CN112652937B - 抗回返光的激光器 - Google Patents

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Abstract

一种抗回返光的激光器，包括激光输出模块，该激光输出模块输出的激光通过输出光纤的纤芯传输，该输出光纤中一段剥掉涂覆层，且第二包层表面经过毛化处理，该段输出光纤作为第一光纤毛化区，用于滤除光纤中的包层光，该输出光纤的末端与输出光缆的输出光缆光纤熔接，该输出光缆光纤末端与所述的石英柱熔接，该输出光缆光纤中一段剥掉涂覆层，且第三包层表面经过毛化处理，该段输出光缆光纤作为第二光纤毛化区，用于滤除光纤中的包层光，所述的输出光纤为双包层光纤，所述的输出光缆光纤为三包层光纤。本发明可以大大降低回返光对激光器带来的安全风险，提高激光器的工作寿命。

Description

抗回返光的激光器
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，特别是一种抗回返光的激光器。
背景技术
激光器在工业加工中，根据作业材料的不同，或多或少都会有激光经过材料表面反射进入激光器的输出光缆，造成器件甚至整机的失效。国内激光器现有技术是通过在输出光缆靠近输出端的位置做包层光纤滤除，但由于输出光缆的水冷作用有限，在回返光功率不大的情况下，能够满足滤除回返光的效果。但加工对象为厚的高反射材料时，由于激光器需要高功率作业，这种情况下回返光的功率会很大，若仍采用原有的滤除工艺，输出光缆本身的水冷将无法满足降温，输出头内部的机械件将会处于持续温升，最终会导致光纤涂覆层烧毁，引发输出光缆失效。
公告号CN211629511U的发明专利提供了一种防止激光器回返光的结构，包括：激光器尾纤包括：尾纤纤芯以及包裹尾纤纤芯的尾纤包层；抗回返光纤包括：与尾纤纤芯连通的光纤纤芯，且光纤纤芯的直径大于尾纤纤芯的直径设定比例，光纤纤芯与尾纤包层的内部连通，光纤纤芯包裹有光纤包层；尾纤包层靠近光纤包层的一侧设有设定长度且用于泄露回返光的毛化处理段。虽然，在激光器的回返光沿着抗回返光纤至激光器的尾纤反向传输时，光纤纤芯的大部分光会耦合进入尾纤包层，进而通过尾纤包层的毛化处理段泄露出去，无法继续反向传输进入激光器内部，可以有效防止回返光进入激光器内部，但往往回返光还没进入激光器，在输出光缆中回传时就造成其失效，无法彻底解决回返光对整台激光设备危害问题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种抗回返光的激光器，该激光器通过将绝大部分进入传输光缆光纤的返回光安全回传到输出光纤进行滤除，极大降低了缓解了输出光缆对回返光的滤除压力，保证了输出光缆的安全工作。同时，在实际生产中，将包层滤除模块和激光输出模块都安装在激光器的机箱内，可以根据需求设计大体积水冷壳体来提供高强水冷，从而实现全部回返光的安全、有效滤除。
本发明的技术解决方案如下：
一种抗回返光的激光器，其特点在于，包括激光输出模块，该激光输出模块输出的激光通过输出光纤的纤芯传输，该输出光纤中一段剥掉涂覆层，且第二包层表面经过毛化处理，该段输出光纤作为第一光纤毛化区，用于滤除光纤中的包层光，该输出光纤的末端与输出光缆的输出光缆光纤熔接，该输出光缆光纤末端与所述的石英柱熔接，该输出光缆光纤中一段剥掉涂覆层，且第三包层表面经过毛化处理，该段输出光缆光纤作为第二光纤毛化区，用于滤除光纤中的包层光，所述的输出光纤为双包层光纤，所述的输出光缆光纤为三包层光纤。
