一种环形激光加热系统的制作方法

本发明涉及激光技术领域，具体属于一种环形激光加热系统。

背景技术：

单晶光纤是一种由单晶材料制成的光学纤维，它不仅具有单晶材料的化学特性和物理特性，而且具有光纤的特点，如抗电磁干扰、传光性好、体积小、重量轻等。近年来随着光纤传感技术和光纤激光技术的快速发展以及单晶光纤的制备技术的不断改进，不同基质的单晶光纤在其生长和应用两个方面都得到了业内研究者越来越多的关注。

单晶光纤由于晶体直径小，传统的晶体生长方法已经不能适应生长要求，采用激光加热方式实现晶体生长具有以下优势：能形成较小的熔区，且能实现很高的熔区温度；无坩埚方式生长，避免污染问题；熔区小、温梯大、生长速度快；用料少、功率低，有利于提高能效比。因此采用激光加热的实现晶体生长的方式得到了广泛应用。

然而，现有的激光加热装置中，由于激光光束不可见，因此难以对激光光束进行有效控制。

技术实现要素：

针对现有技术存在的上述不足，本申请需要解决的问题是：如何实现激光光束的有效控制。

为解决上述技术问题，本申请采用了如下的技术方案：

一种环形激光加热系统，包括可视化激光发射装置、束变环装置及聚焦装置，其中，可视化激光发射装置包括可见光发射器、激光发射器及合束装置，可见光发射器及激光发射器朝向合束装置设置，合束装置能够将可见光发射器发射的可见光束的光路及激光发射器发射的激光光束的光路合束为相同光路并使其朝向束变环装置；束变环装置能够将可见光束或激光光束变为空心环状光束并将空心环状光束折轴射向聚焦装置；聚焦装置能够将空心环状光束聚焦并射向待加热区域。

优选地，合束装置包括第一反射镜及合束镜，可见光发射器朝向第一反射镜设置，第一反射镜能够将可见光发射器发射的可见光束反射向合束镜，激光发射器朝向合束镜设置，合束镜能够将第一反射镜反射来的可见光束的光路及激光发射器发射的激光光束的光路合束为相同光路并使其朝向束变环装置。

优选地，合束装置还包括设置在第一反射镜及合束镜之间的调节镜，调节镜能够将第一反射镜反射来的可见光束进行调节和补偿。

优选地，还包括准直扩束装置，准直扩束装置设置在可视化激光发射装置及束变环装置之间，准直扩束装置能够将可见光束或激光光束扩束后射向束变环装置。

优选地，可视化激光发射装置与准直扩束装置之间还设有分束装置可扩展接口，分束装置可扩展接口能够安装分束装置，分束装置能够将可见光束或激光光束分为两束方向不同的可见光束或激光光束，其中一束射向准直扩束装置。

优选地，可视化激光发射装置与准直扩束装置安装在防尘密封结构中。

优选地，还包括朝向待加热区域的光学测量装置，光学测量装置包括ccd检测仪和红外测温仪。

优选地，聚焦装置包括折轴装置及聚焦镜，折轴装置能够改变束变环装置射出的空心环状光束的方向并将空心环状光束射向聚焦镜，聚焦镜能够将空心环状光束聚焦后射向待加热区域，所述聚焦镜包括凹面反射镜或凸透镜。

优选地，折轴装置及聚焦镜上设有水冷装置。

优选地，还包括密封腔体，聚焦装置及待加热区域设置在密封腔体内，密封腔体上设有朝向束变环装置的密封窗口镜。

综上所述，本发明公开了一种环形激光加热系统，包括可视化激光发射装置、束变环装置及聚焦装置，其中，可视化激光发射装置包括可见光发射器、激光发射器及合束装置，可见光发射器及激光发射器朝向合束装置设置，合束装置能够将可见光发射器发射的可见光束的光路及激光发射器发射的激光光束的光路合束为相同光路并使其朝向束变环装置；束变环装置能够将可见光束或激光光束变为空心环状光束并将空心环状光束折轴射向聚焦装置；聚焦装置能够将空心环状光束聚焦并射向待加热区域。本发明将可见光束的光路与激光光束的光路合束为相同光路，工作人员可基于可见光束的平行度、束变环效果、聚焦效果、焦点位置等信息来判断激光光束的平行度、束变环效果、聚焦效果、焦点位置等信息，从而便于对激光光束进行控制调节，保证加热效果。

