一种可插拔、宽冗余度的中红外光纤耦合输出系统的制作方法

1.本发明属于激光耦合系统技术领域，具体地说涉及一种可插拔、宽冗余度的中红外光纤耦合输出系统。


背景技术：

2.中红外固体激光器在激光医疗、牙科手术、分子光谱学、有机物分析、特殊材料加工等方面具有广泛的应用前景。为了使用上的便利性，通常需要将中红外激光耦合至传输光纤中，进行特定距离的传输和出光位置的精确定位，以解决空间光路的复杂性和敏感性问题。然而，要将大光斑(直径通常为毫米量级)的中红外激光耦合至小芯径(直径通常为数十至数百微米)的光纤中面临诸多技术难题。首先，通过耦合透镜进行大倍率的缩束，激光的束腰大小和空间位置非常敏感，需要与中红外传输光纤的纤芯进行位置和空间的精密匹配，否则会降低耦合效率，引起废热的增加，甚至导致光纤的损伤。其次，随着中红外固体激光器功率的变化，其输出激光的光束质量也随着变化，从而引起激光束腰大小和空间位置的变化，也可能导致耦合至光纤的效率降低，进而引起入射端的温升和损伤。最后，由于小光斑缩束后中红外激光空间位置的敏感性，通常光纤注入端与耦合系统采用全固化不可调、不可插拔安装的方式，导致中红外固体激光器戴上了“甩不掉的尾巴一样”，为后续的运输、安装、使用和维护带来了极为不便。因此，可插拔、对中红外激光光束质量变化有宽冗余度的中红外光纤耦合输出系统显得格外重要，具有非常强的应用需求。将二极管激光(ld)耦合至百微米量级纤芯的光纤输出系统已是很成熟技术，国内外均有大量的成熟产品，但仅有少数国外厂商(如dilas)掌握小芯径(≤200μm)光纤可插拔的技术，大部分尾纤耦合的ld产品仍然带着不可插拔和卸载的“光纤尾巴”，在高功率中红外激光可插拔传输光纤方面尚未见相关文献和发明报道。


技术实现要素：

3.针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，现提出一种适用于高功率激光、扩展性好、通用性强、操作便捷、工作效率高、灵活度高、直观易查的可插拔、宽冗余度的中红外光纤耦合输出系统。
4.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
5.一种可插拔、宽冗余度的中红外光纤耦合输出系统，包括：
6.中红外光源，用于输出高功率中红外激光；
7.准直套筒，其内部设有准直透镜；
8.缩束套筒，其第一端与所述准直套筒可拆卸连接，其第二端连接有夹具，所述缩束套筒的内部设有缩束透镜；
9.以及传输光纤，其注入端位于所述夹具内部，且传输光纤的注入端纤芯、夹具的中心、缩束套筒的轴心、准直套筒的轴心与所述高功率中红外激光的光轴重合。
10.本技术方案进一步设置为，所述准直套筒的第一端与所述中红外光源固定连接，
所述准直套筒的第二端以及所述缩束套筒的第一端均设有连接耳，所述连接耳上开设连接孔。
11.本技术方案进一步设置为，所述准直套筒的第二端设有定位筒，所述缩束套筒的第一端套设于所述定位筒的外围。
12.本技术方案进一步设置为，所述准直透镜以及所述缩束透镜均为平凸或双凸的非球面透镜，所述准直套筒以及所述缩束套筒的内部均设有定位组件，以固定所述准直透镜以及所述缩束透镜。
13.本技术方案进一步设置为，所述定位组件包括定位台以及盖板，所述定位台沿着所述准直套筒或所述缩束套筒的内部设置，所述定位台以及所述盖板均为环状结构，且两者分别位于准直透镜或缩束透镜的不同侧。
14.本技术方案进一步设置为，所述定位组件与准直透镜或缩束透镜接触处设有柔性缓冲垫。
15.本技术方案进一步设置为，所述缩束套筒的第二端设有安装孔，所述夹具位于所述安装孔内。
