CN112234415B - 一种具有拉曼散射频移辅助透镜精密调节的光闸耦合装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有拉曼散射频移辅助透镜精密调节的光闸耦合装置，使用微型光谱仪探测散射光拉曼频移现象对三万瓦级光闸进行耦合调节反馈，使用水循环冷却环形光阱控制光闸输出光纤端面附近温度，使用精密传动结构减小调节时耦合透镜的位移量从而降低调节误差过大引起的激光外泄风险。装置包括法兰、耦合发生结构、透镜位移结构、封装板、光纤卡口。依次连接光纤卡口、法兰、耦合发生结构、透镜位移结构和封装板。微型光谱仪置于耦合发生结构中，探测耦合误差引起的包层散射光波长变化进行耦合调节反馈。本发明用于三万瓦级光纤激光光闸中，具有精密耦合、实时监测以及温度控制的功能，保证光闸在三万瓦激光功率下的高耦合效率与使用安全。

Description

一种具有拉曼散射频移辅助透镜精密调节的光闸耦合装置

技术领域

本发明属于高功率光纤激光装备领域，特别是一种具有拉曼散射频移辅助透镜精密调节的光闸耦合装置。

背景技术

光纤激光器主要由泵浦源，耦合器，掺稀土元素光纤，谐振腔等部件构成，其具有光束质量好、转化效率高、散热性能好、结构紧凑和可靠性高等优点；光纤激光器所具有的优点使其在光纤通信、传感技术、医学生物和工业加工领域有着广泛的应用。在实际使用中，一台光纤激光器可能会作为多台设备的共用光源，在不同的时间段内分别供不同的设备使用。因此诞生出光纤激光光闸器件，它通过切换内部光路将激光耦合到不同的输出光纤中传输，可使一台光纤激光器拥有多个输出端。

光闸在应用中所需承载的激光功率可达到三万瓦量级，尽管光闸内的光学镜片采用低吸收率的基底材料、镀有增透膜/高反膜以及进行冷却处理，光学镜片仍会吸收部分激光能量导致其温度升高。镜片温度升高后会发生热形变，引起***中激光光束的变化，会导致光闸中耦合透镜会聚后的光斑发生轴向离焦或径向偏移，一旦偏移量过大，会聚后的光斑无法完全耦合进输出光纤的纤芯中传输，这时会有大量激光从纤芯中泄漏出来，泄漏的激光能够瞬间烧毁输出光纤甚至是整个光闸器件，这无疑给光闸的使用带来了巨大的安全隐患。因此在使用光闸时，不仅仅需要实现低功率下的高效耦合，在高达三万瓦的情况下仍需对耦合透镜进行精密调节，使光束依然能够完全耦合进输出光纤的纤芯中，保证光闸的耦合效率。在调节耦合透镜的过程中，微分头每旋转一圈，耦合透镜会移动500微米，当微分头仅旋转十分之一圈时耦合透镜就会移动50微米，对于一万瓦激光功率的光闸而言，当其输出光纤的纤芯直径为200微米时，会聚光束偏移50微米则会有上千瓦的激光无法耦合进纤芯中传输，而在旋转微分头调节耦合透镜的过程中，会特别容易因为操作误差、机械误差导致会聚光束偏出输出光纤的纤芯，此时大量激光泄漏，会瞬间烧毁光纤并毁坏光闸。因此，特别需要一个能在三万瓦激光运行时依然能够进行耦合透镜精密调节的光闸耦合装置，同时该光闸耦合装置需要实时监控输出光纤处的激光耦合状态，防止大量激光泄漏带来的安全隐患。此外，由于在高功率激光运行时，被污染的光学元件会出现膜层损伤甚至炸裂的现象，所以光闸在使用的过程中是一个封闭的器件，其内部空间需要与外界隔绝，防止外界中灰尘、颗粒等杂质污染光闸内部元件。基于以上情况，本发明提供了一种解决方案，能够在高功率激光运行时使用微型光谱仪探测散射光的拉曼频移，根据光闸输出光纤的拉曼频移量进行耦合透镜精密调节，解决由于调节误差过大引起的激光安全问题，同时能够实时监测光闸的激光耦合状态及耦合装置温度，并实现耦合装置的密封。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有拉曼散射频移辅助透镜精密调节的光闸耦合装置实现光闸的安全、精密耦合，降低调节误差，提高光闸使用时的安全性。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种具有拉曼散射频移辅助透镜精密调节的光闸耦合装置，使用微型光谱仪探测散射光拉曼频移现象进行耦合调节反馈，使用水循环冷却环形光阱控制光闸输出光纤端面附近温度，使用精密传动结构减小调节时耦合透镜的位移量从而降低调节误差过大引起的激光外泄风险。

