[发明专利]一种双凸非球面万瓦级高抗损伤大口径风冷光纤连接器

说明书

本发明公开了一种双凸非球面万瓦级高抗损伤大口径风冷光纤连接器，包括发射装置、扩束装置、风冷装置、聚焦装置和接收装置。发射装置包括第一端帽夹持器和第一端帽，接收装置包括第二端帽夹持器和第二端帽；扩束装置包括第一镜片夹持器和准直镜；风冷装置包括第一入风口的第一进气风扇，第二入风口的第二进气风扇，第一出风口的第一排气风扇，第二出风口的第二排气风扇和准直镜后方的石英玻璃板；聚焦装置包括第二镜片夹持器及和聚焦镜。本发明的光学系统采用两个大口径双凸非球面镜，在消除系统球差的同时有效避免了返回光对发射装置的损伤。通过对透镜前后表面均匀的风冷散热，避免透镜产生温度梯度，提高了光纤连接器的耦合效率和阈值功率。

技术领域

本发明属于激光技术领域，具体涉及一种双凸非球面万瓦级高抗损伤大口径风冷光纤连接器。

背景技术

近年来，随着高功率固体激光器和半导体激光器光束质量的不断提高，以及光纤制备技术的成熟，高功率光纤连接器已广泛应用于工业、医疗外科、国防军事等领域。高功率光纤连接器是实现传能光纤之间进行可拆卸连接的器件，可以使发射光纤输出的光能量尽可能耦合到接收光纤中，并使其对整个系统的影响最小。不同于光纤通讯中使用的低功率光纤连接器，对于机械加工、激光医疗、汽车制造和军事等行业所需的高强度激光，均在几千瓦甚至万瓦级功率下使用，光纤连接器在传输和耦合高功率激光过程中，其耦合效率、传输损耗、承受功率需要严格控制，传统的“V型”槽、光纤熔接等光纤连接方法已经不再适用，需对冷却装置、耦合镜设计、防反射损伤等多方面对连接器系统做出改进，使其具备传输效率高、成本低、性能可靠以及便于操作等特点。

返回光损伤是由于高功率激光照射在透镜表面，一部分激光未透过透镜，被反射的激光原路回到光纤发射装置中将其破坏。通常我们将透镜镀上高透过率增透膜来减小返回光的强度。但在几千瓦甚至万瓦级的光纤连接器中，即使增透膜的透过率达到99.5％以上，也会有几十瓦的激光未透过膜层，被反射并沿着原光路返回到发射光纤中将其损坏。因此，万瓦级光纤连接器需进行抗返回光设计，目前，光纤连接器的光学系统多数采用平凸或平凹透镜组，这种方案可以较好地控制光学系统的像差和色差，带来的弊端是多透镜组的封装、调试困难，以及透镜的平面一侧会产生返回光损伤。而双凸非球面镜可以在消球差的同时，利用透镜两侧的双凸面避免返回光沿着原路回到发射光纤中。

在高功率光纤连接器散热方面，主要的散热方式有边缘水冷、相变制冷、半导体制冷等，其中“边缘水冷”是现在运用最广泛的冷却方式，即通过透镜边缘与镜片夹持器接触，镜片夹持器外部通循环冷却水，高功率激光产生的热量通过透镜边缘被带走，这种方式可以保证透镜边缘维持在相对较低的温度。但是，这会使透镜中心得不到有效散热，尤其在对大口径透镜的散热中，透镜中心的热量不能完全传递到透镜边缘，造成中心位置与透镜边缘产生较大的温差。产生这种温度梯度也会引起折射率的变化，进而影响光纤连接器的耦合效率以及激光的光束质量。因此，需要一种新的透镜冷却方式，即“风冷方式”，使透镜前后表面得到均匀散热，减小透镜中心与边缘的温度差所引起的热像差，提高光纤连接器的耦合效率及阈值功率。

发明内容

本发明的目的在于，光学系统采用两个大口径双凸非球面镜，在消除系统球差的同时降低了承受激光的功率密度，高透过率增透膜和透镜的双凸设计有效避免了返回光对发射装置的损伤。此外，通过对透镜前后表面进行风冷均匀散热，避免了大口径透镜在进行“边缘水冷”散热时，由于中心温度过高引起的透镜表面温度梯度，从而提高了光纤连接器的耦合效率和阈值功率。

实现本发明目的的技术解决方案为：本发明属于激光技术领域，涉及一种双凸非球面万瓦级高抗损伤大口径风冷光纤连接器，所述光纤连接器包括发射装置、扩束装置、风冷装置、聚焦装置和接收装置。发射装置包括第一端帽夹持器及和设有端帽夹持器内的第一端帽，接收装置包括第二端帽夹持器及和设有端帽夹持器内的第二端帽；扩束装置包括第一镜片夹持器及设有镜片夹持器内的准直镜；风冷装置包括设置在第一入风口的第一进气风扇，第二入风口的第二进气风扇，第一出风口的第一排气风扇，第二出风口的第二排气风扇，以及设置在准直镜后方的石英玻璃板；聚焦装置包括第一镜片夹持器及和设有镜片夹持器内的聚焦镜。