CN114859567B - 一种激光合束耦合装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光合束耦合装置，属于光学领域，包括若干激光器，若干激光器产生的激光的波长不同，激光合束耦合装置还包括若干束腰调节透镜组、若干平行平板组件、若干合束组件、四维调整架以及耦合光纤组件，束腰调节透镜组、平行平板组件以及合束组件的数量与激光器的数量相同，耦合光纤组件与四维调整架插接，四维调整架调节耦合光纤组件的位置以及角度，每一激光器产生的激光经束腰调节透镜组、平行平板组件至合束组件，合束组件整合不同波长激光束使若干激光器产生的若干激光形成一束，使不同波长激光束沿同一方向射至耦合光纤组件，耦合光纤组件使不同波长激光束耦合进光纤，通过上述设计，使多路激光聚焦后的最小光斑位置刚好处于光纤端面处，以提高光纤耦合效率，同时降低合束及耦合设备的装调难度。

Description

一种激光合束耦合装置

技术领域

本发明涉及光学仪器，尤其是涉及一种激光合束耦合装置。

背景技术

高精密光学成像仪器上(如共聚焦显微系统、超分辨成像系统、全内反射荧光显微镜等)通常需要多个不同波长的激光器激发荧光样本，同时，成像时需要实现不同波长的快速选通和功率调节，因此出现了多波段激光合束并耦合进入单模光纤的激光系统。由于激光耦合使用的是芯径较小的单模光纤，需要激光在空间上有很高的一致性，对合束及耦合的装调过程提出了很高的要求。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种能够使多路激光聚焦后的最小光斑位置刚好处于光纤端面处的激光合束耦合装置，以提高光纤耦合效率，同时降低合束及耦合设备的装调难度。

本发明的目的之一采用如下技术方案实现：

一种激光合束耦合装置，包括若干激光器，若干所述激光器产生的激光的波长不同，所述激光合束耦合装置还包括若干束腰调节透镜组、若干平行平板组件、若干合束组件、四维调整架以及耦合光纤组件，所述束腰调节透镜组、所述平行平板组件以及所述合束组件的数量与所述激光器的数量相同，所述耦合光纤组件与所述四维调整架插接，所述四维调整架调节所述耦合光纤组件的位置以及角度，每一所述激光器产生的激光经束腰调节透镜组、平行平板组件至所述合束组件，所述合束组件整合不同波长激光束使若干激光器产生的若干激光形成一束，使不同波长激光束沿同一方向射至所述耦合光纤组件，所述耦合光纤组件使不同波长激光束耦合。

进一步的，所述束腰调节透镜组调节所述激光器光束的聚焦位置，使激光的聚焦位置在所述耦合光纤组件的光纤入口端面。

进一步的，所述束腰调节透镜组包括两双胶合透镜组，两所述双胶合透镜组的参数相同，两所述双胶合透镜组之间的距离等于两所述双胶合透镜组的工作距之和，激光束腰位置调节是通过改变两组双胶合透镜之间的距离实现的。

进一步的，所述平行平板组件位于所述激光器以及所述合束组件之间，所述平行平板组件用于微调激光束在所述合束组件处与其他激光束的重合。

所述合束组件包括二维调整架以及主体，所述主体为二向色镜或反射镜，所述主体安装于所述二维调整架，所述二维调整架调节所述主体的俯仰角和偏摆角，以调节激光出射的方向，使多束激光合成一束。

进一步的，若干所述合束组件位于同一直线上。

进一步的，当所述合束组件为二向色镜时，二向色镜上镀有高通低反的镀膜，以整合不同波长激光束。

进一步的，所述耦合光纤组件包括耦合透镜和光纤，所述耦合透镜采用双胶合透镜或多片式消色差透镜组。

进一步的，若干所述激光器产生的激光相互平行。

进一步的，所述激光器的数量为四个，四所述激光器产生的激光波长分别为405nm/488nm/561nm/638nm。

相比现有技术，本发明激光合束耦合装置还包括若干束腰调节透镜组、若干平行平板组件、若干合束组件、四维调整架以及耦合光纤组件，束腰调节透镜组、平行平板组件以及合束组件的数量与激光器的数量相同，耦合光纤组件与四维调整架插接，四维调整架调节耦合光纤组件的位置以及角度，每一激光器产生的激光经束腰调节透镜组、平行平板组件至合束组件，合束组件整合不同波长激光束使若干激光器产生的若干激光形成一束，使不同波长激光束沿同一方向射至耦合光纤组件，耦合光纤组件使不同波长激光束耦合，通过上述设计，使多路激光聚焦后的最小光斑位置刚好处于光纤端面处，降低合束及耦合设备的装调难度。

