CN101191971B - 大功率多路高斯激光光束光纤分光方法及其设备 - Google Patents
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Abstract
本发明将激光器输出的高斯分布的激光束用光束扩束器进行扩束，再用光束匀化器将空间能量为高斯分布的激光束转换空间能量为平顶分布的激光束，最后用光纤分束器对匀化后的激光进行多路分光。调整每路光纤分束器的光纤长度，能够控制每路激光输出的相位，使每路输出的激光同相、同步。本发明解决了背景技术中分体积庞大、成本高、光路数少、光束方向引导不便、传输距离短、不适用大功率激光场合的技术问题。本发明分光均匀，激光输出的位置可随意放置，使用灵活、方便，可实现百路、千路能量均匀的输出相位或具有固定相位延迟的激光输出，可用于大功率激光连续型和脉冲型激光的光分束、合束，尤其适用于国防电子对抗与目标识别等领域中。
Description
技术领域
本发明涉及一种对激光进行分光和多路光控的光纤分光方法及其设备，具体涉及一种大功率多路高斯激光光束光纤分光方法及其设备。
背景技术
许多激光技术应用领域都需要多路激光同时工作，而且每路激光根据应用要求具有一定能量和一定相位关系。
用多台激光器实现多路激光，成本很高，每台激光器输出激光的相位控制也难以实现。因此，多采用一台大功率激光器输出，再用分光技术实现多路分光。
传统的能量分光，一般采用光学分光镜进行分光，光学分光镜由表面镀有半透半反膜的镜片构成。激光光束通过第一级分光镜后，被分成第一级反射光和透射光，即获得二路激光分路输出。第一级反射光和透射光的能量比例可按需要控制。第一级反射光和透射光分别通过第二级分光镜后，被分成第二级反射光和透射光，即获得四路激光分路输出。依此类推，可实现2n路激光分路输出，n为分路的级数。采用光学分光镜进行分光的缺点如下：
1.实现多路分光困难。当需要分路的激光为几十路、几百路时，系统庞大、复杂，光路对光不易，实际实施非常困难，甚至无法实现。
2.光程差调节不便。当需要获得不同光程差的激光输出时，各光程差的调节非常不便。
3.光束方向引导不便。由于分光镜的位置固定及光的直线传播特性，庞大的分光系统可移动性差，分光镜的位置、放置角度等受到很大限制，光束方向的引导非常不便。
4.分光不宜远距离传输。当分光的距离传输较远时，系统会过于庞大而失去实用性，因此，每路分光的距离不可能传输很远。
利用光纤束实现激光的分光，是将激光耦合到光纤束中，通过光纤的传输，最终每根光纤都输出一束激光。由于光纤的传输损耗很低，因此，适于较长的传输光 路。该技术已广泛应用于激光技术、光通信及光纤传感中。目前，光通讯技术中所采用的光纤分光是将多个一分二耦合器进行树状集联的熔融拉锥技术，即将两根或多根光纤捆在一起，在拉锥机上熔融拉伸，实时监控分光比的变化，直至分光比达到要求。其中一端保留一根光纤作为输入端，其余的剪掉，另一端则作多路输出端。成熟的拉锥工艺一次只能拉1×4以下的分束器，1×4以上的器件，则需用多个1×2的器件连接在一起。利用熔融拉锥技术光纤束实现激光分光主要存在以下缺点：
1.多路分光实现困难。对于一分四路、八路的分光技术尚易实现，但随着分光路数的增加，需要集联的一分二耦合器的数量需成倍增加，具体实现的技术难度非常大。
2.体积庞大，可靠性低，成本高。分路器体积较大，不仅可靠性会降低，而且成本也较高。
3.不适用于大功率场合。由于熔融拉锥光纤不能耐受高功率激光，因此，不能用于大功率场合。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大功率多路高斯激光光束光纤分光方法及其设备，其解决了背景技术中分体积庞大、成本高、光路数少、光束方向引导不便、传输距离短、不适用大功率激光场合的技术问题。
本发明的技术解决方案是：
一种大功率多路高斯激光光束光纤分光方法，其特殊之处在于，它的实现步骤包括：
【1】对激光束进行扩束：对高斯分布的激光束进行扩束，使激光光斑大小与光束匀化器3相匹配；
【2】匀化激光束：将空间能量为高斯分布的激光束转换空间能量为平顶分布的激光束，使输出的激光能量在空间均匀分布；
【3】进行多路分光：
【3.1】用光纤分束器对匀化后的激光进行多路分光；
【3.2】调整每路光纤分束器光纤的长度，使每路输出的激光同相、同步。
上述光纤分束器为集束型光纤分束器4；所述的集束型光纤分束器4是将多根光纤的一端集束在一起构成光纤束5，该多根光纤的另一端为自由移动端。
上述构成集束型光纤分束器4的光纤束5中的光纤是按照圆内接六边形方式紧密排布(这样可使光纤排列紧密。)，所排布的光纤数量M为：
M＝3×(N2-N)+1
式中，N为排列的光纤层数。
上述构成集束型光纤分束器4的光纤，其光纤纤芯和光纤包层材料的直径比的取值条件是：在保证光束全反射传输的前提下尽量趋近1。
上述构成集束型光纤分束器4的光纤，其光纤直径、光纤纤芯直径及光纤包层厚度的确定选取条件是：根据所需的传光效率确定光纤的直径；根据所需承受的功率密度确定光纤的纤芯直径；根据所需的激光耦合效率确定光纤的包层厚度。
一种实现上述大功率多路高斯激光光束光纤分光方法的设备，包括光束扩束器2，设置于光束扩束器2输入端的激光器1，其特殊之处在于：所述的光束扩束器2的输出端设置有光束匀化器3，所述光束匀化器3的输出端与集束型光纤分束器4的输入端光耦合连接。
