CN218585050U - 固定夹具、光纤固定装置、激光耦合系统及激光系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种固定夹具、光纤固定装置、激光耦合系统及激光系统，所述固定夹具包括：用于固定被夹持部件的卡盘，安装卡盘的固定架，以及将卡盘固定到固定架上的固定结构；其中，固定架上开设有与卡盘匹配的卡盘槽，卡盘内置在卡盘槽中；卡盘槽的边缘上设有若干个突出部，固定结构设置于卡盘槽在与突出部相对的另一侧上；被夹持部件固定安装到卡盘上，卡盘套入所述卡盘槽中，并通过固定结构将卡盘顶向突出部上进行固定。该技术方案，可以降低卡盘与固定架之间的位移偏差，从而确保被夹持部件稳定性。

Description

固定夹具、光纤固定装置、激光耦合系统及激光系统

技术领域

本申请涉及光学技术领域，特别是一种固定夹具、光纤固定装置、激光耦合系统及激光系统。

背景技术

在光学技术领域中，在很多场景中都需要使用到固定夹具，从而用来固定被夹持部件，例如，镜片、光纤、反射镜等等精密器件，常用的固定夹具会采用卡盘来并结合螺丝固定方式，首先利用卡盘来被夹持部件，然后再将卡盘固定到其他部件上，由于精密部件的固定时出现细微的变化都会导致较大的误差，因此在固定卡盘时，往往由于一些细微位移而导致使用过程中，产生了不可忽略的偏差，严重影响了光学器件的使用效果。

以激光器耦合光纤为例，激光器输出的激光从空气空间耦合至光纤时，激光束在空气中传输会存在光强闪烁、相位起伏、到达角起伏、光束漂移等现象，会导致聚焦后的光斑在光纤端面晃动，激光束与光纤输入端的中心轴向难以保持稳定一致，由于轴向差异会导致激光输出功率在时域上的不稳定、转换效率低等问题，而元器件长期存在局部过度热效应及光损伤则会引发测量偏差、器件损毁等问题；另外，气溶胶、颗粒沉降物分布等环境因素，也会降低耦合效率，影响持续稳定性。

综上所述，现有的固定夹具在固定精密器件时，存在亟待解决的偏差大、稳定性差等问题，影响了设备使用效果。

实用新型内容

基于此，有必要针对上述技术问题的至少之一，提供一种固定夹具、光纤固定装置、激光耦合系统及激光系统，提高对固定精密器件的稳定性。

一种固定夹具，包括：用于固定被夹持部件的卡盘，安装所述卡盘的固定架，以及将所述卡盘固定到固定架上的固定结构；其中，所述固定架上开设有与所述卡盘匹配的卡盘槽，所述卡盘内置在卡盘槽中；

所述卡盘槽的边缘上设有若干个突出部，所述固定结构设置于卡盘槽在与所述突出部相对的另一侧上；

所述被夹持部件固定安装到卡盘上，所述卡盘套入所述卡盘槽中，并通过所述固定结构将卡盘顶向所述突出部上进行固定。

在一个实施例中，所述突出部包括设于卡盘槽的边缘沿轴向上的至少两条内刻线。

在一个实施例中，所述卡盘槽沿轴向方向上开设有一条凹槽；其中，所述凹槽与卡盘槽边缘交汇位置处形成平行于轴向方向的两条内刻线。

在一个实施例中，所述凹槽的截面为弧形。

在一个实施例中，所述固定结构包括压块元件和螺丝；其中，所述螺丝将压块元件顶向所述内刻线，所述压块元件与卡盘的接触点以及两条内刻线与卡盘接触点构成三角形结构。

上述固定夹具，通过卡盘固定被夹持部件，然后将卡盘固定到固定架的卡盘槽中，利用卡盘槽的边缘上的突出部，通过固定结构将卡盘顶向突出部上进行固定，可以降低卡盘与固定架之间的位移偏差，从而确保被夹持部件稳定性。进一步的，通过在卡盘槽开设凹槽而形成两条平行的内刻线，具有易于实现，便于产品加工的优点。通过压块元件和螺丝的固定结构设计，结构简单，便于安装和拆卸。

