CN100529816C - 聚焦光纤 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一适用于将光束以钝角聚焦到光轴上的光纤波导。以一角度抛光光纤的聚焦端，使得表面法线不与光轴重合，而该光轴由光束通过光纤波导的路径限定。角度θ必须大于0°小于90°。本发明还包括一个在聚焦端耦合到光纤波导外部的聚焦透镜。聚焦透镜可以是球状透镜，其通过一种粘结材料连结到包层的外部。

Description

聚焦光纤
发明领域
[0001]本发明涉及一种光纤波导，并尤其涉及一种适用于将直角入射的光束导向光纤光轴的光纤波导。
发明背景及概述
[0002]光纤波导是典型直径在0.1～0.01mm量级的极小直径的玻璃或合成塑料材质的纤维。典型的光纤波导包括一个玻璃芯和一个护层或包层，包层的折射率小于芯的折射率。芯的折射率可以恒定，或者可以根据预定的公式径向变化，由此建立折射率渐变光纤。
[0003]由于构成芯和包层的材料在折射率方面的差异，进入光纤一端的光在芯内沿光纤轴传输。通过采用特定类型的高度透明的玻璃，可以将光从光纤的一端以极小的衰减或消散传输到另一端。
[0004]不用说，对光束行为上的限制防止了光纤波导在一些应用中的使用，值得注意的是在极短的距离上光束必须以相对于光纤光轴钝角入射来导向的任何应用。在这种情况下，紧紧地弯曲光纤是一种不恰当的方式，主要在于光纤变得疲劳并将断裂，或是光束将由于在尖弯处辐射而损失。
[0005]在此情况下，已有提议利用反射镜和高抛光光学元件以所需的角度反射光束。这样做时可以用凸、凹或平的光学元件来设计装置以用于反射入射光。虽然提出的这些方案实现了一些指定的目标，但这样也增加了成本，并且总的效率也不高，限制了这种光学装置的批量生产。
[0006]因此，本发明包括这样一种光纤波导，其由围绕纤芯的包层组成，纤芯指引并导向光束。包层限定一个第一边界和一个聚焦端，光纤波导的聚焦端限定一个反射面。表面法线矢量从反射面伸出以确定该表面相对于光轴的位置。聚焦端以这样一种角度抛光，即在该角度上表面法线不与光轴重合，其中光轴由光束穿过光纤波导的路径定义。角度θ必然大于0°和小于90°。在具体的实施例中，角度θ处于36°～55°之间，对于特定的应用，该角度可以近似为43°～49°。
[0007]本发明还包括一个在其聚焦端耦合到光纤波导包层的外表面上的聚焦透镜。聚焦透镜可以是一个球透镜，通过粘结材料、最好是折射率匹配的材料连结到包层的外部。通过这样，在从聚焦端反射时，光束经折射率匹配的粘结材料和连结的聚焦透镜传输到第二边界，该边界是聚焦透镜的外表面。因为聚焦透镜是球形的，所以第二边界对于光束表现为球面镜。因此光束会聚成一个圆斑，直径在5-9μm的量级上。
附图简述
[0008]图1是根据本发明的光纤聚焦系统的示意图；
[0009]图2是根据本发明的光纤波导的截面图；
[0010]图3是根据本发明的用于聚焦用途的光纤截面图；
[0011]图4是表示由本发明的光纤聚焦的光束光斑大小的曲线。
优选实施例的详细描述
[0012]本发明总的涉及光束在有关结构上的聚焦和导向。并且本发明尤其适于经光纤引导激光并把从光纤以直角出射的光聚焦到光轴上。下面进一步讨论本发明的细节。
[0013]本发明的光纤聚焦系统10如图1所示。光纤聚焦系统10总体上由光纤波导2、光源22、聚焦光学元件14和有关的结构18组成。光源22产生光束20，该光束经光纤波导12引导至其聚焦端11。一旦到达聚焦端11，光束20即经受内全反射并通过光学元件14，由此辐射有关结构18，例如一个固定目标。
[0014]更详细的本发明光纤波导12如图2所示。光纤波导12由包围并指导光束20的包层24组成。包层24限定一个第一边界28和一个聚焦端11。光束20在点26处入射到聚焦端11上。光纤波导12的聚焦端11限定一个反射面，该面定义表面法向矢25。聚焦端11以这样的角度抛光，即在该角度时表面法线25不与光轴重合，而光轴由光束20经过光纤波导12的路径限定。角度θ必然大于0°和小于90°。在优选实施例中，角度θ处于36°～55°之间，对于具体的应用，该角度可以近似在43°～49°之间。
