[发明专利]用于光学纤维部件的封装及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及光学纤维部件的封装。更准确地说，本发明涉及根据权利要求1和11的前序部分所述的光学纤维封装与制造方法。

背景技术

在多种需要高光功率水平来加工工件的工业应用中，纤维激光器从更传统的激光源中获得了市场占有率。纤维激光器越来越高的普及性取决于其高效率、高波束品质，以及其对维护的低要求。

为了使纤维激光器作为整体可靠地运行，其光学纤维部件、诸如泵或信号耦合器必须以稳固的方式构建。当设在高功率纤维激光器的内部时，光学纤维部件可能会受到较高的光辐射波动性的影响。当在前向方向上操作时，大多数光辐射被设计成由部件的玻璃结构引导。然而，在一些情况下高光功率水平可能也会从光学纤维部件中泄露至部件的机械封装内部的自由空间中。比如，从工件处反射回来的辐射可能在与该部件被设计用于引导辐射的方向相反的方向上被引导至光学纤维部件中。这种部件的封装内的自由空间辐射会最终由该封装吸收，这将导致该部件的发热。

在追求光学纤维部件的高可靠性时，其封装必须设计成使得该封装的发热不会损坏该部件。为了预计可能的热功率水平，可以认为纤维激光器在kW级的输出功率水平下工作。当使用这种激光器来加工具有高反射率的金属、诸如铜时，影响该工件的一大部分功率可能被反射回至纤维激光器中。这种被反射回的功率的一部分之后被转换，以在部件封装的内部产生热量。因此，这种情况下的热功率水平为100W级。

针对光学纤维部件的热诱发的应力并不一定会由以上所描述的辐射产生。在激光器系统的运输期间，温度可以变化数十度。其结果是，如果在该部件的封装设计中没有考虑到这种温度变化，则将会发生部件的失效问题。

金属制成的封装通常用于在其中安装光学纤维。在确定给定金属作为封装材料的适用性时，需要考虑两个关键因素。第一个因素是热传导性，其确定材料可以多大程度上将热量从热负荷的引入点传导出去。第二个因素是热膨胀系数，该系数确定当金属被加热时其膨胀的程度。光学纤维部件本身通常由热膨胀系数大约为5×10^-7/K的熔融石英构成。金属典型地具有比熔融石英的热膨胀系数高至少10倍的热膨胀系数。因此，如果光学纤维部件刚性地安装在金属外壳上，其产生的热量会导致部件的拉伸，并且造成其应变。由于光学纤维部件通常很脆弱，这种应变可能破坏该部件。

可以通过使用具有很小的热膨胀系数的金属合金来减轻这种影响，比如因瓦合金（即FeNi36）。然而，这种合金的热传导性通常比诸如纯铜或纯铝的热传导性明显小得多。因此它们的低热膨胀系数的优点通常被它们的低热传导性所抵消。

在US6,942,399中提出了一种解决方案，其中公开了用于连接两种光导纤维的光导纤维耦合器。根据US6,942,399的耦合器包括加强件(20)，其稳固地容纳于圆柱件(50)内。加强件(20)由诸如石英、陶瓷或者因瓦合金的硬质材料制成，并且具有多边形的横截面以及用于容纳光纤(30,31)的纵向的U型槽(22)。光纤(30,31)通过使用粘合剂(60)固定于槽的两端处。加强件(20)的光纤接收表面(23)可以进行镀铭、镀锡或镀镍。

然而，因为加强件是由在接收到来自光导纤维的杂散辐射后无法将热量传输出光纤的材料制成，所提出的这种构造无法有效地减小涉及光学纤维的应变。

发明内容

因此，本发明的一个目的在于提供针对诸如光导纤维的光学纤维部件的封装，其中减小了针对光学纤维的热诱发的应变。

一方面，本发明的目的通过一种新型光学纤维部件的封装来实现，该封装包括具有第一热膨胀系数的第一支撑件。该封装进一步包括第二支撑件，其弹性地安装至第一支撑件，以便于减小第一支撑件的热膨胀所诱发的应变向第二支撑件的转移。第二支撑件包括纵向凹槽，其在第二支撑件的至少一边开口以容纳光学纤维部件，其中，第二支撑件具有比光学纤维部件高得多的拉伸强度。第二支撑件具有比第一热膨胀系数小得多的第二热膨胀系数，其中，第一支撑件适于交换由自由空间辐射引发的热量。第二支撑件由该部件中所使用的波长可以透射的材料、例如石英制成。

更具体来说，根据本发明的封装的特征在于权利要求1中的特征部分。

另一方面，本发明的目的通过一种制造新型光学纤维部件封装的新型方法来实现，在该方法中提供了第一和第二支撑件，使得第二支撑件的材料具有比第一支撑件小得多的热膨胀系数。第二支撑件由该部件中所使用的波长可以透射的材料、例如石英制成。第二支撑件弹性地安装至第一支撑件，并且光学纤维部件与第二支撑件连接。