16.本技术方案进一步设置为，所述传输光纤的注入端外围设有保护套管，所述保护套管位于所述夹具内。
17.本技术方案进一步设置为，所述准直透镜与所述中红外光源的相对距离等于所述准直透镜的有效焦距，所述准直透镜与所述缩束透镜的相对距离等于两者的有效焦距之和，所述缩束透镜与所述传输光纤的注入端的相对距离等于所述缩束透镜的有效焦距。
18.本技术方案进一步设置为，所述准直套筒与所述缩束套筒之间可拆卸的设有中间套筒，所述中间套筒内设有中间扩束或中间缩束透镜。
19.本发明的有益效果是：
20.1、准直套筒与中红外光源之间采用全固化的整体模块化设计，保证准直透镜与中红外光源之间的相对距离固定，实现高功率中红外激光的近准直输出。采用不同的有效焦距和不同的相对距离，可以实现高功率中红外激光不同光斑大小的准直输出，对高功率中红外激光光束质量的变化不敏感。
21.2、缩束套筒与传输光纤的注入端之间采用全固化的整体模块化设计，保证缩束透镜与传输光纤的注入端相对距离和空间位置固定，缩束后的高功率中红外激光的束腰空间位置与传输光纤的注入端精确匹配，可以实现高效率的高功率中红外激光传输。
22.3、准直透镜和缩束透镜通过套筒方式进行光轴的精确对准，两个透镜之间相对位置精密固定，准直套筒和缩束套筒之间实现了可插拔和可卸载，便于运输、安装、使用和维护，可以减小维修和更换成本，提升系统使用寿命。
23.4、根据实际需要(如耦合至不同纤芯直径的传输光纤中)，准直套筒和缩束套筒之间还可以嵌套结构匹配的中间套筒，以满足更小芯径或更大纤芯直径的传输光纤的耦合。
24.5、各光学元件之间的相对距离允许存在偏差，该偏差均为机械加工和光学调试容易达到的精度，对高功率中红外激光光束质量的变化有很强的冗余度和适应性。
附图说明
25.图1是本发明一种实施方式的整体结构示意图；
26.图2是本发明另一种实施方式的整体结构示意图；
27.图3是本发明实施例一中高功率中红外激光沿光路的光斑大小示意图；
28.图4是本发明实施例三中高功率中红外激光沿光路的光斑大小示意图。
29.附图中：1-中红外光源、2-准直套筒、3-准直透镜、4-缩束套筒、5-缩束透镜、6-夹具、7-传输光纤的注入端、8-固定螺钉、9-中间套筒。
具体实施方式
30.为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本技术保护的范围。此外，以下实施例中提到的方向用词，例如“上”“下”“左”“右”等仅是参考附图的方向，因此，使用的方向用词是用来说明而非限制本发明创造。
31.实施例一：
32.如图1所示，一种可插拔、宽冗余度的中红外光纤耦合输出系统，包括：
33.中红外光源1，用于输出高功率中红外激光；
34.准直套筒2，其内部设有准直透镜3；
35.缩束套筒4，其第一端与所述准直套筒2可拆卸连接，其第二端连接有夹具6，所述缩束套筒4的内部设有缩束透镜5；
36.以及传输光纤，其注入端7位于所述夹具6内部，且传输光纤的注入端7纤芯、夹具6的中心、缩束套筒4的轴心、准直套筒2的轴心与所述高功率中红外激光的光轴重合。
37.值得说明的是，所述中红外光源1为中红外固体激光器，从增益晶体和泵浦构型上，可以采用侧泵浦的棒状介质，也可以采用端泵浦的块状介质；从激光器时域工作特性上，可以为脉冲体制，也可以为连续体制。
38.本技术方案进一步设置为，所述准直套筒2的第一端与所述中红外光源1固定连接，所述准直套筒2的第二端以及所述缩束套筒4的第一端均设有连接耳，所述连接耳上开设连接孔。
