CN104656194B - 一种准直器及包括该准直器的在线起偏器 - Google Patents

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Abstract

本发明适用于光学技术领域，提供了一种准直器，包括保偏光纤以及熔接于所述保偏光纤一端的多模光纤或无芯光纤，所述多模光纤或无芯光纤的末端熔烧成球状微透镜，所述球状微透镜的中心轴与所述多模光纤或无芯光纤的中心轴共线，所述球状微透镜的顶点至所述多模光纤或无芯光纤的熔接点的长度与所述球状微透镜的焦距相等。本发明与传统的光纤头和透镜的组合相比不需夹持或研磨加工，不会受到夹持尺寸的影响，尺寸更小；另外，由于保偏光纤熔接了更粗的多模光纤或无芯光纤，其输出光得到扩束，在球状微透镜上的光斑大于保偏光纤的直径，因此可承受的功率大于保偏光纤输出端的功率，即大于传统准直器的承受功率，利于提高在线起偏器的耐高功率性能。

Description

一种准直器及包括该准直器的在线起偏器
技术领域
本发明属于光学器件技术领域，特别涉及一种准直器及包括该准直器的在线起偏器。
背景技术
随着配套光学元器件的技术发展和成熟，光纤传感的技术也得到了长足的发展，因此近些年来光纤传感器广泛应用于各行业中。光纤陀螺仪和光纤水听器等重要的光纤传感器已经开始应用于航空、航天和潜艇等军工系统中。这些军工系统对组构的器件均有苛刻的体积需求，要求越小越好。在线起偏器作为光纤陀螺和光纤水听器主要的基础元器件之一，也要求有足够短小的尺寸。
常规准直器的组成结构如图1所示，主要包含外封玻璃管1、光纤头2和透镜3三部分，光纤头2由光纤21和玻璃毛细管22组成。为了方便调试光纤21出来的光经过透镜3后准直扩束输出，光纤21和透镜3之间有约0.2mm的间隙。透镜3采用冷加工方式制作，因为透镜3需要夹持的原因，直径不能做得太小，目前行业内最小透镜的直径是φ1.0mm，这是制约产品外径尺寸的主要因素。光纤头端面也是采用冷加工方式研磨抛光，也是因为研磨夹持的原因，长度不能做得太短，这是制约产品整体长度的因素。因以上两个因素制约，常规在线起偏器所用准直器的封装尺寸约为φ1.5*10mm，最终组成的在线起偏器尺寸约为φ3.0*25mm。
另外，在线起偏器的光路中，光纤头端面通光面积即光纤的纤芯面积，光纤纤芯直径极小，该点的功率密度最高，是耐高功率的主要制约点。高功率工作条件下光纤头端面烧毁是常规在线起偏器最常见的失效模式。
发明内容
本发明的目的在于提供一种准直器，用于在线起偏器中，旨在减小在线起偏器的尺寸并提高其耐高功率的性能。
本发明是这样实现的，一种准直器，包括保偏光纤以及熔接于所述保偏光纤一端的多模光纤或无芯光纤，所述多模光纤或无芯光纤的末端熔烧成球状微透镜，所述球状微透镜的中心轴与所述多模光纤或无芯光纤的中心轴共线，所述球状微透镜的顶点至所述多模光纤或无芯光纤的熔接点的长度与所述球状微透镜的焦距相等。
本发明的另一目的在于提供一种准直器的制作方法，至少包括下述步骤：
在保偏光纤的一端熔接预定长度的多模光纤或无芯光纤，所述预定长度根据要求的球状微透镜的直径及焦距确定；
对所述多模光纤或无芯光纤的末端进行熔烧预定时间，获得预定直径的球状微透镜，所述预定时间由熔烧装置根据熔烧的球体的直径和熔烧时间的关系确定。
本发明在保偏光纤一端熔接多模光纤或无芯光纤，并直接在其端部烧球形成球状微透镜，与传统的光纤头和透镜的组合相比不需夹持或研磨加工，尺寸更小；另外，保偏光纤输出的光在球状微透镜上的光斑大于保偏光纤的直径，因此可承受的功率大于保偏光纤输出端可承受的功率，即大于传统准直器的承受功率，利于提高在线起偏器的耐高功率性能。另外，传统准直器采用光纤头加透镜的组合方式，本发明中直接烧球可以减少两个端面，进而减少了光路反射和损耗。
附图说明
图1是现有技术中准直器的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的准直器的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的准直器的球状微透镜的加工方法示意图；
