光纤准直器及其制作方法与流程

1.本技术属于光纤激光技术领域，更具体地说，是涉及一种光纤准直器及其制作方法。


背景技术：

2.激光加工作为一种先进的加工工具，在工业生产中发挥着举足轻重的作用，随着全球工业4.0的不断推进，激光加工技术的应用领域越来越广泛，从材料加工到汽车生产，再到3d打印等新兴产业，激光加工技术已经成为国家战略的一部分。而精密制造技术代表了一个国家的先进制造能力和工业基础水平，直接影响多个重要行业的国际竞争力和国家的硬实力，比如：在航空发动机的制造，汽车发动机核心器件的加工，动力电磁极耳的切割，微电子、精密轴承、精密刀具等高精度、微小器件的加工和制造，金属表面锈蚀清洗，工艺品微雕等等。
3.激光器清洗是激光加工技术的一个主要应用方向，例如除锈、去污、去漆等等。一些需要清洗的工件，或者应用场合，作业空间十分狭小，对激光器输出头(光纤准直器)的尺寸提出苛刻的要求。目前，市面上常见的激光器输出头，为了满足一定激光光束直径的需求，通常需要对光路进行多级放大，这样一来光路长度就会比较长，最终导致整体结构尺寸比较长，难以适应用于结构紧凑的激光器系统。


