CN108110600A - 一种多光束相位扰动装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多光束相位扰动方法及装置，其特征在于：绕线轴为圆柱形状卷线轴，绕线轴侧面与轴垂直方向上设有凹槽，多芯光纤顺着绕线轴环绕在凹槽内，压片为拱桥形，压片将多芯光纤固定到扰动器上；扰动器设置在两个绕线轴之间，扰动器为振动源带动用压片固定的多芯光纤规律性地左右抖动。其结构简单，可以同时对多波长，多束光进行优化；光能利用率高；不改变激光光源的线宽，不改变光纤输出发散角；灵活使用，制造成本及制造难度低，可实现批量生产。

Description

一种多光束相位扰动装置及方法

技术领域

本发明涉及一种多光束相位扰动装置及方法，属于激光应用技术领域。

背景技术

眼睛是人类获取信息的主要感知器官，基于不同原理和技术的各类显示器是信息的主要呈现形式。激光作为显示光源，由于其良好的单色性、方向性、亮度大、波长谱线丰富等特点，具有其他光源不可比拟的优点。目前，受限制于激光二极管的光功率，大流明激光显示中一般采用光纤耦合的方法，将多个准直后的红、绿、蓝激光二极管经光纤束集成到一起，实现高功率照明。但是由于激光在光纤中传播过程会被分成若干束频率相同的激光，它们在空间某个区域内重叠，导致输出区域内能量分布并不均匀，存在大量的能量峰谷值，这导致显示图像中存在干扰噪声，严重影响成像质量，降低图像对比度和分辨率，也阻碍激光显示真正实用化。

围绕这个关键难题已有许多研究者进行大量研究，并提出多种方法来消除能量峰谷值。目前，普遍采用的匀化方法是在光纤输出端加入毛玻璃来匀化光束，该技术利用毛玻璃的喷砂表面增强激光散射，使能量峰谷值尺寸更小，分布密度提高，但并不能消除能量峰谷值，而且毛玻璃会对入射激光能量造成较大的损耗，降低光源利用率，并且经过毛玻璃后激光的发散角变大，降低了能量集中度。

中国专利CN103955063A公开的«光束均匀化方法及光束均匀化装置»是在入射光束的传播路径上设置大量的分光膜，对入射光束进行重新分配，从而转换为均匀分布的出射光束，此方法光路极其复杂，精确的角度要求，造成调节及加工非常困难，而且多个分光面，导致系统存在很大的不稳定性。

中国专利CN107153277A公开的«一种基于波长多样性的激光消散斑装置»是将入射光先通过散射片发散，然后耦合进方形匀光管中，在方形匀光管内设有增益介质和微/纳米散射体，使入射光在方形匀光管内壁之间反射的方法，实现匀场整形，此方法通过增益介质拓宽了激光线宽，这种情况引起的波长线宽为几个纳米，不足以根除激光束的峰谷值，改变入射光源的光谱纯度，对于某些要求谱线宽度的应用（如激光诱导荧光）有所限制，并且目前技术实现难度较大，成本也会非常高。

能够同时实现多光束高功率照明，并尽量降低或消除能量峰谷值，一直是激光投影显示及生物检测等领域的技术难题，也是限制其实用化的瓶颈之一。如能够将二者一体化、做到结构紧凑，将具有更重要的意义和实用价值。

发明内容

针对现有光纤输出激光能量存在大量峰谷值的问题，本发明的目的在于提供一种多光束相位扰动装置及方法，是可以同时对多波长，多束光消除能量峰谷值，满足激光作为光源的高质量要求；其将多路激光耦合到多芯光纤中，可使多路激光同时光纤输出，并且每路激光的效率优于95%；让多芯光纤至少有一段产生弯曲状态，实现对多芯光纤内全反射光的动态调制，使光纤内的激光模式达到相对均匀的分配，同时由扰先动器带动多芯光纤左右或上下抖动，使多支光束相位随之变化，从而消除输出光场中的能量峰谷值。

