CN1130581C - 光学部件的组装方法及光学部件 - Google Patents

Abstract

一种光学部件组装方法，其中第一(10)和第二(20)金属外罩分别支承第一和第二光学元件，两金属外罩在其连接表面(10b，20b)上彼此紧靠，并以激光束(31)照射使之焊接固定。其特点是，一金属外罩从另一金属外罩突出，激光束以倾斜于突出的金属外罩侧的入射角θ方向照射，以完成在彼此紧靠的金属外罩连接表面外周边上的点焊(30)，从而将组装时光损失的增加量限制到极低。

Description

光学部件的组装方法及光学部件

技术领域

本发明涉及组装光学部件的一种方法及这类光学部件本身，所述光学部件例如为LD模件、机内隔离件，包括多个支承光学元件的外罩。

背景技术

按常规，为了光连接一些精细的光学元件，可首先将这些光学元件存放和固定在若干金属外罩中，再调整光轴以调节这些金属外罩之间的相对位置关系，从而确定光损失最小的最佳位置，然后以点焊方式结合各金属外罩。

例如，按照待审日本专利公开文件Hei-7-318763号，如图6所示，通过光纤支承件6固定光纤7(一个光学元件)的第一金属外罩5和包含光学元件3(另一光学元件)的第二金属外罩1，都是以金属外罩的彼此紧靠的连接表面外周边上的焊点10而点焊住的。

另外，从图6可以看到，位于下部的一个物件做成比位于上部的一个物件在侧向更突出，于是形成一个凹部，使得由于存在凹部和焊接金属表面张力而很容易进行焊接。

尽管在该公开文件中没有提到激光束照射的方位，但通常来说，激光束31应直接照射在凹部。

然而，在常规的制造光学部件的结合方法中，明显存在着热变形问题，即在通过焊前调整光轴以减小光强降低和确定金属外罩间最佳位置之后的焊接金属外罩过程中，金属外罩会变形，因而由调整光轴而确定的位置可能移动，从而降低了光强。

为了解决固定光纤7的光纤支承件6与第一金属外罩5之间的移位问题，上述待审日本专利公开件Hei-7-318763提出不用第一金属外罩5，而用一个专门的隔片插在光纤支承件6和第二金属外罩1之间，以便以点焊方式焊接各彼此紧靠的表面。

但是，即使按这种建议，也不能解决由于焊接部分热不均匀造成的该专用隔片与第二金属外罩1之间的移位问题。

发明内容

因此，本发明人研究了上述点焊过程中的热变形和由其造成位移的原因。按照研究结果，本发明人提出了一种光学部件的组装方法及光学部件本身，使之在低成本的允许范围内可避免焊接金属外罩时的光强降低，并且无需任何专用部件。

曾用实验考查过用常规的焊接方法焊接上述金属外罩造成的热变形以及金属外罩之间位移的原因。

首先，曾研究过以下情况下的热变形，即如图3A所示，待结合的两个不同外径的圆柱形金属外罩10和20各表面彼此紧靠而其中心重合，从而使第一金属外罩10的侧边从第二金属外罩20的侧边突出，其突出量ΔX在整个周边上都相等，并在彼此紧靠的金属外罩连接表面的外周边位置上进行点焊，这些位置相对于连接表面的中心是旋转对称的。

本文中所说的焊接位置是指位置30a，如图1所示，它们处在彼此紧靠的金属外罩10和20连接表面的外周边上，且相对于连接表面的中心是旋转对称的，而且是处在由突出的金属外罩10的桶部和另一金属外罩20的连接表面附近的侧边20a形成的V形凹部的底上。

本发明人发现，尽管在点焊金属外罩时在平行于垂直中心轴(以后简称为“中心轴”)的方向(以后称为“轴向”)上出现热变形从而形成了细小空间，但不会出现足以使点焊金属外罩的中心轴倾斜的变形，如图3A所示。上述中心轴是在彼此紧靠的金属外罩的连接表面处与连接表面垂直相交的。

这是因为图3A所示的左、右圆A和B的各焊接位置之间的由激光束辐射造成的供热速率与冷却速率是相等的。也就是，当激光束在相同条件下照射到焊接位置时，首先，照射位置处的金属被加热熔化，然后热量扩散到金属外罩内部而使金属外罩热膨胀。