技术实现要素：

4.本技术实施例的目的在于提供一种光纤准直器及其制作方法，以解决现有技术中存在的光纤准直器的尺寸比较大，不能满足结构紧凑的激光器系统的使用需求的技术问题。
5.为实现上述目的，本技术采用的技术方案是：提供一种光纤准直器，包括光纤、第一透镜、第二透镜和第三透镜，所述第一透镜的一端为平面，所述第一透镜的另一端为凹面，所述光纤与所述第一透镜的平面连接；所述第二透镜沿着所述光纤的轴线方向设置，并与所述第一透镜间隔设置，所述第二透镜的一端为平面，所述第二透镜的另一端为凸面，所述第二透镜的平面朝向所述第一透镜的凹面；所述第三透镜沿着所述光纤的轴线方向设置，所述第三透镜的一端为凹面，所述第三透镜的另一端为凸面；所述第三透镜的凹面与所述第二透镜的凸面接触。
6.可选地，所述光纤准直器还包括第一镜筒管和第二镜筒管；所述第二镜筒管套设在所述光纤上，并连接于所述第一镜筒管的第一端，所述第一透镜连接于所述第一镜筒管的第二端。
7.可选地，所述光纤准直器还包括主体镜筒管，所述主体镜筒管的第一端具有安装孔，所述第一镜筒管装配于所述安装孔中。
8.可选地，所述光纤准直器还包括镜筒套，所述第二透镜和所述第三透镜安装在所述镜筒套内；所述镜筒套与所述主体镜筒管的第二端连接。
9.可选地，所述主体镜筒管的第二端具有外螺纹，所述镜筒套的一端具有内螺纹；所述主体镜筒管与所述镜筒套螺纹连接。
10.可选地，所述光纤准直器还包括密封圈，所述密封圈设置在所述主体镜筒管与所述镜筒套的连接处。
11.可选地，所述光纤准直器还包括保护套管，所述光纤穿过所述保护套管；所述主体镜筒管的第一端具有凸起部，所述安装孔贯穿所述凸起部，所述保护套管套设于所述凸起部。
12.可选地，所述保护套管与所述凸起部螺纹连接。
13.可选地，所述光纤的轴线、所述第一透镜的轴线、所述第二透镜的轴线、所述第三透镜的轴线和所述安装孔的轴线重合。
14.本技术还提供了一种制作上述的光纤准直器的方法，所述方法包括使用调节架和光斑测试仪；
15.将所述第二透镜和所述第三透镜安装在所述镜筒套内，所述镜筒套与所述主体镜筒管的第二端固定；
16.将所述第二镜筒管固定在所述第一镜筒管的第一端，所述第一透镜固定在所述第一镜筒管的第二端；所述光纤穿过所述第二镜筒管，并固定在所述调节架上；
17.将所述第一镜筒管连接于所述安装孔中，所述调节架能够带动所述第一镜筒管沿着所述安装孔的轴线方向移动；
18.所述光斑测试仪位于所述第二透镜的出射端，所述光斑测试仪能够沿着激光光束的传播方向往复移动；
19.通过所述调节架拉动所述第一镜筒管移动，同时移动所述光斑测试仪，进行光斑直径的检测，当近场光斑直径与远场光斑直径一致时，将所述第一镜筒管与所述安装孔固定。
20.本技术提供的光纤准直器及其制作方法的有益效果在于：与现有技术相比，本技术的光纤准直器中，第一透镜具有凹面，能够增加激光光束的发散角，从光纤出来的激光光束经过第一透镜放大后，然后再经过具有凸面的第二透镜准直，这个过程中激光光束仅经过一级放大，在获取目标激光光束直径的情况下，能够缩短第二透镜的焦距，即光路长度，从而缩短了光纤准直器的整体尺寸。通过在第二透镜的出射端增加具有凹面和凸面的第三透镜，能够补偿激光光束放大后产生的球差，优化了光纤准直器的光学性能。
附图说明
21.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
22.图1为本技术实施例提供的光纤准直器结构示意图；
23.图2为本技术实施例提供的光纤准直器中凹透镜组的结构示意图；
24.图3为本技术实施例提供的光纤准直器中凸透镜组的结构示意图；
25.图4为本技术实施例提供的光纤准直器中主体镜筒管的结构示意图；
26.图5为本技术实施例提供的光纤准直器的组装调试结构示意图；
27.图6为本技术实施例提供的光纤准直器的光路结构示意图；
28.图7为本技术实施例提供的光纤准直器的像差分析示意图。
29.其中，图中各附图标记：
30.100-光纤；
31.200-凹透镜组；201-第一透镜；202-第一镜筒管；203-第二镜筒管；
32.300-凸透镜组；301-第二透镜；302-第三透镜；303-镜筒套；
33.400-主体镜筒管；401-安装孔；402-凸起部；
34.500-保护套管；
35.600-密封圈；
36.700-调节架；
37.800-光斑测试仪。
具体实施方式
38.为了使本技术所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
39.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
40.需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
41.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
42.请一并参阅图1至图5，现对本技术实施例提供的光纤准直器进行说明。所述光纤准直器，包括光纤100、凹透镜组200和凸透镜组300；凹透镜组200包括第一透镜201，第一透镜201的一端为平面，第一透镜201的另一端为凹面，光纤100与第一透镜201的平面连接，从光纤100出来的激光光束经过第一透镜201后，能够被放大；凸透镜组300包括第二透镜301和第三透镜302，第二透镜301沿着光纤100的轴线方向设置，并与第一透镜201间隔设置，第二透镜301的一端为平面，第二透镜301的另一端为凸面，第二透镜301的平面朝向第一透镜201的凹面，被放大后的激光光束经过第二透镜301后，能够平行射出；第三透镜302沿着光纤100的轴线方向设置，第三透镜302的一端为凹面，第三透镜302的另一端为凸面；第三透镜302的凹面与第二透镜301的凸面接触，第三透镜302用于消除平行射出的激光光束的像差。
43.本技术实施例提供的光纤准直器，与现有技术相比，本技术实施例的光纤准直器
中，第一透镜201具有凹面，能够增加激光光束的发散角，从光纤100出来的激光光束经过第一透镜201放大后，然后再经过具有凸面的第二透镜301准直，这个过程中激光光束仅经过一级放大，在获取目标激光光束直径的情况下，能够缩短第二透镜301的焦距，即光路长度，从而缩短了光纤准直器的整体尺寸。通过在第二透镜301的出射端增加具有凹面和凸面的第三透镜302，能够补偿激光光束放大后产生的球差，优化了光纤准直器的光学性能。
