阅读说明：本技术 光纤端帽高精度大位移电动调节装置 (High-precision large-displacement electric adjusting device for optical fiber end cap ) 是由 马阎星 陈子伦 吴坚 宁禹 周朴 司磊 许晓军 陈金宝 于 2020-07-31 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种光纤端帽高精度大位移电动调节装置,包括压电位移放大器、端帽支架以及光纤端帽,所述端帽支架包括管状支撑件以及沿管状支撑件径向均匀分布的三个或四个柔性铰链,光纤端帽密封固定在管状支撑件的一端,各柔性铰链分别对应一个压电位移放大器,各柔性铰链的一端连接在管状支撑件的外侧壁上,另一端连接对应的压电位移放大器。通过控制各压电位移放大器,各压电位移放大器的输出力能够驱动对应的柔性铰链产生形变,进而驱动端帽支架上的光纤端帽在焦平面上平移一定距离。本发明可有效提升光纤端帽在焦平面内的平移距离,能够应用于光纤激光系统中实现出射光束更大角度的偏转。(The invention provides a high-precision large-displacement electric adjusting device for an optical fiber end cap, which comprises a piezoelectric displacement amplifier, an end cap support and an optical fiber end cap, wherein the end cap support comprises a tubular supporting piece and three or four flexible hinges uniformly distributed along the radial direction of the tubular supporting piece, the optical fiber end cap is fixed at one end of the tubular supporting piece in a sealing mode, each flexible hinge corresponds to one piezoelectric displacement amplifier, one end of each flexible hinge is connected to the outer side wall of the tubular supporting piece, and the other end of each flexible hinge is connected with the corresponding piezoelectric displacement amplifier. By controlling each piezoelectric displacement amplifier, the output force of each piezoelectric displacement amplifier can drive the corresponding flexible hinge to deform, and then the optical fiber end cap on the end cap support is driven to translate for a certain distance on a focal plane. The invention can effectively improve the translation distance of the optical fiber end cap in the focal plane, and can be applied to an optical fiber laser system to realize deflection of an emergent light beam at a larger angle.)

光纤端帽高精度大位移电动调节装置

技术领域

本发明涉及高功率光纤激光器件技术领域，具体涉及一种光纤端帽高精度大位移电动调节装置。

背景技术

目前高功率光纤激光输出端通常采用光纤端帽。光纤端帽是熔接在光纤尾端的石英晶体块，由于光纤端帽出射面上的光斑尺寸远大于光纤端面上的光斑尺寸，因而使得光纤端帽出射面上的功率密度大幅降低，更易承受高功率激光。在激光远距离传输、高精度加工等应用领域中，需要对光轴进行高精度控制，也就是说，需要驱动光纤端帽在准直透镜焦平面上平移一定距离，实现出射光束在一定角度范围内的偏转控制。

然而，目前还没有一种可靠的技术方案，能够在提供足够大驱动力的同时，实现光纤端帽在准直透镜焦平面内的数百微米以上的大距离平移，最终实现出射光束的大角度偏转。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明提出了一种光纤端帽高精度大位移电动调节装置。

为实现上述技术目的，本发明采用的具体技术方案如下：

光纤端帽高精度大位移电动调节装置，包括压电位移放大器、端帽支架以及光纤端帽，所述端帽支架包括管状支撑件以及沿管状支撑件径向均匀分布的三个或四个柔性铰链，光纤端帽密封固定在管状支撑件的一端，各柔性铰链分别对应一个压电位移放大器，各柔性铰链的一端连接在管状支撑件的外侧壁上，另一端连接对应的压电位移放大器,各压电位移放大器的输出力能够驱动对应的柔性铰链产生形变，进而驱动端帽支架上的光纤端帽在焦平面上平移一定距离。具体地，通过给各压电位移放大器施加不同的电压，各压电位移放大器将会产生不同的位移形变，驱动对应的柔性铰链产生形变，进而驱动端帽支架上的光纤端帽在焦平面内进行相应平移。所述柔性铰链可以采用直梁型、簧片型结构，形状可以为长方形片、Z型片或S型片，其具有受力小位移大且弹性好的特点。