图4是本发明实施例提供的在线起偏器的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述：
请参考图2，本发明实施例提供一种准直器，应用于在线起偏器中，其包括一段保偏光纤01，以及熔接于保偏光纤01一端的多模光纤02或无芯光纤，该多模光纤02或无芯光纤的末端熔烧成球状微透镜03，该球状微透镜03的中心轴与多模光纤02或无芯光纤的中心轴共线，为了实现准直，球状微透镜03的顶点A至多模光纤02或无芯光纤与保偏光纤01的熔接点B的长度与球状微透镜03的焦距相等。该多模光纤02或无芯光纤的直径较保偏光纤01的直径大得多，其具有较粗的材质均匀的纤芯或实体导光结构，当然，球状微透镜03的直径大于多模光纤02或无芯光纤的直径且材质均匀，使得光线在其中能够直线传输。并通过球状微透镜03的球形表面实现准直或聚焦。
本发明实施例采用多模光纤02或无芯光纤熔接保偏光纤01，并直接在多模光纤02或无芯光纤端部烧球形成球状微透镜03，与传统的光纤头和透镜的组合相比具有更小的尺寸，因为熔接光纤与烧球均不需夹持或研磨加工，不会受到夹持尺寸的影响，可以做得更小，进而使准直器及在线起偏器的尺寸更小，能够满足军工系统的要求；另外，由于保偏光纤01熔接了更粗的多模光纤02或无芯光纤，其输出光得到扩束，在球状微透镜03上的光斑大于保偏光纤01的直径，因此可承受的功率大于保偏光纤01输出端的功率，即大于传统准直器的承受功率，利于提高在线起偏器的耐高功率性能。另一方面，传统准直器采用光纤头加透镜的组合方式，本发明中直接烧球可以减少两个端面(光纤头和透镜的相对面)，进而减少了光路反射和损耗。
在本发明实施例中，为了封装固定各光学元件，在多模光纤02及其与保偏光纤01的熔接处封装一第一玻璃管04，球状微透镜03可以露于第一玻璃管04之外，以避免增大准直器的直径。第一玻璃管04的长度以保护多模光纤02或无芯光纤以及保偏光纤01的熔接点为宜，可以自球状微透镜03的根部起延伸至保偏光纤01的起始端，不必过长。
在本发明实施例中，保偏光纤01可以采用现有的保偏光纤，纤芯直径约8.2μm。为了便于说明，本实施例仅以多模光纤为例，多模光纤02可以采用内径220μm，外径242μm，数值孔径NA为0.22的多模光纤，由该多模光纤02熔烧的球状微透镜03的直径可以达到1mm以下，通常为0.5～0.8mm。球状微透镜03的顶点A至熔接点B的距离为球状微透镜03的焦距，当微透镜03的直径小于1mm时，球状微透镜03的顶点至多模光纤02的熔接点的长度小于1.59mm。
本实施例中，球状微透镜03的直径为0.71mm，曲率半径r1＝0.355mm；空气折射率n0＝1；多模光纤02的纤芯折射率n1＝1.4573，据带入焦距公式：可以计算出，球状微透镜03顶点到熔接点的长度为1.13mm。
根据上述参数，可以选择外径为0.7mm、内径为0.25mm、长度为3.5mm的第一玻璃管04封装多模光纤02和保偏光纤01的一端。该第一玻璃管04的一端紧靠球状微透镜03的一端，另一端延伸至保偏光纤01的起始段，可以保护并固定多模光纤02和保偏光纤01。该准直器的尺寸只有φ0.71*3.5mm，较传统的φ1.5*10mm小得多。
进一步的，准直器的球状微透镜03端面处光斑直径的大小ω为：该式中，保偏光纤的数值孔径NA＝0.1245，纤芯直径ω0＝8.2um，纤芯折射率n1＝1.4573，焦距f＝1.13mm，把数据带入该公式可以计算出光斑直径的大小ω＝201.3μm。
假设光在保偏光纤01的光纤头和球状微透镜03的端面分布是均匀的，两者材质相同，承受功率密度相同，那么两者承受的光功率强度大小由光斑面积决定，两者之比为：
由此可见，使用该准直器制作的在线起偏器可耐受的功率为常规在线起偏器可耐受功率的602.6倍，可以显著提升在线起偏器的耐高功率性能。常规起偏器承受功率不超过0.5W，而本发明的起偏器承受的功率可超过20W。
