CN109917510B - 一种用于积分视场单元的自聚焦光纤阵列 - Google Patents

Abstract

一种用于积分视场单元的自聚焦光纤阵列，属于天文光子学领域。本发明结构包括渐变折射率光纤、阶跃式光纤、石英夹具，渐变折射率光纤与阶跃式光纤熔接构成自聚焦光纤，熔接点位于渐变折射率光纤光线交点处即自聚焦光光纤的1/4节距处，并且错排逐层排布形成光纤阵列。本发明的自聚焦光纤阵列通过光纤自身的自聚焦效果对光信息进行收集，不存在着光无法耦合到光纤芯，进而无法传输的问题，通过这种结构，既能降低工艺难度，避免对准微透镜和光纤阵列的复杂操作，又能增加光信息的收集能力。

Description

一种用于积分视场单元的自聚焦光纤阵列

技术领域

本发明属于天文光子学领域，具体涉及一种用于积分视场单元的自聚焦光纤阵列。

背景技术

积分视场单元(IFU)的功能是将二维视场中展源目标进行采样，然后把每一个采样单元的能量送入光谱仪，通过单次曝光同时获得展源的三维信息(空间域x,y和光谱域λ)。随着望远镜口径的增加和自适应光学技术的应用，目前国内外应用的IFU多是使用微透镜加光纤束结构与光纤束结构两种。

微透镜阵列与光纤束结构的积分视场单元利用一组微透镜阵把原视场分割成若干个单元，而后在每一个微透镜后面接一根光纤，经过光缆传输后，将出射光纤按照预定顺序排列在光谱仪的狭缝处。但在微透镜阵列与光纤束结构存在着微透镜与光纤阵列对准困难的问题，由于光纤纤芯直径往往是微米量级，一旦微透镜阵列与光纤阵列对准发生偏移会导致光的耦合效率下降，影响光谱图像的完整性。

光纤束结构是指将光纤密集排布形成光纤阵列用以接收光谱信息。使用光纤束的结构可以降低工艺难度，但这种结构的光纤阵列填充系数较低，光信息会出现缺失现象。只有被光纤纤芯接收的光才能被光纤传输，但光纤的包层是光纤不可缺少的结构。光纤束结构中光纤的包层厚度以及光纤之间的间隙都会导致能量传输效率降低及光信息的缺失。光纤束的填充率可以通过提高光纤纤芯尺寸增加，但过高的芯包比会导致积分视场单元的狭缝端出射光场的混光现象严重，而导致整体积分视场单元光谱分析困难。综上所述，光纤束结构对于某些要求信息完整且高效率传输的系统是无法使用的。

目前国内外在实现自聚焦光纤阵列时中国专利(CN104796631A)中是一种自聚焦光纤线性阵列，但在该专利中使用自聚焦光纤制作的线阵结构进行光信息的传输，实现相机成像结构。但是该专利内光纤仅形成了线阵，未形成M*N(M、N为整数)的二维面阵，在接收面阵信息时需要扫描输入。在本专利是用于天文望远镜的大型积分视场单元，是使用面阵作为接收面，通过面阵的结构相对于线阵的扫描接收模式可以更加高效地传输光信息。中国专利(CN10672838A)是一种用于激光雷达的分光耦合装置。在该专利里使用了光纤阵列与自聚焦透镜结构的组合装置，在该专利中聚焦透镜作为光纤准直器的主要成分，将光纤固定在透镜的焦点上以达到聚焦效果，再将光纤准直器制作成阵列实现阵列式光纤传输。本专利是将渐变折射率光纤与阶跃式光纤连接制作为组合光纤，由于两种光纤外径相同，易于进行熔接，工艺简单。运用这种方式可以减少工艺难度，增加光纤纤芯填充率，所以本专利的自聚焦光纤阵列结构更具有优势。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种用于积分视场单元的自聚焦光纤阵列。

为实现上述目的，一种用于积分视场单元的自聚焦光纤阵列，其结构包括渐变折射率光纤10、阶跃式光纤20、石英夹具，所述渐变折射率光纤10与所述阶跃式光纤20熔接构成自聚焦光纤，熔接点位于渐变折射率光纤10光线交点处即自聚焦光光纤的1/4节距处，并且错排逐层排布形成光纤阵列。