一种光纤固定装置，包括上述的固定夹具；其中，所述被夹持部件为光纤，所述卡盘为光纤卡盘。

在一个实施例中，所述固定架的一侧上设有防尘管，所述光纤卡盘套入所述防尘管中，用于对光纤进行防尘保护。

上述光纤固定装置，利用光纤卡盘将光纤固定，然后再将光纤卡盘固定到卡盘槽上，利用上述的固定夹具，可以在使用中避免光纤卡盘与固定架之间产生相对位移，从而确保激光束与光纤输入端的中心轴向保持稳定一致。

一种激光耦合系统，包括：上述的光纤固定装置；其中，所述光纤固定装置设于激光器与光纤的耦合位置处，用于固定光纤。

在一个实施例中，所述的激光耦合系统，还包括连接所述固定架的三维运动平台，用于推动固定架进行三维运动以调整光纤与激光器之间的耦合位置。

上述激光耦合系统，利用光纤固定装置来固定耦合的光纤，从而可以消除耦合过程中产生轴向差异，提升了激光输出功率在时域上的稳定性和转换效率。

一种激光系统，包括：激光器、光纤、激光耦合系统以及反馈检测系统；其中，

所述光纤安装在激光耦合系统的光纤固定装置上；

所述反馈检测系统设于激光系统的出射端位置处，用于从激光系统的主光路中导出一路支路激光脉冲并检测光学参数；

所述三维运动平台连接所述反馈检测系统，接收反馈检测系统输出的控制指令调整光纤与激光器之间的耦合位置。

上述激光系统，通过上述激光耦合系统的作用，可以具有更加稳定性能，能够自动调整激光器与光纤之间的耦合位置，具有更高的耦合效率。

附图说明

图1是一个示例的固定夹具的一侧面截面示意图；

图2是另一个示例的固定夹具的一侧面截面示意图；

图3是一个示例的光纤固定装置耦合侧的三维示意图；

图4是一个示例的光纤固定装置耦合侧的截面示意图；

图5是另一个示例的光纤固定装置耦合侧的截面示意图；

图6是一个示例的光纤固定装置光纤侧的三维示意图；

图7是一个示例的光纤固定装置的侧面截面图；

图8是一个实施例的激光耦合系统结构示意图；

图9是另一个实施例的激光耦合系统结构示意图；

图10是一个示例的反馈检测系统光路示意图；

图11是一个实施例的激光系统示意图；

图12是另一个实施例的激光系统示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请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用于解释本申请，并不用于限定本申请。

下面阐述固定夹具的实施例。

参考图1所示，图1是一个示例的固定夹具的一侧面截面示意图，该固定夹具，包括用于固定被夹持部件40的卡盘31、安装卡盘31的固定架32以及将卡盘31固定到固定架32上的固定结构33，其中固定架32上开设有与卡盘31匹配的卡盘槽32a，卡盘31内置在卡盘槽32a中，卡盘槽32a的边缘上设有若干个突出部35，固定结构33设置于卡盘槽32在与突出部35相对的另一侧上，被夹持部件40固定安装到卡盘31上，卡盘31套入卡盘槽32a中，并通过固定结构33将卡盘32顶向突出部35上进行固定。

对于突出部35，如图2所示，图2是另一个示例的固定夹具的一侧面截面示意图，可以是在设置在卡盘槽32a的边缘上的两个尖锐突出部35，突出部35可以通过焊接在卡盘槽32a的边缘上，也可以是固定架上32上加工出来。

优选的，如图1，突出部35可以是设于卡盘槽32a的边缘沿轴向上的至少两条内刻线351，卡盘槽32a沿轴向方向上开设有一条凹槽32c，其中凹槽32c与卡盘槽32a边缘交汇位置处形成平行于轴向方向的两条内刻线351；如图1所示，该凹槽32c的截面可以为弧形，当然该凹槽32c的截面也可以为三角形，或者其他形状。