39.值得说明的是，所述准直套筒2以及所述缩束套筒4采用高稳定性、高强度、形变量小的不锈钢制成，所述准直套筒2的内径与准直透镜3的直径相匹配，准直套筒2的第一端与中红外光源1通过螺钉等方式固定，并保证准直套筒2的轴心与高功率中红外激光的光轴一致。准直套筒2的第二端通过固定螺钉8与缩束套筒4可拆卸连接，以确保准直透镜3和缩束透镜5精确的相对距离和同轴性。
40.准直套筒2以及缩束套筒4的外沿等间隔用多个固定螺钉8进行固定，在运输和安装过程中，卸下固定螺钉8，可以实现准直套筒2和缩束套筒4的分离，即实现了中红外光源和光纤耦合输出系统的可插拔。
41.本技术方案进一步设置为，所述准直套筒2的第二端设有定位筒，所述缩束套筒4的第一端套设于所述定位筒的外围。
42.本技术方案进一步设置为，所述准直透镜3以及所述缩束透镜5均为平凸或双凸的非球面透镜，同时，两者均采用caf2或znse等对高功率中红外激光低吸收的材质制成。
43.本技术方案进一步设置为，所述准直套筒2以及所述缩束套筒4的内部均设有定位
组件，以固定所述准直透镜3以及所述缩束透镜5。
44.本技术方案进一步设置为，所述定位组件包括定位台以及盖板，所述定位台沿着所述准直套筒2或所述缩束套筒4的内部设置，所述定位台以及所述盖板均为环状结构，且两者分别位于准直透镜3或缩束透镜5的不同侧。
45.值得说明的是，所述定位组件与准直透镜3或缩束透镜5接触处设有柔性缓冲垫，以避免定位组件与准直透镜3或缩束透镜5的硬接触，柔性缓冲垫可采用聚四氟乙烯等制成，最后经过紫外胶固化。
46.本技术方案进一步设置为，所述缩束套筒4的第二端设有安装孔，所述夹具6位于所述安装孔内。
47.值得说明的是，夹具6采用高稳定性、高强度、形变量小的不锈钢制成，其主要功能是实现传输光纤的注入端7高精度定位，并保持其不发生滑动、偏移或弯折，同时也具有中心限孔定光轴、两边限位定距离的功能。
48.本技术方案进一步设置为，所述传输光纤的注入端7外围设有保护套管，所述保护套管位于所述夹具6内。
49.值得说明的是，传输光纤的材质为低吸收损耗的氟化物、硫系或碲酸盐玻璃光纤，其注入端7有一定长度的保护套管(优选为不锈钢保护套管)进行保护，必要时可以通水或加风扇进行散热，以防止因为热积累导致注入端面的损伤。传输光纤的注入端7的纤芯中心严格与经过缩束透镜5的高功率中红外激光束腰中心和束腰位置匹配，通过测量传输效率进行精密调节，最后采取销钉、限位螺钉和紫外胶固化等方式进一步固化。
50.本技术方案进一步设置为，所述准直透镜3与所述中红外光源1的相对距离l1等于所述准直透镜3的有效焦距f1，所述准直透镜3与所述缩束透镜5的相对距离l2等于两者的有效焦距之和，所述缩束透镜5与所述传输光纤的注入端7的相对距离l3等于所述缩束透镜5的有效焦距f2。其中，缩束透镜5的有效焦距f2根据所需缩束倍数确定(f1/f2)，也即满足耦合至传输光纤的最大光斑确定。
51.本实施例中，中红外光源1采用中红外er:ysgg激光器，其性能指标为：波长为2.8μm，平均功率50w，光束质量m2＝20，出口光斑大小为1mm。准直透镜3的有效焦距为30mm，缩束透镜5的有效焦距为5mm，传输光纤的注入端7纤芯直径200μm。
52.值得说明的是，中红外光源1还可以选择其他类型的中红外固体激光器，例如掺cr、dy、fe等直接激射的高功率中红外激光器，或是基于非线性频率变换的中红外光参量振荡和放大器(如zgp、ppln、csp等非线性晶体)，或是中红外拉曼激光器，或是光纤激光器等。
53.光斑大小沿传播方向至传输光纤的注入端7的分布如图3所示，其中1
′