进一步的，本发明中的多模光纤02和熔烧球状微透镜03的尺寸需要严格控制，以使得准直器可以实现准直的效果，本发明需要在烧球前选择合适的多模光纤长度，具体可以通过下述方案控制熔接多模光纤及熔烧球的尺寸。根据烧球前后多模光纤体积不变原理，有如下关系式成立：
L1＝f-2r1＝1.13-0.71＝0.42
式中，L2是烧球前多模光纤的长度、L1是烧球后余留的多模光纤长度、根据预先设计的烧球半径r1可以确定焦距f，进而确定L1的大小；根据半径r1以及多模光纤的半径r2和L1的大小，可以确定L2的大小。选择长度为L2、半径为r2的多模光纤，通过熔烧装置控制熔烧球的大小，即可获得预定直径和长度的球状微透镜03，并保证其顶点至熔接点的距离与焦距相等。采用烧球装置，根据该烧球装置的熔烧时间和球体直径之间的关系设定烧球时间，保证烧球尺寸符合要求。
进一步的，以烧球直径为0.71mm，多模光纤直径为0.242μm为例，r1＝0.355mm，r2＝0.121mm，把数据带入以上公式，计算出L2＝4.501mm。在将保偏光纤和多模光纤熔接在一起后，在显微镜下观察定位的条件下用切割刀切除掉多余的部分，让多模光纤留下部分长度为4.501mm。
烧球方式如图3所示，在支架上固定一对电极05，两电极05的尖端相对，尖端之间水平对准且距离约3～4mm。多模光纤02固定到光纤固定板06上熔接于保偏光纤01一端，多模光纤顶端和电极05的尖端水平线一致，而且保证多模光纤02和两电极05水平线相互垂直。固定板由电机驱动，可以上下微移动。通过显微镜观察光纤固定位置达到要求后设置电极放电时间，如加工上述尺寸的球体则设置为4秒，启动电极放电，同时启动电机。在放电烧球过程中，在电机驱动下光纤固定板06带着多模光纤02往上移动，且烧出的光纤球顶端和电极05水平线始终保持一致。通过以上烧球工艺即可得出预定直径的球体，达到微透镜准直器的设计要求。
进一步参考图4，本发明进一步提供一种在线起偏器，包括共轴设置的第一准直器41、第二准直器42以及设置于第一准直器41和第二准直器42之间的偏振晶体43，该第一准直器41和第二准直器42均采用本发明提供的准直器，两球状微透镜03相对，偏振晶体43输出的线偏振光的振动方向与第一准直器41和第二准直器42的光纤应力轴方向一致。
该偏振晶体43使得第一准直器41或第二准直器42输出来的光经过该晶体后变成线偏振光，该偏振晶体43的尺寸可选为0.45*0.45*0.5mm，通过一外径0.7mm，内径0.3mm，长度1mm的石英圆管44固定在其端部。
另外，在第一准直器41、第二准直器42和石英管44之外还装配有第二玻璃管45，具体可以是硼硅玻璃管，尺寸可以为外径1.2mm，内径0.8mm，长度7mm。该第二玻璃管45主要对第一准直器41、第二准直器42和偏振晶体43进行固定。
进一步的，还在该第二玻璃管45之外套设外封管46，作为在线起偏器的外层封装结构，外封管46的直径可小于2mm，长度小于15mm。配合上述尺寸，其外径为1.5mm，内径1.2mm，长度为10mm，较常规起偏器尺寸3.0*25mm小得多。
在装配时，将偏振晶体43固定在石英圆管44上，再把该石英圆管44胶粘固定到第二玻璃管45的中间位置。将第一准直器41和第二准直器42对调到损耗最小，应力轴方向一致。然后把已经安装了偏振晶体43的第二玻璃管45套入两边的第一准直器41和第二准直器42，旋转第二玻璃管45使偏振晶体43输出的线偏振光振动方向和第一、第二准直器光纤应力轴方向一致，即获得最大的消光比。按照以上装调方式可获得最佳光学性能，即插损最小、消光比最高后，在第一、第二准直器和第二玻璃管45之间点胶固定，然后再进一步封装到封装管46内。