为实现以上目的本发明通过以下技术方案：一种多光束相位扰动方法，其特征在于步骤如下：

（1）将多束激光分别耦合进多芯光纤的每一个芯径中传输，多芯光纤每路芯径可以是相同的纤芯直径，也可以不同的纤芯直径；

（2）将多芯光纤顺着绕线轴环绕，至少使多芯光纤产生一段弯曲弧度，弧长L＞300πD，D为多芯光纤中最大纤芯直径，使多芯光纤内的激光模式达到相对均匀的分配；

（3）在带有弧度的多芯光纤上对称取两点，用压片将盘好的多芯光纤固定在扰动器上，扰动器上带有固定元件，扰动器可以是电动振动器，气动振动器或液动振动器等能够实现机械抖动的装置，但不局限于此；

（4）最后由扰动器带动固定多芯光纤的压片左右或上下抖动，从而使多支光束相位随之变化，实现在多芯光纤出射端口消除能量峰谷值；

所述多芯光纤每路芯径范围为100-1000um。

所述多芯光纤芯径的个数m₁，满足1＜m₁＜15；

所述多芯光纤弯曲弧长L，多芯光纤中最大芯径D，满足 300πD ＜L；

所述弯曲弧长数量m₂满足1≤m₂＜45；

所述多芯光纤传输波长范围为200-2500nm。

所述扰动器带动光纤左右或上下抖动，抖动幅度A，0﹤A﹤5mm；

多光束相位扰动装置，包括多芯光纤、扰动器、绕线轴、压片；其特征在于：绕线轴为圆柱形状卷线轴，绕线轴侧面与轴垂直方向上设有凹槽，多芯光纤顺着绕线轴环绕在凹槽内，压片为拱桥形，压片将多芯光纤固定到扰动器上；扰动器设置在两个绕线轴之间，扰动器为振动源带动用压片固定的多芯光纤规律性地左右抖动。

所述多芯光纤为石英系光纤、多组分玻璃光纤、塑料包层石英芯光纤、全塑料光纤或氟化物光纤。

所述多芯光纤端面可以镀膜也可以不镀膜。

所述多芯光纤接头可以是FC接头也可以是SMA905接头。

所述扰动器可以是电动振动器，气动振动器或液动振动器等能够实现机械抖动的装置，但不局限于此。

所述扰动器配备工作电源。

所述绕线轴材质为塑料、泡沫、或金属。

所述绕线轴尺寸大小取决于多芯光纤弯曲弧长。

所述绕线轴数量取决于多芯光纤弯曲方式及弯曲弧长的数量。

所述压片为聚四氟薄片、塑料薄片或金属薄片。

本发明的积极效果是采用多芯光纤，可以同时对多波长，多束光进行优化，并且可用光波范围广；将激光直接耦合进光纤，不存在复杂调试过程，光能利用率高；不改变光纤输出发散角；不改变激光光源的线宽，光谱纯度高；无需光纤对接，优化效果高效且稳定；光纤弯曲方式多样，灵活使用；装置结构简单，系统紧凑，利于集成；制造成本及制造难度低，可实现批量生产。

附图说明

图1为多芯光纤、扰动器、绕线轴、压片的位置示意图。

其中，多芯光纤1；扰动器2；绕线轴3；压片4。

图2为本发明实施例2中多光束相位扰动装置图。

图3为本发明实施例3中光纤弯曲方式示意图。

图4为本发明实施例4中光纤弯曲方式示意图。

图5为利用红光光源对现有技术构建的匀化装置测试的输出能量结果图。

图6为利用红光光源对本发明的多光束相位扰动装置测试的输出能量结果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。一种多光束相位扰动方法，其特征在于步骤如下：

（1）将多束激光分别耦合进多芯光纤的每一个芯径中传输，多芯光纤每路芯径可以是相同的纤芯直径，也可以不同的纤芯直径；

（2）将多芯光纤顺着绕线轴环绕，至少使多芯光纤产生一段弯曲弧度，弧长L＞300πD，D为多芯光纤中最大纤芯直径，使多芯光纤内的激光模式达到相对均匀的分配；

（3）在带有弧度的多芯光纤上对称取两点，用压片将盘好的多芯光纤固定在扰动器上，扰动器上带有固定元件，扰动器可以是电动振动器，气动振动器或液动振动器等能够实现机械抖动的装置，但不局限于此；

