CN109917521A - 一种光纤耦合系统、耦合光束调节方法 - Google Patents

Abstract

一种光纤耦合系统及耦合光束调节方法，属于照明技术领域。系统包括激光光源、扩束准直透镜组、耦合透镜、光纤；所述扩束准直透镜组、所述耦合透镜依次设于所述激光光源和所述光纤之间；所述激光光源发出的光线经所述扩束准直透镜组进行慢轴扩束准直，扩束准直后的光线经所述耦合透镜汇聚于所述光纤端面。方法基于上述系统实现。本发明结构简便，具有多个可调自由度，适用于发光特性差异性较大的光源且均具有超高的耦合效率。

Description

一种光纤耦合系统、耦合光束调节方法

技术领域

本发明涉及照明技术领域，尤其涉及一种用于照明的光纤耦合系统、耦合光束调节方法。

背景技术

激光器光纤耦合技术是指：通过光学系统有效的将激光光源发出来的光准直整形后耦合进光纤中，由于半导体激光器有输出的光束质量较差、发散角较大等缺点，特别是慢轴受巴条宽度影响较大，另外不同光源之间差异性明显，在实际应用中会影响激光器的输出以及其光纤的耦合效率和不同光源耦合效率的一致性，因此，为了提高光纤耦合的效率和一致性，必须对其快慢轴分别进行优化，减小其快慢轴的发散角，以满足光纤耦合的需求。半导体激光器快慢轴准直方法主要包括柱透镜准直、自聚焦透镜准直以及非球面透镜准直，这三种方法都可以将光束的发散角压缩，同时光束的宽度将会增加，且也存在如下问题：

1、柱透镜准直：因为柱透镜球差较大，封装困难，装调难度大，并不能用于光束质量要求较高的场景。

2、自聚焦透镜准直效果比非球面镜相比稍差。

实用新型专利CN201420863520.0公开了一种高功率半导体激光器光纤耦合系统，并具体公开了系统包括沿光路依次设置的半导体激光器叠阵、微准直透镜，合束装置，慢轴准直镜，快轴准直镜，光纤。该系统需要对光束慢轴、快轴分别进行准直，虽然降低光能损失率，但主要用于解决激光合束的功率问题。

发明内容

本发明针对现有技术存在的问题，提出了一种慢轴扩束准直、耦合效率高且适应性广的光纤耦合系统。

本发明是通过以下技术方案得以实现的：

本发明提出了一种光纤耦合系统，包括激光光源、扩束准直透镜组、耦合透镜、光纤；所述扩束准直透镜组、所述耦合透镜依次设于所述激光光源和所述光纤之间；所述激光光源发出的光线经所述扩束准直透镜组进行慢轴扩束准直，扩束准直后的光线经所述耦合透镜汇聚于所述光纤端面。

作为优选，所述扩束准直透镜组包括平凹柱透镜、凸平柱透镜；所述平凹柱透镜、所述凸平柱透镜依次设于所述激光光源和所述耦合透镜之间；所述平凹柱透镜用于对所述激光光源发出的光线进行慢轴扩束，所述凸平柱透镜用于对扩束后的光线进行慢轴准直，扩束准直后的光线经所述耦合透镜汇聚于所述光纤端面。

作为优选，所述耦合透镜为非球面透镜。

作为优选，所述光纤为纤芯直径62.5或105微米的多模光纤；或者，所述光纤为芯径直径大于105微米以及更大直径的石英光纤。作为优选，所述激光光源、所述扩束准直透镜组、所述耦合透镜之间光路同轴并调节对准至所述光纤，通过封装套管封装成一体固化，构成激光照明装置。

作为优选，所述封装管包括第一封装管、第二封装管，第一封装管用于封装所述激光光源、所述扩束准直透镜组，所述第二封装管用于安装所述耦合透镜，所述光纤通过石英套管与所述第二封装套管连接；所述第一封装管与所述第二封装管连接。

作为优选，所述激光光源为自带双轴准直透镜的半导体激光器。

本发明还提出一种耦合光束调节方法，基于上述光纤耦合系统实现，所述扩束准直透镜组满足下述焦距调整约束条件：

其中， 和 分别表示光源慢轴宽度和发散角所服从的概率分布，表示选定光源经过扩束准直透镜组作用后出射光线向量场形式， ， 表示光学算符，n1，n2为折射率，r1,，r2为自由曲面曲率半径；为一种光源的发光特性， 选定光源满足慢轴宽度和发散角为最大概率数值。

本发明还提出一种耦合光束调节方法，基于上述光纤耦合系统实现，所述耦合透镜满足成像光学与非成像光学结合的设计约束条件：

其中，表示耦合透镜后光线角度满足数值孔径，表示耦合方程，表示耦合后的光线向量场，表示光学算符，n为折射率，M1,M2为非球面，表示耦合透镜满足焦距方程以及球差最小关系。