本发明提供的在线起偏器在准直器的保偏光纤端部熔接多模光纤，并直接烧球形成微透镜，使其尺寸大幅度减小，并提高了可耐受高功率性能，并且减少了两个光学表面，减小了光路损耗，该在线起偏器符合光纤陀螺和光纤水听器等光纤传感器的要求，特别是军工领域对其尺寸的要求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种准直器，其特征在于，包括保偏光纤以及熔接于所述保偏光纤一端的多模光纤，所述多模光纤的末端熔烧成球状微透镜，所述球状微透镜的中心轴与所述多模光纤的中心轴共线，所述球状微透镜的顶点至所述多模光纤的熔接点的长度与所述球状微透镜的焦距相等；所述准直器还包括用于封装所述多模光纤及其与所述保偏光纤的熔接处的第一玻璃管，所述球状微透镜露于所述第一玻璃管之外，所述第一玻璃管的一端抵接于所述球状微透镜的根部，另一端延伸至所述保偏光纤的起始端；所述保偏光纤的纤芯直径为8.2μm，所述多模光纤的内径为220μm，所述多模光纤的外径为242μm，所述多模光纤的数值孔径为0.22，所述多模光纤的纤芯折射率为1.4573；所述球状微透镜的直径为0.71mm，所述球状微透镜的顶点到所述多模光纤的熔接点的长度为1.13mm；所述第一玻璃管的外径为0.7mm，所述第一玻璃管的内径为0.25mm，所述第一玻璃管的长度为3.5mm；所述准直器的外径为0.71mm，所述准直器的长度为3.5mm。
2.如权利要求1所述的准直器，其特征在于，所述球状微透镜的端面处的光斑直径大小ω为：其中，ω0为所述保偏光纤的纤芯直径，NA为所述保偏光纤的数值孔径，f为所述球状微透镜的焦距，n1为所述多模光纤的纤芯的折射率。
3.如权利要求2所述的准直器，其特征在于，所述球状微透镜可承受的功率密度为所述保偏光纤的端面可承受的功率密度的500倍以上。
4.一种在线起偏器，其特征在于，包括共轴设置的第一准直器、第二准直器以及设置于所述第一准直器和第二准直器之间的偏振晶体，所述第一准直器和第二准直器采用权利要求1至3任一项所述的准直器，所述偏振晶体输出的线偏振光的振动方向与所述第一准直器和第二准直器的光纤应力轴方向一致。
5.如权利要求4所述的在线起偏器，其特征在于，还包括用于固定所述第一准直器、第二准直器和偏振晶体的第二玻璃管，以及套设于所述第二玻璃管之外且长度大于所述第二玻璃管的外封管，所述外封管的直径小于2mm，长度小于15mm。
6.一种准直器的制作方法，其特征在于，至少包括下述步骤：
在保偏光纤的一端熔接预定长度的多模光纤，所述预定长度根据要求的球状微透镜的直径及焦距确定；
对所述多模光纤的末端进行熔烧预定时间，获得预定直径的球状微透镜，所述预定时间由熔烧装置根据熔烧的球体的直径和熔烧时间的关系确定；选择第一玻璃管封装多模光纤和保偏光纤，所述第一玻璃管的一端紧靠球状微透镜的一端，另一端延伸至保偏光纤的起始段，所述球状微透镜露于所述第一玻璃管之外；
对所述多模光纤的末端进行熔烧预定时间，获得预定直径的球状微透镜的步骤具体为：
在支架上固定一对电极，两所述电极的尖端相对，尖端之间水平对准且距离3～4mm；
将所述多模光纤固定到光纤固定板上，并熔接于所述保偏光纤的一端，保持所述多模光纤的顶端和所述电极的尖端水平线一致，而且保证所述多模光纤和两所述电极的水平线相互垂直；
由电机驱动所述固定板上下微移动，通过显微镜观察所述多模光纤的固定位置达到要求后设置所述电极的放电时间，启动所述电极放电，同时启动所述电机；
在放电烧球过程中，在所述电机驱动下，使所述光纤固定板带着所述多模光纤往上移动，保持烧出的光纤球顶端和所述电极的水平线始终保持一致；
所述保偏光纤的纤芯直径为8.2μm，所述多模光纤的内径为220μm，所述多模光纤的外径为242μm，所述多模光纤的数值孔径为0.22，所述多模光纤的纤芯折射率为1.4573；所述球状微透镜的直径为0.71mm，所述球状微透镜的顶点到所述多模光纤的熔接点的长度为1.13mm；所述第一玻璃管的外径为0.7mm，所述第一玻璃管的内径为0.25mm，所述第一玻璃管的长度为3.5mm；所述准直器的外径为0.71mm，所述准直器的长度为3.5mm。
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