（4）最后由扰动器带动固定多芯光纤的压片左右或上下抖动，从而使多支光束相位随之变化，实现在多芯光纤出射端口消除能量峰谷值；

所述多芯光纤每路芯径范围为100-1000um。

所述多芯光纤芯径的个数m₁，满足1＜m₁＜15；

所述多芯光纤弯曲弧长L，多芯光纤中最大芯径D，满足 300πD ＜L；

所述弯曲弧长数量m₂满足1≤m₂＜45；

所述多芯光纤传输波长范围为200-2500nm。

所述扰动器带动光纤左右或上下抖动，抖动幅度A，0﹤A﹤5mm；

多光束相位扰动装置，包括多芯光纤、扰动器、绕线轴、压片；其特征在于：绕线轴为圆柱形状卷线轴，绕线轴侧面与轴垂直方向上设有凹槽，多芯光纤顺着绕线轴环绕在凹槽内，压片为拱桥形，压片将多芯光纤固定到扰动器上；扰动器设置在两个绕线轴之间，扰动器为振动源带动用压片固定的多芯光纤规律性地左右抖动。

所述多芯光纤为石英系光纤、多组分玻璃光纤、塑料包层石英芯光纤、全塑料光纤或氟化物光纤。

所述多芯光纤端面可以镀膜也可以不镀膜。

所述多芯光纤接头可以是FC接头也可以是SMA905接头。

所述扰动器可以是电动振动器，气动振动器或液动振动器等能够实现机械抖动的装置，但不局限于此。

所述扰动器配备工作电源。

所述绕线轴材质为塑料、泡沫、或金属。

所述绕线轴尺寸大小取决于多芯光纤弯曲弧长。

所述绕线轴数量取决于多芯光纤弯曲方式及弯曲弧长的数量。

所述压片为聚四氟薄片、塑料薄片或金属薄片。

实施例1：如图1所示选择多芯光纤1为3个200um芯径的合束光纤，其中多芯光纤1长度为15m，弯曲弧长为16-17cm，弯曲弧长个数为16个，多芯光纤1端面镀有400-700nm增透膜。多芯光纤1接头是SMA905接头。扰动器2为上下抖动的电动平台。扰动器2抖动幅度为1mm；扰动器2配备24V直流电源。塑料绕线轴3直径为10cm，数量为2个，压片4为2个聚四氟薄片。

使用时将532nm激光、589nm激光和639nm激光分别耦合到多芯光纤1中，此多芯光纤为3个200um芯径的合束光纤；将多芯光纤1顺着绕线轴3环绕，使产生弯曲状态，弯曲弧长为绕线轴3的半径的π倍，使多芯光纤1内的激光模式达到相对均匀的分配；在带有弧度的多芯光纤1上对称取两点，用压片4将盘好的多芯光纤1固定在扰动器2上，由扰动器2带动固定多芯光纤1的压片4左右或上下抖动，从而使多支光束相位随之变化，实现在多芯光纤1出射端口消除能量峰谷值。

实施例2：如图2所示一种基于多个光波导消干涉装置，包括多芯光纤、扰动器、绕线轴；其特征在于：绕线轴为圆柱形状卷线轴，绕线轴侧面与轴垂直方向上设有凹槽，多芯光纤顺着绕线轴环绕在凹槽内，扰动器固定在绕线轴的下部；扰动器为振动源带动凹槽的多芯光纤规律性地上下抖动，其间接带动多芯光纤上下抖动。

实施例3：如图3所示，使用时将532nm激光、589nm激光和639nm激光分别耦合到多芯光纤1中，此多芯光纤为3个200um芯径的合束光纤；将多芯光纤1顺着绕线轴3环绕，选用两个绕线轴3，使多芯光纤1产生弯曲状态，弯曲弧长为绕线轴3的半径的π倍，使多芯光纤1内的激光模式达到相对均匀的分配；由固定在绕线轴3下部的扰动器2带动固定多芯光纤1上下抖动，从而使多支光束相位随之变化，实现在多芯光纤1出射端口消除能量峰谷值。

实施例4：使用时将532nm激光、589nm激光和639nm激光分别耦合到多芯光纤1中，此多芯光纤为3个200um芯径的合束光纤；将多芯光纤1顺着三个绕线轴3环绕，使多芯光纤1产生弯曲状态，弯曲弧长为绕线轴3的半径的π倍，使多芯光纤1内的激光模式达到相对均匀的分配；由固定在绕线轴3下部的扰动器2带动固定多芯光纤1上下抖动，从而使多支光束相位随之变化，实现在多芯光纤1出射端口消除能量峰谷值。

