CN102830474B - 一种光纤激光器到单模光纤的自动耦合装置 - Google Patents

Abstract

一种光纤激光器到单模光纤的自动耦合装置是由第一光纤准直器的输入端与光纤激光器输出端连接，输出准直激光束到由第一凸透镜与固定在一维压电陶瓷平动台上的第二凸透镜构成的望远镜系统，通过设置于二维压电陶瓷平动台上的第二光纤准直器耦合到单模光纤，由单模光纤耦合器分为两路，一路经光电探测器转化为电信号进入控制器，由控制器根据光电信号的大小发出控制信号控制驱动器以驱动一维压电陶瓷和二维压电陶瓷从而形成闭环的控制系统，另一路输出供使用。本装置结构耦合效率高，自适应温度、抗抖动等外界环境变化，运行可靠以及故障率低等优点。广泛用于精密光谱、量子光学和其他使用光纤激光器的领域。

Description

一种光纤激光器到单模光纤的自动耦合装置

技术领域

本发明涉及一种光纤激光器到单模光纤的耦合装置，进一步地是一种利用光纤准直器对光纤激光器输出的激光模式进行粗调、利用望远镜系统对激光模式进行细调，利用压电陶瓷产生的微位移使耦合透镜、耦合光斑在微米量级内运动，使激光模式最大程度满足单模光纤传输模式，从而实现光纤激光器到单模光纤的耦合，并利用实时的反馈来调节耦合效率的自动耦合系统，广泛应用于光谱学、量子光学以及光通信等使用光纤激光器的领域。

背景技术

光纤激光器具有性能稳定、输出功率高、光谱特性好以及便携等优点，是目前被普遍看好的激光器之一。随着集成光学的发展，激光的传输、频率的转换以及光信息的处理均能够通过光纤或者波导器件来完成。由于光纤器件和波导器件具有结构紧凑、传输及转化效率高，被广泛应用于精密光谱，量子光学和激光通信等领域。由于光反馈会影响光纤激光器的稳定性甚至造成损坏，光纤激光器到单模光纤的耦合装置中，在追求高耦合效率的同时还要避免或减少光反馈的问题。目前的耦合方案大多采用激光经自由空间传输后再耦合到光纤中以减小光反馈，采用显微物镜或凸透镜来调节激光模式，并利用机械装置来控制光学器件的位置，使其满足光纤传输模式，从而实现耦合。这种耦合装置对激光束的模式微调不足，因此，在单模光纤耦合的应用中效率不高。上海光机所的王育竹院士等人提出了利用望远镜准直系统来提高单模光纤耦合效率的方法，这种方法提高了光学部分对激光束模式的微调能力。

现有技术中，光纤激光器到单模光纤的耦合结构是由模式转换光学部分以及机械调节部分等构成，工作时：由光纤激光器发出的激光束，经过模式转换光学部分来调节激光模式，并利用机械调节部分调节光学器件的位置，从而使激光光束的模式最大限度的与光纤传输模式相匹配，被耦合光束与光纤端面也最大限度的重合，从而实现高效率的耦合。然而单模光纤纤芯直径小，约为8~10m，且只有一种传输模式，而上述现有技术中采用的机械装置很难实现准确度高达微米量级的运动，导致耦合效率无法进一步提高，调节过程复杂，对使用人员有很高的要求，且不能实时地根据外部条件的变化相应调整耦合元件保持高耦合效率，易受外界环境的影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题是通过对现有光纤激光器到单模光纤的耦合结构进行改进，对关键光学器件实现准确度高达微米量级的控制和调节，使耦合装置的工作效率最大化，并提供一种光纤激光器到单模光纤的自动耦合装置。

基于上述问题和目的，本发明所提供的一种光纤激光器到单模光纤的自动耦合装置，包括模式转换光学部分以及自动调节部分对激光模式进行精密调节，以构成激光模式最大程度地满足光纤传输模式的自动耦合装置。

其具体的技术方案如下：

其所述自动耦合装置是由第一光纤准直器的输入端与光纤激光器输出端连接，输出准直激光束到由第一凸透镜与固定在一维压电陶瓷上的第二凸透镜构成的望远镜系统，入射到设置于二维压电陶瓷上第二光纤准直器后，由单模光纤耦合器分为两路，一路经光电探测器转化为电信号输入到控制器，再由驱动器相连，驱动器分别与一维压电陶瓷和二维压电陶瓷相连构成闭环结构的控制系统；另一路输出。

在上述技术方案的基础上，进一步地，

第一凸透镜与第二凸透镜的表面镀增有透膜。

透膜的透光率大于99%。

第一凸透镜与第二凸透镜的距离是2f ±1cm，其中f是焦距。

第二光纤准直器到第二凸透镜的距离是2~3cm。

对激光模式进行精密调节是由粗调光学部分和微调光学部分构成，所述粗调光学部分是由型号相同的第一光纤准直器和第二光纤准直器构成；所述微调光学部分是由等焦距的第一凸透镜和第二凸透镜构成。

实现本发明一种光纤激光器到单模光纤的自动耦合装置的技术方案，与现有技术相比，其优点与积极效果在于：

本装置采用激光经自由空间传输后再耦合到光纤中，反馈少；激光经光纤准直器输出后采用一组等焦距的凸透镜构成的望远镜系统对激光模式进行微调后，再经一光纤准直器耦合到单模光纤中去，并采用压电陶瓷对关键光学元件进行精度高达微米量级的调节，使激光模式能够最大程度地满足光纤传输模式。因此，耦合效率高。

本装置采用自动耦合使得系统能够根据外界环境的变化实现实时的优化调整耦合率达到最大化。

本装置具有更加精密的激光模式调节以及自动调节功能，其结构更为科学合理简单，耦合效率高，具有抗抖动、自动适应温度等外界环境的变化，运行可靠以及故障率低等优点。可广泛应用于精密光谱、量子光学和其他使用光纤激光器的领域。

