CN206920654U - 一种消色差的光纤激光耦合系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种消色差的光纤激光耦合系统，包括同轴设置的激光器、光纤准直镜、消色差光纤耦合镜，激光器设置在第一光纤前端，第一光纤末端和第二前端之间依次设置光纤准直镜和消色差光纤耦合镜；所述的光纤准直镜包括两片平凸透镜和一片平凹透镜，所述两片平凸透镜曲面相对放置，靠近第一光纤末端，所述的平凹透镜设置在消色差光纤耦合镜前端。消色差光纤耦合镜包括双凸透镜和平凹透镜，双凸透镜设置在靠近光纤准直镜一侧，平凹透镜设置在靠近第二光纤前端的一侧。本实用新型消除了激光和红光的色差，易于调节光纤耦合镜装置，提高光纤耦合效率。

Description

一种消色差的光纤激光耦合系统

技术领域

本实用新型属于激光应用技术领域，具体涉及一种消色差的光纤激光耦合系统。

背景技术

在激光焊接加工应用中，通常采用光纤实现远距离、低损耗、灵活可靠的激光传输，激光通过光纤耦合镜耦合到光纤中，最后传输到工作台进行激光焊接作业。

由于两种不同波长的光通过非消色差的光纤耦合镜聚焦后，由于存在轴向色差导致红光和激光的焦点不重合，不利于调节光纤耦合镜，导致光纤耦合效率较低。

发明内容：

本实用新型要针对上述背景技术存在的问题，提供一种消色差的光纤激光耦合系统，可消除红光和激光色差，利于调节光纤耦合镜，耦合效率高。

为解决上述技术问题，本实用新型的技术方案为：

一种消色差的光纤激光耦合系统，包括同轴设置的激光器、光纤准直镜、消色差光纤耦合镜，激光器设置在第一光纤前端，第一光纤末端和第二光纤前端之间依次设置光纤准直镜和消色差光纤耦合镜；的光纤准直镜包括两片平凸透镜和一片第一平凹透镜，两片平凸透镜的曲面相对设置，设置在靠近第一光纤末端一侧，的第一平凹透镜设置在消色差光纤耦合镜前端；消色差光纤耦合镜包括双凸透镜和第二平凹透镜，双凸透镜设置在靠近光纤准直镜一侧，第二平凹透镜设置在靠近第二光纤前端的一侧。

较佳地，消色差光纤耦合镜设置在耦合镜调节座上；耦合镜调节座包括用于设置耦合镜的镜筒，镜筒设置在镜座上，镜筒内设有耦合镜挡止结构，耦合镜通过镜筒压圈压紧在镜筒内，镜座上设有镜筒调节机构。

较佳地，镜筒调节机构包括镜座压圈和第一弹簧，镜筒位于镜座外侧端部的外缘设有向镜筒中心处凹陷的台阶结构，第一弹簧的一端抵靠于台阶结构，第一弹簧的另一端抵靠于镜座压圈；还包括用于紧固镜筒的紧固螺钉，镜座上设有供紧固螺钉穿过的紧固螺孔；耦合镜与镜筒压圈之间还设有隔圈。

较佳地，耦合镜调节座上还设有用于连接第二光纤前端的光纤接头。

较佳地，耦合镜调节座上还设有光纤接头调节机构。

较佳地，光纤接头调节机构包括用于压紧光纤接头的接头压圈，接头压圈通过固定螺钉连接于镜座；光纤接头调节机构还包括微调结构，微调结构包括微调螺钉、微调螺孔和弹性调节件，微调螺钉穿过微调螺孔连接光纤接头，弹性调节件设置在微调螺孔位于镜座外部端口处。

较佳地，弹性调节件包括设置在微调螺孔位于镜座外部端口处的第二弹簧座和设置在第二弹簧座中空位置的第二弹簧，微调螺钉穿过位于第二弹簧座中的第二弹簧连接光纤接头。

较佳地，激光器包括1064nm光纤激光器。

较佳地，光纤准直镜的两片平凸透镜和一片第一平凹透镜均为石英材料，折射率为1.4585±0.001，色散系数为67.8±0.5％

较佳地，消色差光纤耦合镜的双凸透镜为冕牌玻璃，折射率为 1.5168±0.001，色散系数为64.2±0.5％，消色差光纤耦合镜的第二平凹透镜为火石玻璃，折射率为1.6727±0.001，色散系数为32.2±0.5％。

