高功率雷射能量續斷器的製作方法

2023-05-04 10:17:56 3

專利名稱：高功率雷射能量續斷器的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於光纖傳輸高功率雷射領域，具體涉及一種高功率雷射能量續斷 器。它是一種基於微小型凸輪結構作為執行器驅動光纖對準來控制高功率雷射光束通斷的 光纖光開關，可用於雷射點火與起爆系統的光能續斷器。
背景技術：
雷射點火是利用雷射能量點燃或起爆含能材料。在雷射點火系統的傳能光路中加 入光通道控制開關作為能量續斷器，可以作為一級保險增加系統的安全性，有利於系統的 小型化、並可以實現多模尋址點火。由於雷射點火應用中雷射功率高、小型化等特點，對 此光能續斷器的設計和製造提出了高耦合效率、高傳輸容量、高可靠性、高魯棒性等新的要 求。目前對於雷射點火系統採用光纖作為光能傳輸通道具有安全、可靠、易於小型化 何實現選址點火等優點，2008年中國《紅外與雷射工程》雜誌第三期中發表的名稱為「高峰 值功率脈衝雷射的光纖傳能特性」的文獻針對雷射點火系統中光纖傳能特性進行了論述， 指出採用光纖傳能是實現雷射點火系統小型化和實用化的關鍵。在光纖光路中加入高功率 雷射能量續斷器是實現雷射點火系統安全性設計、傳輸能量控制和選址點火的重要方法。 由於控制的對象是高功率雷射，傳能光纖選用大芯徑階躍折射率多模石英光纖，雷射點火 系統中的光纖光開關具有以下特點(1) 「ON」狀態下儘可能高的耦合效率；⑵光纖芯徑較大(數百P m)且為了提高 安全隔離度(「0N」、「0FF」狀態切換快，「OFF」狀態下能量儘可能隔離)，需要大位移、大力 矩的致動器；(3)環境適應性強，如抗振動、衝擊等。目前，實現光能續斷控制的方法主要有三種反射耦合法、遮擋法和位錯法。在反 射耦合結構中，由於存在一個反射鏡，影響了傳輸效率，可以通過鍍金等手段提高反射率， 但是由於在雷射點火與起爆系統中，雷射功率密度很高，達到GW/cm2量級，反射膜很容易遭 到破壞。另外還增加兩根光纖之間的一個固有距離，最小距離為光纖的直徑大小。同樣在 遮擋型結構中，擋光板插入兩光纖之間的空隙，驅動器帶動擋光板運動，通過控制驅動器的 上下或者左右運動改變擋光板的遮擋情況，實現雷射光纖傳能系統的「續斷」功能。擋光板 及其驅動器製造工藝複雜，容易破壞。由於兩根光纖不能挨得太近，引入較大插入損耗，封 裝和對準光纖困難，產品率低。因此，在雷射點火與起爆系統應用中位錯型光纖光開關作為 光能續斷器具有較大優勢。
發明內容本實用新型的目的是為雷射點火與起爆系統提供一種安全可靠的高功率雷射能 量續斷器。本實用新型的高功率雷射能量續斷器，特點是，所述的續斷器包括步進電機、底 座、多模光纖、光纖定位槽和凸輪；所述多模光纖包括一個移動光纖和一個固定光纖。所述步進電機固定設置在底座的中部。所述光纖定位槽通過支架固定設置在底座上，移動光纖 和固定光纖分別設置於光纖定位槽內，移動光纖和固定光纖處於橫向錯開狀態。所述凸輪 通過凸輪的中心孔與步進電機的中心軸相連接，凸輪與移動光纖和固定光纖共面，凸輪的 一側邊與移動光纖軸向相切。所述的凸輪的外周有一個或多個凸起。所述的多模光纖的端面為平面或斜面。所述的光纖定位槽為V形槽或U形槽。所述的凸輪採用的材料為塑料、金屬、矽、玻璃中的一種。所述的多模光纖的端面鍍有高功率增透膜。所述的多模光纖端面為雷射拋光面。