專利名稱：細光束小發散角光纖耦合結構的制作方法
技術領域：
本發明涉及ー種新型光纖耦合器件，特別是涉及ー種能夠形成細光束小發散角激光輸出的耦合器件。該器件能夠在保證高效率、緊湊體積的前提下，通過立體折轉的方式改變光纖輸出激光束的發散角度與光斑直徑的乘積，實現近細光束平行光的輸出。本發明屬于激光器件技術領域。
背景技術：
光纖是由纖芯、包層所組成的圓柱形的介質光波導，纖芯的折射率比包層的折射 率略大。當光波從折射率較大的介質入射進入較小的介質時，會在兩種介質的邊界發生折射和反射。由斯奈爾(Snell)定律可知,如果光與光纖軸之間的夾角過大,光進入纖芯后以就無法在纖芯與包層的分界面上發生全反射，這就導致光無法在光纖中傳輸。因此，投射到光纖端面上的光必須在ー個有限的角度范圍，這個角度范圍就是光纖的數值孔徑。光纖的數值孔徑表示光纖接收入射光的能力，數值孔徑越大，光纖接收光的角度范圍越大，同時從光纖出射的光的發散角也就越大。光纖的數值孔徑大小與纖芯折射率，及纖芯與包層相對折射率差有關，不同廠家不同型號的光纖的數值孔徑不同，多模光纖的數值孔徑取值范圍為O. 18至O. 23，對應的光纖端面接收角在10°至13°。由牛頓公式和拉赫公式可知，在旁軸近似的條件下，物距與像距的比值等于物方和像方光束發散角度比值的倒數。例如發散角12度的光束，經過物距10mm、像距30mm的成像結構后，發散角度變為4度。對于ー個通過光纖輸出的光學系統，如果想減小出射光的發散角，就需要小物距與大像距。但是透鏡材料的折射率限制了透鏡偏折光線的能力，結合像差因素，在壓縮發散角10°至13°的光束時，通常需要IOmm至20mm的距離，通過2至3片透鏡來實現。為了將光纖發出的光壓縮到近平行光，就需要I米至2米的距離，這對于在激光器等儀器設備上應用來說，占據的空間過長，不實用。對于光纖耦合器件，目前國內外有很多專利進行了這方面的保護，比如專利號為US005283885A的美國專利，保護了一種衰減光纖耦合方式，通過旋轉內部的衰減控制器件，來實現輸出光強度的正弦變化調節；專利號US4798428的美國專利保護了ー種通過兩邊的螺旋結構固定，中間包含2個或多個聚焦透鏡進行耦合的光纖連接耦合結構；此外，美國專利 US2008/0118204、US2010/0232753、US8208773、US4659175、US4676584、US4315666 也針對光纖耦合技術進行了專利保護。在國內，申請號200910041179. 4的專利保護了ー種適用于熒光測量系統和光纖傳感系統的N型光纖耦合器；專利ZL200820123932. 5保護了ー種能夠方便調節聚焦透鏡姿態的光纖耦合結構；專利ZL200810072098. 6保護了ー種雙包層光纖激光器的泵浦耦合結構。然而現有專利的保護都是針對便捷、高效實現光纖與光纖、光纖與光波導、激光與光纖之間的稱合來展開的，能夠壓縮拉赫不變量，同時實現小光束截面、小發散角度激光長距離傳輸的結構并沒有提出
發明內容
本發明目的在于提供一種新的光纖耦合器件，采用垂直光軸的空間立體反射折轉結構，解決通過光纖輸出激光時難以實現小光束截面、小發散角度光束長距離傳輸的問題。本發明通過將激光在垂直光軸方向進行空間擴展來壓縮長度，結合精密調整技木，同時壓縮光纖輸出光束的發散角度和光斑直徑，形成小直徑、小發散角的輸出光束。本發明的目的是這樣實現的本發明涉及的細光束小發散角的光纖耦合器件，如圖I至圖5所示，包括光纖接頭I、固定支架2、帶孔反射鏡3、折疊反射鏡4、聚焦透鏡5、準直透鏡6、外套筒7。