因此，各焊接位置处的熔化部分在金属外罩轴向受到张力，于是因热胀而延伸。接着，由于从包括这些延伸了的熔化部分的金属外罩外周部分开始冷却，因此熔化部分固化后在轴向延长。

在这种情况下，环绕图3A的圆A和B内焊接位置处的外表面面积相等，两部分的冷却速率也相等。因此，考虑到左面焊接部分的膨胀和收缩量等于右面焊接部分的膨胀和收缩量，以及尽管引起了平行于轴向的变形，但不会造成足以使中心轴倾斜的变形。总之，在平行于中心轴变形的情况下，光强只有很小的减少，因而可以忽略；而在倾斜于中心轴方向变形的情况下，光强减少相当大。

此外，因为金属外罩内部比外部冷却较慢，因此甚至在面对外部的焊接部分固化以后，内部的冷却过程仍在进行。结果，在金属外罩10和20的结合表面之间产生了细小空间。

其次，因为由光轴调整确定的各金属外罩的中心轴通常是移位的，也就是，突出的金属外罩的突出量ΔX在连接表面外周边的各部分上常常是不均匀的，因此曾研究过在这种状态下金属外罩焊接的地方所出现的热变形。

对于这种情况，如图3B所示，认识到在倾斜于中心轴方向上的热变形是由焊接过程产生的，这是由于彼此靠近的金属外罩处连接表面各位置间一个金属外罩10侧面相对于另一金属外罩20侧面的突出量ΔX不同时在溶化位置间的冷却速率不均匀造成的。

在环绕图3B左面圆A内焊接位置的区域，与环绕图3B右面圆B内焊接位置的区域相比，金属外罩10的突出量ΔX较小，使得面向外部的焊接位置处每单位金属容积的外表面积比率较小。因此，热量很难散失，金属外罩的温度升高较大，造成热变形很大。

另一方面，在环绕图3B右面圆B内焊接位置的区域，突出量ΔX较大，因而在该焊接位置中每单位金属容积的外表面积比率较大。因此，热量容易散失，金属外罩的温度升高较小，热变形也较小。

因此，图3B左面圆A内焊接位置中的热变形量比右面圆B内焊接位置中的热变形量要大。于是，焊接造成了倾斜于中心轴方向上的热变形，也就是，在将光轴转向右的方向上产生位移。

如果用一个力从上下对着热膨胀方向压住金属外罩从而完全抵消焊接时的轴向热膨胀，则有可能消除热变形本身，然而，这会使金属外罩内产生凹凸不平，从而损坏固定在金属外罩内的光学元件，因此这种方法不宜采用。

尽管不能抱很大期望，但可考虑可否在许可范围内压住金属外罩以抵消热膨胀，从而在某种程度上消除热变形和由其造成的光强下降。

本发明解决了前述问题。因此，本发明的目的在于提供一种光学部件的组装方法，使之即使在通过光轴调整所确定的各金属外罩的中心轴彼此不重合时，也能消除焊接后造成的旋转方向上的热变形，从而使光强的减少极小；本发明目的还在于提供这种光学部件。

由于通过光轴调整而确定了最佳相互位置的金属外罩中心轴常常彼此不重合，因此本发明适合于大批量生产光学部件的场合，并有极大的实用价值。

为了解决前述问题，按照本发明提供的光学部件组装方法，其中第一金属外罩支承第一光学元件，第二金属外罩支承第二光学元件，使两金属外罩的连接表面彼此紧靠，并以激光束照射使之彼此焊接固定，其特征在于，使两金属外罩之一的一侧从另一金属外罩的一侧突出，并以倾斜于突出的金属外罩侧的入射方向照射激光束，使之在彼此紧靠的金属外罩连接表面外周边上完成点焊。

也就是，根据前述对热变形和位移的研究和考虑，本发明人得出了一种方案，即使在通过光轴调整而调节了各金属外罩的中心轴彼此发生垂直移位时，如果在各焊接位置使加热和冷却条件尽可能相等，并且使加热和冷却速率适度，则能够消除焊接后的光强度减小。通过按本方案不断试凑，本发明人实现了本发明。