附图说明

为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请作进一步的详细描述，其中：

图1为本发明公开的一种环形激光加热系统的一种具体实施方式的示意图；

图2为本发明公开的可视化激光发射装置的一种具体实施方式的示意图

附图标记说明：可视化激光发射装置101、准直扩束装置102、束变环装置103、密封窗口镜b、折轴装置104、聚焦镜105、籽晶106、料棒107、汇聚焦点108、光学测量装置109、激光发射器101a、可见光发射器101b、第一反射镜101c、调节镜101d、合束装置101e。

具体实施方式

下面结合附图对本申请作进一步的详细说明。

如图1所示，本发明公开了一种环形激光加热系统，包括可视化激光发射装置、束变环装置及聚焦装置，其中，可视化激光发射装置包括可见光发射器、激光发射器及合束装置，可见光发射器及激光发射器朝向合束装置设置，合束装置能够将可见光发射器发射的可见光束的光路及激光发射器发射的激光光束的光路合束为相同光路并使其朝向束变环装置；束变环装置能够将可见光束或激光光束变为空心环状光束并将空心环状光束折轴射向聚焦装置；聚焦装置能够将空心环状光束聚焦并射向待加热区域。

本发明中的各种装置可通过支架安装在光学平台上，且各装置的位置和朝向可调。支架包括刚性、无隔振支撑架，被动式隔振支撑架，主动式自动调平支撑架等。如何调节光学平台上装置的位置和朝向为现有技术，在此不再赘述。如图1所示，本发明中，束变环装置可以包括同轴设置内、外椎反射镜。本发明中，激光发射器发射波长在10.6μm的肉眼不可见高功率激光。

在进行加热使单晶光纤生长之前，首先完成系统中各装置的安装，确保可见光书的光路与激光光束的光路重合；可仅开启可见光发射器，通过可见光束的光路判断激光光束的光路是否准确完成光路调节以后，在进行加热生长时，只需要开启激光发射器，就可通过可见光显示效果判断激光光束的聚焦效果、聚焦位置等，进而保证加热效果。

本发明将可见光束的光路与激光光束的光路合束为相同光路，工作人员可基于可见光束的平行度、束变环效果、聚焦效果、焦点位置等信息来判断激光光束的平行度、束变环效果、聚焦效果、焦点位置等信息，从而便于对激光光束进行控制调节，保证加热效果。

为进一步优化上述技术方案，如图2所示，合束装置包括第一反射镜及合束镜，可见光发射器朝向第一反射镜设置，第一反射镜能够将可见光发射器发射的可见光束反射向合束镜，激光发射器朝向合束镜设置，合束镜能够将第一反射镜反射来的可见光束的光路及激光发射器发射的激光光束的光路合束为相同光路并使其朝向束变环装置。

通过调节光学平台上的各种支架，可以调节两光路的水平高度，及平行度等，从而保证两光路重合。

为进一步优化上述技术方案，合束装置还包括设置在第一反射镜及合束镜之间的调节镜，调节镜能够将第一反射镜反射来的可见光束进行调节和补偿。

通过调节和补偿以后的光线，即可实现可见光与激光同样的光程轨迹及同样的聚焦效果。

为进一步优化上述技术方案，还包括准直扩束装置，准直扩束装置设置在可视化激光发射装置及束变环装置之间，准直扩束装置能够将可见光束或激光光束扩束后射向束变环装置。

现有技术中的激光加热装置，通常只能生成环状光束，而环状光束的能量密度及照射面积等，均受到激光发射器发射出的初始的激光光束限制。本发明中，加入了准直扩束装置，如图1所示，准直扩束装置将激光发射器产生的能量密度高、光斑直径较小的光束激光通过前置凹透镜和后置凸透镜的作用扩成实际需要的光束大小，能够产生不同直径和能量密度的激光光束，增强了激光加热系统的可调性。通过调节凹透镜与凸透镜之间的距离，可以起到调节扩束效果的作用。