优选的，对于固定结构33，可以采用压块元件331和螺丝332；其中螺丝331将压块元件332顶向内刻线351，压块元件332与卡盘31的接触点以及两条内刻线351与卡盘32接触点构成三角形结构。

上述固定夹具的实施例，通过卡盘31固定被夹持部件40，然后将卡盘31固定到固定架32的卡盘槽32a中，利用卡盘槽32a的边缘上的突出部35，通过固定结构33将卡盘31顶向突出部35上进行固定，可以降低卡盘31与固定架32之间的位移偏差，从而确保被夹持部件40稳定性。进一步的，通过在卡盘槽32a开设凹槽32c而形成两条平行的内刻线351，具有易于实现，便于产品加工的优点。通过压块元件331和螺丝332的固定结构33设计，结构简单，便于安装和拆卸。

下面阐述光纤固定装置的实施例。

常规的光纤固定方案，一般是利用卡盘来固定光纤，然后再将卡盘嵌入卡盘槽中，利用螺丝固定，卡盘与固定架之间容易出现位移的情况，基于上述实施例的固定夹具的技术方案，本申请提供了一种光纤固定装置。

参考图3至图6，图3是一个示例的光纤固定装置的三维示意图，图4是一个示例的光纤固定装置的一侧面截面示意图，图5是一个示例的光纤固定装置的另一侧面截面示意图，图6是一个示例的光纤固定装置一侧面的三维示意图；如图所示，该光纤固定装置03包括卡盘31(光纤卡盘)、固定架32，固定架32上开设有卡盘槽32a，用于安装卡盘31；卡盘槽32a上设有至少两条内刻线351，图中是以两条为例，在卡盘槽32a上相对于内刻线351的另一侧上设有固定结构33，固定结构33将卡盘31顶向内刻线351上进行固定。

在安装时，可以先使用卡盘31来固定光纤401，然后将卡盘31放入到固定架32的卡盘槽32a中进行固定，卡盘槽32a的直径略大于与卡盘31，这样将卡盘31放入到卡盘槽32a后，通过固定结构33进行固定，从而实现固定光纤401目的。

参考图4，在卡盘槽32a下部设置了两条平行的尖锐的内刻线351，通过两条内刻线351在轴向上形成两个稳定的固定点，再结合固定结构33一起就可以构成一个稳固的三角形结构，基于三角形结构具有稳固性的特点，从而可以将卡盘31稳定地固定在卡盘31上。

参考图5，在卡盘槽32a底部位置铣出一个凹槽32c，在凹槽32c与卡盘槽32a交汇位置处形成两条平行的尖锐的内刻线351，该方案通过铣出一个凹槽32c形成两条内刻线351，便于加工生产，结构简单，稳定性高。

如图3至6所示，固定结构33的压块元件331设计成弧形形状，可以设置成与卡盘31直径相同的圆弧形状，为了容纳压块元件331，可以在卡盘槽32a上部开设一个通槽32b，在通槽32b上设置螺纹孔，从固定架32的顶部通过螺丝332以旋转推进方式将压块元件331顶向卡盘31，从而固定卡盘31，由于压块元件331与卡盘31形成的接触面可以形成一个支撑点，两条内刻线351形成两个支撑点，由此可以形成三角形结构将卡盘31牢固地固定在固定架32上。

在一个实施例中，参考图7，图7是一个示例的光纤固定装置的侧面截面图，固定架32在一侧上设有防尘管36，卡盘31内置于防尘管36中，用于对光纤401进行防尘保护。一般采用玻璃材质的防尘管36，通过防尘管36避免空间尘埃干扰，进行有效的防尘保护，减少颗粒沉降物等对光纤造成的影响。