作为本发明的优选方案，本发明还包括基座，所述各压电位移放大器安装在基座上。进一步地，所述基座为管状结构，基座的内侧壁的对应位置设置有用于安装压电位移放大器的安装凹槽，安装凹槽的数量与压电位移放大器的数目相同。所述安装凹槽上开设有定位孔，通过定位螺丝实现压电位移放大器与安装凹槽之间的限位固定。

作为本发明的优选方案，本发明还包括散热水管，所述管状支撑件的另一端密封安装有支架端盖，所述支架端盖上开设有用于穿过端帽尾纤的光纤过孔，光纤过孔设置在支架端盖的中央位置，端帽尾纤从光纤过孔穿过后进行涂胶密封。所述支架端盖上还开设有供散热水管中的进水管和回水管穿过的管孔。进一步地，供进水管和回水管穿过的管孔以支架端盖中心为对称点对称设置。进一步地，进水管伸入到管状支撑件内部靠近光纤端帽的一端且与光纤端帽保持一定距离，所述回水管穿入支架端盖对应的管孔且其管口端面与支架端盖的内侧壁齐平。所述进水管伸入到管状支撑件内部的管口端头呈楔角结构且其出水口斜面朝向支架端盖上光纤过孔方向。

作为本发明的优选方案，本发明所述压电位移放大器包括堆叠压电陶瓷和机械放大框架，所述机械放大框架包括左、右安装座，堆叠压电陶瓷安装在左、右安装座之间，所述左、右安装座的上端之间通过中部带有转折部位的上折板连接，所述左、右安装座的下端之间通过中部带有转折部位的下折板连接，左、右安装座以及上、下折板连接在一起后整体呈菱形，上、下折板均采用弹性材料制成；上折板的中部转折部位与基座连接，下折板的中部转折部位连接端帽支架上的柔性铰链。堆叠压电陶瓷通电膨胀伸长，推动左、右安装座拉伸上、下折板，下折板带动柔性铰链以及柔性铰链另一端连接的光纤端帽实现位移。

作为本发明的优选方案，本发明端帽支架上的各柔性铰链的另一端均设置有压电位移放大器安装固定座，下折板的中部转折部位与压电位移放大器安装固定座固定连接。

作为本发明的优选方案，本发明端帽支架、压电位移放大器安装固定座以及机械放大框架可以为一体成型的整体结构，也可以是各器件分开制作之后通过组合安装在一起。

本发明的有益效果如下：

本发明可有效提升光纤端帽在焦平面内的平移距离，能够应用于光纤激光系统中实现出射光束更大角度的偏转。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为实施例1的前二轴侧视图；

图2为实施例1的后二轴侧视图；

图3为实施例1的前视图；

图4为实施例1的后视图；

图5为实施例1过光轴剖视图；

图6为压电位移放大器的结构示意图；

图7为端帽支架和压电位移放大器的机械放大框架一体化结构示意图；

图8为支架端盖及散热水管的结构示意图；

图9为实施例2的前二轴侧视图；

图10为实施例2的后二轴侧视图；

图11为实施例2的前视图。

图中标号说明：

1、基座；2、光纤端帽；3、压电位移放大器；301、左安装座；302、右安装座；303、上折板；304、下折板；305、堆叠压电陶瓷；306、上安装座；307、下安装座；4、管状支撑件；5、柔性铰链；6、安装凹槽；7、支架端盖；8、进水管；9、回水管；10、端帽尾纤；11、光纤过孔；12、进水管孔；13、回水管孔；14、压电位移放大器安装固定座。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明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用于解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：

参照图1至图8，本实施例提供一种光纤端帽高精度大位移电动调节装置，包括基座1、光纤端帽2、压电位移放大器3以及端帽支架。所述基座1可采用不锈钢等金属材料加工而成，整体为管状结构。基座1的内侧壁均匀设置有三个或四个用于安装压电位移放大器3的安装凹槽6。本实施例中安装凹槽6的数目为四个，4个安装凹槽6分别分布在基座1的上、下、左、右内侧壁上。安装凹槽6的数量与压电位移放大器3的数量相同。所述安装凹槽6上开设有定位孔，通过定位螺丝实现压电位移放大器3与安装凹槽6之间的限位固定。所述光纤端帽2采用商用光纤端帽，其端帽及光纤尺寸、数值孔径、耐受功率等指标参数根据实际情况进行设计。