[0015]当光束20入射到聚焦端11时，一定量的光束20根据麦克韦尔方程被传输、吸收和反射。但已知在一定的边界条件下发生内全反射(TIR)。该条件表达为斯涅尔定律，即：
(1)n1sin(θ1)＝n2sin(θ2)
此处ni为光纤i的折射率，θ1为入射角。在本应用中，n1sin(θ1)等于满足TIR条件的单位。方程1可以重写成：
(2)θ1＝sin-1(n2/n1)
[0016]典型光纤的折射率n1约为1.46，因而内全反射的临界角θ1近似为43°。如果光束20以43°或更大的角度入射到聚焦端11上，则光束20将被全反射。
[0017]如图2中的截面图所示，光束20以角度θ入射到聚焦端11上。之后，光束20以近似直角反射到其原始轴。光束20自然发散，直到其到达第一边界28，在该边界处其路径又按照麦克韦尔方程改变。光纤波导12本身是柱形。因而第一边界28对光束20表现为柱透镜。这样光束发散成椭圆斑30，在Y轴上的尺寸大于在X轴上的尺寸。
[0018]为了抵消光束20的迅速及不理想的发散，将光纤波导12耦合到聚焦透镜14，如图3所示。之后，光束20近似以直角反射到光轴，然后再自然发散，直到到达第一边界28。但光束不是按照麦克韦尔方程改变其光路，而是经粘结材料16和聚焦透镜14传输到第二边界29。聚焦透镜14本身是球形，因而第二边界29对于光束20表现为球状透镜。这样，光束会聚成一个圆斑32，其在Y轴上的尺寸等于在X轴上的尺寸。
[0019]为了避免在第一边界28处的内反射，粘结材料16和聚焦透镜14每个的折射率必须与包层24的折射率匹配。换言之，优选粘结材料16和聚焦透镜14的折射率处于1.30～1.70之间，最好在较窄的范围1.45～1.50之内。如果满足前面的条件，则就没有光束20的内全反射或折射。为了确保最佳性能和光学质量，折射率匹配的结合剂是优选的粘结材料16。同样，聚焦光学元件14优选折射率与包层14一致的球形透镜。
[0020]尽管图3中示出了光纤波导12的改进设计，但光束20的传输却不是很好。形成圆斑32的光束20不是入射光的100％。菲涅儿方程表明入射光的大约4％将在空气/玻璃界面处反射，与光传播的方向无关。就损失响应率而言，响应率4％的下降也不是影响巨大的。但如果光束20的4％返回到其原始路径、即光轴，则将对网络造成交扰，降低整个系统的性能。
[0021]在大部分应用中，可以反射到光轴上的光量必须保持在原始光束20的1/1000或0.1％以下。此指标是针对光返回损失(ORL)，典型地是以分贝(dB)为单位规定，是强度损耗的对数值。例如，1000分之一个单位是指30dBORL。在标准应用中，传播到光纤侧壁并返回到纤芯的典型光束可造成高达9dB的ORL。这意味着比最佳性能所能承受的大约多100倍的光重新进入纤芯。解决ORL问题的一种尝试方案是用光纤玻璃表面的抗反射涂层来消除4％的反射。在夹紧和加工过程中对每一根光纤实施这一方案十分昂贵。利用折射率匹配的聚焦透镜14和粘结材料16，能够使光没有阻碍地传播经过包层24和聚焦透镜14，第二边界29只以前述的4％反射光束20。不仅是第二玻璃界面29远离光轴，而且更重要的是，聚焦透镜14的大曲率表面反射光束离开光轴。因此，利用优选的球状透镜14的光的ORL在原始光束中通常超过40dB或1/10,000。
[0022]图3中所示的光纤波导12的性能提高以关于圆斑32直径得到证实。图4是表示当圆斑32移动穿过探测器的尖锐边界时光纤-透镜组件的平移(μm)和探测器的随后响应率之间关系的曲线。此特定的数据代表的是耦合到45°抛光的光纤波导的34μm直径的球状透镜。探测器本身较大，但探测器的边缘非常尖锐。这意味着当光纤-透镜组件平移过探测器的边缘时，圆形激光斑(由透镜形成)迅速通到探测器上。如图所示，当此斑从5μm移到10μm时，相应地发生10％～90％的升高。这提示着聚焦激光斑(FWHM)为5μm的量级，或者至少处于3～15μm之间的范围，要求具有小于约100μm的直径的球状透镜。还注意到响应曲线的平坦段处于1.0A/W。折射此类探测器的理论限度，表示实际上在光学组件中没有光损失。
