一种多单管半导体激光器耦合单芯光纤装置的制作方法

1.本发明属于耦合单芯光纤调试相关技术领域，具体涉及一种多单管半导体激光器耦合单芯光纤装置。


背景技术：

2.由于单管半导体耦合到光纤中其输出功率有限，工业领域对高功率光纤耦合输出产品的需求又不断提高。多单管半导体激光器耦合单芯光纤装调工作尤其重要。为此申请号为cn202010016498.6公开了一种多单管半导体激光器耦合单芯光纤装调装置，在其说明书的第36、37段所述的：“以单颗半导体激光器的调整为例来阐述光路调整过程，由三个小图构成分别表示光路调整三个过程，其中真空吸附机构吸附固定耦合透镜，由于耦合透镜位置偏差，从半导体激光器发射的激光光轴中心与耦合透镜中心不重合，也即在xy方向有偏差，半导体激光器发出的光束不完全进入到耦合透镜，且光斑不对称，且从耦合透镜出射的光束也不平行，通常耦合透镜初始位置距离半导体激光器302a较远，因此光束是聚焦光束，从耦合透镜出射的聚焦光束经会聚透镜聚焦后光斑偏离光纤插芯，通过光纤输入到激光功率计的功率较低，调整三维调整台x方向调整旋钮以及y方向调整旋钮使激光功率计示值最大，此时xy方向位置调整完成”；“显示调整耦合透镜xy方向达到最佳时情形，此时半导体激光器发射的激光光轴中心与耦合透镜光轴中心重合，从会聚透镜出射的激光光束光斑中心在光纤插芯端面中心上，此后不论三维调整台x方向调整旋钮以及y方向调整旋钮如何调整，激光功率计示值已经不能再提升，此时半导体激光器发出的光束不完全进入到耦合透镜，但光斑为对称光斑，此后再进行z方向调整，通过调整耦合透镜与半导体激光器间距使从耦合透镜出射的光束为准直光束，准直光束经过会聚透镜聚焦后耦合到光纤插芯中心，此时耦合到光纤的功率达到最大，激光功率计示值显示为最大，由此完成耦合透镜的完全装调到位”。
3.上述方案虽具有一定的有益性，但仍存在以下问题：1、由于不同的多单管半导体耦合单芯光纤模块内的半导体激光器，其所适配的耦合透镜的焦距不同。因此在对不同的多单管半导体耦合单芯光纤模块进行半导体激光器到会聚透镜的最佳耦合定位操作时，需要根据不同规格的半导体激光器，加工出不同焦距大小的耦合透镜标准件来进行耦合定位，从而制作出不同焦距的透镜标准件，加工工序繁琐；2、在多单管半导体耦合单芯光纤模块时，会产出一批焦距较大的耦合透镜，即残次耦合透镜，因残次耦合透镜的焦距较大，所以残次耦合透镜和半导体激光器之间的竖直间隙会变大，进而影响两者之间的固定。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种多单管半导体激光器耦合单芯光纤装置，以解决上述背景技术中提出的加工工序繁琐以及影响耦合透镜和半导体激光器固定的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种多单管半导体激光器耦合单芯
光纤装置，包括多单管半导体耦合单芯光纤模块，所述多单管半导体耦合单芯光纤模块包括安装框架，所述安装框架的底部固定安装有多个发出对焦激光的半导体激光器，所述安装框架的上端固定连接有会聚透镜框，所述会聚透镜框的下端内壁上固定连接有会聚透镜，所述会聚透镜框的顶部固定安装有光纤法兰，所述光纤法兰中固定套设有光纤插芯；还包括平面透镜、放置在平面透镜上的容器环、注入在容器环中的光学流体以及用于夹持容器环并使容器环在平面透镜上表面水平移动的多方位视觉定位机械臂，所述平面透镜的两侧设有用于夹持固定平面透镜的夹持机构，所述夹持机构的下方设有用于承载夹持机构的承载机构，所述承载机构两侧设置用于调整平面透镜高度的升降机构，所述夹持机构的上方设置多单管半导体耦合单芯光纤模块。
6.采用如下方式使光纤插芯耦合的功率达到最大值。