所述端帽支架可采用弹簧钢等弹性和抗疲劳性强的金属材料加工而成，其中央为管状结构的管状支撑件4，沿管状支撑件4径向均匀分布的三个或四个柔性铰链5。光纤端帽2密封固定在管状支撑件4的一端，管状支撑件4的另一端密封安装有支架端盖7。

各柔性铰链5分别对应一个压电位移放大器3，各柔性铰链5的一端连接在管状支撑件4的外侧壁上，另一端连接压电位移放大器安装固定座14。压电位移放大器安装固定座14可根据压电位移放大器的安装方式和尺寸进行设计。

所述压电位移放大器3可采用商用压电位移放大器，如美国索雷博公司的APF系列压电陶瓷放大驱动器。参见图6，压电位移放大器3包括堆叠压电陶瓷305和机械放大框架，所述机械放大框架包括左安装座301、右安装座302、上折板303和下折板304。左安装座301、右安装座302、上折板303和下折板304围合连接在一起后整体呈菱形。堆叠压电陶瓷305安装在左、右安装座之间。所述左、右安装座的上端之间通过中部带有转折部位的上折板303连接，所述左、右安装座的下端之间通过中部带有转折部位的下折板304连接。上、下折板均采用弹性材料制成。上折板的中部转折部位设有上安装座306，上安装座306与基座1对应的安装凹槽6通过定位螺丝限位固定连接，下折板的中部转折部位设有下安装座307，下安装座307与柔性铰链5一端的压电位移放大器安装固定座14连接。堆叠压电陶瓷305通电膨胀后伸长，推动左、右安装座拉伸上、下折板，下折板304带动柔性铰链5产生形变进而驱动柔性铰链5另一端连接的光纤端帽2在焦平面内平移一定距离。柔性铰链5产生形变带动光纤端帽2能够实现的最大位移应大于所需光纤端帽的最大平移距离。所述柔性铰链5可以采用直梁型、簧片型结构，形状可以为长方形片、Z型片或S型片，其具有受力小位移大且弹性好的特点。

本实施例设计了散热结构。参照图2、4、5和8，所述支架端盖7可采用金属或塑料等材料加工而成，呈圆柱体。所述支架端盖7上开设有用于穿过端帽尾纤的光纤过孔11，光纤过孔11设置在支架端盖7的中央位置，光纤过孔11的直径略大于光纤10的直径。光纤端帽2的端帽尾纤10从光纤过孔11穿过后进行涂胶密封。所述支架端盖7上还开设有供散热水管中的进水管8和回水管9穿过的进水管孔12和回水管孔13。进水管8和回水管9可采用商用金属细管加工而成，在保证水管机械强度情况下，两管内径应尽可能大。进水管孔12和回水管孔13以支架端盖7中心为对称点对称设置。进水管8伸入到管状支撑件4内部靠近光纤端帽2的一端且与光纤端帽2保持一定距离，所述回水管9穿入支架端盖7对应的回水管孔13且其管口端面与支架端盖7的内侧壁齐平。所述进水管8伸入到管状支撑件4内部的管口端头呈楔角结构且其出水口斜面朝向支架端盖8上光纤过孔方向，利于光纤端帽散热冷却。进水管8伸出部分长度不能触碰到光纤端帽2。当光纤端帽输出激光功率较低时，比如百瓦以下，可不采用水冷措施，无需安装散热水管。如图8所示，散热水管需事先安装到支架端盖7上，并采用涂胶或紧配合等方式进行密封。将光纤端帽2安装到端帽支架上后，再将带有散热水管的支架端盖7安装到端帽支架上，之后在光纤过孔处涂胶密封。支架端盖7与端帽支架间也需进行密封处理。

本发明端帽支架、压电位移放大器安装固定座以及机械放大框架可以分开制作后组装在一起。也可以如图7所示，端帽支架、压电位移放大器安装固定座以及机械放大框架为一体成型的整体结构，如采用3D打印或其它精密加工技术一体成形，之后直接安装堆叠压电陶瓷即可。

实施例2：

参照图9至图11，本实施例提供一种光纤端帽高精度大位移电动调节装置，包括基座1、光纤端帽2、压电位移放大器3以及端帽支架。所述基座1基座可采用不锈钢等金属材料加工而成，整体为管状结构。基座1的内侧壁均匀设置有三个或四个用于安装压电位移放大器3的安装凹槽6。本实施例中安装凹槽6的数目为3个，3个安装凹槽6均匀分布在基座1的内侧壁上。安装凹槽6的数量与压电位移放大器3的数目相同。所述安装凹槽6上开设有定位孔，通过定位螺丝实现压电位移放大器3与安装凹槽6之间的限位固定。所述光纤端帽2采用商用光纤端帽，其端帽及光纤尺寸、数值孔径、耐受功率等指标参数根据实际情况进行设计。