[0023]如上所述，本发明包括光纤聚焦系统、光纤波导及其制造方法。特别是光纤波导尤其适用于指导以垂直于光轴的角度入射的光束。不用说，对于本领域的技术人员来说，上述实施例仅仅是本发明很多可能实施例中的几个。在不脱离本发明由权利要求限定的范围的前提下，本领域的技术人员可以很容易地进行多种改型。

Claims (25)

1.一种光纤聚焦系统，具有提供用于照射有关结构的光束的光源，该光纤聚焦系统包括：
光纤波导，限定一光轴并具有接收端和聚焦端，聚焦端限定一具有表面法线的反射面；
耦合到聚焦端的聚焦透镜；和
用于接收光束的探测器；
其特征在于，所述表面法线的取向相对于光轴成一角度，使得光束首先从聚焦端反射，然后进入聚焦透镜，之后，光束被聚焦到所述探测器上，其中，所述聚焦透镜是球状透镜，由粘结材料耦合到所述光纤波导的末端。
2.如权利要求1所述的光纤聚焦系统，其特征在于聚焦透镜和粘结材料具有与光纤波导相同的折射率。
3.如权利要求1所述的光纤聚焦系统，其特征在于光纤波导的折射率处于1.3～1.7之间。
4.如权利要求1所述的光纤聚焦系统，其特征在于光纤波导的折射率处于1.45～1.50之间。
5.如权利要求1所述的光纤聚焦系统，其特征在于表面法线相对于光轴的角度处于36°～55°之间。
6.如权利要求1所述的光纤聚焦系统，其特征在于表面法线相对于光轴的角度处于43°～49°之间。
7.如权利要求1所述的光纤聚焦系统，其特征在于聚焦透镜具有34μm的直径。
8.一种用于聚焦用途的光纤，包括：
光纤波导，限定一光轴并具有接收端和聚焦端，聚焦端限定一具有表面法线的反射面；和
在聚焦端通过粘结材料耦合到光纤波导的球状透镜；
其特征在于所述表面法线取向为使得沿光轴传播的光束被反射到球状透镜。
9.如权利要求8所述的光纤，其特征在于粘结材料是一种结合剂。
10.如权利要求9所述的光纤，其特征在于球状透镜和结合剂具有与光纤波导相同的折射率。
11.如权利要求8所述的光纤，其特征在于光纤波导的折射率处于1.3～1.7之间。
12.如权利要求8所述的光纤，其特征在于光纤波导的折射率处于1.45～1.50之间。
13.如权利要求8所述的光纤，其特征在于所述表面法线相对于光轴的角度处于36°～55°之间。
14.如权利要求8所述的光纤，其特征在于所述表面法线相对于光轴的角度处于43°～49°之间。
15.如权利要求8所述的光纤，其特征在于由球状透镜聚焦的光束具有圆形横截面。
16.如权利要求8所述的光纤，其特征在于由球状透镜聚焦的光束具有直径处于3～15μm的光斑尺寸。
17.如权利要求8所述的光纤，其特征在于由球状透镜聚焦的光束具有直径处于5～9μm的光斑尺寸。
18.如权利要求8所述的光纤，其特征在于球状透镜具有34μm的直径。
19.一种制作用于聚焦用途的光纤的方法，该方法包括下列步骤：
提供一光纤波导，该光纤波导限定一光轴并具有接收端和聚焦端，聚焦端限定一具有表面法线的反射面；和
提供一聚焦透镜，该聚焦透镜具有与光纤波导相同的折射率，其中所述聚焦透镜是球状透镜；
抛光光纤波导的聚焦端，使得所述表面法线相对于光轴限定一角度；
利用折射率匹配的光学结合剂将聚焦透镜在聚焦端耦合到光纤波导。
20.如权利要求19所述的方法，还包括照射光纤波导，使得沿光轴传播的光束在表面法线处反射的步骤。
21.如权利要求19所述的方法，还包括沿光轴引导可见光束，使得光束在所述表面法线处反射，并且相对于目标固定反射光束的位置的步骤。
22.如权利要求19所述的方法，还包括对齐聚焦透镜与固定目标，使得响应于聚焦透镜与光纤波导的连结，可见光束由聚焦透镜聚焦的步骤。
23.如权利要求19所述的方法，其特征在于抛光聚焦端，使得所述表面法线相对于光轴限定一角度，该角度处于42°～52°之间。
24.如权利要求19所述的方法，其特征在于光纤波导的折射率处于1.4～1.5之间。
25.如权利要求19所述的方法，还包括提供光束，并且还将光束聚焦为直径在5～9μm之间的光斑尺寸的步骤。
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