表示中红外光源窗口镜。传输光纤的注入端7的激光光斑半径为83μm，而其纤芯半径为100μm，满足注入耦合的条件，整个光路长度为70mm。
54.本实施例中，宽冗余度主要表现在以下方面：
55.1、传输光纤的注入端7的轴心允许有》
±
10μm的偏差，经夹具6和紫外胶固化后，具有很强的稳定性和可靠性。
56.2、传输光纤的注入端7的前后距离(即l3)允许有～0.5mm的偏差，即其与缩束透镜5的相对距离最大偏离0.5mm时，理论上高功率中红外激光仍能全部耦合进入传输光纤中，传输光纤的注入端7经夹具6和紫外胶固化后，缩束透镜5在缩束套筒4中也通过定位组件和
紫外胶固化后，可进一步提高其稳定性和可靠性。
57.3、准直透镜3和缩束透镜5之间的距离(即l2)，也是可插拔准直套筒2和缩束套筒4之间的距离，在20mm-45mm大范围变化时，传输光纤的注入端7的激光光斑半径变化仅为81μm-83μm，因此，具有很强的冗余度，这是由于高功率中红外激光经准直透镜3后，在缩束透镜5附近的光斑大小变化很小。也就是说，准直套筒2和缩束套筒4之间相对距离的不敏感性保证了两者之间的可重复插拔性。
58.4、准直透镜3和中红外光源1之间的距离(即l1)允许有》
±
2mm的偏差，准直透镜3在准直套筒2中通过定位组件安装，准直套筒2的内径与准直透镜3的直径相匹配，准直套筒2和中红外光源1安装固化，完全满足
±
2mm的允许误差的要求。
59.5、当中红外光源1的光束质量变化时(输出光斑大小按1mm设计)，根据准直透镜3和缩束透镜5之间的成像比例，传输光纤的注入端7的激光光斑半径仍为83μm左右。采用了30:5的六倍缩束，当输入光斑半径确定时，成像比例又为固定值，缩束后的光般大小仅受光束质量m2的影响。当m2＝10，传输光纤的注入端7的前后距离(即l3)允许偏差增加至1mm。当m2＝40，传输光纤的注入端7的前后距离(即l3)允许偏差减小至0.25mm。
60.上述各光学元件之间的相对距离允许存在偏差，该偏差均为机械加工和光学调试容易达到的精度，对高功率中红外激光光束质量的变化有很强的冗余度和适应性。因此，随着中红外光源功率的提升，光束质量的恶化，对高功率中红外激光的耦合效率的影响均在位置精度接收的范围内。
61.实施例二：
62.本实施例与实施例一相同的部分不再赘述，不同的是：
63.如图2所示，所述准直套筒2与所述缩束套筒4之间可拆卸的设有中间套筒9，所述中间套筒9内设有中间扩束或中间缩束透镜，以满足更小芯径或更大纤芯直径的传输光纤的耦合。
64.具体的，当中间套筒9内为中间扩束透镜时，可以耦合至更小芯径的传输光纤中。当中间套筒9内为中间缩束透镜时，可以耦合至更大芯径的传输光纤中，以达到耦合更高功率的目的(避免损伤)。
65.值得说明的是，准直套筒2、缩束套筒4与中间套筒9仍然采用可插拔的形式。此时，l1和l3的设定与实施例一相同，由于中间套筒9为近准直输出，l2
′
的距离并不敏感，l2
′
的距离是中间套筒9中右侧透镜的有效焦距与缩束透镜5的有效焦距之和。
66.实施例三：
67.本实施例与实施例一不同之处在于：
68.采用凹凸的透镜系统，而非双凸的透镜系统，以进一步缩小整个耦合光路的长度，如图4所示，准直透镜3采用凹透镜，其有效焦距为-15mm，缩束透镜采用凸透镜，其有效焦距为+10mm，传输光纤的注入端7的激光光斑半径为80μm，整个耦合光路长约57mm。
69.以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本技术范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。