附图说明

图1为本发明激光合束耦合装置的局部结构立体图；

图2为图1的激光合束耦合装置的束腰调节透镜组的立体图；

图3为图1的激光合束耦合装置的平行平板组件的立体图；

图4为图1的激光合束耦合装置的合束组件的立体图；

图5为图1的激光合束耦合装置的光路图。

图中：10、激光器；20、束腰调节透镜组；21、底座；210、锁定孔；22、调节机构；30、平行平板组件；31、调节座；32、转动框；33、第一调节件；34、安装架；35、第二调节件；36、平行平板；40、合束组件；41、二维调整架；42、主体；50、四维调整架；60、耦合光纤组件。

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。

需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在另一中间组件，通过中间组件固定。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在另一中间组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在另一中间组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

图1至图4为激光合束耦合装置的示意图，激光合束耦合装置包括若干激光器10、若干束腰调节透镜组20、若干平行平板组件30、若干合束组件40、四维调整架50以及耦合光纤组件60。

激光器10、束腰调节透镜组20、平行平板组件30以及合束组件40的数量相同。

若干激光器10发出的激光波长不同。在本实施例中，激光器10的数量为四个，四激光器10产生的激光波长分别为405nm/488nm/561nm/638nm。若干激光器10发出的激光相互平行。

如图2所示，束腰调节透镜组20是将不同波长激光的束腰位置都调到耦合透镜位置附近，使激光被耦合透镜聚焦后的最小光斑位置刚好处于光纤端面处，使耦合效率可以达到最高。束腰调节透镜组20结构与开普勒式望远镜结构相似，采用两组参数相同的双胶合透镜组合起来，两组透镜之间的距离等于这两组透镜的工作距之和，使得出射光束与入射光束一样保持准直，通过微调两组透镜的间距可以实现对激光束腰位置的调节。束腰调节透镜组20包括底座21、调节机构22以及两组透镜。调节机构22与底座21螺纹连接。一组透镜安装于底座21，另一组透镜安装于调节机构22。调节机构22呈圆柱形，调节机构22相对底座21转动，调节两组透镜之间的距离，从而改变出射激光的束腰位置。底座21上设有锁定孔210，顶丝安装于锁定孔210与调节机构22抵触，使调节机构22与底座21锁定。束腰调节透镜组20位于激光器10以及平行平板组件30之间。

如图3所示，平行平板组件30用于微调激光束在合束组件40处与其他激光束的重合。平行平板组件30位于束腰调节透镜组20以及合束组件40之间。平行平板组件30包括调节座31、转动框32、第一调节件33、安装架34、第二调节件35、平行平板36。转动框32转动安装于调节座31，转动框32能够相对调节座31绕X轴方向转动，第一调节件33安装于调节座31并与转动框32配合，通过转动第一调节件33使转动框32转动，调节平行平板36俯仰角。安装架34转动安装于转动框32，安装架34能够相对转动框32绕Y轴方向转动，第二调节件35安装于转动框32并与安装架34配合，通过转动第二调节件35使安装架34转动，调节平行平板36偏摆角，X轴以及Y轴转轴都是过平行平板36后表面(激光入射面)中心的，通过平行平板36的两个轴的旋转调节可以改变激光出射的位置(高度和左右)，但不改变激光出射方向。调节完成后，分别将X轴锁紧和Y轴锁紧的螺钉拧好，平行平板36的位置就被锁定了，无法再动，保证了光学元件的稳定性。

如图4所示，若干合束组件40位于同一直线上。合束组件40所用合束主体为二向色镜或反射镜。当合束组件40为二向色镜时，二向色镜使用高通低反的镀膜设计，可以整合不同波长激光束。合束组件40包括二维调整架41以及主体42，主体42安装于二维调整架41。二维调整架41能够调节主体42的俯仰角和偏摆角的调节，改变激光X方向和Y方向的出射角度，调节完成后用螺钉锁紧，使二色镜或反射镜角度不再变化。该二维调整架41的调节和锁紧都是在调整架上方进行操作，好处是可以使光路更紧凑，减小激光合束光路的整体体积。

四维调整架50可以调节光纤的水平和垂直位置以及俯仰角和偏摆角，由于单模光纤芯径非常小，装调时需要先调节入射口近端后调节远端，然后在水平和垂直方向多次往返调节，直至耦合效率达到最高。