所述的输出光缆光纤纤芯的直径和数值孔径、第三包层的直径分别与输出光纤纤芯的直径和数值孔径、第二包层的直径相同，输出光缆光纤的第三包层的数值孔径小于输出光纤第二包层的数值孔径。
所述的第一光纤毛化区外用水冷壳体封装，该水冷壳体上设有用于与水冷机连通的进水孔和出水孔。
所述的输出光缆的一端连接输出头主体件，该输出头主体件由内芯和套设在该内芯外的壳体构成，该内芯与壳体之间形成密闭空间，该内芯外端内设有供石英柱放置的石英柱凹槽和供反射镜放置的反射镜凹槽，所述的输出光缆光纤从该内芯中穿过，经所述的反射镜的中心孔与所述的石英柱熔接，所述的第二光纤毛化区位于所述的反射镜与石英柱之间。
所述的反射镜朝向所述的石英柱的一面镀有反射膜，阻隔通过石英柱进入内芯的回返光，将这部分回返光反射回去，另一面依次设置所述的石英垫片、弹簧和光纤固定件，所述的输出光缆光纤依次穿过所述的光纤固定件、弹簧和所述的石英垫片的中心孔后到达所述的反射镜。所述的内芯内端通过螺丝与所述的光纤固定件锁紧。所述的内芯具有良好导热性能。
所述的输出头主体件的壳体上设有分别与水冷机的进水口、出水口连通的通孔。
进一步，还包括套设在所述的输出光缆光纤外的光缆保护管，用于保护输出光缆光纤。所述的输出主体件与所述的输出光缆的连接处设有外套管，该外套管通过输出头连接件与光缆保护管的一端连接，该光缆保护管的另一端通过所述的铠甲固定件安装在激光器的机箱上。
优选的，所述的输出光缆光纤的第三包层为石英掺氟包层。
本发明的技术效果如下：
(1)回返光进入输出光缆后，进入光纤的主要在第二包层中回传，而极少量进入第三包层的会在石英柱后方的第二光纤毛化区出射，被输出头内部的内芯吸收；没有进入光纤的回返光会在内芯中空间传输，内芯中有反射镜片防止返回光一直向后传输，最终这部分光也会全部被内芯吸收。通过减小光纤包层的滤除功率，可以有效减小内芯的光吸收功率，使水冷能够满足稳温作用。
(2)虽然大部分的回返光在输出光缆光纤的第二包层回传，但由于第二包层外有一层薄的掺氟包层，不会对光纤的涂覆层产生热聚集，避免光纤烧毁。
(3)输出光缆光纤第二包层中回传的回返光能够全部进入输出光纤的第二包层中，在第一光纤毛化区出射，被水冷壳体吸收，此处的水冷壳体的体积可以根据需求设计，因此完全能够实现水冷效果。
(4)本发明可以大大降低回返光对激光器带来的安全风险，提高激光器的工作寿命。
附图说明
图1为本发明抗回返光的激光器的结构示意图；
图2为光纤横截面图，左侧为输出光纤横截面图，右侧为输出光缆光纤横截面图；
图3为第一光纤毛化区的结构示意图；
图4为第二光纤毛化区的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图1，图1为本发明抗回返光的激光器的结构示意图，由图可见，本发明抗回返光的激光器，包括激光输出模块1、包层滤除模块2和输出光缆3，所述的激光输出模块1包含输出光纤1.1，所述的包层滤除模块2包含水冷壳体2.1、第一光纤毛化区2.2，所述的输出光缆3包含输出头主体件3.1、内芯3.2、石英柱3.3、输出光缆光纤3.4、第二光纤毛化区3.5、反射镜片3.6、石英垫片3.7、弹簧3.8、光纤固定件3.9、外套管3.10、输出头连接件3.11、光缆保护管3.12和铠甲固定件3.13。
