专利名称：高功率激光能量续断器的制作方法
技术领域：
本实用新型属于光纤传输高功率激光领域，具体涉及一种高功率激光能量续断 器。它是一种基于微小型凸轮结构作为执行器驱动光纤对准来控制高功率激光光束通断的 光纤光开关，可用于激光点火与起爆系统的光能续断器。
背景技术：
激光点火是利用激光能量点燃或起爆含能材料。在激光点火系统的传能光路中加 入光通道控制开关作为能量续断器，可以作为一级保险增加系统的安全性，有利于系统的 小型化、并可以实现多模寻址点火。由于激光点火应用中激光功率高、小型化等特点，对 此光能续断器的设计和制造提出了高耦合效率、高传输容量、高可靠性、高鲁棒性等新的要 求。目前对于激光点火系统采用光纤作为光能传输通道具有安全、可靠、易于小型化 何实现选址点火等优点，2008年中国《红外与激光工程》杂志第三期中发表的名称为“高峰 值功率脉冲激光的光纤传能特性”的文献针对激光点火系统中光纤传能特性进行了论述， 指出采用光纤传能是实现激光点火系统小型化和实用化的关键。在光纤光路中加入高功率 激光能量续断器是实现激光点火系统安全性设计、传输能量控制和选址点火的重要方法。 由于控制的对象是高功率激光，传能光纤选用大芯径阶跃折射率多模石英光纤，激光点火 系统中的光纤光开关具有以下特点(1) “ON”状态下尽可能高的耦合效率；⑵光纤芯径较大(数百P m)且为了提高 安全隔离度(“0N”、“0FF”状态切换快，“OFF”状态下能量尽可能隔离)，需要大位移、大力 矩的致动器；(3)环境适应性强，如抗振动、冲击等。目前，实现光能续断控制的方法主要有三种反射耦合法、遮挡法和位错法。在反 射耦合结构中，由于存在一个反射镜，影响了传输效率，可以通过镀金等手段提高反射率， 但是由于在激光点火与起爆系统中，激光功率密度很高，达到GW/cm2量级，反射膜很容易遭 到破坏。另外还增加两根光纤之间的一个固有距离，最小距离为光纤的直径大小。同样在 遮挡型结构中，挡光板插入两光纤之间的空隙，驱动器带动挡光板运动，通过控制驱动器的 上下或者左右运动改变挡光板的遮挡情况，实现激光光纤传能系统的“续断”功能。挡光板 及其驱动器制造工艺复杂，容易破坏。由于两根光纤不能挨得太近，引入较大插入损耗，封 装和对准光纤困难，产品率低。因此，在激光点火与起爆系统应用中位错型光纤光开关作为 光能续断器具有较大优势。
发明内容本实用新型的目的是为激光点火与起爆系统提供一种安全可靠的高功率激光能 量续断器。本实用新型的高功率激光能量续断器，特点是，所述的续断器包括步进电机、底 座、多模光纤、光纤定位槽和凸轮；所述多模光纤包括一个移动光纤和一个固定光纤。所述步进电机固定设置在底座的中部。所述光纤定位槽通过支架固定设置在底座上，移动光纤 和固定光纤分别设置于光纤定位槽内，移动光纤和固定光纤处于横向错开状态。所述凸轮 通过凸轮的中心孔与步进电机的中心轴相连接，凸轮与移动光纤和固定光纤共面，凸轮的 一侧边与移动光纤轴向相切。所述的凸轮的外周有一个或多个凸起。所述的多模光纤的端面为平面或斜面。所述的光纤定位槽为V形槽或U形槽。所述的凸轮采用的材料为塑料、金属、硅、玻璃中的一种。所述的多模光纤的端面镀有高功率增透膜。所述的多模光纤端面为激光抛光面。本实用新型中凸轮中间的中心孔与步进电机中心轴相连，步进电机动作，带动凸 轮旋转。所述的凸轮，由于其外轮廓的变化，推动移动光纤的耦合端移动。