CN106772838A - 激光雷达分光光纤耦合装置 - Google Patents

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钟朝阳
吴姚芳
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Abstract

一种激光雷达分光光纤耦合装置，其特征在于：包括沿光路依次放置的匀化器、微凸透镜阵列、微凹透镜阵列和光纤自聚焦准直器阵列；所述的微凸透镜阵列由M×N二维排布的凸透镜组成，所述的微凹透镜阵列由M×N二维排布的凹透镜组成，所述的光纤自聚焦准直器阵列由M×N二维排布的光纤自聚焦准直器和固定的夹具组成，微凸透镜阵列、微凹透镜阵列与光纤自聚焦准直器阵列二维排布相同且每个对应的凸透镜、凹透镜和自聚焦光纤准直器同光轴。本发明的激光雷达多波束发射光学装置具有耦合效率高、体积紧凑、制作成本低等优点。

Description

激光雷达分光光纤耦合装置
技术领域：
本发明涉及激光雷达技术领域，特别是一种将单束激光经过整形分束后高效耦合入光纤的光学耦合装置。
背景技术：
在星载激光雷达方面，目前已发射的激光雷达均采用线性探测技术。近年来针对测绘激光雷达，提出了光子探测技术，如美国航空局正在研制的ICESat-II和LIST卫星等，这种技术相比与以往的线性探测激光雷达技术，可以避免采用大口径望远镜，有利于减小雷达体积。光子探测体制需要同时发射多束激光光源，LIST卫星发射光束多达1000束。激光光源实现方式是将单束大能量激光光束分成多束子光束，由于子光束众多，为满足子扫描光束排布要求，光子探测激光雷达需要将单束大能量激光分束后高效耦合入光纤。现有的分光耦合方法是采用激光匀化器首先将激光由高斯分布整形成平顶光束，然后利用微凸透镜阵列聚焦到光纤阵列中。这种方法耦合效率较低，主要受限于光纤阵列的加工工艺，目前国内技术只能生产一维线阵光纤阵列，并且加工误差为5μm，无法满足要求；国外可以生产二维光纤阵列，但每片光纤阵列价格高达几万美金，且存在2μm加工误差。加工误差会带来光纤位置的偏移，对于几十微米纤芯直径的多模光纤尚可接受，但对单模光纤，纤芯直径只有几微米，激光无法准确耦合入光纤纤芯中，耦合效率急剧下降。
发明内容：
本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术的不足，提出一种基于微透镜阵列和光纤自聚焦准直器阵列实现高效的激光分束及光纤耦合。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种激光雷达分光光纤耦合装置，其特征在于：包括沿光路依次放置的匀化器、微凸透镜阵列、微凹透镜阵列和光纤自聚焦准直器阵列；所述的微凸透镜阵列由M×N二维排布的凸透镜组成，所述的微凹透镜阵列由M×N二维排布的凹透镜组成，所述的光纤自聚焦准直器阵列由M×N二维排布的光纤自聚焦准直器组成，所述的微凸透镜阵列、微凹透镜阵列与光纤自聚焦准直器阵列二维排布相同且每组对应的凸透镜、凹透镜和自聚焦光纤准直器同光轴。
每个光纤自聚焦准直器呈M×N二维排布固定在夹具上。
所述的匀化器将激光能量由高斯分布转化为均匀的平顶分布，所述的微凸透镜阵列与微凹透镜阵列将激光均分成多束准直的子光束，且子光束之间互相平行，该子光束由光纤自聚焦准直器接收实现光纤耦合。
所述的匀化器为可将高斯分布的激光整形成平顶分布的整形器件，并且采用熔石英或其它承受高功率激光的光学材料制作。
每个光纤自聚焦准直器放置在每组子光束的束腰位置。
所述的M×N，其中M和N是2～100间的自然数。
本发明与现有技术相比，采用光纤通信领域工艺成熟的光纤自聚焦准直器组成接收阵列，利用光纤自聚焦准直器毫米量级的接收直径，弥补了光纤阵列加工误差带来的耦合效率降低，并且对单模光纤与多模光纤均适用，具有耦合效率高、体积紧凑、制作成本低等优点。
附图说明：
图1为本发明激光雷达分光光纤耦合装置结构示意图。
图2为本发明光纤自聚焦准直器阵列结构示意图。
具体实施方式：
请参阅图1和图2，图1是本发明的激光雷达分光光纤耦合装置结构示意图。图2是本发明光纤自聚焦准直器阵列结构示意图。
本实施例中，激光匀化器1采用熔石英材料，可以承受较高的激光功率，激光匀化器1将高斯光分布的激光光斑整形成强度均匀的平顶分布的激光光斑。微凸透镜阵列2由M×N二维排布的凸透镜组成，微凹透镜阵列3由M×N二维排布的凹透镜组成。为保证装置总的耦合效率，微凸透镜阵列2与微凹透镜阵列3的填充因子均在99％以上。光纤自聚焦准直器阵列4由M×N二维排布的光纤自聚焦准直器组成，且每个对应的凸透镜、凹透镜和自聚焦光纤准直器同光轴。每一对凸透镜与凹透镜构成了一个缩束系统，将入射到凸透镜面积内的激光光束进行压缩分束，激光经过微透镜阵列组后分束成为多路准直的子光束，在子光束的束腰位置放置光纤自聚焦准直器阵列4，这样每一个子光束分别由一个对应的光纤自聚焦准直器401接收。光纤自聚焦准直器401固定在机械加工的夹具402上便于装调。子光束的束腰光斑直径应小于自聚焦透镜准直器的有效接收面积。子光束经过自聚焦透镜汇聚到光纤纤芯中，最终实现光纤耦合。
本实施例中，光纤自聚焦准直器401的有效接收直径约1mm，夹具402的机械加工的精度可以控制在20μm范围内，只要设计子光束束腰尺寸比光纤自聚焦准直器401的有效接收面积小20μm以上，就不会影响耦合效率。