所述具有拉曼散射频移辅助透镜精密调节的光闸耦合装置包括法兰、耦合发生结构、透镜位移结构、封装板、光纤卡口。共光轴依次连接光纤卡口、法兰、耦合发生结构、透镜位移结构、封装板，光闸的输出光纤通过光纤卡口锁紧，输出光纤的端面位于耦合发生结构中。耦合透镜位于透镜位移结构中，激光经耦合透镜会聚，在耦合发生结构中完成空间—光纤耦合。微型光谱仪置于耦合发生结构中，其装有探测光纤，探测光纤的一端指向耦合仓的圆柱形通孔，并靠近光闸输出光纤的端面，用于接收光闸输出光纤的散射光。光闸输出光纤的包层上制有拉曼散射面，在进行激光耦合时，如果耦合误差过大，会导致激光偏离纤芯进入包层中并入射到拉曼散射面上，经过拉曼散射面的散射光波长会发生变化，即发生散射光拉曼频移，此时微型光谱仪可以探测到散射光拉曼频移的现象。根据微型光谱仪探测的散射光拉曼频移进行耦合调节反馈，旋转第一微分头、第二微分头和第三微分头调节耦合透镜的空间位置，当微型光谱仪探测到的散射光不发生拉曼频移时，激光完全耦合到光闸输出光纤纤芯里。

本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)通过精密传动结构，有效降低光闸耦合调节时耦合透镜的位移量，提高激光耦合的安全性。

(2)传统的高功率激光功率计响应时间长、示数有一定波动，利用探测光纤和微型光谱仪分析耦合发生结构内散射光拉曼频移作为耦合调节时的反馈，能够快速准确地检测到调节时耦合状态的轻微变化。

(3)使用微型光谱仪探测散射光拉曼频移可以实时监测光闸内部激光耦合状态的变化，监测时不影响光闸工作，并且保证光闸的使用安全。

(4)使用水循环冷却环形光阱控制光闸输出光纤端面附近温度。

附图说明

图1为本发明具有拉曼散射频移辅助透镜精密调节的光闸耦合装置的示意图。

图2为本发明光闸耦合装置各部件分离的示意图。

图3为本发明耦合发生结构的示意图。

图4为本发明精密传动结构的示意图。

图5为本发明透镜位移结构的示意图。

图6为本发明光闸耦合装置用于光闸装置中的示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合图1、图2与图3，本发明为一种具有拉曼散射频移辅助透镜精密调节的光闸耦合装置，包括法兰1、耦合发生结构2、透镜位移结构3、封装板4、光纤卡口5；用螺丝共光轴依次连接法兰1、耦合发生结构2、透镜位移结构3、封装板4和光纤卡口5，法兰1呈圆柱状，用于连接光纤卡口5和耦合发生结构2，光闸的输出光纤通过光纤卡口5锁紧，输出光纤的端面位于耦合发生结构2中。

结合图3，耦合发生结构2包括耦合仓21、第一微分头22、横向楔柱23、纵向传动柱24、微型光谱仪25、探测光纤26、温度探测器27、盖板28、水循环冷却环形光阱29；耦合仓21顶面设置一个凹槽，微型光谱仪25、探测光纤 26和温度探测器27设置于凹槽中；盖板28用来封装该凹槽；耦合仓21呈方块状，中心设有圆柱形通孔用于放置光闸的输出光纤以及进行激光耦合；耦合仓 21圆柱形通孔与底面之间设置二阶横向槽孔，横向槽孔方向与圆柱形通孔方向垂直；耦合仓21在后端面圆柱形通孔下方设置纵向柱孔，纵向柱孔与横向槽孔垂直且相交；第一微分头22的旋转调节端设置在耦合仓21下方一侧，第一微分头22的末端伸入横向槽孔中；横向楔柱23的一端为平面，另一端为楔面，横向楔柱23置于耦合仓21的横向槽孔的第一阶中，横向楔柱23的平面与第一微分头22末端接触，旋转第一微分头22的旋转调节端能够推动横向楔柱23沿着横向槽孔移动；纵向传动柱24的一端为圆柱，另一端安装有滚珠，纵向传动柱24 置于耦合仓21的纵向柱孔中，纵向传动柱24上的滚珠与横向楔柱23的楔面相切接触，横向楔柱23沿着横向槽孔平移时能够推动纵向传动柱24沿着纵向柱孔平移。