凸轮短轴与长 轴的交替变换导致光纤的错开和连通。通过精确控制光纤与凸轮接触点的位置、设定步进 电机的步进角度以及凸轮的长轴和短轴，可以使移动光纤的光纤耦合端移动恰当的固定距 离，实现固定光纤耦合端和移动光纤耦合端得精密对准，插入损耗最低。本实用新型中的步进电机驱动凸轮结构执行器旋转运动实现光纤对准连接的光 能续断器，它同时具有衰减量可调和光纤输出选通的功能。当激光点火与起爆系统处于非 工作状态时，光能续断器处于断开状态，保证了系统的安全性。当激光点火与起爆系统需要 工作时，控制系统发出指令给步进电机，步进电机根据指令要求旋转中心轴，带动凸轮旋转 一定角度后停止。此时，根据原先设定指标可以实现光纤的精确对准或者选通等功能，从而 保证了整个激光点火与起爆系统的顺利运行。步进电机具有低于15V的驱动电压，满足激 光点火与起爆系统低电压要求，步进精度为1度，步进时间为ms量级。分辨率可达微米量 级，完全满足系统对低功耗、大移动范围和高动态响应的要求。本实用新型所述的光纤可以为普通石英光纤、空心光纤、光子晶体光纤中任意一 种。光纤芯径在百微米量级，光纤具有良好的柔韧性。本实用新型所述的光纤定位槽为采用MEMS工艺在硅片上制造的V型槽或则U型槽。本实用新型所述的凸轮结构采用精密机械加工，材料可以为铝、铜、不锈钢、硅、石 英等。凸轮的形状可以根据需要设计为一个凸起或者多个凸起。本实用新型所述的高功率激光能量续断器中的移动光纤的耦合端位移量可以通 过凸轮转动角度、光纤与凸轮相切点位置来控制。改变位移量，实现部分对准、精确对准或 者光纤选通。本实用新型所述的高功率激光能量续断器，通过控制凸轮的轮廓曲线和旋转周 期，实现激光能量传输的周期性变化。本实用新型的所述的光纤连接耦合端可以采取一定的措施，提高连接耦合效率。 比如对接的光纤端面镀高功率增透膜，在两根光纤对接端面的间隙填充折射率匹配液，或 真空封装连接耦合部位；光纤对接端金属化封装，金属套与输出端数mm长光纤芯空气隔离寸。本实用新型提供了一种基于凸轮结构驱动光纤对准来控制高功率激光通断的高功率激光能量续断器。具有结构简单、成本低、光路简单、对准控制容易，封装简单、易大批 量制造；对温度、湿度等环境变化不太灵敏；对波长和偏振态不敏感。高功率激光能量续断 器的插入损耗低于0. 5dB，隔离度>13dB (满足激光点火与起爆安全性要求)，传输高功率激 光，回波损耗>50dB (光纤端面镀高功率增透膜)。
图1为本实用新型的高功率激光能量续断器结构示意图图2为本实用新型的高功率激光能量续断器“断”态示意图图3为本实用新型的高功率激光能量续断器“通”态示意图图4为本实用新型的高功率激光能量续断器的实施例的一种具有四个凸起的凸 轮结构示意图图5为本实用新型的高功率激光能量续断器按照一定频率旋转，光能续断器的开 关特性示意图图中，1.移动光纤 2.固定光纤 3.微小型凸轮 4.光纤定位槽 5.支 架6.步进电机 7.底板。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型作详细描述。图1中，本实用新型的高功率激光能量续断器，所述的续断器包括步进电机6、底 座7、多模光纤、光纤定位槽4和凸轮3 ；所述多模光纤包括一个移动光纤1和一个固定光纤 2 ；所述步进电机6固定设置在底座7的中部；所述光纤定位槽4通过支架5固定设置在底 座7上，移动光纤1和固定光纤2分别设置于光纤定位槽4内，移动光纤1和固定光纤2处 于横向错开状态；所述凸轮3通过凸轮3的中心孔与步进电机6的中心轴相连接，凸轮3与 移动光纤1和固定光纤2共面，凸轮3的一侧边与移动光纤1轴向相切。