7.通过所述调整容器环中光学流体的注入量制取与半导体激光器所适配的耦合透镜，并由所述多方位视觉定位机械臂夹持容器环带动光学流体在平面透镜上进行水平位置调整，同时由所述升降机构调整半导体激光器的高度，进而通过所述会聚透镜将激光光束聚焦耦合至光纤插芯的中心，使光纤插芯耦合的功率达到最大值；或是，在制取与半导体激光器所适配的耦合透镜中产生焦距较大的耦合透镜，此耦合透镜为残次耦合透镜，通过将所述残次耦合透镜固定在容器环的内侧底部，并在所述残次耦合透镜上方放置圆形平面透镜，所述多方位视觉定位机械臂夹持容器环带动残次耦合透镜在平面透镜上进行水平位置调整，通过向所述容器环内注入光学流体调整残次耦合透镜的焦距变小，进而通过所述会聚透镜将激光光束聚焦耦合至光纤插芯的中心，使光纤插芯耦合的功率达到最大值。
8.对光学流体的曲率半径测量并记录，然后将光学流体吸走并烘干，再通过点胶将容器环固定在平面透镜上，通过多方位视觉定位机械臂将与光学流体的曲率半径相同的外部耦合透镜移动到容器环的内部，对容器环和耦合透镜进行固定。
9.优选的，所述承载机构包括底座，所述底座的上表面四角处开设有滑槽。
10.优选的，所述夹持机构包括两个对称的l形支撑板，所述支撑板的水平段上表面固定连接有第二托板，所述支撑板的竖直段下端固定连接有滑块，所述滑块与滑槽滑动连接，所述滑块上螺纹设置螺栓并抵接底座。
11.优选的，所述升降机构包括两个电动伸缩杆，两个所述电动伸缩杆固定安装在底座上表面的两侧，两个所述电动伸缩杆的输出端固定连接有第一托板。
12.优选的，所述半导体激光器所适配的耦合透镜的焦距与采用光学流体制作的耦合透镜标准件的焦距与相同。
13.优选的，所述多方位视觉定位机械臂夹持容器环在平面透镜上表面水平移动，使半导体激光器发出的激光光轴轴心与光学流体的光轴轴心完全重合。
14.优选的，所述升降机构的升降运动可带动半导体激光器上下移动，进而调整光学流体与半导体激光器间距可满足使半导体激光器从光学流体中射出的准直光束经过会聚透镜聚焦后耦合到光纤插芯的中心。
15.与现有多单管半导体激光器耦合技术相比，本发明提供了一种多单管半导体激光器耦合单芯光纤装置，具备以下有益效果：1、本发明通过不同的多单管半导体耦合单芯光纤模块内的半导体激光器，其所适
配的耦合透镜的焦距不同，进而根据光学流体的注入量的多少来改变曲率半径的大小，因透镜的焦距大小与曲率半径有关，所以利用光学流体制作出不同焦距的透镜，在对不同的多单管半导体耦合单芯光纤模块进行半导体激光器到会聚透镜的最佳耦合定位操作时，不必再根据不同规格的半导体激光器，加工出不同焦距大小的耦合透镜标准件来进行耦合定位，只需调整光学流体的注入量即可制作出不同焦距的透镜标准件；2、本发明在调整容器环的位置时，因光学流体具有流体属性，所以光学流体的底部不会与平面透镜产生较大的摩擦力而磨损光学流体和平面透镜，以及光学流体重量远远小于耦合透镜标准件的重量，所以光学流体和平面透镜产生的摩擦力也会减小，摩擦力的减小可降低光学流体和平面透镜的磨损，进而避免影响半导体激光器到会聚透镜的耦合定位精度；3、本发明在多单管半导体耦合单芯光纤模块时，会产出一批焦距较大的耦合透镜，即残次耦合透镜，该透镜和半导体激光器在完成完全装调到位后，因残次耦合透镜的焦距较大，所以残次耦合透镜和半导体激光器之间的竖直间隙会变大，进而影响两者之间的固定，通过将残次耦合透镜固定在容器环的内侧底部，并在残次耦合透镜上方放置圆形平面透镜的布局方式，能够避免残次耦合透镜和半导体激光器之间的竖直间隙较大而影响两者固定。
附图说明
16.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制，在附图中：图1为本发明提出的一种多单管半导体激光器耦合单芯光纤装置三维结构示意图；图2为本发明提出的承载机构、夹持机构及升降机构三维结构示意图；图3为本发明提出的多单管半导体耦合单芯光纤模块三维结构示意图；图4为本发明提出的实施例一中多单管半导体耦合单芯光纤模块主视剖面结构示意图；图5为本发明提出的容器环与光学流体三维结构示意图；图6为本发明提出的图4中a处局部放大结构示意图；图7为本发明提出的实施例二中多单管半导体耦合单芯光纤模块主视剖面结构示意图；图8为本发明提出的实施例二中容器环三维剖面结构示意图；图9为本发明提出的图7中b处局部放大结构示意图；图中：1、承载机构；2、多单管半导体耦合单芯光纤模块；3、平面透镜；4、容器环；5、光学流体；6、多方位视觉定位机械臂；7、底座；8、电动伸缩杆；9、第一托板；10、支撑板；11、第二托板；12、滑块；13、滑槽；14、安装框架；15、会聚透镜框；16、光纤插芯；17、光纤法兰；18、会聚透镜；19、半导体激光器；20、残次耦合透镜；21、圆形平面透镜。