所述的输出光纤1.1为双包层光纤(如图2左侧所示)，在该输出光纤1.1的末段是所述的包层滤除模块2，这段光纤剥掉涂覆层，并在该光纤的第二包层表面进行毛化处理形成所述的第一光纤毛化区2.2(如图3所示)，该区域用所述的水冷壳体2.1封装，该水冷壳体2.1上的进水孔、出水孔与水冷机(图中未示)连通。
所述的输出光缆3的输入端为所述的输出光缆光纤3.4的裸纤，直接与所述的输出光纤1.1熔接，所述的输出光缆3的输出端是与输出光缆光纤3.4熔接的所述的石英柱3.3，所述的输出光缆光纤3.4外套设所述的光缆保护管3.12，所述的输出光缆光纤3.4为三包层光纤，该光纤纤芯的直径和数值孔径、第三包层的直径分别与所述的输出光纤1.1的纤芯的直径和数值孔径、第二包层的直径相同，所述的输出光缆光纤3.4的第三包层的数值孔径小于所述的输出光纤1.1的第二包层的数值孔径，与所述的石英柱3.3相连的一段输出光缆光纤3.4剥掉涂覆层，并在该光纤的第三包层表面进行毛化处理形成第二光纤毛化区3.5(如图4所示)，在所述的石英柱3.3、第二光纤毛化区3.5及向后的一段距离的输出光缆光纤3.4外加所述的内芯3.2和输出头主体件3.1，这两者前后接触处通过密封圈、胶水等形成密闭空间，所述的输出头主体件3.1上有两个孔分别与水冷机的进水口、出水口连通，所述的内芯3.2的一端有放置所述的石英柱3.3的槽，所述的内芯3.2的内部在所述的第二光纤毛化区3.5后面有放置所述的反射镜片3.6的限位槽，所述的反射镜片3.6朝向所述的石英柱3.3的一面镀有反射膜，在所述的反射镜片3.6的另一面依次放置所述的石英垫片3.7和弹簧3.8，在所述的内芯3.2的另一端用所述的光纤固定件3.9通过螺丝锁紧，通过挤压所述的弹簧3.8使所述的反射镜片3.6固定，所述的输出主体件3.1的末端与所述的外套管3.10的一端通过螺纹连接，所述的外套管3.10的另一端通过所述的输出头连接件3.11与所述的光缆保护管3.12的一端连接，该光缆保护管3.12的另一端通过所述的铠甲固定件3.13安装在机箱(图中未示)内壁上。
本发明装置中各主要部件的作用：
激光输出模块1：能够输出激光。
输出光纤1.1：为双包层光纤，激光输出模块1的激光在光纤的纤芯中传输，与输出光缆光纤3.4熔接
包层滤除模块2：滤除光纤中的包层光。
水冷壳体2.1：固定于激光器内，壳体上有进、出水口可以与外部水冷机连通，激光器输出光纤穿过水冷壳体。
第一光纤毛化区2.2：为水冷壳体2.1内的那段激光器输出光纤1.1，这段光纤剥掉涂覆层，光纤第二包层表面进过毛化处理，能够滤除该包层中的传输光。
输出光缆3：为激光传输器件，一端为输出头结构，与使用端适配，另一端为外露光纤，与激光器内部的输出光纤1.1熔接；
输出头主体件3.1：为输出头的外部机械件，外形规格、尺寸要与使用端的适配器适配，主体件上有两个孔可以分别与水冷机的进、出水管连通。
内芯3.2：为输出头主体件3.1内部的机械件，具有良好导热性能，内芯3.2与输出头主体件3.1两端接触的地方通过密封圈和胶水形成密闭空间，输出光缆光纤3.4从内芯3.2穿过，内芯3.2的外端有放置石英柱3.3的槽。
石英柱3.3：为输出光缆3的输出端，放置于内芯3.2的石英柱槽内，与输出光缆光纤3.4的一端熔接。
输出光缆光纤3.4：为三包层光纤，一端与激光器输出光纤1.1熔接，另一端与石英柱3.3熔接，激光器输出光纤1.1纤芯中传输的激光进入到输出光缆光纤3.4的纤芯中传输。