上述集束型光纤分束器4是由多根光纤构成的光纤束5，该多根光纤的一端集束在一起，另一端为自由移动端。
上述构成集束型光纤分束器4的光纤束5中的光纤排布是按照圆内接六边形方式紧密排布，所排布的光纤数量M为：
M＝3×(N2-N)+1
式中，N为排列的光纤层数。
上述构成集束型光纤分束器4的光纤是大功率传能型石英光纤，即光纤的纤芯和包层材料均为高纯石英。
上述激光器1是连续激光器或脉冲激光器。
本发明具有以下优点：
本发明具有以下优点：
1.使用光束匀化器，分光均匀，能量差别小。
2.激光输出能量均匀，输出时间延迟抖动小。
3.光纤长度可据需要设置，以调节每一路光程。
4.采用大模场石英光纤，可耐受高功率激光。
5.采用光纤输出，系统体积小，激光输出的位置可随意放置，使用灵活、方便。
6.光纤分束器与激光器对接简便。
7.结构简单，易于实现。
8.适用范围宽。可实现百路、甚至千路能量均匀的、输出相位或具有固定相位延迟的激光输出，可用于大功率激光连续型和脉冲型激光的光分束、合束。具体可用于光导开关天线阵列、光相控阵雷达、激光加工、多路激光多台光纤激光器的泵浦等。尤其适用于国防电子对抗与目标识别等领域中。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明光纤分束器端面结构的示意图；
图3是本发明高斯光束匀化为平顶光束的示意图的结构示意图。
附图标号说明：1-激光器，2-光束扩束器，3-光束匀化器，4-集束型光纤分束器，5-光纤束，6-大光斑，7-小光斑。
具体实施方式
参见图1，本发明设备主要由光束扩束器2、光束匀化器3及集束型光纤分束器4构成。光束扩束器2的输入端是激光器1，激光器1是连续激光器或脉冲激光器，还可采用光纤激光器作为触发源，实现与后面的耦合。光束扩束器2的输出端设置有光束匀化器3，光束匀化器3的输出与集束型光纤分束器4光耦合连接。
参见图2，光纤束5中的光纤是按照圆内接六边形方式紧密排布，这种排布方式可使光纤排列紧密。所排布的光纤数量M为：
M＝3×(N2-N)+1
式中，N为排列的光纤层数。
本发明集束型光纤分束器4所选用光纤的特性对器件性能有较大影响。大功率激光输出的光纤宜选择大功率的、传能型石英光纤，即光纤的纤芯和包层材料均为高纯石英。光纤的纤芯和光纤包层材料的直径比应在保证光束全反射传输的前提下尽量趋近1。光纤的直径越大，耐受激光的功率越高，传光效率也越高。光纤的纤芯直径越小，进行激光耦合时光纤端面所承受的功率密度越高，加工时越容易打坏。光纤的包层越薄，光纤束5的收光面积越大，耦合到光纤束5的激光耦合效率高。所以，一般根据所需的传光效率确定光纤的直径，根据所需承受的功率密度确定光纤的纤芯直径，根据所需的激光耦合效率确定光纤的包层厚度。
参见图3，本发明分光方法的实现步骤如下：
【1】对激光束进行扩束：将激光器1输出的对高斯分布的激光束用光束扩束器2进行扩束，使激光光斑大小与光束匀化器3相匹配。激光器1输出的光斑一般是较小的小光斑7，需扩束为大小与光束匀化器3相匹配的大光斑6。
【2】匀化激光束：用光束匀化器3将空间能量为高斯分布的激光束转换空间能量为平顶分布的激光束，使输出的激光能量在空间均匀分布。由于一般激光器1所输出的光斑为高斯光斑，激光能量空间分布不均匀，呈中间强外沿弱，如果直接用光纤束5进行耦合分光，所输出激光的能量空间分布不均匀，即排列在中心的光纤输出功率大，而外圈上的光纤输出功率小。用光束匀化器3可将高斯光斑变成平顶矩形光斑，使输出光斑的能量在空间均匀分布，每路光纤耦合到的激光能量均匀。匀化后的激光更便于与光纤分束器耦合连接。
【3】进行多路分光：
【3.1】用光纤分束器对匀化后的激光进行多路分光。光纤分束器为集束型光纤分束器4，其由多根光纤的一端集束在一起组成光纤束5，多根光纤的另一端为自由移动端，用于对大功率高斯激光进行多路分光。
【3.2】调整每路光纤分束器的光纤长度，能够控制每路激光输出的相位，使每路输出的激光同相、同步。
Claims (8)
1.一种大功率多路高斯激光光束光纤分光方法，其特征在于，它的实现步骤包括：
【1】对激光束进行扩束：对高斯分布的激光束进行扩束，使激光光斑大小与光束匀化器(3)相匹配；
【2】匀化激光束：将空间能量为高斯分布的激光束转换空间能量为平顶分布的激光束，使输出的激光能量在空间均匀分布；
【3】进行多路分光：
【3.1】用光纤分束器对匀化后的激光进行多路分光；
【3.2】调整每路光纤分束器光纤的长度，使每路输出的激光同相、同步。
所述的光纤分束器为集束型光纤分束器(4)；所述的集束型光纤分束器(4)是将多根光纤的一端集束在一起构成光纤束(5)，该多根光纤的另一端为自由移动端。
2.根据权利要求1所述的大功率多路高斯激光光束光纤分光方法，其特征在于，所述构成集束型光纤分束器(4)的光纤束(5)中的光纤是按照圆内接六边形方式紧密排布，所排布的光纤数量M为：
M＝3×(N2-N)+1
式中，N为排列的光纤层数。
3.根据权利要求2所述的大功率多路高斯激光光束光纤分光方法，其特征在于，所述构成集束型光纤分束器(4)的光纤，其光纤纤芯和光纤包层材料的直径比的取值条件是：在保证光束全反射传输的前提下尽量趋近1。