本實用新型中凸輪中間的中心孔與步進電機中心軸相連，步進電機動作，帶動凸 輪旋轉。所述的凸輪，由於其外輪廓的變化，推動移動光纖的耦合端移動。凸輪短軸與長 軸的交替變換導致光纖的錯開和連通。通過精確控制光纖與凸輪接觸點的位置、設定步進 電機的步進角度以及凸輪的長軸和短軸，可以使移動光纖的光纖耦合端移動恰當的固定距 離，實現固定光纖耦合端和移動光纖耦合端得精密對準，插入損耗最低。本實用新型中的步進電機驅動凸輪結構執行器旋轉運動實現光纖對準連接的光 能續斷器，它同時具有衰減量可調和光纖輸出選通的功能。當雷射點火與起爆系統處於非 工作狀態時，光能續斷器處於斷開狀態，保證了系統的安全性。當雷射點火與起爆系統需要 工作時，控制系統發出指令給步進電機，步進電機根據指令要求旋轉中心軸，帶動凸輪旋轉 一定角度後停止。此時，根據原先設定指標可以實現光纖的精確對準或者選通等功能，從而 保證了整個雷射點火與起爆系統的順利運行。步進電機具有低於15V的驅動電壓，滿足激 光點火與起爆系統低電壓要求，步進精度為1度，步進時間為ms量級。解析度可達微米量 級，完全滿足系統對低功耗、大移動範圍和高動態響應的要求。本實用新型所述的光纖可以為普通石英光纖、空心光纖、光子晶體光纖中任意一 種。光纖芯徑在百微米量級，光纖具有良好的柔韌性。本實用新型所述的光纖定位槽為採用MEMS工藝在矽片上製造的V型槽或則U型槽。本實用新型所述的凸輪結構採用精密機械加工，材料可以為鋁、銅、不鏽鋼、矽、石 英等。凸輪的形狀可以根據需要設計為一個凸起或者多個凸起。本實用新型所述的高功率雷射能量續斷器中的移動光纖的耦合端位移量可以通 過凸輪轉動角度、光纖與凸輪相切點位置來控制。改變位移量，實現部分對準、精確對準或 者光纖選通。本實用新型所述的高功率雷射能量續斷器，通過控制凸輪的輪廓曲線和旋轉周 期，實現雷射能量傳輸的周期性變化。本實用新型的所述的光纖連接耦合端可以採取一定的措施，提高連接耦合效率。 比如對接的光纖端面鍍高功率增透膜，在兩根光纖對接端面的間隙填充折射率匹配液，或 真空封裝連接耦合部位；光纖對接端金屬化封裝，金屬套與輸出端數mm長光纖芯空氣隔離寸。本實用新型提供了一種基於凸輪結構驅動光纖對準來控制高功率雷射通斷的高功率雷射能量續斷器。具有結構簡單、成本低、光路簡單、對準控制容易，封裝簡單、易大批 量製造；對溫度、溼度等環境變化不太靈敏；對波長和偏振態不敏感。高功率雷射能量續斷 器的插入損耗低於0. 5dB，隔離度>13dB (滿足雷射點火與起爆安全性要求)，傳輸高功率激 光，回波損耗>50dB (光纖端面鍍高功率增透膜)。

圖1為本實用新型的高功率雷射能量續斷器結構示意圖圖2為本實用新型的高功率雷射能量續斷器「斷」態示意圖圖3為本實用新型的高功率雷射能量續斷器「通」態示意圖圖4為本實用新型的高功率雷射能量續斷器的實施例的一種具有四個凸起的凸 輪結構示意圖圖5為本實用新型的高功率雷射能量續斷器按照一定頻率旋轉，光能續斷器的開 關特性示意圖圖中，1.移動光纖 2.固定光纖 3.微小型凸輪 4.光纖定位槽 5.支 架6.步進電機 7.底板。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型作詳細描述。