本发明具有以下有益效果：

本发明一种光纤耦合系统及耦合光束调节方法，仅将光束通过扩束准直透镜组进行慢轴准直，再通过耦合透镜耦合入光纤，耦合效率高，如多模光纤的耦合效率能达到98%以上，如纤芯100微米以上的能量光纤的耦合效率基本能达到99.9%，并且适用于发光特性差异性较大的光源。

附图说明

图1为本发明一种光纤耦合系统的结构示意图；

图2为本发明一种光纤耦合系统的封装结构示意图。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

激光光源发射出的光束质量较差，发散角较大，在实际运用中，大发散角会影响激光器的输出以及光纤的耦合效率，因此我们需对光束进行准直，减小光束发散角，以满足光纤耦合的需求。

现有光纤耦合系统需要分别调节快慢轴，其中快轴由于本身光源公差等因素，使得不同光源的发散角偏差较大，甚至会出现从发散到汇聚的多种形态，所以难以通过一组透镜实现对所有光源的快轴准直，往往需要用到多组透镜或多个光源处理器件经多个光源处理步骤实现。本发明考虑到快轴本身发光宽度很小，可以认为是点光源，同一个光源几乎不带有扩展光源效应，则经过耦合透镜后不会形成弥散斑。而慢轴宽度较大，带来的影响更明显。基于此，本发明提出一种光纤耦合系统以及利用此系统调节耦合光束的方法。

如图1，本发明一种光纤耦合系统包括激光光源2、扩束准直透镜组10、耦合透镜5、光纤8。所述扩束准直透镜组10、所述耦合透镜5依次设于所述激光光源2和所述光纤8之间。所述激光光源2发出的光线经所述扩束准直透镜组10进行慢轴扩束准直，准直后的光线经所述耦合透镜5耦合汇聚于所述光纤8端面。扩束准直透镜组10对慢轴进行扩束，减小慢轴发散角，快轴保持不变。

所述扩束准直透镜组10包括平凹柱透镜3、凸平柱透镜4。所述平凹柱透镜3、所述凸平柱透镜4依次设于所述激光光源2和所述耦合透镜5之间。所述平凹柱透镜3用于对所述激光光源2发出的光线进行慢轴扩束，所述凸平柱透镜4用于对扩束后的光线进行慢轴准直，准直后的光线经所述耦合透镜5汇聚于所述光纤8端面，使激光与光纤的耦合效率提高。标准情形下，光源发光特性符合最大概率分布，所述激光光源2位于所述平凹柱透镜3的焦点处，所述耦合透镜5的焦点位于所述光纤8端面处。

所述激光光源为自带双轴准直透镜的半导体激光器，如450nm的蓝色激光光源。未经过透镜前，光源的发散角很大，经过轴准直透镜后的光源仍存在发散角，但发散角小。

所述耦合透镜为非球面透镜，可以减少球差，使光纤端面上的光斑更小。

所述光纤为纤芯直径62.5或105微米的多模光纤；或者，所述光纤为芯径直径大于105微米的石英光纤。

图2示出了将本发明光纤耦合系统中的所述激光光源、扩束准直透镜组、所述耦合透镜、所述光纤通过封装套管封装后的结构。上述封装后的一体结构构成了激光照明装置。

所述封装管包括第一封装管61、第二封装管62。第一封装管61用于封装所述激光光源2、所述扩束准直透镜组10。具体地，所述平凹柱透镜3、所述凸平柱透镜4通过紫外固化胶或激光焊等方式固定在第一封装套管上；所述激光光源2通过铜基座1安装在第一封装套管61上，如采用螺丝固定方式安装，铜基座能将激光光源产生的热导到散热器上。所述第二封装管62用于安装所述耦合透镜5，如将非球面透镜直接安装在第二封装套管62中。所述光纤8通过石英套管7与所述第二封装套管62连接，如石英套管7在紫外固化胶的作用下，使光纤8与第二封装管62紧密连接。所述第一封装管61与所述第二封装管62连接，如可通过螺丝钉固定方式连接。

激光光源发出的光经过本身自带的准直透镜后，快慢轴发散角依然很大，所以通过扩束准直透镜组的两个透镜扩束准直后，慢轴发散角变小，再经非球面透镜耦合后光束光斑满足耦合条件，即实际光斑小于光纤纤芯直径，光入射角度小于数值孔径。这样，可以高效地将光束耦合进光纤中去。

本发明还提供一种耦合光束调节方法，基于上述光纤耦合系统实现， 所述扩束准直透镜组满足下述焦距调整约束条件：

其中，和 分别表示光源慢轴宽度和发散角所服从的概率分布，表示选定光源经过扩束准直透镜组作用后出射光线向量场形式， ， 表示光学算符，n1，n2为折射率，r1,，r2为自由曲面曲率半径；为一种光源的配光曲线， 选定光源满足慢轴宽度和发散角为最大概率数值。

实际操作中，通过测试大量的光源得知光源发光特性的概率分布，并以概率最大的光源（如慢轴宽度0.6mm，发散角0.8°，快轴天然准直）为基准，利用来求解扩束准直透镜组的焦距和曲率半径。对慢轴的扩束准直可以减小宽度和发散角误差带来的影响，以便于耦合透镜能达到良好的汇聚效果。如光线完全准直出射，可通过以上方程组求得扩束准直透镜组的焦距和曲率半径。

