CN115629443A - 一种大芯径高功率光纤光栅的封装结构及封装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光学器件封装技术领域，并具体公开了一种大芯径高功率光纤光栅的封装结构及封装方法。包括：封装底座与封装上盖板，用于固定封装光纤光栅，所述封装底座与封装上盖板均为采用导热碳纤维制备而成的双层壳体结构；弹性有机硅灌封胶，填充于所述双层壳体结构内；设于所述封装底座上用于测量所述光纤光栅工作温度的热敏电阻、用于调控所述光纤光栅温度的TEC制冷片以及控制单元，所述控制单元用于调控所述TEC制冷片的功率，使得所述光纤光栅的中心波长稳定不变。可有效隔振并降低光纤光栅器件的温升系数，克服了因振动与高功率下温升带来的光纤光栅中心波长红移的缺陷，光纤光栅的光学性能长期稳定，进而保证高功率下谐振腔的性能与可靠性。
Description
技术领域
本发明属于光学器件封装技术领域，更具体地，涉及一种大芯径高功率光纤光栅的封装结构及封装方法。
背景技术
芯径高功率光纤光栅是目前高功率光纤激光器谐振腔的必要构成部件，决定了光纤激光器的输出波长与带宽，并能控制激光模式与光束质量。而高功率光纤激光器的性能受温升问题、振动问题的影响都颇大。
对高功率光纤光栅来说，光栅温度管理很重要。由于高功率光纤光栅是刻写于纤
芯上的，温升引入的热膨胀效应导致光纤纤芯膨胀，使光纤光栅的周期
发生改变；引入
的热光效应导致光纤光栅的有效折射率
发生变动。光纤光栅的中心波长计算公式为
，则推算光纤光栅的中心波长
随温升
的变化关系为：
。其中，
是光纤纤芯的热膨胀系数，
是光纤纤芯的热光系
数。针对石英光纤而言，
，光纤光栅的中心波长
漂移量
随温升
的变化系数为
。故工作在高功率下的光纤光
栅的温升会使其中心波长向长波长方向发生漂移，影响谐振腔的性能。
因此，目前大芯径高功率光纤光栅器件的封装技术，严重影响了高功率光纤光栅的中心波长、耐受功率等性能参数，亟需一种新型封装结构来解决此问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种大芯径高功率光纤光栅的封装结构及方法，其中结合光纤光栅自身的特征及其中心波长受温度影响的特点，相应设计了温度可调、散热好、具有隔振性能的封装结构，可有效隔振并降低光纤光栅器件的温升系数，克服了因振动与高功率下温升带来的光纤光栅中心波长红移的缺陷，光纤光栅的光学性能长期稳定，进而保证高功率下谐振腔的性能与可靠性。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种大芯径高功率光纤光栅的封装结构，包括封装壳体、缓冲模块以及光纤光栅中心波长调节模块，其中，
所述封装壳体包括封装底座以及与该封装底座对应设置的封装上盖板，用于固定封装光纤光栅，所述封装底座与封装上盖板均为采用导热碳纤维制备而成的双层壳体结构；
所述缓冲模块包括弹性有机硅灌封胶，该弹性有机硅灌封胶填充于所述双层壳体结构内；
所述光纤光栅中心波长调节模块包括设于所述封装底座上用于测量所述光纤光栅工作温度的热敏电阻、用于调控所述光纤光栅温度的TEC制冷片以及控制单元，所述控制单元用于根据所述光纤光栅的中心波长漂移量△λ随温升△T的变化系数、所述热敏电阻的测量值调控所述TEC制冷片的功率，使得所述光纤光栅的中心波长稳定不变。
