CN1656402A - 光波导的焊接方法和装置 - Google Patents

Abstract

为了进行至少两个光波导(10，11)的热焊接，将至少一个激光射束(16)引导到光波导上。按照本发明为了影响在准备焊接的光波导上的功率密度分布，在准备焊接的光波导(10，11)纵向方向周期性改变光波导上激光射束入射点的位置。

Description

光波导的焊接方法和装置

本发明涉及按照权利要求1的前序部分的光波导焊接方法。此外本发明还涉及按照权利要求8的前序部分的光波导的焊接装置。

本发明涉及光波导的热焊接。现代的焊接仪器一般是使用电的辉光放电作为焊接过程的能源。在焊接过程期间准备焊接的光波导位于该辉光放电的影响区域内和因此被加热到熔化温度。对于焊接连接所达到的质量，除了其他参数之外不仅光波导的加热强度而且加热区域的大小也有意义。然而建立在辉光放电原理基础上的焊接仪器不可以相互独立地对这两个参数进行控制。在这种焊接仪器中产生辉光放电的电流和提供使用焊接电极的距离是重要的控制参数。电流比较高其后果必然是辉光放电的扩展比较大。因此加热区域也会放大。通过电极间距的变化只能比较小地影响加热区域的大小。

从文献US-A-4,263,495中已知使用激光代替辉光放电作为能源的方法。在这种方法中为了得到足够的功率密度将激光射束进行聚焦。在这种方法中通过聚焦调整将给出加热区域的大小。

在现代焊接应用中常常要求将两个不同的纤维相互焊接在一起。如果准备焊接的纤维例如有非常不同的模场直径，如果人们不采取其他措施的话将导致非常高的附加衰减。作为应对措施从当代技术水平已知方法中人们可以使用相对长的焊接时间，以便通过光波导芯径材料的扩散达到模场直径的平衡。这样固然可以达到某些改善，但是这种处理方法不能通过足够高的自由度达到最佳的结果。为了保证最佳的焊接过程，必须沿着光波导轴线与所加的热功率无关地可以完全自由选择加热区域的形状或者温度分布。这在当代技术水平是不可能的。

从这些情况出发本发明以创建新的光波导焊接的方法的问题作为基础，使之有可能任意地影响光波导加热的功率密度分布和因此最佳地与要求相匹配。此外应该提供一个相应的装置。

此问题是通过具有权利要求1特征的方法和通过具有权利要求7特征的一种装置解决的。

借助本发明在焊接时可以有目的地控制光波导中的扩散过程。因此有可能达到接近理论上最小衰减值的最佳焊接过程。

本发明优异的扩展结构是由从属权利要求和下面的说明中得出的。借助于附图详细说明实施例。附图表示：

图1说明按照本发明方法的原理图，

图2说明激光射束入射点在准备焊接的光波导上的运动曲线并说明准备焊接的光波导上被调整的光波导加热功率密度分布曲线，

图3说明一个激光射束入射点运动的曲线具有激光功率控制的多个曲线和在准备焊接光波导上被调整的光波导加热的功率密度分布曲线，

图4按照本发明装置的框图，和

图5激光射束在两个要相互焊接的光波导上入射点的俯视图。

首先在图4和1的基础上说明按照本发明光波导焊接装置的结构。按照图4将两个准备相互焊接的光波导10，11安放在定位元件12，13，14上，它们可以使光波导10，11在三个各自相互垂直的轴线空间上进行调整成为可能。将光波导11安放在定位元件13，14上，它们使光波导11在x-轴以及z-轴撑开的平面上可以水平移动。将另一个光波导10安放在定位元件12上。通过定位元件12光波导10在垂直于x-轴和z-轴的y-轴上可以移动。因此对于焊接过程准备相互焊接的光波导10，11可以准确地对准。

安排了发射激光射束16的激光器15作为焊接过程的能源。激光射束16遇到反射镜17并且被引导到准备焊接的光波导10，11方向。在反射镜17的位置还可以使用其他可移动的光学部件。可以考虑非回转对称的光学部件，例如透明棱镜或长方形六面体。