附图说明

图1为一纵剖图，示出本发明的光学部件组装方法和本发明的光学部件；

图2A-2C为侧视图，示出应用了本发明的不同尺寸的金属外罩的组合；

图3A和3B为侧视图，示出焊接造成热变形的原因；

图4A-4D为示意图，示出激光束的照射方向与焊点形状之间的关系；

图5为示意图，示出激光束照射方向与焊接后光强减少之间的相互关系；

图6为一透视图，示出常规光学部件及其焊接位置。

具体实施方式

本发明人对金属外罩10和20反复进行了焊接实验。所述外罩在图1所示的其中心轴彼此移位的地方具有光学上最佳的位置。以激光束31从各个方向照射到金属外罩10和20连接表面的外周边上。结果，发明人发现，当激光束31以倾斜于突出的金属外罩10侧边的入射方向照射时，在彼此紧靠的金属外罩连接表面外周边上的各焊接位置间，其热变形相等，这使得金属外罩光轴的位移和由此造成的光损失的增加能消除。本发明是依据这一事实完成的。

也就是，本发明的特征在于，靠近焊接部分30a的突出的金属外罩10桶部前端10a和靠近连接表面的另一金属外罩20侧面20a同时被激光束从某一方向照射而加热，该方向指激光束以入射角θ倾斜射向在N方向突出的金属外罩10(为说明方便，以后假设倾斜射向在垂直于金属外罩侧面的N方向突出的金属外罩的入射角θ为正(＞0)，而倾斜射向其他金属外罩的入射角θ为负(＜0))，结果，靠近环绕各焊接部分30a位置处的物件得到较均匀的加热，因而焊接时在旋转方向的热变形和由此造成的光强减少能减小到允许范围之内。

换句话说，本发明不是通过使图1所示的金属外罩焊接部分30a直接被激光束照射，而是通过使靠近焊接部分30a的第一金属外罩10桶部前端10a和第二金属外罩20侧面20a同时被激光束照射，来解决前述问题的。

以下参照图1-5更详细地描述本发明的最佳实施例。各图中相同的部分用了相同的标号，并省略了其中重复的描述。

(实施例1)

实施例1如图1所示，柱形金属外罩10支承住作为第一光学元件的光纤平行光管12，其中指数分级的光纤芯片透镜在单式光纤的前端结合在一起；柱形金属外罩20支承住作为第二光学元件的光隔离器21和与其链接的光纤平行光管12a，使两柱形金属外罩以其各自的连接表面10b和20b彼此紧靠，并以激光束31将连接表面的外周边点焊住。在本实施例中，第一金属外罩10的外径大于第二金属外罩20的外径，而前者的高度则小于后者的高度。

第一金属外罩10有一沿其中心轴的通孔，该通孔作为光路使用。第一金属外罩10上形成圆柱形支承件11，其通过一保护管13支承住作为第一光学元件的光纤平行光管12。第一金属外罩10的环形部分的外径为3-6mm范围，其高度为0.5-2.0mm范围。

第二金属外罩20支承住其内部空间中的光隔离器21。光隔离器21是第二光学元件的主要元件。此外，第二金属外罩20有一沿其中心轴的通孔，该通孔作为光路使用。与作为第二光学元件一部分的光隔离器21链接的光纤平行光管12a通过一保护管13插入该通孔中。金属外罩20的外径为3-6mm范围，其高度为5-15mm范围。

分别支承光学元件12和12a的金属外罩10和20在结合表面10b和20b上彼此紧靠，光强减少最小处的光学最佳位置是以调整它们的光轴而确定的。光轴调整后的各金属外罩的中心轴通常会移位。

如图4A所示，使激光束31照射到靠近彼此紧靠的金属外罩连接表面外周边上焊接位置处的金属外罩10的桶部10a和金属外罩20的侧面20a。同时且在相同条件下，以倾斜角θ(θ＞0)，从倾斜于突出的金属外罩10的方向照射各焊接位置。以这种方式点焊金属外罩，使光学部件彼此组装在一起。