圖1中，本實用新型的高功率雷射能量續斷器，所述的續斷器包括步進電機6、底 座7、多模光纖、光纖定位槽4和凸輪3 ；所述多模光纖包括一個移動光纖1和一個固定光纖 2 ；所述步進電機6固定設置在底座7的中部；所述光纖定位槽4通過支架5固定設置在底 座7上，移動光纖1和固定光纖2分別設置於光纖定位槽4內，移動光纖1和固定光纖2處 於橫向錯開狀態；所述凸輪3通過凸輪3的中心孔與步進電機6的中心軸相連接，凸輪3與 移動光纖1和固定光纖2共面，凸輪3的一側邊與移動光纖1軸向相切。本實施例中的多模光纖的端面為平面，光纖定位槽4為V形槽，凸輪3的外周具有 四個凸起。本實用新型通過步進電機6主軸轉動，帶動凸輪3旋轉，根據凸輪結構和對準耦合 需要控制旋轉角度，凸輪3推動移動光纖1在光纖定位槽4平面內平動，達到移動光纖1與 固定光纖2的對準或錯開，從而實現雷射能量續斷控制。如圖2為光纖錯開狀態，此時雷射 傳能系統為「斷」。當凸輪3在步進電機6的帶動下旋轉90°後，移動光纖1與固定光纖2 對準，如圖3所示，此時雷射傳能系統為「通」狀態。當步進電機6周期性轉動後，兩光纖就 可以實現周期性「通」 「斷」功能。對於步進電機6主軸每次的步進角度可以根據需要改變，通過設定適當的步進角 度和凸輪3外部輪廓配合，可以實現兩光纖不同的錯開量，實現雷射能量衰減。為了保證足 夠高對準精度和移動光纖1的使用壽命，使用光纖的芯徑一般在100 μ m-600 μ m較為合適。圖4中，凸輪3的外周具有四個凸起。對於連續雷射來說，不同的外部輪廓結構可 以產生不同的雷射能量「續斷」波形，也就是說產生不同頻率的雷射輸出波形。圖5中，χ軸代表時間，y軸代表輸出雷射能量。從而更加靈活在時間上控制雷射 能量傳輸，滿足對不同雷射脈衝序列的需求。對於脈衝雷射來說，可以通過控制凸起的個數
5和形狀，控制開關通斷時間序列，達到控制雷射脈衝傳輸的目的。
權利要求一種高功率雷射能量續斷器，其特徵在於，所述的續斷器包括步進電機(6)、底座(7)、多模光纖、光纖定位槽(4)和凸輪(3)；所述多模光纖包括一個移動光纖(1)和一個固定光纖(2)；所述步進電機(6)固定設置在底座(7)的中部；所述光纖定位槽(4)通過支架(5)固定設置在底座(7)上，移動光纖(1)和固定光纖(2)分別設置於光纖定位槽(4)內，移動光纖(1)和固定光纖(2)處於橫向錯開狀態；所述凸輪(3)通過凸輪(3)的中心孔與步進電機(6)的中心軸相連接，凸輪(3)與移動光纖(1)和固定光纖(2)共面，凸輪(3)的一側邊與移動光纖(1)軸向相切。
2.根據權利要求1所述的高功率雷射能量續斷器，其特徵在於，所述的凸輪(3)的外周 有一個或多個凸起。
3.根據權利要求1所述的高功率雷射能量續斷器，其特徵在於，所述的多模光纖的端 面為平面或斜面。
4.根據權利要求1所述的高功率雷射能量續斷器，其特徵在於，所述的光纖定位槽(4) 為V形槽或U形槽。
專利摘要本實用新型提供了一種高功率雷射能量續斷器，所述的續斷器包括步進電機、底座、多模光纖、光纖定位槽和凸輪。多模光纖包括一個移動光纖和一個固定光纖，光纖定位槽通過支架固定設置在底座上，移動光纖和固定光纖分別設置於光纖定位槽內，凸輪短軸與長軸的交替變換導致光纖的錯開和連通。本實用新型的高功率雷射能量續斷器，具有結構簡單、成本低、對準控制容易，且封裝簡單、易大批量製造的優點。
文檔編號G02B6/35GK201622365SQ20102012765
公開日2010年11月3日 申請日期2010年3月11日 優先權日2010年3月11日
發明者楊晴, 楊波, 程永生, 蘇偉, 趙興海, 高楊 申請人:中國工程物理研究院電子工程研究所