光源快轴具有多种发散角度的形态，大致可分为发散、准直、汇聚等几类，若细致分为0.5~0.3、0.3~0.1、0.1~-0.1 -0.1~-0.3等。不同发散角度形态的光占总光束的比例不同，将占比最高的形态的光线作为标准，来确定透镜焦距，耦合效果会最好。

在此方法下，根据快慢轴聚焦范围的交集确定，合适的焦距可以提高耦合效率。

本发明还提供一种耦合光束调节方法，基于上述光纤耦合系统实现，所述耦合透镜满足成像光学与非成像光学结合的设计约束条件：

其中，表示耦合透镜后光线角度满足数值孔径，表示光纤耦合条件，表示耦合后的光线向量场，表示光学算符，n为折射率，M1,M2为自由曲面，表示耦合透镜满足焦距方程以及球差最小关系。

在实际耦合系统中，快轴经过耦合透镜其束腰（光斑最小）位置完全由光源本身决定，为了达到较强的适应性以及普遍高的耦合效率，需要调控扩束准直透镜组的相对位置使经过耦合透镜后的慢轴束腰与快轴束腰位置重合。比如，快轴为汇聚型，则其经过耦合透镜后束腰位置在焦距内，则需要扩束准直透镜组增大到合适的距离，使慢轴出射光呈汇聚形式，那么经过耦合透镜后慢轴束腰可以和快轴重合，此时耦合效率最高。若快轴为发散型，则操作过程相反，但是耦合效率基本没有偏差。

由于慢轴优化是由透镜组实现，可调自由度较多，可以针对不同光源调节透镜位置来实现快慢轴束腰重合，这样不同光源的耦合效率可以做到一致。这样多透镜组合的耦合方式，可以通过调控透镜的位置角度等多个自由度来扩展透镜的使用范围，适用于所有形态的光源。

本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本发明的实施例只作为举例而并不限制本发明。本发明的目的已经完整有效地实现。本发明的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本发明的实施方式可以有任何变形或修改。

Claims (9)

1.一种光纤耦合系统，其特征在于，包括激光光源、扩束准直透镜组、耦合透镜、光纤；所述扩束准直透镜组、所述耦合透镜依次设于所述激光光源和所述光纤之间；所述激光光源发出的光线经所述扩束准直透镜组进行慢轴扩束准直，扩束准直后的光线经所述耦合透镜汇聚于所述光纤端面。

2.根据权利要求1所述的一种光纤耦合系统，其特征在于，所述扩束准直透镜组包括平凹柱透镜、凸平柱透镜；所述平凹柱透镜、所述凸平柱透镜依次设于所述激光光源和所述耦合透镜之间；所述平凹柱透镜用于对所述激光光源发出的光线进行慢轴扩束，所述凸平柱透镜用于对扩束后的光线进行慢轴准直，扩束准直后的光线经所述耦合透镜汇聚于所述光纤端面。

3.根据权利要求1所述的一种光纤耦合系统，其特征在于，所述耦合透镜为非球面透镜。

4.根据权利要求1所述的一种光纤耦合系统，其特征在于，所述光纤为纤芯直径62.5或105微米的多模光纤；或者，所述光纤为芯径直径大于105微米的石英光纤。

5.根据权利要求1所述的一种光纤耦合系统，其特征在于，所述激光光源、所述扩束准直透镜组、所述耦合透镜之间光路同轴并调节对准至所述光纤，通过封装套管封装成一体固化，构成激光照明装置。

6.根据权利要求5所述的一种光纤耦合系统，其特征在于，所述封装管包括第一封装管、第二封装管，第一封装管用于封装所述激光光源、所述扩束准直透镜组，所述第二封装管用于安装所述耦合透镜，所述光纤通过石英套管与所述第二封装套管连接；所述第一封装管与所述第二封装管连接。

7.根据权利要求1所述的一种光纤耦合系统，其特征在于，所述激光光源为自带双轴准直透镜的半导体激光器。

8.一种耦合光束调节方法，其特征在于，基于上述权利要求1或2所述的光纤耦合系统实现，所述扩束准直透镜组满足下述焦距调整约束条件：

其中，和分别表示光源慢轴宽度和发散角所服从的概率分布，表示选定光源经过扩束准直透镜组作用后出射光线向量场形式，，表示光学算符，n1，n2为折射率，r1,，r2为自由曲面曲率半径；为一种光源的发光特性，选定光源满足慢轴宽度和发散角为最大概率数值。

9.一种耦合光束调节方法，其特征在于，基于上述权利要求1或2所述的光纤耦合系统实现，所述耦合透镜满足成像光学与非成像光学结合的设计约束条件：

其中，表示耦合透镜后光线角度满足数值孔径，表示耦合方程，表示耦合后的光线向量场，表示光学算符，n为折射率，M1,M2为非球面，表示耦合透镜满足焦距方程以及球差最小关系。