例如，如图5所示，在该样品中，外周边上各位置处的突出量ΔX为0-0.3mm范围，也说是，金属外罩10从金属外罩20局部突出，其突出量ΔX处在最小位置时的0mm到最大位置时的0.3mm范围，完成后的各光学部件的光损失增加不大于0.05dB，在以1-11度范围的入射角θ进行激光照射的点焊中，这是可允许的上限。

在图1所示的光学部件的各组成部分中，仅示出金属外罩10的外径较大从而形成突出量ΔX为0-1.0mm范围的样品。在以1-6度范围的入射角θ用激光照射该样品来进行点焊的情况下，其光损失的增加不大于0.05dB。

在突出量ΔX为任何值时，可发现，其最佳入射角θ都处在θ＞0的范围。特别是，在最大突出量ΔX处在0.3-1.0mm范围内的样品中，以此最佳入射角θ进行激光照射的点焊组装的光学部件，其光损失的增加可减小到不超过0.05dB，这是可允许的上限。

另一方面，如图4C所示，当入射角处在θ≤0的范围时，也就是激光束从对着在垂直于金属外罩侧面的N方向突出的第一金属外罩10侧面的方向照射时，其热变形随着各样品不同而有很大变化，通常其光损失的增加超过0.05dB。

(实施例2)

实施例2是指各尺寸的第一和第二金属外罩的可允许的组合，而不是实施例1所述的金属外罩的组合。

也就是，在金属外罩的组合中，有各种情况，其中一种情况是，第一金属外罩10的直径和高度分别小于图2A中所示的第二金属外罩20的直径和高度；另一种情况是，第一金属外罩10的直径小于第二金属外罩20的直径，而第一金属外罩10的高度大于第二金属外罩20的高度，如图2B所示；再一种情况是，第一金属外罩10的直径和高度分别大于第二金属外罩的直径和高度，如图2C所示。

上述任一种情况下，激光束的最佳入射角θ都受突出量ΔX值的影响。因此，当找出处于θ＞0范围内的入射角θ的最佳值后以激光束照射进行点焊时，光损失的增加能减小到允许范围之内。

(实施例3)

实施例3指这样一种情况，其中形成突出金属外罩的金属材料的熔点低于形成其他金属外罩的金属材料的熔点，因而能进一步减小焊接时的热变形和由其造成的光损失增加。

例如，用SUS303作为突出金属外罩10的金属材料，而用SUS304作为其他金属外罩20的金属材料的案例，前者的熔点为1400℃，后者的熔点为1450℃。

为什么能进一步减小损失增加量的主要理由是，焊接点仅形成在低熔点的突出金属外罩侧，以致于与两个金属外罩使用相同金属的情况相比焊点尺寸减小了约一半。

也就是，从上述对于金属外罩热变形的理解很容易推断，在低熔点金属外罩侧，由于激光束在焊接位置照射和熔化物件，然后熔化部分在受到张力情况下冷却和固化，因而产生了热变形。另一方面，在高熔点金属外罩侧，即使受激光照射，也没有哪一部分被熔化，因此，就算有膨胀，由于冷却时收缩，仍会完全恢复到其原来形状。因而可理解，与用相同金属材料形成金属外罩的情况相比，热变形和由其造成的光损失增加量可减小约一半。

此外，为什么要以低熔点金属材料制作突出的金属外罩的另一理由在于，如果熔化部分限制在热量较易散失的突出金属外罩的桶部，则熔化部分的热膨胀量可减小很多，热变形量也会相应减小。

(实施例4)

涉及由调整光轴确定的各金属外罩之间的位置关系为，其中心轴通常会有稍许位移，在多数情况下，具有较大外径的一个金属外罩，其连接面的整个外周边都比其他金属外罩突出。

但是在某些特殊情况下，各金属外罩相互突出。

在这种案例中，激光束从倾斜于各突出部分方向分别照射到突出部分上，也就是，激光束以倾斜角θ＞0而入射方向本身彼此不同的方向照射到点焊部分。以这种方式，可将光损失的增加减小到允许范围之内。

以下参照附图说明上述实施例的实例。

(最佳入射角θ与热变形/光损失增加之间的关系)