4.根据权利要求3所述的大功率多路高斯激光光束光纤分光方法，其特征在于，所述构成集束型光纤分束器(4)的光纤，其光纤直径、光纤纤芯直径及光纤包层厚度的确定选取条件是：根据所需的传光效率确定光纤的直径；根据所需承受的功率密度确定光纤的纤芯直径；根据所需的激光耦合效率确定光纤的包层厚度。
5.一种实现权利要求1所述大功率多路高斯激光光束光纤分光方法的设备，包括光束扩束器(2)，设置于光束扩束器(2)输入端的激光器(1)，其特征在于：所述的光束扩束器(2)的输出端设置有光束匀化器(3)，所述光束匀化器(3)的输出端与集束型光纤分束器(4)的输入端光耦合连接。
所述的集束型光纤分束器(4)是由多根光纤构成的光纤束(5)，该多根光纤的一端集束在一起，另一端为自由移动端。
6.根据权利要求5所述的大功率多路高斯激光光束光纤分光方法的设备，其特征在于：所述构成集束型光纤分束器(4)的光纤束(5)中的光纤排布是按照圆内接六边形方式紧密排布，所排布的光纤数量M为：
M＝3×(N2-N)+1
式中，N为排列的光纤层数。
7.根据权利要求6所述的大功率多路高斯激光光束光纤分光方法的设备，其特征在于：所述构成集束型光纤分束器(4)的光纤是大功率传能型石英光纤。
8.根据权利要求7所述的大功率多路高斯激光光束光纤分光方法的设备，其特征在于：所述的激光器(1)是连续激光器或脉冲激光器。
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Legal Events
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20150925 Address after: 710119, building 10, building 60, 301 West Avenue, hi tech Zone, Shaanxi, Xi'an Patentee after: XI'AN MICROMACH TECHNOLOGY Co.,Ltd. Address before: 710119, Shaanxi Province, Xi'an hi tech Zone, new industrial park, 17 information Avenue, ancestral building on the third floor, room 323 Patentee before: XI'AN INSTITUTE OF OPTICS AND PRECISION MECHANICSOF CAS Effective date of registration: 20150925 Address after: 710119, Shaanxi Province, Xi'an hi tech Zone, new industrial park, 17 information Avenue, ancestral building on the third floor, room 323 Patentee after: XI'AN INSTITUTE OF OPTICS AND PRECISION MECHANICSOF CAS Address before: 710068 No. 234 Youyi West Road, Shaanxi, Xi'an Patentee before: XI'AN INSTITUTE OF OPTICS AND PRECISION MECHANICS, CHINESE ACADEMY OF SCIENCES |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: Large power multipath gauss laser beam optical fibre light splitting method and its equipment Effective date of registration: 20170524 Granted publication date: 20101215 Pledgee: Xi'an innovation financing Company limited by guarantee Pledgor: XI'AN MICROMACH TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: 2017990000436 |
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Date of cancellation: 20180307 Granted publication date: 20101215 Pledgee: Xi'an innovation financing Company limited by guarantee Pledgor: XI'AN MICROMACH TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: 2017990000436 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20101215 Termination date: 20191120 |