耦合光纤组件60包括了耦合透镜和光纤两部分，其中光纤可以是单模光纤也可以是多模光纤，耦合透镜与光纤之间的相对位置通过工装预调好。耦合透镜采用双胶合透镜或多片式消色差透镜组(大于等于3片透镜)，采用多片式消色差透镜组可使各激光耦合效率更高。同时对不同波长激光的轴向色差进行了校正，相比单片非球面和双胶合透镜都有更小轴向色差，可保证每种激光波长同时都有较高的耦合效率。耦合光纤组件60可以准直输出入射激光。

组装激光合束耦合装置时，若干激光器10的出光口朝向同一侧，若干束腰调节透镜组20位于若干激光器10以及若干平行平板组件30之间。每一激光器10与一束腰调节透镜组20对应。若干平行平板组件30位于若干束腰调节透镜组20以及若干合束组件40之间。每一平行平板组件30与一合束组件40对应。若干合束组件40位于同一直线上。一激光器10、一束腰调节透镜组20、一平行平板组件30、一合束组件40位于同一直线上，并且所在直线与若干合束组件40所在直线垂直。四维调整架50位于若干合束组件40所在直线上。耦合光纤组件60与四维调整架50插接。通过调节四维调整架50的四个螺钉改变耦合光纤组件60的位置和角度，从而得到最高的耦合效率，调完后四维调整架50上的调节螺钉可以锁死。耦合光纤组件60与四维调整架50之间是可插拔的，且插拔后重复定位精度很高，耦合效率不会下降。

如图5所示，使用激光合束耦合装置时，若干激光器10发出激光，每一激光器10的激光经过束腰调节透镜组20、平行平板组件30照射至合束组件40并被合束组件40反射，若干激光被合束组件40整合，形成一束不同波长激光束，整合过的激光束进入耦合透镜耦合并且进入光纤。

本申请激光合束耦合装置调节方法简单、调节时间短；整体系统稳定性好，长时间运行耦合效率不降低；光纤可插拔，方便运输后装调，且光纤插拔后耦合效率不变，可灵活运用到各种应用场景；合束系统中采用模块式的方案，激光器10数量可变，波长选择灵活多变，可应对各种不同需求。

以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进演变，都是依据本发明实质技术对以上实施例做的等同修饰与演变，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种激光合束耦合装置，包括若干激光器，若干所述激光器产生的激光的波长不同，其特征在于：所述激光合束耦合装置还包括若干束腰调节透镜组、若干平行平板组件、若干合束组件、四维调整架以及耦合光纤组件，所述束腰调节透镜组、所述平行平板组件以及所述合束组件的数量与所述激光器的数量相同，所述耦合光纤组件与所述四维调整架插接，所述四维调整架调节所述耦合光纤组件的位置以及角度，每一所述激光器产生的激光经束腰调节透镜组、平行平板组件至所述合束组件，所述合束组件整合不同波长激光束使若干激光器产生的若干激光形成一束，使不同波长激光束沿同一方向射至所述耦合光纤组件，所述耦合光纤组件使不同波长激光束耦合进光纤；

所述束腰调节透镜组调节所述激光器光束的聚焦位置，使激光的聚焦位置在所述耦合光纤组件的光纤入口端面；

所述平行平板组件位于所述激光器以及所述合束组件之间，所述平行平板组件用于微调激光束在所述合束组件处与其他激光束的重合。

2.根据权利要求1所述的激光合束耦合装置，其特征在于：所述束腰调节透镜组包括两双胶合透镜组，两所述双胶合透镜组的参数相同，两所述双胶合透镜组之间的距离等于两所述双胶合透镜组的工作距之和，激光束腰位置调节是通过改变两组双胶合透镜之间的距离实现的。

3.根据权利要求1所述的激光合束耦合装置，其特征在于：所述合束组件包括二维调整架以及主体，所述主体为二向色镜或反射镜，所述主体安装于所述二维调整架，所述二维调整架调节所述主体的俯仰角和偏摆角，以调节激光出射的方向，使多束激光合成一束。

4.根据权利要求3所述的激光合束耦合装置，其特征在于：若干所述合束组件位于同一直线上。

5.根据权利要求3所述的激光合束耦合装置，其特征在于：当所述合束组件为二向色镜时，二向色镜上镀有高通低反的镀膜，以整合不同波长激光束。

6.根据权利要求1所述的激光合束耦合装置，其特征在于：所述耦合光纤组件包括耦合透镜和光纤，所述耦合透镜采用双胶合透镜或多片式消色差透镜组。

7.根据权利要求1所述的激光合束耦合装置，其特征在于：若干所述激光器产生的激光相互平行。

8.根据权利要求1所述的激光合束耦合装置，其特征在于：所述激光器的数量为四个，四所述激光器产生的激光波长分别为405nm/488nm/561nm/638nm。