一种高峰值功率光纤水冷准直器的制作方法

本实用新型涉及光纤激光技术领域，具体涉及一种高峰值功率光纤水冷准直器。

背景技术：

光纤激光器由于具有转换效率高、光束质量好、热效应小、结构紧凑、免维护等优点，成为近年来激光领域的研究热点，并且已广泛应用于工业、国防、医疗、检测等领域。随着光纤合束器、光纤隔离器等光纤器件的发展，以及用于泵浦源的高功率半导体激光器的普及，光纤激光器及放大器的平均功率和峰值功率不断提高。万瓦级的平均功率或兆瓦级的峰值功率激光集中在百微米量级直径的石英光纤中，使光纤输出端的端面极易受到损伤。

光纤准直器可以将光纤内的传输光转变成准直光(平行光)，或将外界平行(近似平行)光耦合至单模光纤内。光纤准直器广泛应用于光通信器件和光纤传感系统，用于提高输入输出的耦合效率。由于光纤端帽作为高功率激光输出端，在长时间工作中会积累大量的热，尤其在光纤与石英端帽熔接点处发热量巨大；这对输出激光的峰值功率、光束质量都会造成影响，也会造成光纤端帽熔接点损坏。

技术实现要素：

针对上述问题中存在的不足之处，本实用新型提供一种高峰值功率光纤水冷准直器。

本实用新型公开了一种高峰值功率光纤水冷准直器，包括：光纤端帽、光纤端帽夹具、水冷系统组件和准直系统组件；

所述光纤端帽由光纤和熔接在所述光纤输出端的端帽组成，所述端帽和光纤输出端的预设长度夹持在所述光纤端帽夹具内；

所述水冷系统组件包括前密封盖、内衬管、圆柱套管和后盖，所述内衬管紧贴套在所述光纤端帽夹具上，所述圆柱套管紧贴套在所述内衬管上，所述内衬管的外壁上设有冷却水道；所述前密封盖密封在所述内衬管和圆柱套管的前端且相对应所述光纤端帽开有供激光束穿过的通孔，后盖密封在所述内衬管和圆柱套管的后端；

所述准直系统组件包括前盖、聚焦透镜组和镜室，所述聚焦透镜组通过所述前盖固定在所述镜室的前端，所述镜室的后端螺接在所述前密封盖上。

作为本实用新型的进一步改进，所述光纤为石英光纤，所述端帽为圆柱体石英块，所述端帽的输入端与所述光纤的输出端相熔接，所述端帽的输出端为所述光纤端帽的输出端；所述端帽的输出端为0°角平面或斜面，所述端帽的输出端上镀有增透膜。

作为本实用新型的进一步改进，所述光纤端帽的输出端面与所述光纤端帽夹具的前端面位于同一水平面上。

作为本实用新型的进一步改进，所述光纤端帽夹具由相扣合的夹具底座和夹具盖板组成，所述夹具底座和夹具盖板的扣合面上设有用于容纳所述端帽和光纤的容纳槽，所述容纳槽内设有导热胶层，所述导热胶层紧贴所述光纤端帽的外壁和容纳槽的槽壁。

作为本实用新型的进一步改进，所述光纤端帽夹具的外径与所述内衬管的内径相等，所述内衬管的外径与所述圆柱套管的内径相等，所述圆柱套管上相对应所述冷却水道设有进水口和出水口。

作为本实用新型的进一步改进，所述前密封盖由密封板和带有所述通孔的圆筒组成，所述圆筒穿设固定在所述密封板上，所述密封板、圆筒、圆柱套管同轴设置；所述密封板的外径与所述圆柱套管的内径相等，所述内衬管的前端面粘接固定在所述密封板的后端面上，所述圆柱套管粘接固定在所述密封板的外壁上；所述密封板后端的圆筒外径与所述内衬管的内径相等，所述密封板前端的圆筒外壁上设有用于螺接所述镜室的外螺纹。

作为本实用新型的进一步改进，所述后盖螺接在所述圆柱套管的后端，所述后盖的盖底抵住所述内衬管和光纤端帽夹具的后端，所述后盖的盖底中部设有供所述光纤穿过的避让孔。

作为本实用新型的进一步改进，所述冷却水道为螺旋形水道、直线形水道或S形水道。

作为本实用新型的进一步改进，所述准直系统组件还包括锁环，所述镜室和锁环均螺接在所述密封板前端的圆筒上且所述锁环置于所述镜室与所述密封板之间；所述镜室的前端设有用于容纳聚焦透镜组的凹槽，所述前盖螺接在所述镜室前端且将所述聚焦透镜组固定在所述镜室前端，所述前盖的中部相对应所述聚焦透镜组设有通光孔。

作为本实用新型的进一步改进，所述聚焦透镜组为单透镜或多片透镜的组合。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

本实用新型在光纤的输出端(尾纤)上熔接有端帽构成光纤端帽，端帽用于发散光纤中的激光束；使光纤端帽输出端输出的激光光束直径明显增大，因此降低了输出端面处的激光功率密度，从而避免了高功率激光对输出端面的损伤；通过设计冷却水道对光纤端帽夹具进行水冷，保证光纤端帽夹具的均匀散热；准直系统组件通过螺纹配合可以实现聚焦透镜组的精确调焦；本实用新型的光纤水冷准直器结构紧凑、灵活性强、准直和冷却效果好，可实现高峰值功率的激光输出。

