專利名稱：高功率激光能量續(xù)斷器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于光纖傳輸高功率激光領(lǐng)域，具體涉及一種高功率激光能量續(xù)斷 器。它是一種基于微小型凸輪結(jié)構(gòu)作為執(zhí)行器驅(qū)動光纖對準來控制高功率激光光束通斷的 光纖光開關(guān)，可用于激光點火與起爆系統(tǒng)的光能續(xù)斷器。
背景技術(shù)：
激光點火是利用激光能量點燃或起爆含能材料。在激光點火系統(tǒng)的傳能光路中加 入光通道控制開關(guān)作為能量續(xù)斷器，可以作為一級保險增加系統(tǒng)的安全性，有利于系統(tǒng)的 小型化、并可以實現(xiàn)多模尋址點火。由于激光點火應(yīng)用中激光功率高、小型化等特點，對 此光能續(xù)斷器的設(shè)計和制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。目前對于激光點火系統(tǒng)采用光纖作為光能傳輸通道具有安全、可靠、易于小型化 何實現(xiàn)選址點火等優(yōu)點，2008年中國《紅外與激光工程》雜志第三期中發(fā)表的名稱為“高峰 值功率脈沖激光的光纖傳能特性”的文獻針對激光點火系統(tǒng)中光纖傳能特性進行了論述， 指出采用光纖傳能是實現(xiàn)激光點火系統(tǒng)小型化和實用化的關(guān)鍵。在光纖光路中加入高功率 激光能量續(xù)斷器是實現(xiàn)激光點火系統(tǒng)安全性設(shè)計、傳輸能量控制和選址點火的重要方法。 由于控制的對象是高功率激光，傳能光纖選用大芯徑階躍折射率多模石英光纖，激光點火 系統(tǒng)中的光纖光開關(guān)具有以下特點(1) “ON”狀態(tài)下盡可能高的耦合效率；⑵光纖芯徑較大(數(shù)百P m)且為了提高 安全隔離度(“0N”、“0FF”狀態(tài)切換快，“OFF”狀態(tài)下能量盡可能隔離)，需要大位移、大力 矩的致動器；(3)環(huán)境適應(yīng)性強，如抗振動、沖擊等。目前，實現(xiàn)光能續(xù)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(jié)構(gòu)中，由于存在一個反射鏡，影響了傳輸效率，可以通過鍍金等手段提高反射率， 但是由于在激光點火與起爆系統(tǒng)中，激光功率密度很高，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(jié)構(gòu)中，擋光板插入兩光纖之間的空隙，驅(qū)動器帶動擋光板運動，通過控制驅(qū)動器的 上下或者左右運動改變擋光板的遮擋情況，實現(xiàn)激光光纖傳能系統(tǒng)的“續(xù)斷”功能。擋光板 及其驅(qū)動器制造工藝復(fù)雜，容易破壞。由于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(chǎn)品率低。因此，在激光點火與起爆系統(tǒng)應(yīng)用中位錯型光纖光開關(guān)作為 光能續(xù)斷器具有較大優(yōu)勢。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是為激光點火與起爆系統(tǒng)提供一種安全可靠的高功率激光能 量續(xù)斷器。本實用新型的高功率激光能量續(xù)斷器，特點是，所述的續(xù)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(shè)置在底座的中部。所述光纖定位槽通過支架固定設(shè)置在底座上，移動光纖 和固定光纖分別設(shè)置于光纖定位槽內(nèi)，移動光纖和固定光纖處于橫向錯開狀態(tài)。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(cè)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。所述的凸輪采用的材料為塑料、金屬、硅、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激光拋光面。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(zhuǎn)。所述的凸輪，由于其外輪廓的變化，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(dǎo)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(shè)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(dāng)?shù)墓潭ň?離，實現(xiàn)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(qū)動凸輪結(jié)構(gòu)執(zhí)行器旋轉(zhuǎn)運動實現(xiàn)光纖對準連接的光 能續(xù)斷器，它同時具有衰減量可調(diào)和光纖輸出選通的功能。當(dāng)激光點火與起爆系統(tǒng)處于非 工作狀態(tài)時，光能續(xù)斷器處于斷開狀態(tài)，保證了系統(tǒng)的安全性。當(dāng)激光點火與起爆系統(tǒng)需要 工作時，控制系統(tǒng)發(fā)出指令給步進電機，步進電機根據(jù)指令要求旋轉(zhuǎn)中心軸，帶動凸輪旋轉(zhuǎn) 一定角度后停止。此時，根據(jù)原先設(shè)定指標可以實現(xiàn)光纖的精確對準或者選通等功能，從而 保證了整個激光點火與起爆系統(tǒng)的順利運行。步進電機具有低于15V的驅(qū)動電壓，滿足激 光點火與起爆系統(tǒng)低電壓要求，步進精度為1度，步進時間為ms量級。分辨率可達微米量 級，完全滿足系統(tǒng)對低功耗、大移動范圍和高動態(tài)響應(yīng)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采用MEMS工藝在硅片上制造的V型槽或則U型槽。本實用新型所述的凸輪結(jié)構(gòu)采用精密機械加工，材料可以為鋁、銅、不銹鋼、硅、石 英等。凸輪的形狀可以根據(jù)需要設(shè)計為一個凸起或者多個凸起。