本实用新型的有益效果在于：本实用新型采用1064nm光纤激光器，激光经过光纤准直镜后准直为平行光，然后经过消色差光纤耦合镜聚焦耦合到光纤芯径中，消色差光纤耦合镜消除了激光和红光的色差，激光和红光焦点重合，易于调节光纤耦合镜装置，提高光纤耦合效率。

附图说明

图1为本实用新型系统结构示意图，

图2为本实用新型耦合镜调节座剖面结构示意图，

图3为本实用新型耦合镜调节座正面结构示意图，

图4本实用新型消色差光纤耦合镜的子午面球差曲线图，

图5是本实用新型消色差光纤耦合镜的弧矢面球差曲线图，

图6是本实用新型消色差光纤耦合镜的色差曲线图。

图中：1-镜座，2-镜座压圈，3-镜筒压圈，4-双凸透镜，5-第二平凹透镜，6-隔圈，7-第一弹簧，8-镜筒，9-紧固螺钉，10-调焦螺钉，11-微调螺钉，12-弹簧安装座，13-第二弹簧，14-固定螺钉，15-光纤接头，16-接头压圈，17-光纤接头调节螺钉，18-激光器，19-第一光纤，20-第二光纤，21-光纤准直镜，22-消色差光纤耦合镜。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步的说明。

一种消色差的光纤激光耦合系统，包括同轴设置的激光器18、光纤准直镜21、消色差光纤耦合镜22，激光器18设置在第一光纤 19前端，第一光纤19末端和第二光纤20前端之间依次设置光纤准直镜21和消色差光纤耦合镜22；消色差光纤耦合镜22包括双凸透镜和第二平凹透镜，双凸透镜设置在靠近光纤准直镜21一侧，第二平凹透镜设置在靠近第二光纤20前端的一侧。

光纤准直镜21包括两片平凸透镜和一片第一平凹透镜，两片平凸透镜曲面相对放置，靠近第一光纤19末端，平凹透镜设置在消色差光纤耦合镜22前端。

1064nm光纤激光器发出激光，激光经过光纤准直镜后准直为平行光，然后经过消色差光纤耦合镜聚焦耦合到光纤芯径中，通过光纤实现远距离传输。

激光器18、光纤准直镜21、消色差光纤耦合镜22，以及第一光纤19和第二光纤20分别通过相对应的支撑装置设置在光学平台上。而本实施例还特别设置了消色差光纤耦合镜22的耦合镜调节座上，一方面可以对消色差光纤耦合镜22进行支撑，连接第二光纤20，另一方面还可以方便的对光纤耦合镜22及第二光纤20进行调节。

耦合镜调节座包括用于设置耦合镜的镜筒8，镜筒8设置在镜座 1上，镜筒8内设有耦合镜挡止结构，耦合镜通过镜筒压圈3压紧在镜筒8内，镜座1上设

镜筒8调节机构包括镜座压圈2和第一弹簧7，镜筒8位于镜座 1外侧端部的外缘设有向镜筒8中心处凹陷的台阶结构，第一弹簧7 的一端抵靠于台阶结构，第一弹簧7的另一端抵靠于镜座压圈2；还包括用于紧固镜筒8的紧固螺钉9，镜座1上设有供紧固螺钉9穿过的紧固螺孔；耦合镜与镜筒压圈3之间还设有隔圈6。

耦合镜调节座上还设有用于连接第二光纤20前端的光纤接头 15。

耦合镜调节座上还设有光纤接头15调节机构。

光纤接头调节机构包括用于压紧光纤接头15的接头压圈16，接头压圈16通过固定螺钉14连接于镜座1；光纤接头调节机构还包括微调结构，微调结构包括微调螺钉11、微调螺孔和弹性调节件，微调螺钉11穿过微调螺孔连接光纤接头15，弹性调节件设置在微调螺孔位于镜座1外部端口处。

弹性调节件包括设置在微调螺孔位于镜座1外部端口处的第二弹簧13座和设置在第二弹簧13座中空位置的第二弹簧13，微调螺钉11穿过位于第二弹簧13座中的第二弹簧13连接光纤接头15。

激光器18包括1064nm光纤激光器18。

光纤准直镜21的两片平凸透镜和一片第一平凹透镜均为石英材料，折射率为1.4585±0.001，色散系数为67.8±0.5％。

消色差光纤耦合镜22的双凸透镜为冕牌玻璃，折射率为1.5168 ±0.001，色散系数为64.2±0.5％，消色差光纤耦合镜22的第二平凹透镜为火石玻璃，折射率为1.6727±0.001，色散系数为32.2±0.5％。