为了激光射束16聚焦安排了透镜18，将透镜或者安排在反射镜17的后面(图4)或者安排在反射镜的前面(图1)。作为激光器15主要使用CO2激光器。

将准备相互焊接的光波导10，11的位置和焊接过程用摄像机19，20进行监视。摄像机19，20将得到的信号转送给检测装置21，检测装置将信号进行分析处理并和转送给中央控制装置22。中央控制装置22一方面与操纵-和显示装置23相连接，以便使用者可以监视焊接过程和必要时通过输入控制指令或者焊接参数影响焊接过程。

中央控制装置22用于控制或者调节整个焊接过程。中央控制装置处理从检测装置21传送来的数据。例如如果要求改变准备相互焊接的光波导10，11的空间对准，于是中央控制装置22传送给位置控制装置24控制信号，位置控制装置与所有三个定位元件12，13，14是电路连接的。从而改变准备相互焊接的光波导10，11的空间对准。

为了保证最佳的焊接过程必须与激光器15加上的功率无关，可以完全自由选择沿光波导10，11轴线的温度分布或者功率密度分布。此外给反射镜17安排了驱动装置25，借助于反射镜17的驱动装置可以改变反射镜的位置。按照图1和4，反射镜17是可以摆动的。为了控制反射镜17的摆动运动给驱动装置25安排了驱动控制装置26。驱动控制装置26与中央控制装置22是电路连接的。此外有一个激光器控制装置27，借助它可以影响激光器15的功率。激光器控制装置27一方面与中央控制装置22和另外一方面与激光器15是电路连接的。

下面在图1至3基础上比较详细地叙述按照本发明的光波导10，11的焊接方法：

按照本发明在准备焊接的光波导10，11上沿纵向方向改变激光射束16在准备焊接光波导10，11上的入射点28。这在图1上已特别表示。其中将入射点28在预先规定的区域29内围绕准备焊接光波导光波导10，11的焊接点30移动。优异的是入射点28在预先规定的区域29内周期性地运动，此时这样安排准备焊接光波导10，11上入射点28的移动频率，使入射点28的移动周期小于准备焊接的光波导10，11的热时间常数。

在这个关系上有意义的是，这样进行激光射束16的聚焦，使得调整出相对窄的入射点28和因此调整出光波导10，11上相对窄的加热区域。入射点28不允许宽于最小的对于焊接适宜的加热区域。入射点28适宜的宽度位于20μm和100μm之间。此外优异地这样聚焦，使得在光波导平面上产生一个稍长的入射点28，这个入射点在光波导10，11横向轴线上比纵向轴线有比较大的长度(见图5)。例如代替圆入射点28产生直线形状或椭圆形状的入射点28。因此避免了光波导10，11局部过热。此外还可以平衡光波导10，11位置与入射点28位置之间的公差。所希望的入射点28形状可以通过使用圆柱形透镜或相应的透镜组合来达到。入射点28的最佳宽度是由涉及到加热区域宽度的上述要求得出的。应该这样选择入射点28的高度，保证能够覆盖所期望的机械公差，也就是说必须避免光波导10，11处于入射点28的边缘或甚至处于入射点的外边。

如同已经叙述过的，反射镜17的运动是周期性进行的并且具有与纤维的热时间常数短得多的周期。因此保证了将光波导在入射点的整个运动区域内几乎同时加热。反射镜17优异的运动频率处于50Hz和500Hz之间。为了控制功率密度分布将反射镜17或入射点28的运动和/或激光器15或者激光射束16的功率进行调制。