作为进一步优选的，所述封装底座与封装上盖板之间设有陶瓷插芯，所述陶瓷插芯用于固定光纤光栅的的两端尾纤。
作为进一步优选的，所述陶瓷插芯用结构胶粘贴在封装底座的两侧凹槽内，该陶瓷插芯的直径比光纤光栅的涂覆层直径大50～100um，光纤光栅从陶瓷插芯的中间穿过，光纤光栅的栅区部分置于封装底座的内层导热碳纤维底板的对应凹槽内，光纤光栅两端通过环氧胶固定在陶瓷插芯内。
作为进一步优选的，所述封装底座上设有容纳所述TEC制冷片的安装槽，该安装槽内设有底板，该底板用于将所述TEC制冷片固定贴合在安装槽的顶面上。
作为进一步优选的，所述TEC制冷片通过TEC制冷片的正极引脚和TEC制冷片的负极引脚与电源连接。
作为进一步优选的，所述封装底座上设有容纳所述热敏电阻的安装孔。
作为进一步优选的，所述热敏电阻通过第一热敏电阻引脚和第二热敏电阻引脚与电源连接。
按照本发明的另一个方面，还提供了一种大芯径高功率光纤光栅的封装方法，采用如上述的封装结构实现，包括以下步骤：
S1根据光纤光栅的栅区长度制备封装底座与封装上盖板，其中，封装底座的内层导热碳纤维底板的对应凹槽长度至少覆盖光纤光栅的栅区长度；
S2向所述封装底座与封装上盖板的双层壳体结构中灌注弹性有机硅灌封胶，加热使其固定；
S3将TEC制冷片和热敏电阻固定安装在封装底座上；
S4将光纤光栅从陶瓷插芯的中间穿过，光纤光栅的栅区部分置于封装底座的内层导热碳纤维底板的对应凹槽内，光纤光栅两端通过环氧胶固定在陶瓷插芯内；
S5将封装底座与封装上盖板采用固定件对接安装；
S6控制单元根据所述光纤光栅的中心波长漂移量△λ随温升△T的变化系数、所述热敏电阻的测量值调控所述TEC制冷片的功率，使得所述光纤光栅的中心波长稳定不变。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1．本发明独特的光纤光栅封装结构，通过隔振处理与施加温控，有效抑制因振动与高功率下温升引入的中心波长的漂移，有利于光纤光栅的光学性能长期稳定；也可改变TEC制冷片的温度设置，对光栅波长进行调谐，增大光栅良品率。
2．本发明采用导热碳纤维作为封装壳体材料，在纤维方向上的导热系数高达700W/(m.K)，与传统的铝合金外壳相比，光纤光栅散热速度可提升4～5倍。高导热系数材料的选择，有效降低光纤光栅器件的温升系数，克服了高功率下温升带来的光纤光栅中心波长红移的缺陷。
3．本发明采用双层封装结构，在壳体夹层内填充弹性有机硅灌封胶，进行有效隔振，克服了振动导致光纤光栅中心波长红移的缺陷。
4．本发明光纤光栅的光学性能长期稳定，有效保证高功率下谐振腔的性能与可靠性。
5．本发明封装结构便于拆卸光纤光栅，可循环利用。
附图说明
图1是本发明实施例涉及的一种大芯径高功率光纤光栅的封装结构中封装底座的俯视图；
图2是本发明实施例涉及的一种大芯径高功率光纤光栅的封装结构中封装底座的前视图；
图3是本发明实施例涉及的一种大芯径高功率光纤光栅的封装结构中封装底座的侧视图；
图4是本发明实施例涉及的一种大芯径高功率光纤光栅的封装结构中封装底座的仰视图；
图5是本发明实施例涉及的一种大芯径高功率光纤光栅的封装结构中封装上盖板的俯视图。