所述的光纤阵列以M×N形式固定在所述石英夹具上，其中M为行数，N为列数，且所述熔接点固定于石英夹具内。

所述渐变折射率光纤10与所述阶跃式光纤20在熔接过程中，端面正对，没有偏移，光纤芯中心重合。

所述光纤阵列在所述石英夹具内以横向分层形式固定，纵向错排堆叠，形成光纤阵列基板。

所述光纤阵列的表面光滑无毛刺，所述渐变折射率光纤10与所述阶跃式光纤20的端面光滑，光进入纤芯时不产生散射。

所述阶跃式光纤20在熔接时去除涂覆层部分使用固化胶填充。

所述渐变折射率光纤10没有涂覆层与包层，仅有光纤纤芯，所述阶跃式光纤20的芯径小于渐变折射率光纤10的芯径。

本发明的有益效果在于：

本发明提供的一种用于积分视场单元的自聚焦光纤阵列，自聚焦光纤阵列是一种全新的阵列结构，自聚焦光纤阵列通过光纤自身的自聚焦效果对光信息进行收集，不存在着光无法耦合到光纤芯，进而无法传输的问题，通过这种结构，既能降低工艺难度，避免对准微透镜和光纤阵列的复杂操作，又能增加光信息的收集能力。

附图说明

图1为本发明的渐变折射率光纤与阶跃式光纤熔接之后的横截面示意图。

图2为本发明的渐变折射率光纤与阶跃式光纤连接关系图。

图3为本发明光纤阵列的正视图。

图4为本发明光纤阵列的侧视图。

图5为本发明的整体结构示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步的描述：

实施例1

本发明提供的一种用于积分视场单元的自聚焦光纤阵列，运用渐变折射率光纤的自聚焦效应，结合阶跃式光纤形成阵列结构，实现在不加入微透镜的情况下，提高光接收率，收集望远镜像面上接近90％的光信息。从而在保持望远镜的高性能的情况下，对积分视场单元进行优化。

在本专利所发明的结构包括渐变折射率光纤10、阶跃式光纤20、光纤阵列基板。选取渐变折射率光纤10，与阶跃式光纤20熔接在一起，两种光纤外径相同，熔接时保证光纤不发生错位，则此时两种光纤的纤芯同圆心。渐变折射率光纤的长度为(N+1)/4节距(N为偶数)，光平行射入渐变折射率光纤时会沿着正弦路径波动向前，一个正弦周期的长度为一个节距，当平行光入射光纤经过(N+1)/4后回汇聚到焦点上，此时光斑最小。

渐变折射率光纤10为了满足接收更多光信息的需求，并没有涂覆层与包层，仅有光纤纤芯02。

光纤传输光信息过程中，芯包比(即光纤纤芯直径与包层直径的比值)不能过大。主要是因为芯包比过大时出射光斑的发散角会对应增大，若此时出射光纤紧密排列时会产生严重的光场混叠现象。但同时由于接收出射光场的光谱仪接受面需要同时接收几十甚至几百根光纤出射的光场，所有光纤出射端需要密集排布。综上所述：为满足出射光场的分辨率要求，光纤芯包比不能过大，所以阶跃式光纤20的芯径相比于渐变折射率光纤10小很多。

在完成渐变折射率光纤的截取,并与阶跃式光纤熔接后，把渐变折射率光纤端以密排方式分层排列、固定。光纤连接处为使熔接方便，去除一段阶跃式光纤20的涂覆层，该光纤段30在光纤阵列固定时与整体阵列同步使用固化剂填充。无需添加额外的固定装置或粘合剂。由于渐变折射率光纤没有包层和涂覆层，因此在不使用微透镜的情况下，密排光纤可以得到90％以上的填充率。

如图1-2所示，本发明中使用了渐变折射率光纤10与阶跃式光纤20的组合光纤。由于阶跃式光纤在光信号传输上的高性能将其作为积分视场单元中传输光信息的通道，但是由于光纤总长度在20米以上，为了避免光纤阵列出射端混光现象的发生以及考虑到光谱仪接收到出射光谱的分辨率要求，光纤的纤芯不能制作的过大。在不使用微透镜的情况下，为提高集光效率，本发明使用了一种外径不小于阶跃式光纤涂覆层外径的无包层、无涂覆层的渐变折射率光纤，截取这种渐变折射率光纤的长度为N+1/4节距(N为偶数)，然后将其与阶跃式光纤连接，使阶跃式光纤正好接在光线汇聚的束腰位置。在光纤连接时，两种光纤纤芯的圆心是重合的，同时也保证射入光纤10的近平行光后会被汇聚到20的纤芯上。再通过阶跃式光纤20的传输将光信息传递到光谱仪接收面，最后光谱仪处理整合形成可识别光谱信息。