上述各实施例的技术方案，通过优化的固定设计方案，利用压块元件331和两条内刻线351共同形成的三角形稳定结构，确保光纤401在固定架32上沿各个空间方向最小程度的移动可能性，从而保证主光路的光轴与光纤输入端中心轴向的空间一致性。

下面阐述激光耦合系统和激光系统的实施例。

在激光技术应用中，一般是利用光纤高非线性和灵活的色散特性等特点来产生超连续谱；激光器产生激光脉冲，通过功率调整和激光调节后，进入到光纤中进行光谱展宽，产生超连续谱，然后通过准直透镜输出使用；而激光从空间耦合到单模的光纤过程中，激光束与光纤输入端的中心轴向难以保持稳定一致，从而影响了耦合稳定性，无法稳定输出超连续谱；由于激光光路所经过的都是精密器件，一个细微的位移都有可能导致激光束与光纤输入端的中心轴向相对位移晃动，无法保持稳定一致。基于此，以下实施例提供了一种激光耦合系统和激光系统，以克服激光束与光纤输入端的中心轴向难以保持稳定一致所带来的负面影响，保证激光器与光纤的耦合稳定性，从而可以稳定输出超连续谱。需要说明的是，由于篇幅限制，无法列举所有技术方案，以下实施例中仅提供了部分实施方案。

在一个实施例中，如图8所示，图8是一个实施例的激光耦合系统结构示意图，本实施例的光纤固定装置03，还可以将固定架32设置在三维运动平台34上，三维运动平台34可以通过电机方式推动固定架32进行xyz三维运动，调整光纤401与激光器01之间的耦合位置。如前面所述，通过光纤固定装置03可以保证光纤401安装在固定架32上后能够保持稳定性；考虑到长期使用过程中，各种因素也会影响到激光束与光纤输入端的中心轴向对准，使得光纤401难以真正做到完全的稳定不变，为了克服这种现象，通过三维运动平台34来推动固定架32进行位移，从而可以对出现偏差进行校正，使得激光束与光纤输入端的中心轴向保持动态一致。

优选的，如图8所示，三维运动平台34可以连接至控制系统06上，控制系统06可以检测出激光束与光纤输入端的中心轴向的细微偏差，然后将这些细微偏差形成控制参数，控制三维运动平台34进行运动，从而将激光束与光纤输入端的中心轴向保持动态上一致，确保了激光器01与光纤401的耦合效率，提高耦合效果。

对于控制系统06所采用的检测方案，可以通过检测主光路的光学参数，如功率值、相位值等方式，也可以通过其他观测手段来判断，如的成像分析、图像分析等技术手段来进行检测，在通过在控制系统06中嵌入的算法进行计算和控制，具体可以参考本申请后续实施例描述。

从而维持主光路的光轴与光纤输入端口中心轴保持一致，进一步通过实时反馈系统的检测光学参数，利用控制系统06计算调整参数和控制三维运动平台34对光纤耦合进行校正，从而保证主光路的光轴与光纤输入端中心轴向的空间一致性，可持续的实现系统耦合效率的最优化。

参考图9所示，图9是另一个实施例的激光耦合系统结构示意图，包括：其中光纤固定装置03设于激光器01与光纤401的耦合位置处，反馈检测系统05设于激光系统的出射端位置处，控制系统06分别连接光纤固定装置03和反馈检测系统05。在工作中，反馈检测系统05从激光系统的主光路中导出一路支路激光脉冲，并检测支路激光脉冲的光学参数，控制系统06根据光学参数计算调整光纤位置的控制参数并输出至光纤固定装置03，以调整光纤与激光器01之间的耦合位置，使得光学参数达到目标值；对于光学参数，其可以是是与激光脉冲相关参数，如功率、频谱等。

本实施例的技术方案，能够自适应地调整光纤401的耦合位置，可以控制激光束与光纤输入端的中心轴向一致，提高耦合效率，提升激光器01与光纤401的耦合稳定性。

在一个实施例中，参考图10，图10是一个示例的反馈检测系统光路示意图，反馈检测系统05包括设于光路上的玻璃片51和衰减片52，以及光电二极管53；其中玻璃片51从主光路的激光脉冲中提取支路激光脉冲，衰减片52对支路激光脉冲进行衰减后送入光电二极管53检测功率值，并输出至控制系统06。