附图说明

图1为本实用新型一种实施例公开的高峰值功率光纤水冷准直器的整体示意图；

图2为本实用新型一种实施例公开的高峰值功率光纤水冷准直器的分解图。

图中：

10、光纤端帽；11、光纤；12、端帽；20、光纤端帽夹具；21、夹具底座；22、夹具盖板；30、水冷系统组件；31、前密封盖；32、内衬管；33、冷却水道；34、圆柱套管；35、进水口；36、出水口；37、后盖；38、密封板；39、圆筒；40、准直系统组件；41、前盖；42、聚焦透镜组；43、镜室；44、锁环。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

下面结合附图对本实用新型做进一步的详细描述：

如图1、2所示，本实用新型提供一种高峰值功率光纤水冷准直器，包括：光纤端帽10、光纤端帽夹具20、水冷系统组件30和准直系统组件40；其中：

本实用新型的光纤端帽10包括光纤11和端帽12，光纤11的输入端与激光器相连，光纤的的输出端与端帽12的输入端熔接为一体共同构成光纤端帽10，端帽12的输出端即为光纤端帽10的输出端；本实用新型通过在光纤11的输出端熔接端帽12，端帽12用于发散光,11中的激光束，使光纤端帽输出端输出的激光光束直径明显增大，因此降低了输出端面处的激光功率密度，从而避免了高功率激光对输出端面的损伤。进一步，本实用新型的光纤11可以是用于高功率光纤激光器或放大器的石英光纤，也可以是硫化物等用于中红外或其他波段的光纤，其数值孔径应与端帽的尺寸相匹配；端帽12为圆柱体石英块，端帽12的输入端抛光且不镀膜，用于与光纤11进行低损耗熔接；端帽12的输出端可以是0°角的平面，也可以是其他角度的斜面，输出端面抛光后镀所需波段的增透膜，以提高信号光的透过率，并减小反射光对前级器件的损伤。进一步，本实用新型光纤11和端帽12的熔接可采用大芯径光纤熔接机进行熔接，大芯径光纤熔接机对准精度高，熔接功率可精细调节；根据光纤的直径、石英端帽的直径，选择合适的熔接参数，包括熔接功率、熔接时间、偏移距离等。设置偏移距离的目的，是使热源对直径较大的石英端帽辐射的热量更多，从而使其与光纤同时达到熔融状态；采用大芯径光纤熔接机对大直径的石英端帽与微米量级芯径的光纤进行高质量的熔接，具有透过率高、峰值功率高、光束质量好、性能稳定可靠的效果。

本实用新型的光纤端帽夹具20用于夹持光纤端帽10，具体是夹持端帽12和光纤11输出端的预设长度，如图2所示；光纤11输出端的预设长度可根据设计需要进行选择；光纤端帽夹具20由相扣合的夹具底座21和夹具盖板22组成，夹具底座21和夹具盖板22构成的光纤端帽夹具20呈圆柱状，光纤端帽夹具20通过螺丝固定为一体。为了实现对光纤端帽10的夹持，本实用新型的夹具底座21和夹具盖板22的扣合面上设有用于容纳端帽12和光纤11的容纳槽，容纳槽内设有导热胶层，导热胶层紧贴光纤端帽10的外壁和容纳槽的槽壁。具体的：在夹具的容纳槽内点胶固定，使熔接好的光纤端帽10在从熔接设备取下以及后续封装过程中，熔接点不会因为受到外力而损伤或损坏。封装时在熔接点附近的容纳槽处填充折射率匹配的导热胶，导热胶干燥后形成上述的导热胶层。导热胶将光纤包层中残余的泵浦光及高阶模信号光滤除，同时将热量导出金属材质的光纤端帽夹具；最终将光纤端帽10与光纤端帽夹具20封装为一整体结构。进一步，优选光纤端帽10的输出端面与光纤端帽夹具20的前端面位于同一水平面上。