为了对反射镜17或者入射点28的运动或者运动速度进行调制，将反射镜17的驱动装置25用曲线形状进行控制，该曲线形状顾及到所希望的加热分布或者功率密度分布。此时优异地将激光器15功率保持为常数。在反射镜17缓慢运动的区域与比较快运动的区域，平均有较高的激光器功率成分起作用。因此在这个区域内将光波导比较强地加热。图2借助于三个示例表示了这种情况。当反射镜17按时间T用正弦形状运动Ω时，按照曲线31当激光器15恒定功率时，在区域29运动边缘处功率密度最大，因为在那里由于运动方向的转变反射镜17运动是最慢的。作为平均的激光器功率强度特征I是从曲线32表示的“浴盆式曲线”中得出的。在曲线33中表示了第二个示例反射镜17三角形运动Ω。当激光器15还是恒定功率时在准备相互焊接的光波导10，11轴线上面导致平均的强度特征I-见图2曲线34。在第三个示例中-见曲线35和36-表示了如何通过相应的反射镜运动Ω达到随意选择的强度特征I。在这里左边的光波导明显地比右边的光波导比较强地加热，因为在这个区域反射镜运动比较慢。这种不对称的强度调制I是特别优异的，如果两个准备相互焊接的光波导10，11有不同的截面，例如非常不同的外径。为了调制入射点38的运动随后当预先规定入射点38移动的恒定频率时，改变入射点38或者反射镜17运动的曲线走向。

为了调制激光射束16的强度改变激光器15的功率L。此时激光器15的调制与反射镜运动Ω同步。将反射镜17的驱动装置25用恒定曲线形状(例如正弦)和上述基本频率进行驱动。为此将激光器15的功率L同步控制或者同步调节，使得到所希望的功率密度分布I。为此图3又表示了三个示例。在这些示例中将反射镜17按照曲线31正弦形状运动，因为这在技术上最容易实现。按照图3的示例与按照图2的示例实现同样的功率密度分布32，34，36。当恒定的激光器功率L时-曲线37-对于功率密度分布I得出上述“浴盆式曲线”。在第二个示例中按照曲线38这样调制激光器功率L，使它正巧补偿反射镜17运动Ω的速度差。因此又得出恒定的功率密度分布I。在第三个示例中同样如此，然而附加地将反射镜运动的左边部分比右边部分选择比较高的激光器功率L-曲线39-。因此将左边的光波导比右边的光波导比较强地加热。

通过所表示的装置于是将投射在光波导10，11上激光射束的功率密度分布I有可能几乎任意地进行控制。因此如同对于最佳衰减所要求的那样调整焊接过程期间的温度分布。于是用最小可能的衰减值达到最佳的焊接过程。通过调制激光射束强度相对于通过控制运动曲线形状来控制温度分布其优点是，对反射镜17的驱动装置25可以提出非常少的要求。例如按照曲线33三角形的反射镜运动在技术上是困难的并且只能近似地实现。

因此或者将反射镜运动Ω的曲线形状或将激光器功率L进行调制。当然还可以将两个相互组合。

在所表示的示例中，用周期运动的反射镜17-一个所谓的电流计扫描器-实现激光射束16的运动。代替它还可以使用一个多边形扫描器。其中涉及具有多个安排得有规则的反射镜面(例如六角形侧边)。这使激光射束16高速运动成为可能，因为不要求运动反向。在这种情况下，于是可以优异地通过激光器功率L的调制实现强度特征I的控制。

用同样的方法还可以将按照本发明的方法同时将多个组合的光波导(所谓的带子)焊接成一小束。在这种情况下这样构成照明斑点，使该照明斑点覆盖整个小束的宽度。为此有两个可能性：按照第一个可能性将激光射束的来回运动横向穿过光波导的轴线。为此在最简单情况下安排了第二个运动的反射镜，优异的是多边扫描器。因此可以将对第二个运动轴的运动频率选择得比对第一个轴高很多。因此避免了两个运动重叠导致不希望的不均匀热分布。按照第二个可能性将激光射束通过一个或多个圆柱形透镜扩展为一条直线。因此产生的直线形状的照明斑点横向于纤维轴线必须这样大，使在整个小束上将所有连接点均匀地加热。