结合图2和图3，在耦合仓21内的通孔周围，设置水循环冷却环形光阱29，消除端帽附近杂散光对耦合发生结构2的影响，降低耦合发生结构2的整体温度。

光闸工作时，激光功率可高达三万瓦，尽管低功率时光闸内部光学***已经调节好，但是随着光闸功率的不断增加，光学镜片吸收的激光能量逐渐增多，镜片的温度不断升高从而发生热形变，这会引起激光光束的变化，特别是会导致光闸中耦合透镜会聚后的光斑发生轴向偏移或径向偏移，一旦偏移量过大，会聚后的光斑无法完全耦合进光闸输出光纤的纤芯中传输，这时会有大量激光从纤芯中泄漏出来，泄漏的激光能够瞬间烧毁输出光纤甚至是整个光闸器件，这无疑给光闸的使用带来了巨大的安全隐患。在使用光闸时，需要在高达万瓦甚至是三万瓦的情况下对耦合透镜进行精密调节，使光束依然能够完全耦合进输出光纤的纤芯中，保证光闸的耦合效率。在调节耦合透镜的过程中，由于光闸的输出光纤只有数百微米，这就要求调节时耦合透镜的位移量只有数十微米，而在旋转微分头时十分容易超出这个位移量。

因此，结合图4，第一微分头22、横向楔柱23、纵向传动柱24组成的精密传动结构，能够降低旋转第一微分头22时耦合透镜37的位移量，有效解决调节时因耦合透镜37位移量过大引起的激光泄漏隐患；纵向传动柱24的平面端与透镜位移结构3接触，通过旋转第一微分头22推动横向楔柱23横向移动，进而横向楔柱23推动纵向传动柱24轴向移动，进而纵向传动柱24推动透镜位移结构 3轴向移动；当横向楔柱23的楔角为α时，精密传动结构的传动倍率因子为tanα，即第一微分头22旋转推进距离为d时，透镜位移结构3沿轴向移动距离为d·tanα，由此缩小了调节时耦合透镜37的位移量，有效降低调节时因耦合透镜37位移量过大引起的激光安全事故。

结合图5，透镜位移结构3包括位移仓31、镜筒32、第二微分头33、第三微分头34、压缩活塞结构35、拉伸活塞结构36、耦合透镜37；位移仓31呈方块状，中心设有异形通孔用于安装镜筒32，该异形通孔是在菱形通孔基础上，将其四角扩为与位移仓31四边平行的通槽；耦合透镜37安装在镜筒32中；位移仓31内部四角设置深槽，两个压缩活塞结构35分别放置于位移仓31底角两个深槽内，两个拉伸活塞结构36分别放置于位移仓31顶角两个深槽内；第二微分头33和第三微分头34结构相同，分别安装在位移仓31顶部两角，并且微分头末端与拉伸活塞结构36接触；镜筒32与压缩活塞结构35和拉伸活塞结构36 接触，通过旋转第二微分头33和第三微分头34可以推动拉伸活塞结构36移动，同时，压缩活塞结构35也相应的产生移动，拉伸活塞结构36与压缩活塞结构 35共同推动着镜筒32进行二维移动，从而实现耦合透镜37的二维调节。

封装板4连接透镜位移结构3与光闸外壳，将光闸耦合装置的内部空间与外界隔离，防止外界污染进入耦合装置与光闸内部。

对光闸进行耦合调节时，传统方法通常使用功率计探测光闸输出光纤的输出功率，然后与输入激光的功率进行比较，然而高功率激光功率计通常体积较大，使用不变，并且在探测功率时具有一定的波动性，无法准确探测出耦合状态的轻微变化。因此，结合图3和图4，采用微型光谱仪配合探测光纤对耦合透镜37 进行辅助调节。探测光纤26的一端指向耦合仓21的圆柱形通孔，并靠近光闸输出光纤的端面，另一端与安装在耦合仓21凹槽中微型光谱仪25连接；输出光纤包层上制有拉曼散射面，当光偏离纤芯进入包层中时，会入射到拉曼散射面上，散射光频率会发生变化。根据微型光谱仪25测得的散射光拉曼频移量，旋转第一微分头22、透镜位移结构3的微分头调节耦合透镜37的空间位置，当散射光中无拉曼散射导致光谱频移时，则表示激光完全耦合进光闸输出光纤的纤芯中，此时耦合透镜37调节至最佳位置。