具体实施方式
17.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完
整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
18.请参阅图1
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图9，本发明提供一种技术方案具有以下两种实施例：实施例一一种多单管半导体激光器耦合单芯光纤装置，包括平面透镜3、放置在平面透镜3上的容器环4、注入在容器环4中的光学流体5以及用于夹持容器环4并使容器环4在平面透镜3上表面水平移动的多方位视觉定位机械臂6，平面透镜3的两侧设有用于夹持固定平面透镜3的夹持机构，夹持机构包括两个对称的l形支撑板10，支撑板10的水平段上表面固定连接有第二托板11，支撑板10的竖直段下端固定连接有滑块12，滑块12与滑槽13滑动连接，滑块12通过螺栓与底座7固定连接。
19.夹持机构的下方设有用于承载及调整夹持机构夹持力度的承载机构1，承载机构1包括底座7，底座7的上表面四角处开设有滑槽13。
20.承载机构1两侧设置用于调整平面透镜3高度的升降机构，升降机构包括两个电动伸缩杆8，两个电动伸缩杆8固定安装在底座7的两侧上表面，两个电动伸缩杆8的输出端固定连接有第一托板9。
21.夹持机构的上方设置多单管半导体耦合单芯光纤模块2，多单管半导体耦合单芯光纤模块2包括安装框架14，安装框架14的底部固定安装有多个发出对焦激光的半导体激光器19，安装框架14的上端固定连接有会聚透镜框15，会聚透镜框15的下端内壁上固定连接有会聚透镜18，会聚透镜框15的顶部固定安装有光纤法兰17，光纤法兰17中固定套设有光纤插芯16；通过调整容器环4中光学流体5的注入量制取与半导体激光器19所适配的耦合透镜，调整容器环4中光学流体5的注入量制取与半导体激光器19所适配的耦合透镜时，需满足由光学流体5制作出的耦合透镜标准件的焦距与半导体激光器19所适配的耦合透镜的焦距相同，并由多方位视觉定位机械臂6夹持容器环4带动光学流体5在平面透镜3上进行水平位置调整，多方位视觉定位机械臂6夹持容器环4在平面透镜3上表面水平移动，使半导体激光器19发出的激光光轴轴心与光学流体5的光轴轴心完全重合，同时由升降机构调整半导体激光器19的高度，升降机构的升降运动可带动半导体激光器19上下移动，进而调整光学流体5与半导体激光器19间距可满足使半导体激光器19从光学流体5中射出的准直光束经过会聚透镜18聚焦后耦合到光纤插芯16的中心，使光纤插芯16耦合的功率达到最大值。
22.本发明在该实施例下的使用方法及流程如下：在使用时，将多单管半导体耦合单芯光纤模块2放置在承载机构1上，使安装框架14的底部与两个第一托板9接触。然后推动两个支撑板10向内侧移动，之后将平面透镜3放置在两个第二托板11上，再向内侧推动一下支撑板10，使两个第二托板11卡住平面透镜3的两侧，然后旋紧滑块12上的螺栓使支撑板10的位置固定，此时平面透镜3位于半导体激光器19的上方并具有一定距离。
23.由于光学流体5的材料特性和表面张力，可使光学流体5在容器环4的装盛下具有凸透镜的特性。不同的多单管半导体耦合单芯光纤模块2内的半导体激光器19，其所适配的耦合透镜的焦距不同。现可根据光学流体5的注入量的多少来改变曲率半径的大小，因透镜
的焦距大小与曲率半径有关（曲率半径越大，焦距越大；曲率半径越小，焦距越小），所以可以利用光学流体5制作出不同焦距的透镜标准件。通过向容器环4内注入光学流体5可调整耦合透镜的焦距逐渐变小，进而通过会聚透镜18将激光光束聚焦耦合至光纤插芯16的中心，使光纤插芯16耦合的功率达到最大值。