在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-封装底座；2-弹性有机硅灌封胶；3-陶瓷插芯；4-光纤光栅；5-热敏电阻；6-TEC制冷片；7-底板；8-十字螺钉；9-封装上盖板。 501-第一热敏电阻引脚；502-第二热敏电阻引脚；601- TEC制冷片的正极引脚；602- TEC制冷片的负极引脚。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1至图5所示，本发明实施例提供的一种大芯径高功率光纤光栅的封装结构，包括封装壳体、缓冲模块以及光纤光栅中心波长调节模块，其中，所述封装壳体包括封装底座1以及与该封装底座1对应设置的封装上盖板9，用于固定封装光纤光栅，所述封装底座1与封装上盖板9均为采用导热碳纤维制备而成的双层壳体结构；所述缓冲模块包括弹性有机硅灌封胶2，该弹性有机硅灌封胶2填充于所述双层壳体结构内；所述光纤光栅中心波长调节模块包括设于所述封装底座1上用于测量所述光纤光栅工作温度的热敏电阻5、用于调控所述光纤光栅温度的TEC制冷片6以及控制单元，所述控制单元用于根据所述光纤光栅的中心波长漂移量△λ随温升△T的变化系数、所述热敏电阻5的测量值调控所述TEC制冷片6的功率，使得所述光纤光栅的中心波长稳定不变。
具体的，所述封装底座1与封装上盖板9采用螺钉连接，以将光纤光栅封装在两者之间。更具体的，封装底座1的下表面以及封装上盖板9的上表面上开设有环形凹槽，使得所述封装底座1与封装上盖板9形成双层壳体结构，在环形凹槽中填充弹性有机硅灌封胶2，具有隔振缓冲的效果。进一步的，在封装底座1与封装上盖板9的对接安装面上设有容纳陶瓷插芯3以及光纤光栅的凹槽。在封装底座1的上表面与底面还分别设有容纳所述热敏电阻5、所述TEC制冷片6的安装槽。
基于上述实施例，所述封装底座1与封装上盖板9之间设有陶瓷插芯3，所述陶瓷插芯3用于固定光纤光栅的的两端尾纤。所述陶瓷插芯3用结构胶固定在封装底座1的两侧凹槽内，该陶瓷插芯3的直径比光纤光栅的涂覆层直径大50~100um，光纤光栅从陶瓷插芯3的中间穿过，光纤光栅的栅区部分置于封装底座1的内层导热碳纤维底板的对应凹槽内，光纤光栅两端通过环氧胶固定在陶瓷插芯3内。
基于上述实施例，所述封装底座1上设有容纳所述TEC制冷片6的安装槽，该安装槽内设有底板7，该底板7用于将所述TEC制冷片6固定贴合在安装槽的顶面上。所述TEC制冷片6通过TEC制冷片的正极引脚601和TEC制冷片的负极引脚602电源连接。在本实施例中，所述TEC制冷片6上安装有多个呈阵列排布的散热翅，相应的，在封装底座1与TEC制冷片6的贴合面上设有多个容纳所述散热翅的通孔，以此方式，进一步加快热量传递和交换。
基于上述实施例，所述封装底座1上设有容纳所述热敏电阻5的安装孔。所述热敏电阻5通过第一热敏电阻引脚501和第二热敏电阻引脚502与电源连接。
本实施例中，控制单元集成PID控制器，将光纤光栅的目标中心波长作为期望值，通过对光纤光栅实际温度检测，实施调控TEC制冷片6的工作功率，以实时调整光纤光栅的温度，从而使得光纤光栅的目标中心波长保持稳定。
基于上述实施例，在封装上盖板9的两侧面设有条形风刀，条形风刀上设有多个气刀喷嘴，对应的，封装上盖板9内设有与气刀喷嘴个数对应的气道，两侧面的条形风刀气刀喷嘴间隔依次排布，以此方式，使得气体在流动过程中，热量进行相互交换，使得光栅两端的温度一直，不会发生梯度变化。更进一步的，在气刀喷嘴的进口处设有过滤网。
基于上述实施例，条形风刀与控制器连接，本发明中，控制器将光纤光栅的目标中心波长作为期望值，通过对光纤光栅实际温度检测，实施调控TEC制冷片6的工作功率以及条形风刀的风速，以实时调整光纤光栅的温度，从而使得光纤光栅的目标中心波长保持稳定。