在光闸耦合装置内进行空间—光纤耦合时，会聚光斑处的激光功率密度非常高，这部分也是整个光闸装置中最危险的部位。一方面，耦合装置内的杂散光照射到机械结构上会导致耦合装置温度升高，耦合装置受热膨胀并产生热应力，当耦合装置的温度升高到一定程度时，耦合装置的膨胀量与热应力过大，会严重影响耦合装置的性能。另一方面，光学***通常是敏感的，易受环境影响，当会聚光斑偏离几十微米时，就会离开光闸输出光纤的纤芯，导致大量激光泄漏，极易烧毁光纤和光闸内部器件。因此，结合图3，采用微型光谱仪25、探测光纤26 和温度传感器27能够提高光闸在三万瓦级激光功率下工作的安全性；激光在耦合仓21中完成空间—光纤耦合，温度传感器27与耦合仓21紧密接触，实时监测耦合仓21的温度，当温度高于温度传感器27的阈值时，表明耦合仓21温度过高，此时温度传感器27内部电路自动断开，激光关闭；光闸内部的光学***易受环境影响，因此光闸在使用的过程中，激光可能会偏离光闸输出光纤的纤芯进入光纤包层中，此时探测光纤26会探测到散射光产生的拉曼频移，当拉曼频移量高于光闸设定的安全阈值时，表明泄漏的激光较多，需要关闭激光，检查光闸器件并重新耦合。

结合图5，镜筒32中装有耦合透镜37，耦合透镜37表面镀有抗高功率激光损伤的薄膜，能够长时间承载功率高达三万瓦的近红外连续激光。当激光功率高于三千瓦时，镜筒32进行水循环冷却，控制耦合透镜37的热效应。

结合图6，利用所有具有拉曼散射频移辅助透镜精密调节的光闸耦合装置的光闸，包括光闸壳体6、准直装置7、收光装置9、第一输出通道、第二输出通道。第一输出通道与第二输出通道结构相同，通道内包括光路切换装置8与光闸耦合装置10，光闸耦合装置10即为本发明具有拉曼散射频移辅助透镜精密调节的光闸耦合装置。光路切换装置8设置在光闸壳体6内，准直装置7、收光装置 9和光闸耦合装置10设置在光闸壳体6外侧壁上。沿光轴依次设置准直装置7、第一输出通道、第二输出通道、收光装置9。准直装置7将激光器光纤输出的发散光准直成平行光，当需要激光从第一输出通道中输出时，第二输出通道中光路切换装置8的反射镜撤出光路，第一输出通道中光路切换装置8的反射镜进入光路，将平行光折转90°，折转后的激光进入第一输出通道中的光闸耦合装置10 中进行耦合；当需要激光从第二输出通道中输出时，第一输出通道中光路切换装置8的反射镜撤出光路，第二输出通道中光路切换装置8的反射镜进入光路，将平行光折转90°，折转后的激光进入第二输出通道中的光闸耦合装置10中进行耦合。这样就实现了光闸的分通道输出功能。收光装置9吸收处理透过反射镜的残余激光。

Claims (7)

1.一种具有拉曼散射频移辅助透镜精密调节的光闸耦合装置，其特征在于：包括法兰（1）、耦合发生结构（2）、透镜位移结构（3）、封装板（4）、光纤卡口（5）；共光轴依次连接光纤卡口（5）、法兰（1）、耦合发生结构（2）、透镜位移结构（3）和封装板（4），光闸的输出光纤通过光纤卡口（5）锁紧，输出光纤的端面位于耦合发生结构（2）中；

所述耦合发生结构（2）包括耦合仓（21）、第一微分头（22）、横向楔柱（23）、纵向传动柱（24）、微型光谱仪（25）、探测光纤（26）、温度探测器（27）、盖板（28）；

耦合仓（21）顶面设置一个凹槽，微型光谱仪（25）、探测光纤（26）和温度探测器（27）设置于凹槽中；盖板（28）用来封装该凹槽；

耦合仓（21）呈方块状，中心设有圆柱形通孔用于放置光闸的输出光纤以及进行激光耦合；耦合仓（21）圆柱形通孔与底面之间设置二阶横向槽孔，横向槽孔方向与圆柱形通孔方向垂直；耦合仓（21）在后端面圆柱形通孔下方设置纵向柱孔，纵向柱孔与横向槽孔垂直且相交；