44.在本技术的一个实施例中，请一并参阅图1和图2，凹透镜组200还包括第一镜筒管202和第二镜筒管203；第二镜筒管203套设在光纤100上，并且连接于第一镜筒管202的第一端，第一透镜201连接于第一镜筒管202的第二端。
45.具体地，光纤100直接熔接在第一透镜201的平面上，光纤100的轴线、第一透镜201的轴线重合；第一镜筒管202和第二镜筒管203均采用玻璃材质，第二镜筒管203连接于第一镜筒管202的第一端后用胶水粘接固定，第一透镜201连接于第一镜筒管202的第二端后用胶水粘接固定。
46.在本技术的一个实施例中，请一并参阅图1和图4，光纤准直器还包括主体镜筒管400，主体镜筒管400的第一端具有安装孔401，第一镜筒管202装配于安装孔401中。第一透镜201的轴线和安装孔401的轴线重合。
47.在本技术的一个实施例中，请一并参阅图1和图3，凸透镜组300还包括镜筒套303，第二透镜301和第三透镜302安装在镜筒套303内，第二透镜301的轴线、第三透镜302的轴线和第一透镜201的轴线重合；第二透镜301与镜筒套303可以采用胶水粘接固定，第三透镜302与镜筒套303可以采用胶水粘接固定；镜筒套303与主体镜筒管400的第二端连接。
48.在本技术的一个实施例中，主体镜筒管400与镜筒套303螺纹连接。具体地，主体镜筒管400的第二端具有外螺纹，镜筒套303的一端具有内螺纹，外螺纹和内螺纹配合连接；或者是，主体镜筒管400的第二端具有内螺纹，镜筒套303的一端具有外螺纹。
49.在本技术的一个实施例中，请参阅图1，光纤准直器还包括密封圈600，密封圈600设置在主体镜筒管400与镜筒套303的连接处，本实施例通过设置密封圈600能够避免湿气进入主体镜筒管400内，保证光路不受湿气等外界因素的干扰。
50.具体地，密封圈600为o形结构，密封圈600设置在主体镜筒管400的端部，主体镜筒管400与镜筒套303连接时，密封圈600能够与第二透镜301接触，并受到挤压，起到密封的效果。在本技术的另一个实施例中，主体镜筒管400的外壁上设有环形凹槽，密封圈600卡接在环形凹槽中，主体镜筒管400与镜筒套303螺纹连接时，镜筒套303的内壁能够挤压到密封圈600，从而达到密封的效果。
51.在本技术的一个实施例中，请参阅图1，光纤准直器还包括保护套管500，光纤100穿过保护套管500，保护套管500能够对光纤100起到保护作用，避免光纤100受到损伤；如图4所示，主体镜筒管400的第一端具有凸起部402，安装孔401贯穿凸起部402，保护套管500套设于凸起部402。
52.具体地，保护套管500具有内螺纹，主体镜筒管400的凸起部402具有外螺纹，保护套管500与主体镜筒管400的凸起部402螺纹连接，采用螺纹连接，便于保护套管500的安装与拆卸。
53.以输出激光光束的目标直径为4.8mm为例，对本技术的光纤准直器的光路进行仿真，请参阅图6，沿着光路的输出方向凸起的透镜的曲率半径为正值，沿着光路的输出方向
凹陷的透镜的曲率半径则为负值，本实施中各个透镜的参数如下：
54.第一透镜201是平凹透镜：凹面的曲率半径r＝-3.05mm，中心厚度为4.0mm；
55.第二透镜301是平凸透镜：凸面的曲率半径r＝10.81mm，中心厚度为4.0mm；
56.第三透镜302是凹凸透镜：凹面的曲率半径r＝5.2mm，凸面的曲率半径r2＝6.922mm，中心厚度为3.96mm。
57.请参阅图7，根据仿真结果，输出激光光束的直径为4.8mm，像面的rms半径(均方根半径)为0.011umm；geo半径(几何半径)为0.031um；光路的总长度为33.27mm；则光纤准直器的总长度将小于50mm。由此可见，本实施例的光纤准直器，像差得到了优化，在满足输出激光光束的目标直径的同时，可以有效缩短整体长度尺寸，能够满足狭小作业空间的使用需求。
58.本技术实施例还提供了一种制作上述的光纤准直器的方法，该方法包括使用调节架700和光斑测试仪800，如图6所示；光纤准直器的具体制作过程如下：
59.步骤一，将第二透镜301和第三透镜302安装在镜筒套303内，用胶水粘接固定，镜筒套303与主体镜筒管400的第二端螺纹连接，并固定好。
60.步骤二，将第二镜筒管203用胶水固定在第一镜筒管202的第一端，第一透镜201用胶水固定在第一镜筒管202的第二端；光纤100穿过第二镜筒管203，并固定在调节架700上。
61.步骤三，将第一镜筒管202连接于主体镜筒管400的安装孔401中，调节架700能够带动第一镜筒管202沿着安装孔401的轴线方向移动；调节架700选用一维调整架，一维调整架是一种光学仪器设备上的定位仪器，主要是用来定位，移动间距的仪器设备。一维调整架只能通过一个方向的移动来实现第一镜筒管202的移动，有利于提高第一透镜201的调节精度；如图5左侧的双向箭头，表示调节架700的移动方向。
62.步骤四，将光斑测试仪800放置在第二透镜301的出射端，光斑测试仪800能够沿着激光光束的传播方向往复移动；如图5右侧的双向箭头，表示光斑测试仪800的移动方向。
63.步骤四，调试第一透镜201与第二透镜301的间距；通过调节架700拉动第一镜筒管202移动，同时移动光斑测试仪800，进行光斑直径的检测，当近场光斑直径与远场光斑直径一致时，说明激光光束已经平行输出，将第一镜筒管202用胶水固定在主体镜筒管400的安装孔401内。
64.步骤五，将光纤100从调节架700上取下来，在主体镜筒管400的凸起部402安装保护套管500，保护光纤100不受损伤，然后撤离光斑测试仪800，光纤准直器制作完成。
65.本技术实施例提供的光纤准直器的制作方法，与现有技术相比，本技术实施例，先利用调节架700调节第一透镜201和第二透镜301之间的距离，当近场光斑的直径和远场光斑直径一致时，再固定第一透镜201，能够减少第一透镜201的装配误差，提高激光光束的准直效果，保证光纤准直器能够满足使用需求。
66.以上所述仅为本技术的较佳实施例而已，并不用以限制本技术，凡在本技术的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。