示例性的，对于光学器件，可以采用通过一倾斜角度设置的带增透膜的玻璃片51，从主光路的激光脉冲导出一路支路激光脉冲，同时将激光脉冲输出至下一级设备使用，支路通过光电二极管53检测实时功率值。

对于控制系统06，作为实施例，可以根据激光脉冲输出端的实时功率和激光器01的功率值之间的功率比值来计算控制参数，根据控制参数控制三维运动平台34进行运动，调整激光器01与光纤401的耦合位置。

在具体实现时，获取反馈检测系统05检测到的支路激光脉冲的实时功率，然后计算与激光的功率值之间的功率比值，在实时功率未达到目标值的情况下，当达到调整阈值时，对光纤的对准位置进行调整，可以按照设定的运动方向和步进值去调整光纤的耦合位置，同时持续判断是否达到目标功率值，直至达到目标功率值时停止调整。

上述技术方案，可以形成自适应的调整过程，自主调整激光器与光纤的耦合位置，可以控制激光束与光纤输入端的中心轴向一致，降低光斑在光纤端面晃动/抖动的影响，提升激光器与光纤的耦合稳定性，提高了耦合效率。

参考图11所示，图11是一个实施例的激光系统示意图，包括：激光器01，功率调节单元02，激光耦合系统30，光纤401；其中，功率调节单元02可以包括第一半波片21和偏振片22；激光耦合系统30包括第二半波片36、非球面透镜37、光纤固定装置03、准直透镜04以及控制系统06。

其中，主光路依次包括激光器01、第一半波片21、偏振片22、第二半波片36、非球面透镜37、光纤401、准直透镜04以及玻璃片51；玻璃片51、衰减片52和光电二极管53构成反射光路。

在应用中，激光器01发射激光，入射第一半波片21、偏振片22，通过旋转第一半波片21进行功率调节，激光为线偏振光，线偏振光垂直入射到第一半波片21时，若入射时振动面和半波片主截面之间的夹角为θ，则透射出来的线偏振光的振动面从原来的方位转过2θ，即透射光仍为线偏振光，但振动方向发生改变；而偏振片22只有一个偏振化方向，若透射出来的线偏振光，振动方向平行于偏振片22偏振方向，则光全部通过偏振片22，若透射出来的线偏振光，振动方向垂直于偏振片22偏振方向，则光无法通过偏振片22；故通过旋转第一半波片21，改变飞秒激光入射振动面与半波片主截面间的夹角，从而实现功率的连续调节；通过旋转第二半波片36，改变透射第二半波片36的激光的偏振方向，再经非球面透镜37耦合进入到光纤401中，光纤401固定在卡盘31中，卡盘31内置于带有防尘管36的固定架32上；激光脉冲经光纤的非线性效应产生的超连续谱，经准直透镜04准直后入射镀有增透膜且特定角度的玻璃片51，主光路中激光脉冲水平输出，进入下一级设备或系统；同时一部分激光脉冲的反射光路，并经衰减片52进入控制系统06。

控制系统06通过软件实时监控进入光电二极管53光束的激光脉冲功率，并通过控制三维运动平台34进行三轴移动，确保输出至光电二极管53的激光脉冲光束功率值保持最大，从而动态锁定飞秒激脉冲与光纤耦合的最佳位置，优化实现最佳的耦合效果。

需要指出的是，光纤输入端的实时功率调节可以通过多种方式得以实施，例如调节激光器01的输出功率、调节第一半波片21与偏振片22或者通过多个元器件的共同参与等手段。

在一个实施例中，参考图12所示，图12是另一个实施例的激光系统示意图，激光系统还可以包括光束质量分析仪54，利用光束质量分析仪54对超连续谱产生的光束质量的同步实时监控，控制系统06可以以此作为控制参数，对光纤401进行校正，从而稳定实现与预期目标一致的超连续谱的产生。