本實用新型所述的高功率激光能量續(xù)斷器中的移動光纖的耦合端位移量可以通 過凸輪轉(zhuǎn)動角度、光纖與凸輪相切點位置來控制。改變位移量，實現(xiàn)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激光能量續(xù)斷器，通過控制凸輪的輪廓曲線和旋轉(zhuǎn)周 期，實現(xiàn)激光能量傳輸?shù)闹芷谛宰兓?。本實用新型的所述的光纖連接耦合端可以采取一定的措施，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(shù)mm長光纖芯空氣隔離寸。本實用新型提供了一種基于凸輪結(jié)構(gòu)驅(qū)動光纖對準來控制高功率激光通斷的高功率激光能量續(xù)斷器。具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、光路簡單、對準控制容易，封裝簡單、易大批 量制造；對溫度、濕度等環(huán)境變化不太靈敏；對波長和偏振態(tài)不敏感。高功率激光能量續(xù)斷 器的插入損耗低于0. 5dB，隔離度>13dB (滿足激光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激光能量續(xù)斷器結(jié)構(gòu)示意圖圖2為本實用新型的高功率激光能量續(xù)斷器“斷”態(tài)示意圖圖3為本實用新型的高功率激光能量續(xù)斷器“通”態(tài)示意圖圖4為本實用新型的高功率激光能量續(xù)斷器的實施例的一種具有四個凸起的凸 輪結(jié)構(gòu)示意圖圖5為本實用新型的高功率激光能量續(xù)斷器按照一定頻率旋轉(zhuǎn)，光能續(xù)斷器的開 關(guān)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(jié)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激光能量續(xù)斷器，所述的續(xù)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(shè)置在底座7的中部；所述光纖定位槽4通過支架5固定設(shè)置在底 座7上，移動光纖1和固定光纖2分別設(shè)置于光纖定位槽4內(nèi)，移動光纖1和固定光纖2處 于橫向錯開狀態(tài)；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(cè)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(zhuǎn)動，帶動凸輪3旋轉(zhuǎn)，根據(jù)凸輪結(jié)構(gòu)和對準耦合 需要控制旋轉(zhuǎn)角度，凸輪3推動移動光纖1在光纖定位槽4平面內(nèi)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(xiàn)激光能量續(xù)斷控制。如圖2為光纖錯開狀態(tài)，此時激光 傳能系統(tǒng)為“斷”。當(dāng)凸輪3在步進電機6的帶動下旋轉(zhuǎn)90°后，移動光纖1與固定光纖2 對準，如圖3所示，此時激光傳能系統(tǒng)為“通”狀態(tài)。當(dāng)步進電機6周期性轉(zhuǎn)動后，兩光纖就 可以實現(xiàn)周期性“通” “斷”功能。對于步進電機6主軸每次的步進角度可以根據(jù)需要改變，通過設(shè)定適當(dāng)?shù)牟竭M角 度和凸輪3外部輪廓配合，可以實現(xiàn)兩光纖不同的錯開量，實現(xiàn)激光能量衰減。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。對于連續(xù)激光來說，不同的外部輪廓結(jié)構(gòu)可 以產(chǎn)生不同的激光能量“續(xù)斷”波形，也就是說產(chǎn)生不同頻率的激光輸出波形。圖5中，χ軸代表時間，y軸代表輸出激光能量。從而更加靈活在時間上控制激光 能量傳輸，滿足對不同激光脈沖序列的需求。對于脈沖激光來說，可以通過控制凸起的個數(shù)
5和形狀，控制開關(guān)通斷時間序列，達到控制激光脈沖傳輸?shù)哪康摹?br> 權(quán)利要求一種高功率激光能量續(xù)斷器，其特征在于，所述的續(xù)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(shè)置在底座(7)的中部；所述光纖定位槽(4)通過支架(5)固定設(shè)置在底座(7)上，移動光纖(1)和固定光纖(2)分別設(shè)置于光纖定位槽(4)內(nèi)，移動光纖(1)和固定光纖(2)處于橫向錯開狀態(tài)；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(cè)邊與移動光纖(1)軸向相切。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率激光能量續(xù)斷器，其特征在于，所述的凸輪(3)的外周 有一個或多個凸起。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率激光能量續(xù)斷器，其特征在于，所述的多模光纖的端 面為平面或斜面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率激光能量續(xù)斷器，其特征在于，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激光能量續(xù)斷器，所述的續(xù)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(shè)置在底座上，移動光纖和固定光纖分別設(shè)置于光纖定位槽內(nèi)，凸輪短軸與長軸的交替變換導(dǎo)致光纖的錯開和連通。本實用新型的高功率激光能量續(xù)斷器，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、對準控制容易，且封裝簡單、易大批量制造的優(yōu)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(yōu)先權(quán)日2010年3月11日
發(fā)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