24.将容器环4放置在平面透镜3的顶端，向容器环4内注入光学流体5。光学流体5的注入量需要满足：由光学流体5制作出的透镜标准件的焦距 需要与半导体激光器19所适配的耦合透镜的焦距相同。利用多方位视觉定位机械臂6夹持容器环4，可使容器环4带动光学流体5在平面透镜3上进行x、y轴上位置调整。从半导体激光器19发射的激光光轴中心与光学流体5中心不重合，即在xy方向有偏差，半导体激光器19发出的光束不完全进入到光学流体5，且会聚透镜18上的光斑不对称，且从光学流体5出射的光束也不平行，通常光学流体5的初始位置距离半导体激光器19较远，因此光束是聚焦光束，从光学流体5出射的聚焦光束经会聚透镜18聚焦后光斑偏离光纤插芯16，通过光纤插芯16输入到外部的激光功率计的功率较低。通过多方位视觉定位机械臂6调整光学流体5在x、y轴上位置，使激光功率计示值最大，此时xy方向位置调整完成。调整完成后，此时半导体激光器19发射的激光光轴中心与光学流体5的光轴中心重合，会聚透镜18上的光斑对称，但半导体激光器19发出的光束仍然不完全进入到光学流体5，且从光学流体5出射的光束不平行。此后需再进行光学流体5在z方向调整。通过电动伸缩杆8的伸缩，可带动半导体激光器19上下移动，进而可达到光学流体5在z轴上调整位置的目的。直至调整光学流体5与半导体激光器19间距可使半导体激光器19从光学流体5出射的光束为准直光束（即从光学流体5出射的光束平行），准直光束经过会聚透镜18聚焦后耦合到光纤插芯16中心，此时耦合到光纤插芯16的功率达到最大，激光功率计示值显示为最大，由此完成光学流体5的完全装调到位。
25.然后利用多方位视觉定位机械臂6上的视觉检测装置测量出光学流体5的曲率半径并记录。也可以采用外部的视觉检测装置测量出光学流体5的曲率半径并记录。
26.此时利用外部装置将光学流体5吸走并烘干，再通过点胶将容器环4固定在平面透镜3上。然后重复上述步骤中的调位方法，依次从右到左对多个半导体激光器19完成调位，并点胶固定多个容器环4。从右到左对多个制作的光学流体5的曲率半径进行检测和记录。
27.然后通过多方位视觉定位机械臂6将外部的耦合透镜（即半导体激光器19所适配的耦合透镜）移动到容器环4的内部，采用紫外粘结或者激光焊接等多种方式来固定容器环4和耦合透镜。按照从右到左的顺序逐个完成多个容器环4与耦合透镜固定。然后采用紫外粘结或者激光焊接等多种方式将平面透镜3和下方的多个半导体激光器19固定。最后，按照传统封装方式对所述多单管半导体激光器耦合单芯光纤装置进行封装工艺。
28.实施例二一种多单管半导体激光器耦合单芯光纤装置，包括平面透镜3、放置在平面透镜3上的容器环4、注入在容器环4中的光学流体5以及用于夹持容器环4并使容器环4在平面透镜3上表面水平移动的多方位视觉定位机械臂6，平面透镜3的两侧设有用于夹持固定平面透镜3的夹持机构，夹持机构包括两个对称的l形支撑板10，支撑板10的水平段上表面固定连接有第二托板11，支撑板10的竖直段下端固定连接有滑块12，滑块12与滑槽13滑动连接，滑块12通过螺栓与底座7固定连接。
29.夹持机构的下方设有用于承载及调整夹持机构夹持力度的承载机构1，承载机构1
包括底座7，底座7的上表面四角处开设有滑槽13。
30.承载机构1两侧设置用于调整平面透镜3高度的升降机构，升降机构包括两个电动伸缩杆8，两个电动伸缩杆8固定安装在底座7的两侧上表面，两个电动伸缩杆8的输出端固定连接有第一托板9。
31.夹持机构的上方设置多单管半导体耦合单芯光纤模块2，多单管半导体耦合单芯光纤模块2包括安装框架14，安装框架14的底部固定安装有多个发出对焦激光的半导体激光器19，安装框架14的上端固定连接有会聚透镜框15，会聚透镜框15的下端内壁上固定连接有会聚透镜18，会聚透镜框15的顶部固定安装有光纤法兰17，光纤法兰17中固定套设有光纤插芯16。