技术特征：
1.一种可插拔、宽冗余度的中红外光纤耦合输出系统，其特征在于，包括：中红外光源，用于输出高功率中红外激光；准直套筒，其内部设有准直透镜；缩束套筒，其第一端与所述准直套筒可拆卸连接，其第二端连接有夹具，所述缩束套筒的内部设有缩束透镜；以及传输光纤，其注入端位于所述夹具内部，且传输光纤的注入端纤芯、夹具的中心、缩束套筒的轴心、准直套筒的轴心与所述高功率中红外激光的光轴重合。2.根据权利要求1所述的一种可插拔、宽冗余度的中红外光纤耦合输出系统，其特征在于，所述准直套筒的第一端与所述中红外光源固定连接，所述准直套筒的第二端以及所述缩束套筒的第一端均设有连接耳，所述连接耳上开设连接孔。3.根据权利要求2所述的一种可插拔、宽冗余度的中红外光纤耦合输出系统，其特征在于，所述准直套筒的第二端设有定位筒，所述缩束套筒的第一端套设于所述定位筒的外围。4.根据权利要求1所述的一种可插拔、宽冗余度的中红外光纤耦合输出系统，其特征在于，所述准直透镜以及所述缩束透镜均为平凸或双凸的非球面透镜，所述准直套筒以及所述缩束套筒的内部均设有定位组件，以固定所述准直透镜以及所述缩束透镜。5.根据权利要求4所述的一种可插拔、宽冗余度的中红外光纤耦合输出系统，其特征在于，所述定位组件包括定位台以及盖板，所述定位台沿着所述准直套筒或所述缩束套筒的内部设置，所述定位台以及所述盖板均为环状结构，且两者分别位于准直透镜或缩束透镜的不同侧。6.根据权利要求4或5所述的一种可插拔、宽冗余度的中红外光纤耦合输出系统，其特征在于，所述定位组件与准直透镜或缩束透镜接触处设有柔性缓冲垫。7.根据权利要求1所述的一种可插拔、宽冗余度的中红外光纤耦合输出系统，其特征在于，所述缩束套筒的第二端设有安装孔，所述夹具位于所述安装孔内。8.根据权利要求1或7所述的一种可插拔、宽冗余度的中红外光纤耦合输出系统，其特征在于，所述传输光纤的注入端外围设有保护套管，所述保护套管位于所述夹具内。9.根据权利要求1所述的一种可插拔、宽冗余度的中红外光纤耦合输出系统，其特征在于，所述准直透镜与所述中红外光源的相对距离等于所述准直透镜的有效焦距，所述准直透镜与所述缩束透镜的相对距离等于两者的有效焦距之和，所述缩束透镜与所述传输光纤的注入端的相对距离等于所述缩束透镜的有效焦距。10.根据权利要求1所述的一种可插拔、宽冗余度的中红外光纤耦合输出系统，其特征在于，所述准直套筒与所述缩束套筒之间可拆卸的设有中间套筒，所述中间套筒内设有中间扩束或中间缩束透镜。

技术总结
本发明涉及一种可插拔、宽冗余度的中红外光纤耦合输出系统，属于激光耦合系统技术领域，包括中红外光源、准直套筒、缩束套筒以及传输光纤，中红外光源用于输出高功率中红外激光，准直套筒内部设有准直透镜，缩束套筒的第一端与所述准直套筒可拆卸连接，其第二端连接有夹具，所述缩束套筒的内部设有缩束透镜，传输光纤的注入端位于所述夹具内部，且传输光纤的注入端纤芯、夹具的中心、缩束套筒的轴心、准直套筒的轴心与所述高功率中红外激光的光轴重合，本发明中准直透镜和缩束透镜通过套筒方式进行光轴的精确对准，两个透镜之间相对位置精密固定，实现了可插拔和可卸载，便于运输、安装、使用和维护，可以减小维修和更换成本。可以减小维修和更换成本。可以减小维修和更换成本。


技术研发人员：魏星斌 叶先林 王卫民 任怀瑾 邬映臣 张淞 刘政邑 李密 尚建立
受保护的技术使用者：中国工程物理研究院应用电子学研究所
技术研发日：2023.04.26
技术公布日：2023/7/25