CN104238044B - 一种简单高效的微结构光纤端面成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种简单高效的微结构光纤端面成像系统，属于光电子、激光和光纤光学应用领域。包括激光器、CCD探测器、变焦透镜组、显微物镜、光纤耦合架、一对高反低透反射镜和准直器等组成。其中显微物镜是复用的，变焦透镜组进行可变倍率成像。激光经过准直，通过显微物镜聚焦到耦合架并传输到光纤端面位置，到达光纤端面反射回来的光再次通过显微物镜后，由变焦透镜组进行可变倍率成像，最后聚焦在CCD探测器上，经过数据处理形成可见图像显示在电脑上，从而实现对光纤端面的实时监测。这样通过光纤端面的成像，可以高效的，有针对性的对微结构光纤端面进行观察对比，可以运用到光纤耦合和光纤微加工等多个领域。
Description
技术领域
本发明是一种简单高效的用于微结构光纤端面成像系统，属于光电子、激光和光纤光学应用领域。
背景技术
信息技术已成为当今全球性的战略技术。以光电子和微电子为基础所支持的通信和网络技术已成为高技术的核心，正在深刻影响着国民经济、国防建设的各个领域。其中，半导体激光器起着举足轻重的作用。半导体激光器以其转换效率高、能直接调制以及与其它半导体器件集成的能力强等特点而成为信息技术的关键器件。其发展速度之快、应用范围之广、波长覆盖范围之宽都是其它任何类型的激光器所不能比拟俺的。
同时，随着光纤的出现和发展，从阶跃折射率光纤到复杂折射率分布的光纤，从单纯传光作用到传感各种物理量的优良传感器，大大促进了光学技术的进步。光纤的出现使得通信、传感等领域发生了重大的变化。微结构光纤由于其独特的结构和导光机理使得其运用更加广泛。
光纤与半导体激光器的结合更使得激光器得到了更广泛的应用，例如在通信领域，如何使激光器的输出光能更稳定、更长距离的传输，在二极管激光器泵浦固体激光器中如何使半导体激光器的输出光功率能更有效的传输到激光增益介质上，从而得到更高的泵浦效率，这些都涉及到激光器与光纤的配合问题。由于光纤的直径只有几十到几百μm，且传输光的纤芯部分只有几μm，所以光直接耦合到纤芯中式比较困难的，而且要经过繁琐的调试使其达到最佳值。实际应用中，经常用半导体激光器通过空间分立器件之后再耦合输入到光纤中，以实现激光在光纤中的有效传输。半导体激光器到光纤的耦合，一直是光纤通信传输系统以及光电子器件领域的一项关键技术。耦合技术的进步直接影响着整个光纤系统的性能。如何改进耦合技术，提高耦合效率，从而提高光器件的性能价格比，也就成为光电领域研究的热门课题。对光子晶体光纤气孔进行有选择性的填充，从而使得光纤表现出不同性质，这种以填充不同物质的光纤制成器件的研究也已经成为国际研究的热点。所以一种简单的光纤端面成像系统对于填充光纤作为器件的研究也将有着重要意义。所以，一种能够实时显示微结构光纤端面的成像系统显得尤为重要。
发明内容：
本发明的目的在于克服了空间光传输到光纤中，需要精密仪器进行繁琐的试验性的或者盲目性的调节使光尽可能多的耦合到光纤中的问题。提出了利用CCD对光纤端面放大成像，通过成像的端面可以看到激光是不是尽可能多的打到了纤芯，简化耦合操作步骤，提高耦合效率。本发明对微结构光纤端面成像的应用，可以根据光纤端面的成像对光子晶体光纤气孔进行有选择性的填充，解决了根据实验要求，填充微结构光纤不同空气孔的方法，简单而且高效。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：