按照本发明方法还特别适宜于具有不同特性，特别是不同外径的光波导的焊接。在这种情况下使用按照曲线36不对称的强度特征I是特别优异的。

按照本发明的方法还可以应用在光学部件上(“芯片”例如波长复用器，耦合器等)的光波导的焊接。

当在光学部件上进行光波导焊接时，可以说准备焊接的光波导之一是在光学部件上的光波导。因为该光波导比其他的光波导有大很多的热容量和热传导，所以在这种情况下使用按照曲线36的不对称强度特征I是特别有意义的。因此按照本发明的方法在这里提供了特殊的优越性。

原则上使用多个激光射束替代一个激光射束是可能的。例如为此借助于射线分配器可以将一个激光射束分成两个子射线，将两个子射线引导到光波导上。在这种情况下可以用同样的方法使用本发明。

参考符号表

10  光波导

11  光波导

12  定位元件

13  定位元件

14  定位元件

15  激光器

16  激光射束

17  反射镜

18  透镜

19  摄像机

20  摄像机

21  检测装置

22  中央控制装置

23  操纵-和显示装置

24  位置控制装置

25  驱动装置

26  驱动控制装置

27  激光器控制装置

28  入射点

29  区域

30  焊接点

31  曲线

32  曲线

33  曲线

34  曲线

35  曲线

36  曲线

37  曲线

38  曲线

39  曲线

Claims (10)

1.光波导的焊接方法，其中将用于至少两个光波导(10，11)热焊接的至少一个激光射束(16)引导到光波导(10，11)上，

其特征为，

为了影响在准备焊接的光波导(10，11)上的功率密度分布将该或该各激光射束(16)在光波导(10，11)上的入射点(28)的位置在准备焊接的光波导(10，11)的纵向方向进行改变，其中入射点(28)在预先规定的区域(29)内围绕准备焊接的光波导(10，11)的焊接点(30)周期性地移动。

2.按照权利要求1的方法，

其特征为，

这样安排在准备焊接的光波导(10，11)上的入射点(28)的移动频率，使入射点(28)移动的周期小于准备焊接的光波导(10，11)的热时间常数。

3.按照权利要求1或2之一的方法，

其特征为，

为了准备好在准备焊接的的光波导(10)上的最佳功率密度分布将入射点(28)的运动和/或激光射束(16)的强度进行调制。

4.按照权利要求3的方法，

其特征为，

在预先规定的入射点(28)的移动频率的情况下为了调制入射点(28)的运动将曲线形状或者入射点(28)的运动速度进行改变。

5.按照权利要求3或4的方法，

其特征为，

为了调制激光射束(16)的强度将激光器(15)的功率进行改变。

6.按照权利要求3至5之一的方法，

其特征为，

激光射束(16)的强度调制与入射点(28)运动的调制同步进行。

7.光波导焊接装置具有一个激光器(15)用于将至少两个光波导(10，11)进行热焊接，具有至少一个透镜(18)用于从激光器(15)发射至少一个激光射束(16)的聚焦和具有至少一个光学部件，特别是反射镜(17)，用于将该或该各激光射束(16)对准准备焊接的光波导(10，11)，

其特征为，

该或该各光学部件，特别是该或该各反射镜(17)的驱动装置(25)，其中借助于驱动装置(25)使该或该各光学部件可以这样运动，使该或该各激光射束(16)入射点(28)的位置在准备焊接的光波导(10，11)上纵向方向可以周期性地移动。

8.按照权利要求7的装置，

其特征为，

在该或该各运动光学部件，特别是在该或该各反射镜(17)的驱动装置(25)上安排了用于影响曲线形状或者入射点(28)运动速度的驱动控制装置(26)。

9.按照权利要求7或8的装置，

其特征为，

为了调制激光射束(16)的强度为激光器(15)安排一个激光器控制装置(27)。

10.按照权利要求8或9的装置，

其特征为，

驱动控制装置(26)和激光器控制装置(27)是连接在中央控制装置(22)上的。

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