在所述的技術方案中，所述的光纖接頭I是連接有光纖的光纖接頭，光纖的另一端連接光源，接頭用來與固定支架連接固定，并可以拆卸下；在所述的技術方案中，所述的固定支架2用來固定支撐整個耦合器件，并通過上面的固定孔可以固定在箱體、支撐結構件上； 在所述的技術方案中，所述的帶孔反射鏡3用來反射光束，壓縮發散角；在所述的技術方案中，所述的折疊反射鏡4用來將光纖接頭I發出的激光在垂軸方向擴散開，并反射到帶孔反射鏡3上，實現光束的空間立體轉折；在所述的技術方案中，所述的聚焦透鏡5用來匯聚光束，壓縮光束直徑；在所述的技術方案中，所述的準直透鏡6用來將光束調節形成平行光出射；在所述的技術方案中，所述的外套筒7用來固定帶孔反射鏡3、分光反射鏡4、聚焦透鏡5、準直透鏡6，將光束調節形成平行光出射；本發明與已有技術相比具有如下的優點可以形成直徑小于1mm，平行出射的激光光束，并且傳輸距離大于100mm。目前對光纖輸出光束進行整形時，受到透鏡材料折射率的限制，如果采用透鏡壓縮發散角，很難設計出匯聚后光束直徑如此小、傳輸距離如此長的結構。本發明可以應用在長工作物質端面泵浦的激光器的泵浦光耦合中，也可以應用在激光加工中，并且體積小巧、結構緊湊穩定，具有很好的實用價值。
圖I是細光束小發散角光纖耦合器件的外形結構。圖2是細光束小發散角光纖耦合器件的剖面圖剖面位置。圖3是細光束小發散角光纖耦合器件的剖面圖。圖4是細光束小發散角光纖耦合器件的剖面圖及光線傳播軌跡圖。圖5是細光束小發散角光纖耦合器件的另ー種實施方案。
具體實施例方式為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖和實施例將對本發明進ー步詳細說明。實施例I參考圖I、圖2、圖3、圖4，制作一個本發明所述的細光束小發散角的光纖耦合器件。該器件的光纖接頭I為ー根帶有標準SM905接頭的光纖，該光纖是多模光纖，可以從現有光纖生產廠家購得。固定支架2由黃銅加工制成，包括能夠與SM905接頭銜接的螺旋接ロ，帶有標準SM905接頭的光纖擰緊后，光纖頭從固定支架2中間ー個直徑約3mm的孔透出，固定支架2上還有4個固定孔，用來固定在所應用的設備上。帶孔反射鏡3直徑20mm，中心厚度3mm，中間有ー個直徑3mm的孔；帶孔反射鏡3的一個面是平面，通過膠粘貼在固定支架上；帶孔反射鏡3另ー個面是非球凹面，能夠消除不同點照射來激光的光程差并將入射來的光匯聚成平行光。折疊反射鏡4直徑20mm，厚度4mm，中間拋光加工出了ー個圓錐的坑，在圓錐形的坑內鍍有銀膜，兩側其他平坦的部分均鍍有對光纖發出光的增透膜。從光纖接頭I中發出的光穿過帶孔反射鏡3中間的孔，照射在折疊反射鏡4上，然后反射到帶孔反射鏡3上，平行射出后由聚焦透鏡5聚焦。聚焦透鏡5直徑20mm，中心厚度4mm，焦距30mm,是一片雙凸球面鏡。準直透鏡6直徑5_，中心厚度1_ ；由聚焦透鏡5聚焦的光束經過準直透鏡6發散后，變成直徑Imm的平行光束射出。準直透鏡6固定在由黃銅制成的外套筒7上。外套筒7外直徑25mm，內孔徑20mm，通過螺紋壓圈將折疊反射鏡4和聚焦透鏡5固定。實施例2參考圖5，制作一個本發明所述的細光束小發散角的光纖耦合器件。該器件的光纖 接頭I為ー根帶有非標準接頭的光纖，該光纖是單模光纖，可以從現有光纖生產廠家購得。固定支架2由不銹鋼加工制成，包括能夠與光纖連接的固定接ロ，固定后光纖頭從固定支架2中間ー個直徑約2_的孔透出，固定支架2上還有4個固定孔，用來固定在所應用的設備上。帶孔反射鏡3直徑15mm，中心厚度3mm，中間有ー個直徑2. 5mm的孔；帶孔反射鏡3的一個面是平面，通過膠粘貼在固定支架上；帶孔反射鏡3另ー個面是非球凹面，能夠消除不同點照射來激光的光程差并將入射來的光匯聚。折疊反射鏡4是采用塑料壓制成型的透鏡，直徑5mm，一端為平面，另一端是曲率半徑7mm的球面。從光纖接頭I中發出的光穿過帶孔反射鏡3中間的孔，照射在折疊反射鏡4上，然后反射到帶孔反射鏡3上，并直接聚焦到準直透鏡6上。聚焦的光束經過準直透鏡6發散后，變成直徑1_的平行光束射出。準直透鏡6固定在由黃銅制成的外套筒7上。外套筒7外直徑20mm，內孔徑15mm，通過膠粘固定。