一种简单高效的微结构光纤端面成像系统，其包括有：激光器1、反射镜I2、反射镜II3、准直器4、显微物镜5、光纤耦合架6、变焦透镜组7、CCD探测器8、光路分布I9、LED光源10、光路分布II11，光纤端面12；其中显微物镜5是复用的，既作为激光器聚焦物镜又作为反射光放大物镜，变焦透镜组7进行可变倍率成像，由两个焦距不同的透镜平行的且根据光斑放大原理，先小焦距透镜后大焦距透镜放置；所述激光器1是半导体激光器。所述反射镜I2和反射镜II3是一对高反低透的透镜；其中反射率为95％，透射率为5％。；所述准直器4有两个相同且平行的透镜组成；所述光纤耦合架6，由对光的准直小孔和光纤耦合孔微调架组成，且两者在一条直线上，让光通过达到准直和耦合效果；所述CCD探测器8，连接电脑控制装置，通过CCD探头探测，把透过反射回来的光进行采集，显示出激光打到光纤端面的位置及影像；其中：由激光器1或者LED光源10输出的激光，经过反射镜I2反射并传输到反射镜II3上，经光路分布I9或光路分布II11把光传输到准直器4进行准直，激光进入显微物镜5，对光斑进行聚焦，再传输到光纤耦合架6上，经过准直小孔，激光打到光纤耦合孔的中心位置照射到插入耦合孔的光纤端面12；光纤端面12反射回来的光再次经过显微物镜5,对光斑进行放大，按照光路9返回经过准直器4，传输到反射镜II3上,其中透过的5％的光再传输到变焦透镜组7上，并把进行不同倍率的放大的光聚焦到CCD探测器8上，从而对光进行收集处理；这样就可以实现对正在实验中的光纤端面12实时成像。
所述激光器1或LED光源10输出波长为反射镜I2和反射镜II3所能反射的波长，且只用一束光作为光源；CCD探测器8所采集光为光纤端面12反射回来的光，且成像光谱范围在300nm-2μm的范围。
所述变焦透镜组7的两个焦距大小的透镜相互之间的位置可以拉近或者放远的变化，形成可调节变化倍率成像。
所述光路分布I9和光路分布II11的来返光路必须在一条直线上，这样才能通过CCD判断出光在光纤端面聚焦平面。如果成像不清楚，通过调节变焦透镜组7与CCD探测器的距离使光的聚焦平面完全成像清楚；这样，CCD的成像平面即为激光聚焦平面，从而实现对光纤端面12的实时观测；而且，当光源发生变化时，下次就不需要判断激光焦点位置，只要利用光纤耦合架6移动光纤端面12位置，就能对光对焦。
本发明可以获得如下有益效果：1.改进耦合技术，提高光纤耦合效率，改进耦合技术，提高耦合效率，从而提高光器件的性能价格比；2.可以实现对正在实验的光纤端面进行实时观察；3.可以作为光纤微加工成像系统，对于光纤进行选择性填充并作为器件有重要意义。
附图说明：
图1微结构光纤成像系统结构图I
图2微结构光纤成像系统结构图II
1.激光器，2.反射镜I，3.反射镜II,4.准直器，5.显微物镜，6.光纤耦合架，7.变焦透镜组，8.CCD探测器，9.光路分布I，10.LED光源，11.光路分布II，12.光纤端面。
具体实施方式：
下面结合图1―2对本发明作进一步说明：
本实施例是一种利用对正在耦合的或者对微加工的光纤端面成像，实现简单高效的对光纤进行激光耦合或者对光纤端面进行选择性填充。
本实施例激光器，工作在连续或者脉冲激光输出状态时的装置为该激光器及光路的俯视图。其中结构图如图1成像系统原理图所示位置放置各个元器件。光路分布I9如图1所示，根据实验条件选择不同的光路分布I9,图1所示为本实施例选择路径。由激光器1输出的激光，经过45℃高反低透反射镜2传输到相同的反射镜3上，从而把激光传输到光路分布I9上，即把光传输到便于实验研究的最佳线路上，并且有一部分光能够透过反射镜。反射回来的光经过准直器4对所传输的高斯光束进行准直或者根据所需条件改变其传输模式，所以这时的光是实验所需激光光束，这束激光进入显微物镜5，由物镜原理对光斑进行聚焦，使其焦距正好穿过光纤耦合架6上的准直小孔并且传输到光纤耦合孔的中心位置。这时传输到插入耦合孔的光纤端面12的光就会形成一定的反射光。而反射回来的光再次经过显微透镜5就会对光斑形成放大，按照光路分布I9返回到准直器4，再传输到反射镜II3上，并且形成一部分透过光，这部分光传输到变焦透镜组7对光进行不同倍率的变化且聚焦在CCD探测器8上，对光进行接收并对采集数据进行电脑处理成像。