在本发明中，准直扩束装置的透镜可统一安装在标准镜筒上，镜筒后端安装束变环装置；此外，在准直扩束装置前端可安装光学调整镜接口，用于修正可见光束及激光光束的折射率。在使用可将光调节光路时，将光学调整镜安装，调整光路效果。调整完毕后使用激光器发射器时需要将光学调整镜拆除。

本发明中，准直扩束装置中的透镜材料均采用红外高透过率材料组成，如硒化锌、锗等材料，材料通过现有工艺镀有红外增透膜，使10.6μm红外光透过率超过99.5%。

为进一步优化上述技术方案，可视化激光发射装置与准直扩束装置之间还设有分束装置可扩展接口，分束装置可扩展接口能够安装分束装置，分束装置能够将可见光束或激光光束分为两束方向不同的可见光束或激光光束，其中一束射向准直扩束装置。

分束后的两束激光光束可分别进行准直扩束和功率调制以后再次合束进入束变环装置。

可预先在可视化激光发射装置与准直扩束装置之间预留激光功率调制安装扩展接口，通过这个接口，可以在可视化激光发射装置与准直扩束装置之间安装分束装置，分束装置可采用分束镜或分束器。这样，可以将光束分为两束，一束仍然用于本系统的加热，另一束可根据工艺需求做其他使用，也可以起到调节加热光束功率的作用。

为进一步优化上述技术方案，可视化激光发射装置与准直扩束装置安装在防尘密封结构中。

具体实施时，可以再可视化激光发射装置与准直扩束装置外套设可伸缩的波纹管作为防尘密封结构。

为进一步优化上述技术方案，还包括朝向待加热区域的光学测量装置，光学测量装置包括ccd检测仪和红外测温仪。

光学测量装置用于测量实时生长的光纤单晶晶体直径和熔区的外形，从而使工作人员了解晶体生长情况，便于进行激光的调控及其他操作。

为进一步优化上述技术方案，聚焦装置包括折轴装置及聚焦镜，折轴装置能够改变束变环装置射出的空心环状光束的方向并将空心环状光束射向聚焦镜，聚焦镜能够将空心环状光束聚焦后射向待加热区域，所述聚焦镜包括凹面反射镜或凸透镜。

本发明中，折轴装置可包括一个或多个反射镜，从而调整光束方向，这样可以合理的利用空间，无需将所有装置安装在一个直线空间内，起到节约空间的作用。

采用本发明中的聚焦镜可以将环状光束聚焦的焦点控制在直径100μm以内。环状光束通过聚焦镜聚焦后射出的光束与入射的环状光束的夹角控制在25至70°之间，以便获得良好的晶体生长温度梯度。

为进一步优化上述技术方案，折轴装置及聚焦镜上设有水冷装置。

本发明中，可在反射镜背面设置水冷装置进行水冷，或者在镜面上光束未照射的部分开设过孔，过孔两端分别设置冷却水输入接口及输出接口。

为进一步优化上述技术方案，还包括密封腔体，聚焦装置及待加热区域设置在密封腔体内，密封腔体上设有朝向束变环装置的密封窗口镜。

本发明中，可将聚焦装置及待加热区域设置在密封腔体内，从而保证晶体生长时所处的环境稳定。密封腔体可采用不锈钢炉膛，密封窗口镜可安装在不锈钢炉膛法兰窗口上。密封腔体内的各个装置可以安装在不锈钢炉膛内部固定架上。

在本发明中，束变环装置、折轴装置及聚焦镜的基底材料由铜或熔石英加工而成，表面镀有反射膜，反射膜为镀金材料，此外，反射膜表面还镀有一层氧化物保护膜，保护黄金不被剐蹭影响面形精度。

综上所述，本发明与现有的相比，具有以下技术效果：

准直扩束装置可根据入射光束大小调节最终获取直径适当的激光光束，对激光发射器的适应能力大大增强；

准直扩束装置前端预留有激光功率调制安装扩展接口，通过外接分束装置调节激光发射器后端功率输出；

通过内外椎反射可在保证光束平行度的基础上有效的实现光束到光环的变换。能更好的实现光路均匀聚焦；

配备的可视化激光发射装置可有效的解决红外不可见光激光发射器难于调节的问题，极大的简化系统的操作难度。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案而非限制，尽管通过参照本申请的优选实施例已经对本申请进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本申请的精神和范围。