Claims (6)

1.一种激光雷达分光光纤耦合装置，其特征在于：包括沿光路依次放置的匀化器(1)、微凸透镜阵列(2)、微凹透镜阵列(3)和光纤自聚焦准直器阵列(4)；所述的微凸透镜阵列(2)由M×N二维排布的凸透镜组成，所述的微凹透镜阵列(3)由M×N二维排布的凹透镜组成，所述的光纤自聚焦准直器阵列(4)由M×N二维排布的光纤自聚焦准直器(401)组成，所述的微凸透镜阵列(2)、微凹透镜阵列(3)与光纤自聚焦准直器阵列(4)二维排布相同且每组对应的凸透镜、凹透镜和自聚焦光纤准直器同光轴。
2.根据权利要求1所述的激光雷达分光光纤耦合装置，其特征在于：每个光纤自聚焦准直器(401)呈M×N二维排布固定在夹具(402)上。
3.根据权利要求1所述的激光雷达分光光纤耦合装置，其特征在于：所述的匀化器(1)将激光能量由高斯分布转化为均匀的平顶分布，所述的微凸透镜阵列(2)与微凹透镜阵列(3)将激光均分成多束准直的子光束，且子光束之间互相平行，该子光束由光纤自聚焦准直器(4)接收实现光纤耦合。
4.根据权利要求1所述的激光雷达分光光纤耦合装置，其特征在于：所述的匀化器(1)为可将高斯分布的激光整形成平顶分布的整形器件，并且采用熔石英或其它承受高功率激光的光学材料制作。
5.根据权利要求1所述的激光雷达分光光纤耦合装置，其特征在于：每个光纤自聚焦准直器(401)放置在每组子光束的束腰位置。
6.根据权利要求1所述的激光雷达分光光纤耦合装置，其特征在于：所述的M×N，其中M和N是2～100间的自然数。
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