同时，在两种光纤的熔接过程中，为保证熔接质量需要去除一段阶跃型光纤20的涂覆层，仅留下光纤纤芯03与包层04。

如图3所示，渐变折射率光纤密排形成光纤阵列，放入石英基板c中，使用慢性固化胶对密排的光纤进行固定，其在固化过程中对固化物体几乎没有外力压迫，保证了光纤的工作性能，且固化后稳定性高。同时在固化过程中可以填补光纤段30所缺失的涂覆层结构，使熔接位置更加稳定。

进行固定后作为整体进行表面抛磨，以达到接收光信号的光学要求。

如图4所示，渐变折射率光纤10没有包层与涂覆层，只有纤芯。将渐变折射率光纤10的一端与石英基板的a面重合，石英基板的厚度要略大于渐变折射率光纤的长度，为使两种光纤的连接处固定在基板内，不随望远镜的移动发生弯曲或扭转，保证积分视场单元的使用寿命。同时在固定光纤时使用分层固定的方法，先沿X方向固定光纤，再沿Y方向错排固定下一排。在固定过程中将石英夹具略向b面倾斜放置，从a面缓慢滴入固化胶，胶会沿着倾斜方向逐渐渗透，这种方法可以减少胶内气泡的产生，使夹具与光纤固定的更加紧密。对a面进行打磨抛光时可以减少胶对抛光效果的影响。

本发明优化了积分视场单元的结构。从目前常用的微透镜阵列加光纤束的结构改为自聚焦阵列结构。一方面节约了制作成本，最重要的是降低了工艺难度，微透镜与光纤阵列的对准向来是困扰制作者的主要问题，本发明利用组合光纤的自聚焦效应取代了微透镜组的汇聚光线作用，从而从根本上解决的由于微透镜未对准带来的光信息损耗以及微透镜对准的复杂工艺的问题。

Claims (4)

1.一种用于积分视场单元的自聚焦光纤阵列，包括石英基板、石英夹具及自聚焦光纤，其特征在于：所述的自聚焦光纤排列在石英基板上，自聚焦光纤由外径相同且纤芯同圆心的渐变折射率光纤(10)与阶跃式光纤(20)熔接构成，熔接点位于渐变折射率光纤(10)光线交点处即自聚焦光光纤的1/4节距处，使射入渐变折射率光纤(10)的近平行光汇聚到阶跃式光纤(20)的纤芯上；所述的渐变折射率光纤(10)没有涂覆层与包层，仅有光纤纤芯；所述的阶跃式光纤(20)的芯径小于渐变折射率光纤(10)的芯径，且阶跃式光纤(20)在与渐变折射率光纤(10)熔接位置处为使熔接方便，去除一段阶跃式光纤(20)的涂覆层，仅保留光纤纤芯(03)与包层(04)；所述的自聚焦光纤的渐变折射率光纤(10)端部设置在石英基板中，自聚焦光纤阵列在石英夹具中以横向分层形式固定，纵向错排堆叠，形成光纤阵列基板。

2.根据权利要求1所述的一种用于积分视场单元的自聚焦光纤阵列，其特征在于：所述渐变折射率光纤(10)与所述阶跃式光纤(20)在熔接过程中，端面正对，没有偏移，光纤芯中心重合。

3.根据权利要求1所述的一种用于积分视场单元的自聚焦光纤阵列，其特征在于：所述光纤阵列的表面光滑无毛刺，所述渐变折射率光纤(10)与所述阶跃式光纤(20)的端面光滑，光进入纤芯时不产生散射。

4.根据权利要求1所述的一种用于积分视场单元的自聚焦光纤阵列，其特征在于：所述阶跃式光纤(20)在熔接时去除涂覆层部分使用固化胶填充。

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