本实用新型的水冷系统组件30包括前密封盖31、内衬管32、圆柱套管34和后盖37，光纤端帽夹具20的外径与内衬管32的内径相等，内衬管32紧贴套在光纤端帽夹具20上；内衬管32的外径与圆柱套管34的内径相等，圆柱套管34紧贴套在内衬管32上；内衬管32的外壁上开有沟槽，当圆柱套管34紧贴套在内衬管32上后沟槽形成冷却水道33，用于循环流通冷却水；圆柱套管34上相对应冷却水道33设有进水口35和出水口36，进水口35和出水口36为两个螺纹孔，用于螺接进出水管道；本实用新型的冷却水道33可以为螺旋形水道、直线形水道、S形水道或其它形状的水道结构，优选采用螺旋形水道，螺旋形水道与内衬管32的接触面积大，散热效果好。本实用新型的前密封盖31密封在内衬管32和圆柱套管34的前端且相对应光纤端帽10开有供激光束穿过的通孔，后盖37密封在内衬管32和圆柱套管34的后端。具体的：前密封盖31由密封板38和带有通孔的圆筒39组成，圆筒39穿设固定在密封板38上，固定方式可为粘接、螺接或焊接等多种固定方式，圆筒39与密封板38构成的前密封盖31的结构图如图2所示；密封板38、圆筒39、圆柱套管34同轴设置；密封板38的外径与圆柱套管34的内径相等，内衬管32的前端面粘接固定在密封板38的后端面上，圆柱套管34粘接固定在密封板38的外壁上；密封板38后端的圆筒外径与内衬管32的内径相等，用于对内衬板32进行限位；密封板38前端的圆筒外壁上设有用于螺接镜室43和锁环44的外螺纹。后盖37螺接在圆柱套管34的后端，后盖37的盖底抵住内衬管32和光纤端帽夹具20的后端，对内衬管32和光纤端帽夹具20的后端进行限位；后盖37的盖底中部设有供光纤11穿过的避让孔，避让孔上可安装光纤支撑装置，防止光纤被折断。

本实用新型的准直系统组件40包括前盖41、聚焦透镜组42、镜室43和锁环44，聚焦透镜组42通过前盖41固定在镜室43的前端，镜室43的后端和锁环44均螺接在前密封盖31上；镜室43用于收纳聚焦透镜组以及调整焦距，锁环44用于固定镜室43在前密封盖31上的位置。具体的：镜室43和锁环44均螺接在密封板38前端的圆筒上且锁环44置于镜室43与密封板38之间；镜室43的前端设有用于容纳聚焦透镜组42的凹槽，前盖41螺接在镜室43前端且将聚焦透镜组42固定在镜室43前端，前盖41的中部相对应聚焦透镜组42设有通光孔。进一步，聚焦透镜组42可以是单透镜，也可以是多片透镜组合。放置在镜室内，用于把输出激光变为平行光。

本实用新型的组装过程为：

步骤一、将光纤的一端剥敷、清洁、切割成零度角端面，放置在熔接设备的左侧夹具上。清洁石英端帽的输入端面，放置在熔接设备的右侧夹具上。将光纤与石英端帽进行水平和垂直方向的高精度对准。根据光纤直径和石英端帽的直径，将熔接机的热源向石英端帽一侧偏移一定的距离。

步骤二、根据光纤的直径、石英端帽的直径，设置合适的熔接功率、加热时间等熔接参数，将光纤与石英端帽熔接为一体。

步骤三、将熔接后的光纤端帽向石英端帽一侧平移，使熔点移出熔接热源。用升降位移台托起光纤端帽夹具的底座，并贴紧光纤端帽。在夹具容纳槽内点胶固定，使熔接点不受外力。用折射率匹配的导热胶将光纤端帽夹具底座中的容纳槽部分填充，将光纤包层内的残余泵浦光和高阶模信号光导出，并将热量通过金属材质的夹具导出。待导热胶充分固化后，用螺丝将光纤端帽夹具盖板固定在光纤端帽夹具底座上。

步骤四、将封装好的光纤端帽夹具从熔接设备上取下，并清洁光纤端帽输出端的表面。测试光纤端帽的透过率、光束质量等参数。自此，就完成了光纤与石英端帽的熔接及封装。

步骤五、将前密封盖放置在内衬管前端，并用胶粘接。将光纤端帽夹具放入内衬管内，使得光纤端帽夹具前端紧贴前密封盖。光纤端帽夹具外径与内衬管内径相等，内衬管外径与圆柱套管内径相等。

步骤六、将圆柱套管套在内衬管外侧，使得圆柱套管前端与前密封盖贴合并用胶粘接，圆柱套管后端与内衬管后端对齐并用胶粘接。将后盖放置在圆柱套管后端，使用螺纹配合，使得后盖与光纤端帽夹具后端贴合用来固定光纤端帽夹具。圆柱套管侧壁设置前后两个螺纹孔，作为循环冷却水的入水口和出水口；

步骤七、将锁环与镜室依次放置在前密封盖前端，用螺纹配合。将聚焦透镜组放入镜室里，使用前盖将透镜组固定在镜室里，前盖与镜室用螺纹配合。

步骤八、通过前密封盖前端的螺纹调整镜室的位置，进而调整聚焦透镜组焦距使得出射激光为平行光，此时用锁环将镜室位置固定。

本实用新型在光纤的输出端(尾纤)上熔接有端帽构成光纤端帽，端帽用于发散光纤中的激光束；使光纤端帽输出端输出的激光光束直径明显增大，因此降低了输出端面处的激光功率密度，从而避免了高功率激光对输出端面的损伤；通过设计冷却水道对光纤端帽夹具进行水冷，保证光纤端帽夹具的均匀散热；准直系统组件通过螺纹配合可以实现聚焦透镜组的精确调焦；本实用新型制造的光纤水冷准直器作为光纤激光器的输出头，其结构紧凑、灵活性强、准直和冷却效果好，最终实现了高峰值功率、平行度高的激光输出。

以上仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。