹持器7-1外表面螺纹配套，将第一端帽夹持器7-1螺接至第一镜片夹持器8-1内部。
如图3所示，聚焦装置4与扩束装置2的结构类似，包括第二镜片夹持器8-2及设有第二镜片夹持器8-2内的准直镜15，第二镜片夹持器8-2内部设置螺纹起到限位作用，并且与第二端帽夹持器7-2外表面螺纹配套，将第二端帽夹持器7-2螺接至第二镜片夹持器8-2内部。
如图4所示，第一镜片夹持器8-1与第二镜片夹持器8-2内部开有激光传输的通孔，此通孔的直径大于第一端帽夹持器7-1的外径，也大于第二端帽夹持器7-2的外径，小于准直镜9的直径，也小于聚焦镜15的直径。从第一端帽6-1出射的发散激光可以完全照射在准直镜9上被准直，准直后的平行激光照射在聚焦镜15上被聚焦，最终耦合进入接收装置5里面的第二端帽6-2中。
如图5所示，准直镜9和聚焦镜15采用双凸非球面结构，激光入射面为球面，激光出射面为非球面，材料均为高抗损伤阈值的JGS1，JGS2，JGS3，Corning7979，Corning7980等熔融石英玻璃，透镜的前后表面镀有高透过率宽带(915nm～980nm)增透膜。准直镜9与第一镜片夹持器7-1采用耐高温胶粘固定，准直镜9到发射装置1的平面端的距离为准直镜9的焦距。聚焦镜15与第二镜片夹持器7-2同样采用耐高温胶粘固定，聚焦镜15到接收装置5的平面端的距离为聚焦镜15的焦距。
如图6所示，风冷装置3的上表面开有第一入风口10-1和第二入风口10-2，下表面开有第一出风口12-1和第二出风口12-2，第一入风口10-1和第二出风口10-2与准直镜9的边缘对齐，第一出风口12-1和第二出风口12-2与双凸非球面聚焦镜15的透镜边缘对齐，第一入风口10-1和第二入风口10-2内分别安装第一进气风扇11-1和第二进气风扇11-2，第一出风口12-1和第二出风口12-2内分别安装第一排气风扇13-1和第二排气风扇13-2。在准直镜9和聚焦镜15中间设置石英玻璃板14，石英玻璃板14可以阻挡风冷装置3内的两段气流相互影响。
如图1所示，第一上螺钉16-1与第一下螺钉16-2用于固定风冷装置3和扩束装置2，第二上螺钉17-1和第二下螺钉17-2用于固定风冷装置3与聚焦装置4。第一进气风扇11-1和第二进气风扇11-2将空气或是惰性气体通过第一入风口10-1与第二入风口10-2吹入风冷装置3中，直接对准直镜9和聚焦镜15的外表面降温冷却，带走热量后的气体通过第一出风口12-1的第一排气风扇13-1和第二出风口12-2的第二排气风扇13-2直接排出风冷装置3。
Claims (9)
1.一种双凸非球面万瓦级高抗损伤大口径风冷光纤连接器，其特征在于，包括同轴设置的发射装置、扩束装置、风冷装置、聚焦装置和接收装置，其中：
所述发射装置包括第一端帽夹持器及和设有端帽夹持器内的第一端帽，所述接收装置包括第二端帽夹持器及和设有端帽夹持器内的第二端帽；所述扩束装置包括第一镜片夹持器及设有镜片夹持器内的准直镜；所述风冷装置包括设置在第一入风口的第一进气风扇，第二入风口的第二进气风扇，第一出风口的第一排气风扇，第二出风口的第二排气风扇，以及设置在准直镜后方的石英玻璃板；所述聚焦装置包括第一镜片夹持器及和设有镜片夹持器内的聚焦镜；
所述扩束装置紧贴螺接在所述发射装置上，所述风冷装置与所述扩束装置使用第一上螺钉和第一下螺钉固定，所述聚焦装置与镜片风冷装置使用第二上螺钉和第二下螺钉固定，所述接收装置紧贴螺接在所述聚焦装置内；
所述发射装置、扩束装置、风冷装置、聚焦装置和接收装置沿着激光传播方向依次同轴排列。
2.如权利要求1所述的双凸非球面万瓦级高抗损伤大口径风冷光纤连接器，其特征在于，所述第一端帽夹持器和所述第二端帽夹持器的内径等于所述第一端帽和第二端帽的直径，所述第一端帽的前端面与所述第一端帽夹持器的出光端面对齐，所述第二端帽的前端面与所述第二端帽夹持器的出光端面对齐，所述第一端帽与所述第一端帽夹持器采用胶粘固定在一起，所述第二端帽与所述第二端帽夹持器采用胶粘固定在一起。
3.如权利要求1所述的双凸非球面万瓦级高抗损伤大口径风冷光纤连接器，其特征在于，所述第一端帽夹持器的外径刻有外螺纹与所述第一镜片夹持器的内部刻有的内螺纹配套，所述第二端帽夹持器的外径刻有外螺纹与所述第二镜片夹持器的内部刻有的内螺纹配套。
4.如权利要求1所述的双凸非球面万瓦级高抗损伤大口径风冷光纤连接器，其特征在于，所述第一镜片夹持器和第二镜片夹持器的内部开有激光传输的通孔，此通孔的直径大于所述第一端帽夹持器外径，也大于第二端帽夹持器外径，小于所述准直镜的直径，也小于所述聚焦镜的直径。
5.如权利要求1所述的双凸非球面万瓦级高抗损伤大口径风冷光纤连接器，其特征在于，所述准直镜和所述聚焦镜分别与所述第一镜片夹持器和第二镜片夹持器采用耐高温胶粘固定，所述准直镜到所述发射装置平面端的距离为准直镜的焦距，所述聚焦镜到所述接收装置平面端的距离为聚焦镜的焦距。
6.如权利要求1所述的双凸非球面万瓦级高抗损伤大口径风冷光纤连接器，其特征在于，所述准直镜和所述聚焦镜均为双凸非球面镜，激光入射面为球面，激光出射面为非球面，材料均为JGS1，JGS2，JGS3，Corning7979或Corning7980熔融石英玻璃。
7.如权利要求1所述的双凸非球面万瓦级高抗损伤大口径风冷光纤连接器，其特征在于，所述风冷装置的上表面开有第一入风口和第二入风口，下表面开有第一出风口和第二出风口，第一入风口和第二出风口与所述准直镜边缘对齐，第一出风口和第二出风口与所述聚焦镜的透镜边缘对齐，所述第一入风口和第二入风口内分别安装第一进气风扇和第二进气风扇，所述第一出风口和第二出风口内分别安装第一排气风扇和第二排气风扇。
8.如权利要求1所述的双凸非球面万瓦级高抗损伤大口径风冷光纤连接器，其特征在于，所述风冷装置中间设置有石英玻璃板，石英玻璃板位于准直镜和聚焦镜之间，风冷装置与石英玻璃板采用胶粘固定。
9.如权利要求1所述的双凸非球面万瓦级高抗损伤大口径风冷光纤连接器，其特征在于，所述聚焦装置与所述扩束装置关于所述风冷装置对称放置，所述发射装置和所述接收装置关于所述风冷装置对称放置。
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