图1示出本实施例的光学部件的剖视图。

第一金属外罩10是用SUS 304不锈钢制的一个柱状体，其环形部分的外径为4.5mm，厚度为0.8mm。第一金属外罩10有一沿其中心轴的通孔，该通孔作为光路用。另外，在通孔上部结合有一个圆柱形的光纤支承件11，作为第一光学元件的光纤平行光管12通过一保护管13插在圆柱形光纤支承件11中。

第二金属外罩20是用SUS 304不锈钢制的一个柱状体，其外径为4.2mm，厚度为12mm。第二金属外罩20的内部支承有作为第二光学元件主要元件的一个隔离器晶体21。另外，第二金属外罩20有一沿其中心轴的通孔，该通孔作为光路用。第二金属外罩20还支承作为第二光学元件一部分的一个光纤平行光管12a。该光纤平行光管12a通过一保护管13a与隔离器晶体21链接。

支承各自光学元件的金属外罩10和20的连接表面10b和20b彼此紧靠，使得尽量减小光损失增加量的最佳位置可由调整光轴来确定。

在这一案例中，突出量ΔX按各个样品是不同的，即突出量ΔX在各个样品的彼此紧靠的金属外罩的表面周边的每一位置上并不总是相同的。

关于这些样品，曾用YAG(钇铝柘榴石)激光在连接表面外周边上间隔120度的三个焊接位置30a(包括突出量ΔX为最大0.3mm的一个位置)上进行点焊，其中包括入射角θ在+10度到-3度范围相继变化1度的14种情况下的照射。

YAG激光以10w/mm²的强度同时照射到金属外罩10桶部的凸出部分10a和靠近金属外罩20连接表面的侧面20a上，从而完成点焊。

测量这些光学部件中的光损失增加量，从而考查入射角θ和热变形(光损失增加量)之间的关系。

另外，为了弄清楚突出量ΔX的影响，对于一些光学部件曾做过类似的研究，这些光学部件的组成部分包括其环形部分外径增加到5.2mm的金属外罩10，但其他部分与上述案例相同，而彼此紧靠的金属外罩连接表面外周边的突出量ΔX处在0-1.0mm范围。

结果是，在突出量ΔX的最大值为0.3mm或1.0mm的任一情况下，光损失增加量最少的激光束入射角θ的最佳位置都处于入射角θ＞0的范围，如图5所示。

此外，为了防止光损失的增加超过许可限度的0.05dB，应了解，对前者须要使入射角处在0度＜θ＜6度的范围，而对后者须要使入射角处在0度＜θ＜11度的范围。

通常，突出量ΔX越大，最佳入射角θ越小。相反，突出量ΔX越小，最佳入射角θ越大。

因此，从此结果可看到，在实际组装光学部件的场合，如果对于光学部件的金属外罩可以找到在θ＞0的入射角范围内的最佳入射角θ和突出量ΔX之间的关系，则可组装成光损失增加量极小且光学性能卓越的光学部件。

特别是，对于普通尺寸的光学部件，从图5的结果中可了解，其最佳入射角θ通常处于0度＜θ＜11度范围。因此，考查的范围很窄，有各种尺寸的金属外罩的最佳入射角θ可较容易地找到。

在此实施例中，为了明显地表示其结果，只选择了一些有相同最大突出量ΔX的光学部件样品，并考查了入射角θ与光损失增加量之间的关系。但实际上，甚至在具有相同尺寸的金属外罩中，调整光轴后金属外罩之间的突出量ΔX可能随不同样品而不同。

对于这种样品间的突出量ΔX有固定分布的一组光学部件，可确定其最佳入射角θ，并可减小其光损失增加量使之不超过一预定值。

尽管光损失增加量不超过允许限度的0.05dB范围也包括在图5所示的入射角θ＜0范围，但样品间光损失增加量的偏离在此范围很大。因此，图5示出的是光损失增加量的10个数据的平均值。因而，尽管纵坐标轴上的数值相同，但与入射角θ＞0的范围相比，其匀称性缺陷较大。

(为什么会存在最佳入射角θ的理由)