双凸透镜为高色散系数的H-K9制成的双凸透镜，第二平凹透镜为低色散系数的ZF2制成的第二平凹透镜。

耦合镜调节座中的耦合镜镜座1用于安装耦合镜镜筒8和光纤接头15、光纤接头15压圈；镜座压圈2用于压紧耦合镜镜筒8；镜筒压圈3用于压紧耦合镜片；双凸透镜4为消色差光纤耦合镜组的第一面镜，第二平凹透镜5为消色差光纤耦合镜组的第二面镜。隔圈6为镜筒压圈3与双凸透镜4，双凸透镜4与第二平凹透镜5间的隔圈6；第一弹簧7通过弹簧的伸缩长度来调节耦合镜镜筒8的前后位置；耦合镜镜筒8用于安装双凸透镜4、第二平凹透镜5、隔圈6和镜筒压圈3；紧固螺钉9用于锁紧调节好后的耦合镜镜筒8；调焦螺钉10用于调节耦合镜镜筒8的前后位置。微调螺钉11用于连接和调节光纤接头15。弹簧安装座12用于安装固定第二弹簧13和微调螺钉11。第二弹簧13用于调节和锁紧微调螺钉11。固定螺钉14用于固定锁紧光纤接头15压紧圈。光纤接头15用于安装光纤。光纤接头15压紧圈用于压紧光纤接头15。光纤接头调节螺钉17用于调节光纤接头15的位置。

使用耦合镜调节座对消色差耦合镜以及第二光纤20所连接的光纤接头15的调节方法为：一，将装配好的光纤耦合装置安装在光学平台上，将200μm或300、400、600μm的芯径光纤连接在光纤接头 15上。二，打开1064nm激光器18的指示红光，红光光束直径小于15mm，红光从镜座压圈2侧入射，使红光与耦合镜镜组同轴。三，略松开四颗固定螺钉14，手动粗调光纤接头15位置，使光纤接头15 位于中心处，锁紧四颗固定螺钉14。四，微调调焦螺钉10，使在光纤耦合观察镜中观察到的红光聚焦光斑最小，锁紧紧固螺钉9。五，调节微调螺钉11和两颗光纤接头调节螺钉17并锁紧，使红光光斑位于光纤纤芯正中心。

消色差光纤耦合镜22的焦距为50mm，入射光波长为1064nm，指示光波长为630±20nm，入射光直径为D＝8mm。双凸透镜两面的曲率半径均为16.347mm，直径20mm，中心厚度为9mm，边缘厚度2.22mm，焦距17.88mm，材质为冕牌玻璃，折射率1.5168，色散系数64.2；第二平凹透镜凹面的曲率半径为13.26、另一面为平面，直径20mm，中心厚度2mm，边缘厚度4.69mm，焦距-20.38mm，材质为为火石玻璃，折射率1.6727，色散系数32.2。

双凸透镜与第二平凹透镜间的空气间隔距离为1.5mm，后焦距为 35.35mm。激光器18发出的1064nm激光经过消色差光纤耦合镜22聚焦后，聚焦光斑直径为3μm，小于衍射极限16μm，聚焦光束的数值孔径为0.08，数值孔径远小于多模光纤的数值孔径0.22。

本实用新型采用一片高色散系数材料的双凸透镜和一片低色散系数材料的第二平凹透镜的组合，消除1064nm激光和632nm红光的色差，降低球差，聚焦光斑小于衍射极限，而且聚焦光束数值孔径小于多模光纤的数值孔径，便于光纤耦合镜的调节，提高了光纤的耦合效率。

一束直径为8mm的1064nm和632nm的复合平行光，经过双凸透镜和第二平凹透镜聚焦，后焦距为35.35mm。

如图4和图5为是消色差光纤耦合镜的子午面和弧矢面的球差曲线图；如图4至图5所示，Px、Py分别为子午、弧矢面上光线的归一化光瞳坐标，Ex、Ey分别为子午、弧矢面上的球差大小。1064nm 激光的球差小于±5μm，632nm红光的球差小于±25μm。

