[發明專利]一種消像差的萬瓦級光纖連接器

有效

• 申請號: 201910724132.1
• 申請日: 2019-08-07
• 公開（公告）號: CN110471144B
• 公開（公告）日: 2020-11-03
• 發明（設計）人: 李平雪;董雪巖;章曦;楊衛鑫
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G02B6/32
• 分類號: G02B6/32;G02B27/00;F25D3/10;F25D1/02
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 劉萍

一種消像差的萬瓦級光纖連接器屬于激光技術領域，包括光纖輸入端、準直透鏡組、聚焦透鏡組、光纖輸出端和鏡片水冷裝置。準直透鏡組包括第一正光焦度彎月凸透鏡、第一非球面負光焦度凹透鏡、第一正光焦度凸透鏡；聚焦透鏡組包括第二正光焦度凸透鏡、第二非球面負光焦度凹透鏡、第二正光焦度彎月凸透鏡；光纖輸入端、光纖輸出端與各透鏡在光的傳播方向上依次同軸排列。本發明采用4片球面鏡和2片非球面鏡設計，降低成本的同時具有消像差功能；透鏡的材料和膜層具有高損傷閾值，設有冷卻裝置可用于萬瓦級光纖激光的傳輸；并且具有良好的互換性和兼容性，適用于不同數值孔徑的光纖傳輸，有效解決了光源到工作站的長距離傳輸問題。

技術領域

本發明涉及光纖激光技術領域，具體涉及一種消像差的萬瓦級光纖連接器。

背景技術

近年來，隨著光纖制備技術的成熟，利用光纖傳輸高能激光束已廣泛應用于工業、國防、醫療、信息等領域。采用光纖傳輸高能激光束具有以下的優勢：(1)光纖可柔性化傳輸使光源很容易與機器人手臂集成，從而實現三維加工；(2)隨著光纖制備技術的不斷完善，石英光纖在1μm波長附近的傳輸損耗已降低到1dB/km以下，接近由瑞利散射決定的最低極限；(3)加工頭移動的過程中激光傳輸距離不變，因此不會產生焦點漂移，并且光纖傳輸安全性能更好。為了實現從光源到光纖、從光纖到光纖以及光纖與工作站之間光能量高效率傳輸，光纖連接器作為不可或缺的傳輸器件，它把光纖的兩個端面精密對接起來，使發射光纖輸出的光能量最大限度地耦合到接收端光纖中，并使由于其介入光鏈路而對系統造成的影響減到最小，這是光纖連接器的基本要求。在一定程度上，光纖連接器影響了光傳輸系統的可靠性和各項性能。目前，光纖通信中低功率的光纖連接器已經成熟，并且在光通信系統、光信息處理系統、光學儀器儀表中被廣泛應用。然而，在激光加工、激光測距、光電對抗等領域則需要大功率、高能量的激光連接器。

目前，功率高達萬瓦級的激光在光纖耦合過程仍存在著未解決問題：(1)由于高功率激光的照射，會導致鏡片被加熱至高溫狀態，造成鏡片形變甚至損壞。模擬數據表明當輸出功率達到1萬瓦時，石英玻璃鏡片軸向熱膨脹約2mm，折射率由鏡片邊緣到鏡片中心從1.66變化至1.75，所產生的焦點飄移為1.5mm；其次由于功率密度過高造成的增透膜損傷也會導致鏡片透過率下降；這些因素都會影響光纖連接器的耦合效率，甚至損壞整個激光系統。因此萬瓦級的光纖連接器需加裝水冷裝置，控制鏡片表面溫度在100℃以下。(2)除了熱效應會影響光纖連接器的耦合效率以外，光束質量也是影響萬瓦級光纖連接器性能的重要指標之一。當入射光斑的直徑大于光纖芯徑或者入射光束的發散角大于光纖數值孔徑時，部分激光將沿著包層的波導進行傳輸，此過程中激光會在某個位置溢出到涂覆層中，從而在該處形成薄弱點，極易造成光纖燒毀。因此，欲將大功率激光耦合進光纖纖芯中，必須保證較高的光束質量，即滿足入射光束的光束參數乘積BPP_laser小于光纖固有的光束參數乘積BPP_fiber，這也是光纖連接器光學系統設計時的重要依據。

發明內容

本發明的目的是提供一種消像差的萬瓦級光纖連接器，該光纖連接器的采用4片球面鏡和2片非球面鏡設計，降低成本的同時具有消像差功能；透鏡的材料和膜層具有高損傷閾值，整個光學系統設有冷卻裝置可用于萬瓦級光纖激光的傳輸；并且該光纖連接器具有良好的互換性和兼容性，適用于不同數值孔徑的光纖傳輸，滿足市面上大多數光傳輸設備、光附屬設備、光測試儀表的轉接需求，有效解決了光源到工作站的長距離傳輸問題。本發明的目的是通過以下技術方案實現的：

一種消像差的萬瓦級光纖連接器，包括同軸設置的光纖輸入端、準直透鏡組、聚焦透鏡組、光纖輸出端和鏡片水冷裝置，其中：

所述準直透鏡組包括第一正光焦度彎月凸透鏡、第一非球面負光焦度凹透鏡、第一正光焦度凸透鏡；聚焦透鏡組包括第二正光焦度凸透鏡、第二非球面負光焦度凹透鏡、第二正光焦度彎月凸透鏡；鏡片水冷裝置包括內壁和外壁；