其中多芯光纤1芯径的个数m₁，满足1＜m₁＜15。

多芯光纤1弯曲弧长满足 300πD ＜L，D为多芯光纤1中最大芯径。

多芯光纤1弯曲弧长数量m₂，满足1≤m₂＜45；

扰动器2抖动幅度A，满足0﹤A﹤5mm。

对比例

该对比例中所使用得激光光源为三个不同波长激光器，仅以其中一路690nm红光激光器为例，光纤跳线为3个200um芯径的多芯光纤与实施例1中的光源参数和光纤跳线是完全相同的。

采用CCD记录光斑形貌，对实施例1所述相位扰动和不加相位扰动做对比实验：图5是不加相位扰动的出纤光斑能量分布图，图5光斑中存在大量能量峰谷值；而图6是加了相位扰动后出纤的光斑能量分布图，图6光斑中能量峰谷值明显减少，光斑变均匀。

综上所述，利用本发明方法及装置对减少光斑能量峰谷值起到很大作用，且较其他匀化方法的优势在于可同时对多束光进行匀化。

本发明中的实施例仅用于对本发明进行说明，并不构成对权利要求范围的限制，本领域内技术人员可以想到的其他实质上等同的替代，均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种多光束相位扰动方法，其特征在于步骤如下：

（1）将多束激光分别耦合进多芯光纤的每一个芯径中传输，多芯光纤每路芯径可以是相同的纤芯直径，也可以不同的纤芯直径；

（2）将多芯光纤顺着绕线轴环绕，至少使多芯光纤产生一段弯曲弧度，弧长L＞300πD，D为多芯光纤中最大纤芯直径，使多芯光纤内的激光模式达到相对均匀的分配；

（3）在带有弧度的多芯光纤上对称取两点，用压片将盘好的多芯光纤固定在扰动器上，扰动器上带有固定元件，扰动器可以是电动振动器，气动振动器或液动振动器等能够实现机械抖动的装置，但不局限于此；

（4）最后由扰动器带动固定多芯光纤的压片左右或上下抖动，从而使多支光束相位随之变化，实现在多芯光纤出射端口消除能量峰谷值。

2.根据权利要求1所述的多光束相位扰动方法，其特征在于所述多芯光纤每路芯径范围为100-1000um。

3.根据权利要求1所述的多光束相位扰动方法，其特征在于所述多芯光纤芯径的个数m₁，满足1＜m₁＜15。

4.根据权利要求1所述的多光束相位扰动方法，其特征在于所述多芯光纤弯曲弧长L，多芯光纤中最大芯径D，满足 300πD ＜L。

5.根据权利要求1所述的多光束相位扰动方法，其特征在于所述弯曲弧长数量m₂满足1≤m₂＜45。

6.根据权利要求1所述的多光束相位扰动方法，其特征在于所述多芯光纤传输波长范围为200-2500nm。

7.根据权利要求1所述的多光束相位扰动方法，其特征在于所述扰动器带动光纤左右或上下抖动，抖动幅度A，0﹤A﹤5mm。

8.多光束相位扰动装置，包括多芯光纤、扰动器、绕线轴、压片；其特征在于：绕线轴为圆柱形状卷线轴，绕线轴侧面与轴垂直方向上设有凹槽，多芯光纤顺着绕线轴环绕在凹槽内，压片为拱桥形，压片将多芯光纤固定到扰动器上；扰动器设置在两个绕线轴之间，扰动器为振动源带动用压片固定的多芯光纤规律性地左右抖动。

9.根据权利要求8所述的多光束相位扰动装置，其特征在于所述多芯光纤为石英系光纤、多组分玻璃光纤、塑料包层石英芯光纤、全塑料光纤或氟化物光纤；所述多芯光纤端面可以镀膜也可以不镀膜；所述多芯光纤接头可以是FC接头也可以是SMA905接头。

10.根据权利要求8所述的多光束相位扰动装置，其特征在于所述扰动器为电动振动器、气动振动器或液动振动器；所述压片为聚四氟薄片、塑料薄片或金属薄片。