本发明中，大芯径高功率光纤光栅封装结构的封装方法如下：
S1根据光纤光栅的栅区长度制备封装底座1与封装上盖板9，其中，封装底座1的内层导热碳纤维底板的对应凹槽长度至少覆盖光纤光栅的栅区长度；
S2向所述封装底座1与封装上盖板9的双层壳体结构中灌注弹性有机硅灌封胶2，加热使其固定；
S3将TEC制冷片6和热敏电阻5固定安装在封装底座1上；
S4将光纤光栅从陶瓷插芯3的中间穿过，光纤光栅的栅区部分置于封装底座1的内层导热碳纤维底板的对应凹槽内，光纤光栅两端通过环氧胶固定在陶瓷插芯3内；
S5将封装底座1与封装上盖板9采用固定件对接安装；
S6控制单元根据所述光纤光栅的中心波长漂移量△λ随温升△T的变化系数、所述热敏电阻5的测量值调控所述TEC制冷片6的功率，使得所述光纤光栅的中心波长稳定不变。当然了在本步骤中，控制器将光纤光栅的目标中心波长作为期望值，通过对光纤光栅实际温度检测，实施调控TEC制冷片6的工作功率以及条形风刀的风速，以实时调整光纤光栅的温度，从而使得光纤光栅的目标中心波长保持稳定。
当然了，上述方法还包括在封装上盖板9开设与气刀喷嘴个数对应的气道，并将条形风刀安装于封装上盖板9的两侧，其中，两侧面的条形风刀气刀喷嘴间隔依次排布，以此方式，使得气体在流动过程中，热量进行相互交换，使得光栅两端的温度一直，不会发生梯度变化。
实施例1
本实施例中，芯径高功率光纤光栅的封装结构，主要包括：封装底座1，用于固定陶瓷插芯3与热敏电阻5，外层壳体与内层壳体底部相连；弹性有机硅灌封胶2，用于填充封装底座1与封装上盖板9的壳体夹层；陶瓷插芯3用于固定大芯径高功率光纤光栅4；热敏电阻5用于监测大芯径高功率光纤光栅4的工作温度；TEC制冷片6用于对置于封装底座1上的大芯径高功率光纤光栅4进行温度控制，以调谐大芯径高功率光纤光栅4的中心波长；底板7通过十字螺钉8把TEC制冷片6固定在封装底座1上。
具体地，所述封装底座1与封装上盖板9均为双层结构设计，外层壳体与内层壳体
底部相连，均采用导热碳纤维作为壳体封装材料，在纤维方向上的导热系数高达
，与传统的铝合金外壳相比，光纤光栅散热速度可提升4~5倍。
具体地，所述弹性有机硅灌封胶2采用Hasuncast RTVS603高透明有机硅导热灌封
胶，是一种低粘度、高透明的RTV硅胶化合物，可以深层固化，具有很好的柔韧性，可用于防
震需要。且此胶导热系数为
，分别填充于封装底座1、封装上盖板9的导热碳
纤维壳体夹层内，并不会影响光纤光栅的散热效果。
具体地，所述大芯径高功率光纤光栅4采用大芯径双包层无源石英光纤，芯径≧20um，栅区采用飞秒直写法逐线刻蚀，无需剥除光纤涂覆层。
具体地，所述两个陶瓷插芯3用结构胶固定在下封装壳体1的两侧凹槽内，陶瓷插芯3的直径比光纤光栅的涂覆层直径大50~100um。所述大芯径高功率光纤光栅4从陶瓷插芯3的中间穿过，栅区部分置于封装底座1的内层导热碳纤维底板的对应凹槽内。所述陶瓷插芯3用于保护光纤光栅的两侧尾纤。光纤光栅两端通过环氧胶固定在陶瓷插芯3内。
具体地，所述封装底座1、封装上盖板9通过10个M2*8mm螺钉固定在一起，完成光纤光栅的封装。保证封装底座1与封装上盖板9内部的导热碳纤维凹槽完全贴合光纤光栅的栅区，进行有效散热。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种大芯径高功率光纤光栅的封装结构，其特征在于，包括封装壳体、缓冲模块以及光纤光栅中心波长调节模块，其中，