第二光纤毛化区3.5：输出光缆光纤3.4与石英柱3.3的熔接点后的一段光纤剥掉涂覆层，第二光纤毛化区3.5在这段光纤内，光纤第三包层光纤表面进过毛化处理，能够滤除该包层中的传输光。
反射镜片3.6：中心有孔仅能输出光缆光纤3.4穿过，处于第二光纤毛化区远离石英柱3.3那端向后的剥离涂覆层位置，朝向石英柱3.3的那面有反射膜，阻隔通过石英柱3.3进入内芯3.2的回返光，将这部分回返光反射回去。
石英垫片3.7：为通孔结构，输出光缆光纤3.4可以穿过，放置于反射镜片3.6之后，作为反射镜片的垫片。
弹簧3.8：放置于石英垫片3.7之后，光纤穿过，作为中间的软固定介质。
光纤固定件3.9：中间有通孔，光纤可以穿过，放置于弹簧3.8之后，与内芯3.2末端通过螺纹连接，通过挤压弹簧3.8，将石英垫片3.7和反射镜片3.6固定，同时通过点胶固定光纤。
外套管3.10：一端与输出头主体件3.1末端进行螺纹连接，另一端与输出头连接件3.11进行螺纹连接，保护光纤固定件3.9向后到保护层之间的光纤。
输出头连接件3.11：格兰头结构连接外套管3.10和光缆保护管3.12。
光缆保护管3.12：保护光纤。
铠甲固定件3.13：将光缆保护管3.12末端固定在激光器的机箱(图中未示)上。
本发明的工作原理如下：
输出光纤1.1和输出光缆光纤3.4的横截面如图2所示，左图为输出光纤横截面图，右图为输出光缆光纤横截面图，输出光缆光纤3.4纤芯的直径和数值孔径、第三包层的直径分别与输出光纤1.1纤芯的直径和数值孔径、第二包层的直径相同，输出光缆光纤3.4的第三包层的数值孔径小于输出光纤第二包层的数值孔径。激光输出模块1输出激光时，在输出光纤1.1的纤芯传输，可以无损进入输出光缆光纤3.4的纤芯；输出光缆光纤3.4的第二包层中回传的回返光，可以无损进入输出光纤1.1的第二包层。
当激光器通过输出光缆3作用于高反射材料，输出光缆3出射的激光会有大量的激光会经高反射材料反射，回返光会通过石英柱3.3再次进入输出光缆3的内部。此时，可分为进入输出光缆光纤3.4内的回返光可能由部分光进入输出光缆光纤3.4，也可能直接在内芯3.2中空间传输。对于进入光纤内的回返光，由于第三包层的尺寸很小，主要在第二包层中回传，同时由于第二包层外有第三包层(石英掺氟包层)，能够确保回返光在第二包层中的安全回传。而极少量进入第三包层的光在第二光纤毛化区3.5由于无法满足全反射定律会出射被内芯3.2吸收；对于在内芯3.2中空间传输的回返光，在内芯3.2中放置反射镜片3.6，由于反射镜片3.6朝向石英柱3.3的那面镀有反射膜，会阻隔回返光向后传输，使得这部分光最后还是被内芯3.2吸收。本发明通过将绝大部分回返光回传出传输光缆再做处理，降低了内芯吸收的光功率，以致对输出光缆3的水冷需求降低，降低了由于内芯3.2温升导致光纤烧毁的风险。回返光回传到输出光纤的第一光纤毛化区2.2，由于无法满足全反射定律会出射被水冷壳体2.2吸收，此处的水冷壳体2.2的体积可以根据需求设计，来达到水冷效果，确保回返光在此区域可以安全、有效滤除。本发明通过将绝大部分进入传输光缆光纤3.4的返回光安全回传到输出光纤1.1进行滤除，极大降低了缓解了输出光缆3对回返光的滤除压力，保证了输出光缆的安全工作。同时，在实际生产中，可以将包层滤除模块2和激光输出模块1都安装在激光器机箱内，可以根据需求设计大体积水冷壳体2.1，来提供高强水冷，从而实现全部回返光的安全、有效滤除。本发明可以大大降低回返光对激光器带来的安全风险，提高激光器的工作寿命。