32.在制取与半导体激光器19所适配的耦合透镜中产生焦距较大的耦合透镜，此耦合透镜为残次耦合透镜20，通过将残次耦合透镜20固定在容器环4的内侧底部，并在残次耦合透镜20上方放置圆形平面透镜21，多方位视觉定位机械臂6夹持容器环4带动残次耦合透镜20在平面透镜3上进行水平位置调整，通过向容器环4内注入光学流体5调整残次耦合透镜20的焦距变小，进而通过会聚透镜18将激光光束聚焦耦合至光纤插芯16的中心，使光纤插芯16耦合的功率达到最大值。
33.本发明在该实施例下的工作原理及使用流程如下：生产多单管半导体耦合单芯光纤模块2时，在半导体激光器19所适在配的耦合透镜中会产出一批焦距较大的耦合透镜，即残次耦合透镜20。该透镜和半导体激光器19在完成完全装调到位后，因残次耦合透镜20的焦距较大，所以残次耦合透镜20和半导体激光器19之间的竖直间隙会变大，进而影响两者之间的固定。因此采用以下方法解决该问题：先将残次耦合透镜20固定在容器环4的内侧底部，残次耦合透镜20位于圆形平面透镜21的下方（参照图8、9）。再将多单管半导体耦合单芯光纤模块2放置在承载机构1上，使安装框架14的底部与两个第一托板9接触。然后推动两个支撑板10向内侧移动，之后将平面透镜3放置在两个第二托板11上，再向内侧推动一下支撑板10，使两个第二托板11卡住平面透镜3的两侧，然后旋紧滑块12上的螺栓使支撑板10的位置固定，此时平面透镜3位于半导体激光器19的上方并具有一定距离。然后启动电动伸缩杆8，带动多个半导体激光器19向上移动并与上方的平面透镜3接触（如图7），接触后关闭电动伸缩杆8。然后采用紫外粘结或者激光焊接等多种方式将平面透镜3和下方的多个半导体激光器19固定。
34.将容器环4放置在平面透镜3的顶端，残次耦合透镜20的底端与平面透镜3接触。利用多方位视觉定位机械臂6夹持容器环4，可使容器环4带动残次耦合透镜20在平面透镜3上进行x、y轴上位置调整。从半导体激光器19发射的激光光轴中心与残次耦合透镜20中心不重合，也即在xy方向有偏差，半导体激光器19发出的光束不完全进入到残次耦合透镜20，且会聚透镜18上的光斑不对称，且从残次耦合透镜20出射的光束也不平行，因残次耦合透镜20的焦距较大，因此光束是分散光束，从残次耦合透镜20射出的分散光束经会聚透镜18聚焦后光斑偏离光纤插芯16，通过光纤插芯16输入到外部的激光功率计的功率较低，通过多方位视觉定位机械臂6调整残次耦合透镜20在x、y轴上位置，使激光功率计示值最大，此时xy方向位置调整完成。调整完成后，此时半导体激光器19发射的激光光轴中心与残次耦合透镜20的光轴中心重合，会聚透镜18上的光斑对称，但半导体激光器19发出的光束仍然不完全进入到残次耦合透镜20，且从残次耦合透镜20出射的光束不平行。然后向容器环4内缓
缓滴入光学流体5，缓缓改变光学流体5的曲率半径的大小，利用凸透镜叠加焦距变小的原理，调整光学流体5和残次耦合透镜20构成的组合透镜的焦距使其缓缓变小，直至调整该焦距的大小可使半导体激光器19从残次耦合透镜20和光学流体5出射的光束为准直光束（即从光学流体5出射的光束平行），准直光束经过会聚透镜18聚焦后耦合到光纤插芯16中心，此时耦合到光纤的功率达到最大，激光功率计示值显示为最大，由此完成残次耦合透镜20的完全装调到位。然后利用多方位视觉定位机械臂6上的视觉检测装置测量出光学流体5的曲率半径并记录。然后利用外部装置将光学流体5吸走并烘干，再通过点胶将容器环4固定在平面透镜3上。然后重复上述的调位方法，依次从右到左对多个半导体激光器19完成调位并点胶固定多个容器环4，以及记录多个光学流体5的曲率半径。
35.然后通过多方位视觉定位机械臂6将外部的耦合透镜（该耦合透镜的曲率半径大小与记录值相同）移动到圆形平面透镜21的顶端，采用紫外粘结或者激光焊接等多种方式来固定容器环4和耦合透镜。按照从右到左的顺序并根据记录值逐个完成多个容器环4与耦合透镜固定。
36.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。