所述封装壳体包括封装底座（1）以及与该封装底座（1）对应设置的封装上盖板（9），用于固定封装光纤光栅，所述封装底座（1）与封装上盖板（9）均为采用导热碳纤维制备而成的双层壳体结构；
所述缓冲模块包括弹性有机硅灌封胶（2），该弹性有机硅灌封胶（2）填充于所述双层壳体结构内；
所述光纤光栅中心波长调节模块包括设于所述封装底座（1）上用于测量所述光纤光栅工作温度的热敏电阻（5）、用于调控所述光纤光栅温度的TEC制冷片（6）以及控制单元，所述控制单元用于根据所述光纤光栅的中心波长漂移量△λ随温升△T的变化系数、所述热敏电阻（5）的测量值调控所述TEC制冷片（6）的功率，使得所述光纤光栅的中心波长稳定不变。
2.根据权利要求1所述的一种大芯径高功率光纤光栅的封装结构，其特征在于，所述封装底座（1）与封装上盖板（9）之间设有陶瓷插芯（3），所述陶瓷插芯（3）用于固定光纤光栅的的两端尾纤。
3.根据权利要求2所述的一种大芯径高功率光纤光栅的封装结构，其特征在于，所述陶瓷插芯（3）用结构胶固定在封装底座（1）的两侧凹槽内，该陶瓷插芯（3）的直径比光纤光栅的涂覆层直径大50~100um，光纤光栅从陶瓷插芯（3）的中间穿过，光纤光栅的栅区部分置于封装底座（1）的内层导热碳纤维底板的对应凹槽内，光纤光栅两端通过环氧胶固定在陶瓷插芯（3）内。
4.根据权利要求1所述的一种大芯径高功率光纤光栅的封装结构，其特征在于，所述封装底座（1）上设有容纳所述TEC制冷片（6）的安装槽，该安装槽内设有底板（7），该底板（7）用于将所述TEC制冷片（6）固定贴合在安装槽的顶面上。
5.根据权利要求1所述的一种大芯径高功率光纤光栅的封装结构，其特征在于，所述TEC制冷片（6）通过TEC制冷片的正极引脚（601）和TEC制冷片的负极引脚（602）与电源连接。
6.根据权利要求1所述的一种大芯径高功率光纤光栅的封装结构，其特征在于，所述封装底座（1）上设有容纳所述热敏电阻（5）的安装孔。
7.根据权利要求1所述的一种大芯径高功率光纤光栅的封装结构，其特征在于，所述热敏电阻（5）通过第一热敏电阻引脚（501）和第二热敏电阻引脚（502）与电源连接。
8.一种大芯径高功率光纤光栅的封装方法，其特征在于，采用如权利要求1-7任一项所述的封装结构实现，包括以下步骤：
S1根据光纤光栅的栅区长度制备封装底座（1）与封装上盖板（9），其中，封装底座（1）的内层导热碳纤维底板的对应凹槽长度至少覆盖光纤光栅的栅区长度；
S2向所述封装底座（1）与封装上盖板（9）的双层壳体结构中灌注弹性有机硅灌封胶（2），加热使其固定；
S3将TEC制冷片（6）和热敏电阻（5）固定安装在封装底座（1）上；
S4将光纤光栅从陶瓷插芯（3）的中间穿过，光纤光栅的栅区部分置于封装底座（1）的内层导热碳纤维底板的对应凹槽内，光纤光栅两端通过环氧胶固定在陶瓷插芯（3）内；
S5将封装底座（1）与封装上盖板（9）采用固定件对接安装；
S6控制单元根据所述光纤光栅的中心波长漂移量△λ随温升△T的变化系数、所述热敏电阻（5）的测量值调控所述TEC制冷片（6）的功率，使得所述光纤光栅的中心波长稳定不变。
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