为什么在θ＞0的入射角范围内存在可使光损失的增加量能减至最小的最佳值的理由是，当突出的金属外罩桶部的V形凹部底上靠近焊接位置30a处的物件10a和20a同时被激光束照射和加热时，比在焊接位置30a被激光束直接照射时，加热、由于加热而升高的温度以及热变形更容易均匀。

另一方面，为什么入射角在θ＜0范围时光损失会增大的理由是，焊接位置30a处在突出金属外罩桶部的V形凹部的底上，并且焊接位置处每单位容积金属件的外表面积比率很小因而热量很难散去。

因此，当激光束直接从θ≤0的倾斜角方向照射该部分时，温度突然升高，由其将造成热变形。结果，热状态在焊接点倾向分散，以致热变形倾向于不均匀。

在入射角θ＞0的范围，与最佳入射角相比，入射角θ越大，光损失增加越大。这是由于，如果入射角θ增大太多，激光束31照射到远离焊接位置30a处的第二金属外罩的侧面20a，使得焊接位置30a处的金属熔化之前加入了相当多的热量，因而热变形量增大。

即使在激光束31照射到离焊接位置不太远的地方，焊接位置30a的金属部分也被熔化。这是因为，即使在用相同金属外罩材料的情况下，在凸出部分熔化点也变低，并且凸出部分的曲率半径越小，该熔点也越低。

(入射角θ与焊点形状之间的关系)

图4A至图4D示出激光束入射角θ和焊点断面形状之间的关系。

关于激光束以入射角θ＞0照射时焊点的断面形状，图4A示出含有焊点30中心的焊接位置30a的纵剖图，而图4B示出沿A-A’线所取的剖面图，包括焊接位置30a和第二金属外罩20的侧面。

在该案例中，环绕焊接位置30a的温度分布较均匀，因而焊点30的形状为圆形。

关于当激光束以θ＜0的入射角照射时焊点的断面形状，图4C示出含有焊接位置30a的纵剖图，而图4D示出沿B-B’线所取的剖面图，包括焊接位置30a和第二金属外罩20的侧面。

在θ＜0的入射角范围，激光束不向金属外罩10桶部上的突出部分施加热量，并且热量易于从该部分散去。因此，焊点30的形状在金属外罩10侧成椭圆形，而在金属外罩20侧成圆形。

(其他，金属外罩的形状和点焊)

尽管上述实施例和实例描述了所用的是柱形金属外罩的情况，但本发明不限于此，而可应用于金属外罩有其他形状的情况。

另外，尽管上述实施例和实例描述了用激光束进行点焊的情况，但本发明不限于此，而可应用于以其他加热装置进行点焊的其他情况。

如上所述，按照本发明，当组装由支承很小光学元件的金属外罩构成的光学部件时，即使金属外罩各中心轴彼此不重合以致一个金属外罩以由光轴调整所确定的相互位置关系而从另一个外罩突出，从突出的金属外罩侧壁照射激光束也能进行点焊。因此，造成被支承元件的光轴旋转的热变形可明显减小，于是组装光学部件时的光损失增加量能限制到极低水平。

此外，由中心轴的光轴调整确定的金属外罩之间的最佳相互位置常常变得不重合，因此，本发明在成批生产光学部件的场合非常有效，因而有极大的实用价值。

Claims (5)

1.一种光学部件的组装方法，其中第一金属外罩支承第一光学元件，第二金属外罩支承第二光学元件，使两金属外罩的连接表面彼此紧靠，并以激光束照射使两金属外罩彼此焊接在一起，所述方法包括以下步骤：

使所述金属外罩之一的一侧从所述另一金属外罩的一侧突出；和

以倾斜于所述突出的金属外罩侧的入射方向以所述激光束照射，从而在彼此紧靠的所述金属外罩的连接表面外周边上完成点焊。

2.如权利要求1所述的光学部件组装方法，其特征在于，所述第一光学元件为光纤。

3.如权利要求1所述的光学部件组装方法，其特征在于，所述激光束的入射角处在1度至11度的范围。

4.如权利要求1所述的光学部件组装方法，其特征在于，所述激光束为钇铝石榴石(YAG)激光束。

5.如权利要求1所述的光学部件组装方法，其特征在于，形成所述另一金属外罩的金属的熔点高于形成所述突出的金属外罩的金属的熔点。

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