如图6所示，横坐标为焦点偏移，纵坐标为入射光波长，1064nm 激光与632nm红光的轴向色差小于0.3μm，激光焦点和红光焦点基本重合。

本实用新型通过使用正负透镜、不同曲率的组合降低球差，使用两种不同折射率的玻璃材料消除激光和红光的色差，提高了光纤耦合效率，结构简单，调节方便，成本低廉。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种消色差的光纤激光耦合系统，其特征在于：包括同轴设置的激光器(18)、光纤准直镜(21)、消色差光纤耦合镜(22)，所述激光器(18)设置在第一光纤(19)前端，第一光纤(19)末端和第二光纤(20)前端之间依次设置所述光纤准直镜(21)和所述消色差光纤耦合镜(22)；所述的光纤准直镜(21)包括两片平凸透镜和一片第一平凹透镜，所述两片平凸透镜的曲面相对设置，设置在靠近所述第一光纤(19)末端一侧，所述的第一平凹透镜设置在消色差光纤耦合镜(22)前端；所述消色差光纤耦合镜(22)包括双凸透镜和第二平凹透镜，所述双凸透镜设置在靠近所述光纤准直镜(21)一侧，所述第二平凹透镜设置在靠近所述第二光纤(20)前端的一侧。

2.根据权利要求1所述的一种消色差的光纤激光耦合系统，其特征在于：所述消色差光纤耦合镜(22)设置在耦合镜调节座上；所述耦合镜调节座包括用于设置所述耦合镜的镜筒(8)，所述镜筒(8)设置在镜座(1)上，所述镜筒(8)内设有耦合镜挡止结构，所述耦合镜通过镜筒压圈(3)压紧在所述镜筒(8)内，所述镜座(1)上设有镜筒(8)调节机构。

3.根据权利要求2所述的一种消色差的光纤激光耦合系统，其特征在于：所述镜筒(8)调节机构包括镜座压圈(2)和第一弹簧(7)，所述镜筒(8)位于所述镜座(1)外侧端部的外缘设有向所述镜筒(8)中心处凹陷的台阶结构，所述第一弹簧(7)的一端抵靠于所述台阶结构，所述第一弹簧(7)的另一端抵靠于所述镜座压圈(2)；还包括用于紧固所述镜筒(8)的紧固螺钉(9)，所述镜座(1)上设有供所述紧固螺钉(9)穿过的紧固螺孔；所述耦合镜与所述镜筒压圈(3)之间还设有隔圈(6)。

4.根据权利要求2所述的一种消色差的光纤激光耦合系统，其特征在于：所述耦合镜调节座上还设有用于连接所述第二光纤(20)前端的光纤接头(15)。

5.根据权利要求4所述的一种消色差的光纤激光耦合系统，其特征在于：所述耦合镜调节座上还设有光纤接头(15)调节机构。

6.根据权利要求5所述的一种消色差的光纤激光耦合系统，其特征在于：所述光纤接头调节机构包括用于压紧所述光纤接头(15)的接头压圈(16)，所述接头压圈(16)通过固定螺钉(14)连接于所述镜座(1)；所述光纤接头调节机构还包括微调结构，所述微调结构包括微调螺钉(11)、微调螺孔和弹性调节件，所述微调螺钉(11)穿过所述微调螺孔连接所述光纤接头(15)，所述弹性调节件设置在所述微调螺孔位于所述镜座(1)外部端口处。

7.根据权利要求6所述的一种消色差的光纤激光耦合系统，其特征在于：所述弹性调节件包括设置在所述微调螺孔位于所述镜座(1)外部端口处的第二弹簧(13)座和设置在所述第二弹簧(13)座中空位置的第二弹簧(13)，所述微调螺钉(11)穿过位于所述第二弹簧(13)座中的第二弹簧(13)连接所述光纤接头(15)。

8.根据权利要求1-7任一项所述的一种消色差的光纤激光耦合系统，其特征在于：所述激光器(18)包括1064nm光纤激光器(18)。

9.根据权利要求1-7任一项所述的一种消色差的光纤激光耦合系统，其特征在于：所述光纤准直镜(21)的两片平凸透镜和一片第一平凹透镜均为石英材料，折射率为1.4585±0.001，色散系数为67.8±0.5％。

10.根据权利要求1-7任一项所述的一种消色差的光纤激光耦合系统，其特征在于：所述消色差光纤耦合镜(22)的所述双凸透镜为冕牌玻璃，折射率为1.5168±0.001，色散系数为64.2±0.5％，所述消色差光纤耦合镜(22)的所述第二平凹透镜为火石玻璃，折射率为1.6727±0.001，色散系数为32.2±0.5％。