所述端帽支架可采用弹簧钢等弹性和抗疲劳性强的金属材料加工而成，其中央为管状结构的管状支撑件4，沿管状支撑件4径向均匀分布的3个柔性铰链5。光纤端帽2密封固定在管状支撑件4的一端，管状支撑件4的另一端密封安装有支架端盖7。

各柔性铰链5分别对应一个压电位移放大器3，各柔性铰链5的一端连接在管状支撑件4的外侧壁上，另一端连接压电位移放大器安装固定座14。压电位移放大器安装固定座14可根据压电位移放大器的安装方式和尺寸进行设计。

所述压电位移放大器3可采用商用压电位移放大器，如美国索雷博公司的APF系列压电陶瓷放大驱动器。参见图6，压电位移放大器3包括堆叠压电陶瓷305和机械放大框架，所述机械放大框架包括左安装座301、右安装座302、上折板303和下折板304。左安装座301、右安装座302、上折板303和下折板304围合连接在一起后整体呈菱形。堆叠压电陶瓷305安装在左、右安装座之间。所述左、右安装座的上端之间通过中部带有转折部位的上折板303连接，所述左、右安装座的下端之间通过中部带有转折部位的下折板304连接。上、下折板均采用弹性材料制成。上折板的中部转折部位设有上安装座306，上安装座306与基座1对应的安装凹槽6通过定位螺丝限位固定连接，下折板的中部转折部位设有下安装座307，下安装座307与柔性铰链5一端的压电位移放大器安装固定座14连接。堆叠压电陶瓷305通电膨胀后伸长，推动左、右安装座拉伸上、下折板，下折板304带动柔性铰链5产生形变进而驱动柔性铰链5另一端连接的光纤端帽2在焦平面内平移一定距离。柔性铰链5产生形变带动光纤端帽2能够实现的最大位移应大于所需光纤端帽的最大平移距离。所述柔性铰链5可以采用直梁型、簧片型结构，形状可以为长方形片、Z型片或S型片，其具有受力小位移大且弹性好的特点。

本实施例设计了散热结构。参照图8，所述支架端盖7可采用金属或塑料等材料加工而成，呈圆柱体。所述支架端盖7上开设有用于穿设光纤的光纤过孔11，光纤过孔11设置在支架端盖7的中央位置，光纤过孔11的直径略大于端帽尾纤10的直径。光纤端帽2的端帽尾纤10从光纤过孔11穿过后进行涂胶密封。所述支架端盖7上还开设有供散热水管中的进水管8和回水管9穿过的进水管孔12和回水管孔13。进水管8和回水管9可采用商用金属细管加工而成，在保证水管机械强度情况下，两管内径应尽可能大。进水管孔12和回水管孔13以支架端盖7中心为对称点对称设置。进水管8伸入到管状支撑件4内部靠近光纤端帽2的一端且与光纤端帽2保持一定距离，所述回水管9穿入支架端盖7对应的回水管孔13且其管口端面与支架端盖7的内侧壁齐平。所述进水管8伸入到管状支撑件4内部的管口端头呈楔角结构且其出水口斜面朝向支架端盖8上光纤过孔方向，利于光纤端帽散热冷却。进水管8伸出部分长度不能触碰到光纤端帽2。当光纤端帽输出激光功率较低时，比如百瓦以下，可不采用水冷措施，无需安装散热水管。如图8所示，散热水管需事先安装到支架端盖7上，并采用涂胶或紧配合等方式进行密封。将光纤端帽2安装到端帽支架上后，再将带有散热水管的支架端盖7安装到端帽支架上，之后在光纤过孔处涂胶密封。支架端盖7与端帽支架间也需进行密封处理。

本发明端帽支架、压电位移放大器安装固定座以及机械放大框架可以分开制作后组装在一起。也可以为一体成型的整体结构，如采用3D打印或其它精密加工技术一体成形，之后直接安装堆叠压电陶瓷即可。

综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书界定的范围为准。