權利要求
1.一種光纖耦合器件，包括光纖接頭、固定支架、帶孔反射鏡、折疊反射鏡、聚焦透鏡、準直透鏡、夕卜套筒，用來實現同時壓縮從光纖出射光束的發散角和光斑直徑，形成小直徑、小發散角的輸出光束。
2.按權利要求I所述的光纖耦合器件，其特征在于，所述的光纖接頭是連接有光纖的接頭，光纖的另一端連接光源，接頭用來與固定支架連接固定，并可以拆卸下；所述的固定支架用來固定支撐整個耦合器件，并通過上面的固定孔可以固定在箱體、支撐結構件上；所述的帶孔反射鏡3用來反射光束，壓縮發散角；所述的折疊反射鏡用來將光纖接頭發出的激光在垂軸方向擴散開，并反射到帶孔反射鏡上，實現光束的空間立體轉折；所述的聚焦透鏡用來匯聚光束，壓縮光束直徑；所述的準直透鏡用來將光束調節形成平行光出射；所述的外套筒用來固定帶孔反射鏡、分光反射鏡、聚焦透鏡、準直透鏡，將光束調節形成平行光出射。
3.按權利要求I所述的光纖耦合器件，其特征在于，所述的光纖接頭可以是標準的商業光纖接頭，如SM905型光纖接頭；也可以是自己設計制作的光纖接頭，其功能是將導入光的光纖相對于固定支架固定，并具備便捷的拆卸功能。
4.按權利要求I所述的光纖耦合器件，其特征在于，所述的固定支架可以是金屬、塑料、陶瓷等材料制成的，可以設計有用于固定的定位面及固定孔，固定孔數量I至20個，主要功能是固定光纖接頭、外套筒和帶孔反射鏡。
5.按權利要求I所述的光纖耦合器件，其特征在于，所述的帶孔反射鏡可以由玻璃或塑料制成，直徑5mm至100mm，中心有ー個直徑I至IOmm的圓孔，用來透出光纖發出的光；帶孔反射鏡的ー個面是平面，通過膠粘、夾持等方式固定在固定支架上；帶孔反射鏡的另一個面可以是球面、拋物面或者其他非球面。
6.按權利要求I所述的光纖耦合器件，其特征在于，所述的折疊反射鏡可以由玻璃或塑料制成，直徑5mm至100mm,厚度2至20mm,中心加工有一個底面直徑2至IOmm,高3至15mm的圓錐形坑或者ー個底面直徑2至IOmm的球形坑，坑內部鍍有針對光纖發出光波長的高反射膜；該高反射膜可以是銀膜、鋁膜或者非金屬膜；其他的平面部分鍍有針對光纖發出光波長的增透膜；折疊反射鏡的功能是形成空間離軸，將從光纖出射的光反射到帶孔反射鏡上。
7.按權利要求I所述的光纖耦合器件，其特征在于，所述的折疊反射鏡可以由玻璃或塑料制成，直徑5mm至100mm，厚度2至20mm，包含ー個球面或者非球面反射面，表面鍍有針對光纖發出光波長的高反射膜；該高反射膜可以是銀膜、鋁膜或者非金屬膜。
8.按權利要求I所述的光纖耦合器件，其特征在于，所述的聚焦透鏡和準直透鏡可以由玻璃或塑料制成，直徑3mm至100mm，厚度2至20mm，包含ー個或兩個球面或者非球面反射面，表面可以鍍有針對光纖發出光波長的增透膜；聚焦透鏡的功能是進ー步匯聚光束，準直透鏡的功能是將光束擴散成平行光。
9.按權利要求I所述的光纖耦合器件，其特征在于，所述的聚焦透鏡可以不安裝，直接通過帶孔反射鏡來匯聚光束，與準直透鏡配合，形成小直徑、小發散角的輸出光束。
全文摘要
本發明涉及一種新型光纖耦合器件，采用垂直光軸的空間立體反射折轉結構解決通過光纖輸出激光時，難以實現小光束截面、小發散角度光束長距離傳輸的問題。本發明通過將激光在垂直光軸方向進行空間擴展來壓縮光學不變量，結合精密微調整技術，同時壓縮光纖輸出光束的發散角度和光斑直徑，形成小直徑、小發散角的輸出光束。本發明可以應用在長工作物質端面泵浦的激光器的泵浦光耦合中，也可以應用在激光加工中，并且體積小巧、結構緊湊穩定，具有很好的實用價值。
文檔編號G02B6/32GK102841409SQ20121030876
公開日2012年12月26日 申請日期2012年8月28日 優先權日2012年8月28日
發明者趙天卓, 余錦, 樊仲維, 黃科, 林蔚然 申請人:中國科學院光電研究院, 北京國科世紀激光技術有限公司