Claims (10)

1.一种抗回返光的激光器，其特征在于，包括激光输出模块(1)，该激光输出模块(1)输出的激光通过输出光纤(1.1)的纤芯传输，该输出光纤(1.1)中一段剥掉涂覆层，且第二包层表面经过毛化处理，该段输出光纤(1.1)作为第一光纤毛化区(2.2)，用于滤除光纤中的包层光，该输出光纤(1.1)的末端与输出光缆(3)的输出光缆光纤(3.4)熔接，该输出光缆光纤(3.4)末端与石英柱(3.3)熔接，该输出光缆光纤(3.4)中一段剥掉涂覆层，且第三包层表面经过毛化处理，该段输出光缆光纤(3.4)作为第二光纤毛化区(3.5)，所述的输出光纤(1.1)为双包层光纤，所述的输出光缆光纤(3.4)为三包层光纤；所述的输出光缆光纤(3.4)纤芯的直径和数值孔径、第三包层的直径分别与输出光纤(1.1)纤芯的直径和数值孔径、第二包层的直径相同，输出光缆光纤(3.4)的第三包层的数值孔径小于输出光纤(1.1)第二包层的数值孔径。
2.根据权利要求1所述的抗回返光的激光器，其特征在于，所述的第一光纤毛化区(2.2)外用水冷壳体(2.1)封装，该水冷壳体(2.1)上设有用于与水冷机连通的进水孔和出水孔。
3.根据权利要求1或2所述的抗回返光的激光器，其特征在于，所述的输出光缆(3)的一端连接输出头主体件(3.1)，该输出头主体件(3.1)由内芯(3.2)和套设在该内芯(3.2)外的壳体构成，该内芯(3.2)与壳体之间形成密闭空间，该内芯(3.2)外端内设有供石英柱(3.3)放置的石英柱凹槽和供反射镜(3.6)放置的反射镜凹槽，所述的输出光缆光纤(3.4)从该内芯(3.2)中穿过，并经所述的反射镜(3.6)的中心孔与所述的石英柱(3.3)熔接，所述的第二光纤毛化区(3.5)位于所述的反射镜(3.6)与石英柱(3.3)之间。
4.根据权利要求3所述的抗回返光的激光器，其特征在于，所述的反射镜(3.6)朝向所述的石英柱(3.3)的一面镀有反射膜，另一面依次设置石英垫片(3.7)、弹簧(3.8)和光纤固定件(3.9)，所述的输出光缆光纤(3.4)依次穿过所述的光纤固定件(3.9)、弹簧(3.8)和所述的石英垫片(3.7)的中心孔后到达所述的反射镜(3.6)。
5.根据权利要求4所述的抗回返光的激光器，其特征在于，所述的内芯(3.2)内端通过螺丝与所述的光纤固定件(3.9)锁紧。
6.根据权利要求3所述的抗回返光的激光器，其特征在于，所述的内芯(3.2)具有良好导热性能。
7.根据权利要求3所述的抗回返光的激光器，其特征在于，所述的输出头主体件(3.1)的壳体上设有分别与水冷机的进水口、出水口连通的通孔。
8.根据权利要求3所述的抗回返光的激光器，其特征在于，还包括套设在所述的输出光缆光纤(3.4)外的光缆保护管(3.12)，用于保护输出光缆光纤(3.4)。
9.根据权利要求8所述的抗回返光的激光器，其特征在于，所述的输出头主体件(3.1)与所述的输出光缆(3)的连接处设有外套管(3.10)该外套管(3.10)通过输出头连接件(3.11)与光缆保护管(3.12)的一端连接，该光缆保护管(3.12)的另一端通过铠甲固定件(3.13)安装在激光器的机箱上。
10.根据权利要求1所述的抗回返光的激光器，其特征在于，所述的输出光缆光纤(3.4)的第三包层为石英掺氟包层。
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