具体的，对如图示，光束质量分析仪54对激光脉冲的光谱参数进行检测，然后对频谱进行分析，结合检测的频谱参数状态计算当前需要调整的控制参数，结合所述实时功率而计算的控制参数，进行综合计算得到调整光纤401的耦合位置，从而优化激光脉冲的功率和频谱，提升激光系统的工作稳定性。

本申请提供的激光系统，在耦合效率、系统的短期稳定性(及时应对可能出现的外界波动的能力)、系统的长期稳定性(持续性保持高耦合效率及低元器件损耗率)方面都得到显著效果。

在使用中，可以对配备的激光光源及所选用光纤的性能参数，对所采用非球面透镜的焦距进行优化设计，在初始阶段即具备高耦合效率，然后持续动态监测、软件精细反馈及调节机制得以保证。

可以根据光谱/相位/功率等一系列逻辑关联，能够对外界所产生波动做出快速反馈，减小了相关的光伤害，降低了系统元器件的损耗风险，确保了短期稳定性。

通过光纤固定装置，在光纤输入/输出端口的多层次保护设计，确保了系统安全性、稳定性和三维运动平台的长期可操作性，从而共同确保了长期稳定性。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，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，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种固定夹具，其特征在于，包括：用于固定被夹持部件的卡盘，安装所述卡盘的固定架，以及将所述卡盘固定到固定架上的固定结构；其中，所述固定架上开设有与所述卡盘匹配的卡盘槽，所述卡盘内置在卡盘槽中；

所述卡盘槽的边缘上设有若干个突出部，所述固定结构设置于卡盘槽在与所述突出部相对的另一侧上；

所述被夹持部件固定安装到卡盘上，所述卡盘套入所述卡盘槽中，并通过所述固定结构将卡盘顶向所述突出部上进行固定。

2.根据权利要求1所述的固定夹具，其特征在于，所述突出部包括设于卡盘槽的边缘沿轴向上的至少两条内刻线。

3.根据权利要求2所述的固定夹具，其特征在于，所述卡盘槽沿轴向方向上开设有一条凹槽；其中，所述凹槽与卡盘槽边缘交汇位置处形成平行于轴向方向的两条内刻线。

4.根据权利要求3所述的固定夹具，其特征在于，所述凹槽的截面为弧形。

5.根据权利要求3所述的固定夹具，其特征在于，所述固定结构包括压块元件和螺丝；其中，所述螺丝将压块元件顶向所述内刻线，所述压块元件与卡盘的接触点以及两条内刻线与卡盘接触点构成三角形结构。

6.一种光纤固定装置，其特征在于，包括权利要求1-5任一项所述的固定夹具；其中，所述被夹持部件为光纤，所述卡盘为光纤卡盘。

7.根据权利要求6所述的光纤固定装置，其特征在于，所述固定架的一侧上设有防尘管，所述光纤卡盘套入所述防尘管中，用于对光纤进行防尘保护。

8.一种激光耦合系统，其特征在于，包括：权利要求6或7所述的光纤固定装置；其中，所述光纤固定装置设于激光器与光纤的耦合位置处，用于固定光纤。

9.根据权利要求8所述的激光耦合系统，其特征在于，还包括连接所述固定架的三维运动平台，用于推动固定架进行三维运动以调整光纤与激光器之间的耦合位置。

10.一种激光系统，其特征在于，包括：激光器、光纤、权利要求9所述的激光耦合系统以及反馈检测系统；其中，

所述光纤安装在激光耦合系统的光纤固定装置上；

所述反馈检测系统设于激光系统的出射端位置处，用于从激光系统的主光路中导出一路支路激光脉冲并检测光学参数；

所述三维运动平台连接所述反馈检测系统，接收反馈检测系统输出的控制指令调整光纤与激光器之间的耦合位置。

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