附图说明  

图1是本发明光纤激光器到单模光纤的自动耦合装置结构示意图。

图中：1：第一光纤准直器；2：第一凸透镜；3：第二凸透镜；4：一维压电陶瓷； 5：第二光纤准直器；6：二维压电陶瓷；7：单模光纤耦合器；8：光电探测器；9：控制器；10：驱动器。

具体实施式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作出进一步的说明。

实施方式1

实施本发明所提供的一种光纤激光器到单模光纤的自动耦合装置，包括模式转换光学部分以及自动调节部分对激光模式进行精密调节，以构成激光模式最大程度地满足光纤传输模式的自动耦合装置。其中：

所述模式转换光学部分是对激光模式进行转换从而满足光纤传输模式，自动调节部分是对模式转换光学器件进行精度高达微米的控制并可以具有自动实时调节的功能使模式转换光学系统工作在最佳状态，以构成激光模式最大程度地满足光纤传输模式的自动耦合装置。本装置的具体构成如下：

本发明自动耦合装置是由第一光纤准直器1、第一凸透镜2、第二凸透镜3、一维压电陶瓷4、第二光纤准直器5、二维压电陶瓷6、、单模光纤耦合器7、光电探测器8、控制器9以及驱动器10组成闭环控制系统，其所述光纤准直器1的输入端与光纤激光器输出端连接输出准直的激光束，第一凸透镜2和第二凸透镜3镀增透膜，其增透膜透过率大于99%，焦距为f，二者组成一个望远镜系统，第二凸透镜3固定在一维压电陶瓷4上与第一凸透镜2的距离为2f ±1cm。第二光纤准直器5固定在二维压电陶瓷6上。第二光纤准直器5到第二凸透镜3的距离为2~3cm与待耦合单模光纤耦合器7输入端相连。两个输出端一个接光电探测器8；另一个为输出端。光电探测器8的输出端接到控制器9，控制器9再与驱动器10相连，驱动器10分别与一维压电陶瓷4和二维压电陶瓷6相连。

上述的一种光纤激光器与单模光纤的自动耦合装置，其特征在于激光模式调节光学系统是粗调光学部分和微调光学部分所构成，其中，粗调光学部分是由型号相同的第一光纤准直器1和第二光纤准直器5构成，微调光学部分是由等焦距的第一凸透镜2和第二凸透镜3构成，并由一维压电陶瓷4对第二凸透镜3进行精度高达微米的调节，能够使激光模式最大程度满足光纤传输模式。由二维压电陶瓷6对第二光纤准直器5进行精度高达微米的调节，从而使光束入射到光纤端面中心。第二凸透镜3和第二光纤准直器5可以实时的进行相应的运动，所以此耦合系统能够避免因温度变化引起的热胀冷缩、震动而导致的入射光束偏离单模光纤的纤芯位置和模式失配等现象。所采用的单模光纤耦合器7的耦合比为99：1。

本发明采用控制器9，以及写有控制程序的计算机或嵌入式处理器。在具体控制过程中由五点跟踪算法配合一维平动精确定位，首先以粗调后的初始光斑耦合位置为中心，记录下该中心的光电压大小，通过二维压电陶瓷6的伸缩使得第二光纤准直器5分别向上、下、左、右移动一个步长并记录下相应光电压大小，比较这五个位置的光电压大小后将光斑移动到最大光电压的位置并记录下该处光电压值，重复上述方法移动光斑找到光电压不再变化的位置，这种算法称为五点跟踪算法。然后驱动一维压电陶瓷从最大收缩量开始伸长一个步长，带动第二凸透镜3对激光模式进行细调，二维压电陶瓷同时运行五点跟踪算法搜索最大光电压值，找到后记录下该值和伸长量。一维压电陶瓷继续伸长一个步长，搜索最大光电压值，将该值与记录值比较，如果大于记录值则用该值和伸长量替换记录值。重复该步骤直到记录值不再变化为止，该位置就是最佳耦合位置。调节第二凸透镜3的主要作用是对由光纤准直器输出的准直光束的模式进行微调，使其模式尽可能的接近单模光纤的传输模式。调节第二光纤准直器5的主要作用是为了使经过微调后的光束能够准确的入射在单模光纤的纤芯内，从而使得耦合效率达到最佳。

Claims (1)

1.一种光纤激光器到单模光纤的自动耦合装置，其所述自动耦合装置是由第一光纤准直器（1）的输入端与光纤激光器输出端连接，输出准直激光束到由第一凸透镜（2）与固定在一维压电陶瓷（4）上的第二凸透镜（3）构成的望远镜系统，入射到设置于二维压电陶瓷（6）上第二光纤准直器（5）后，由单模光纤耦合器（7）分为两路，一路经光电探测器（8）转化为电信号输入到控制器（9），再由驱动器（10）相连，驱动器（10）分别与一维压电陶瓷（4）和二维压电陶瓷（6）相连构成闭环结构的控制系统；另一路输出；

其中由型号相同的所述第一光纤准直器（ 1 ）和所述第二光纤准直器（ 5 ）构成粗调光学部分，由等焦距的所述第一凸透镜（ 2 ）和所述第二凸透镜（ 3 ）构成微调光学部分，所述粗调光学部分及微调光学部分构成模式转换光学部分；

所述第一凸透镜（2）与第二凸透镜（3）的距离是2f-1cm至2f+1cm，其中f是焦距；

所述第二光纤准直器（5）到第二凸透镜（3）的距离是2~3cm；

所述单模光纤耦合器（7）的耦合比是99：1。