本实施例中的多模光纤的端面为平面，光纤定位槽4为V形槽，凸轮3的外周具有 四个凸起。本实用新型通过步进电机6主轴转动，带动凸轮3旋转，根据凸轮结构和对准耦合 需要控制旋转角度，凸轮3推动移动光纤1在光纤定位槽4平面内平动，达到移动光纤1与 固定光纤2的对准或错开，从而实现激光能量续断控制。如图2为光纤错开状态，此时激光 传能系统为“断”。当凸轮3在步进电机6的带动下旋转90°后，移动光纤1与固定光纤2 对准，如图3所示，此时激光传能系统为“通”状态。当步进电机6周期性转动后，两光纤就 可以实现周期性“通” “断”功能。对于步进电机6主轴每次的步进角度可以根据需要改变，通过设定适当的步进角 度和凸轮3外部轮廓配合，可以实现两光纤不同的错开量，实现激光能量衰减。为了保证足 够高对准精度和移动光纤1的使用寿命，使用光纤的芯径一般在100 μ m-600 μ m较为合适。图4中，凸轮3的外周具有四个凸起。对于连续激光来说，不同的外部轮廓结构可 以产生不同的激光能量“续断”波形，也就是说产生不同频率的激光输出波形。图5中，χ轴代表时间，y轴代表输出激光能量。从而更加灵活在时间上控制激光 能量传输，满足对不同激光脉冲序列的需求。对于脉冲激光来说，可以通过控制凸起的个数
5和形状，控制开关通断时间序列，达到控制激光脉冲传输的目的。
权利要求一种高功率激光能量续断器，其特征在于，所述的续断器包括步进电机(6)、底座(7)、多模光纤、光纤定位槽(4)和凸轮(3)；所述多模光纤包括一个移动光纤(1)和一个固定光纤(2)；所述步进电机(6)固定设置在底座(7)的中部；所述光纤定位槽(4)通过支架(5)固定设置在底座(7)上，移动光纤(1)和固定光纤(2)分别设置于光纤定位槽(4)内，移动光纤(1)和固定光纤(2)处于横向错开状态；所述凸轮(3)通过凸轮(3)的中心孔与步进电机(6)的中心轴相连接，凸轮(3)与移动光纤(1)和固定光纤(2)共面，凸轮(3)的一侧边与移动光纤(1)轴向相切。
2.根据权利要求1所述的高功率激光能量续断器，其特征在于，所述的凸轮(3)的外周 有一个或多个凸起。
3.根据权利要求1所述的高功率激光能量续断器，其特征在于，所述的多模光纤的端 面为平面或斜面。
4.根据权利要求1所述的高功率激光能量续断器，其特征在于，所述的光纤定位槽(4) 为V形槽或U形槽。
专利摘要本实用新型提供了一种高功率激光能量续断器，所述的续断器包括步进电机、底座、多模光纤、光纤定位槽和凸轮。多模光纤包括一个移动光纤和一个固定光纤，光纤定位槽通过支架固定设置在底座上，移动光纤和固定光纤分别设置于光纤定位槽内，凸轮短轴与长轴的交替变换导致光纤的错开和连通。本实用新型的高功率激光能量续断器，具有结构简单、成本低、对准控制容易，且封装简单、易大批量制造的优点。
文档编号G02B6/35GK201622365SQ20102012765
公开日2010年11月3日 申请日期2010年3月11日 优先权日2010年3月11日
发明者杨晴, 杨波, 程永生, 苏伟, 赵兴海, 高杨 申请人:中国工程物理研究院电子工程研究所