其中结构图如图2所示，当只观察微结构光纤端面时可以用LED光源10，光路分布II11所示，经过反射镜I2传输到反射镜II3上，从而把光转到合适的光路上，再经过准直器4进行准直，光进入显微物镜5，对光斑进行聚焦，再传输到光纤耦合架6上，经过准直小孔，光传输到光纤耦合孔的中心位置照射到插入耦合孔的光纤端面。反射回来的光再次经过显微透镜5,对光斑进行放大，按照光路分布II11返回经过准直器4，传输到反射镜3上透过的光进行传输到变焦透镜组7对光进行不同倍率的放大，聚焦到CCD探测器8上。这样可以形成光纤端面图像，在耦合架6上，就可以安全的对微结构光纤空气孔进行有比较的处理，从而形成有选择性的填充。
其中对于光路分布I9和光路分布II11的来返光路必须在一条直线上，这样才能通过CCD判断出光在光纤端面聚焦平面。如果成像不是很清楚，通过调节变焦透镜组7与CCD探测器的距离使光的聚焦平面完全成像清楚。这样，CCD的成像平面即为激光聚焦平面，从而实现对光纤端面的实时观测。而且，如果光源发生变化，下次就不需要判断激光焦点位置，只要利用耦合架移动光纤端面位置，就可以对光准确对焦。
结合上述，既能实现用一束激光对在光纤中的传输进行耦合，也能实时监测光纤端面，并对端面光耦合情况进行有目的的高效的调节，使得耦合效率达到最佳值。又能作为微结构光纤端面成像系统，运用到更多光纤微加工领域，具有高效性，普适性。
Claims (4)
1.一种简单高效的微结构光纤端面成像系统，其特征在于：包括有：激光器(1)、反射镜I(2)、反射镜II(3)、准直器(4)、显微物镜(5)、光纤耦合架(6)、变焦透镜组(7)、CCD探测器(8)、光路分布I(9)、LED光源(10)、光路分布II(11)，光纤端面(12)；其中显微物镜(5)是复用的，既作为激光器聚焦物镜又作为反射光放大物镜，变焦透镜组(7)进行可变倍率成像，由两个焦距不同的透镜平行的且根据光斑放大原理，先小焦距透镜后大焦距透镜放置；所述激光器(1)是半导体激光器；所述反射镜I(2)和反射镜II(3)是一对高反低透的透镜；其中反射率为95％，透射率为5％；所述准直器(4)有两个相同且平行的透镜组成；所述光纤耦合架(6)，由对光的准直小孔和光纤耦合孔微调架组成，且两者在一条直线上，让光通过达到准直和耦合效果；所述CCD探测器(8)，连接电脑控制装置，通过CCD探头探测，把透过反射回来的光进行采集，显示出激光打到光纤端面的位置及影像；其中：由激光器(1)或者LED光源(10)输出的激光，经过反射镜I(2)反射并传输到反射镜II(3)上，经光路分布I(9)或光路分布II(11)把光传输到准直器(4)进行准直，激光进入显微物镜(5)，对光斑进行聚焦，再传输到光纤耦合架(6)上，经过准直小孔，激光打到光纤耦合孔的中心位置照射到插入耦合孔的光纤端面(12)；光纤端面(12)反射回来的光再次经过显微物镜(5),对光斑进行放大，按照光路分布I(9)返回经过准直器(4)，传输到反射镜II(3)上,其中透过的5％的光再传输到变焦透镜组(7)上，并把进行不同倍率的放大的光聚焦到CCD探测器(8)上，从而对光进行收集处理；这样就能够实现对正在实验中的光纤端面(12)实时成像。
2.根据权利要求1所述一种简单高效的微结构光纤端面成像系统，其特征在于：所述激光器(1)或LED光源(10)输出波长为反射镜I(2)和反射镜II(3)所能反射的波长，且只用一束光作为光源；CCD探测器(8)所采集光为光纤端面(12)反射回来的光，且成像光谱范围在300nm-2μm的范围。
3.根据权利要求1所述一种简单高效的微结构光纤端面成像系统，其特征在于：所述变焦透镜组(7)的两个焦距大小的透镜相互之间的位置拉近或者放远的变化，形成可调节变化倍率成像。
4.根据权利要求1所述一种简单高效的微结构光纤端面成像系统，其特征在于：所述光路分布I(9)和光路分布II(11)的来返光路必须在一条直线上，这样才能通过CCD判断出光在光纤端面聚焦平面；如果成像不清楚，通过调节变焦透镜组(7)与CCD探测器的距离使光的聚焦平面完全成像清楚；这样，CCD的成像平面即为激光聚焦平面，从而实现对光纤端面(12)的实时观测；而且，当光源发生变化时，下次就不需要判断激光焦点位置，只要利用光纤耦合架(6)移动光纤端面(12)位置，就能对光对焦。
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