第一微分头（22）的旋转调节端设置在耦合仓（21）下方一侧，第一微分头（22）的末端伸入横向槽孔中；横向楔柱（23）的一端为平面，另一端为楔面，横向楔柱（23）置于耦合仓（21）的横向槽孔的第一阶中，横向楔柱（23）的平面与第一微分头（22）末端接触，旋转第一微分头（22）的旋转调节端能够推动横向楔柱（23）沿着横向槽孔移动；纵向传动柱（24）的一端为圆柱，另一端安装有滚珠，纵向传动柱（24）置于耦合仓（21）的纵向柱孔中，纵向传动柱（24）上的滚珠与横向楔柱（23）的楔面相切接触，横向楔柱（23）沿着横向槽孔平移时能够推动纵向传动柱（24）沿着纵向柱孔平移。

2.根据权利要求1所述的具有拉曼散射频移辅助透镜精密调节的光闸耦合装置，其特征在于：所述耦合发生结构（2）还包括水循环冷却环形光阱（29），水循环冷却环形光阱（29）位于耦合仓（21）内的通孔周围设置，水流在圆柱型通孔中循环流动。

3.根据权利要求1所述的具有拉曼散射频移辅助透镜精密调节的光闸耦合装置，其特征在于：所述微型光谱仪（25）、探测光纤（26）和温度探测器（27）能够提高光闸在三万瓦级激光功率下工作的安全性；激光在耦合仓（21）中完成空间—光纤耦合，温度探测器（27）与耦合仓（21）紧密接触，实时监测耦合仓（21）的温度，当耦合仓（21）温度高于光闸设定的阈值时，此时光闸报警，激光关闭；微型光谱仪（25）置于耦合仓（21）中，微型光谱仪（25）上设有探测光纤（26），探测光纤（26）的一端指向耦合仓（21）的圆柱形通孔，并靠近光闸输出光纤的端面；光闸输出光纤的包层上制有拉曼散射面，在进行激光耦合时，如果耦合误差过大，会发生散射光拉曼频移，此时微型光谱仪（25）探测到散射光拉曼频移的现象，表示需要重新耦合。

4.根据权利要求1所述的具有拉曼散射频移辅助透镜精密调节的光闸耦合装置，其特征在于：所述第一微分头（22）、横向楔柱（23）、纵向传动柱（24）组成的精密传动结构（30），能够降低旋转第一微分头（22）时耦合透镜（37）的位移量；纵向传动柱（24）的平面端与透镜位移结构（3）接触，通过旋转第一微分头（22）推动横向楔柱（23）横向移动，进而横向楔柱（23）推动纵向传动柱（24）轴向移动，进而纵向传动柱（24）推动透镜位移结构（3）轴向移动；当横向楔柱（23）的楔角为α时，精密传动结构的传动倍率因子为

，即第一微分头（22）旋转推进距离为d时，透镜位移结构（3）沿轴向移动距离为

，由此缩小了调节时耦合透镜（37）的位移量。

5.根据权利要求1或4所述的具有拉曼散射频移辅助透镜精密调节的光闸耦合装置，其特征在于：所述透镜位移结构（3）包括位移仓（31）、镜筒（32）、第二微分头（33）、第三微分头（34）、压缩活塞结构（35）、拉伸活塞结构（36）、耦合透镜（37）；位移仓（31）呈方块状，中心设有异形通孔用于安装镜筒（32），该异形通孔是在菱形通孔基础上，将其四角扩为与位移仓（31）四边平行的通槽；位移仓（31）内部四角设置深槽，两个压缩活塞结构（35）分别放置于位移仓（31）底角两个深槽内，两个拉伸活塞结构（36）分别放置于位移仓（31）顶角两个深槽内；第二微分头（33）和第三微分头（34）结构相同，分别设置在位移仓（31）顶部两角，且微分头末端与拉伸活塞结构（36）接触，通过旋转微分头来推动拉伸活塞结构（36）在深槽里移动；耦合透镜（37）设置在镜筒（32）中，镜筒（32）与压缩活塞结构（35）和拉伸活塞结构（36）接触，通过旋转第二微分头（33）和第三微分头（34）移动耦合镜筒（32）。

6.根据权利要求5所述的具有拉曼散射频移辅助透镜精密调节的光闸耦合装置，其特征在于：所述的耦合透镜（37），表面镀有抗高功率激光损伤的薄膜，能够长时间承载功率高达三万瓦的近红外连续激光；对耦合透镜（37）所在的镜筒（32）进行水循环冷却，控制耦合透镜（37）的热效应。

7.根据权利要求1所述的具有拉曼散射频移辅助透镜精密调节的光闸耦合装置，其特征在于：封装板（4）连接透镜位移结构（3）与光闸外壳，将光闸耦合装置的内部空间与外界隔离，防止外界污染进入光闸 耦合装置与光闸内部。

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