CN110994338A - 一种低模式色散的激光光纤耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低模式色散的激光光纤耦合器，属于耦合器领域，一种低模式色散的激光光纤耦合器，可以通过在耦合器内的增益介质和聚焦镜之间的光阑上设置侧边热扩散板，一方面可以有效将泵浦光产生的热量隔绝在光阑表面，一方面有有效控制侧边热扩散板热量的扩散方向为向着远离聚焦镜的外侧扩散，另一方面可以将热量从泵浦光照射的位置在纵向向外扩散，有效提高热量的扩散面积，使得热量较为均匀的分布，进而有效避免局部温度过高位置的热量向聚焦镜一侧蔓延的情况，同时通过内聚热环和外扩散环的设计，可以有效提高温差，进而降低加速热量在光阑表面纵向的扩散，从而有效降低光线耦合时的偏移量，进而有效提高本耦合器的使用效果。

Description

一种低模式色散的激光光纤耦合器

技术领域

本发明涉及耦合器领域，更具体地说，涉及一种低模式色散的激光光纤耦合器。

背景技术

在微波系统中，往往需将一路微波功率按比例分成几路，这就是功率分配问题。实现这一功能的元件称为功率分配元器件即耦合器，主要包括：定向耦合器、功率分配器以及各种微波分支器件。

光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电一光一电转换器件。它由发光源和受光器两部分组成。把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内，彼此间用透明绝缘体隔离。发光源的引脚为输入端，受光器的引脚为输出端，常见的发光源为发光二极管，受光器为光敏二极管、光敏三极管等等。光电耦合器的种类较多，常见有光电二极管型、光电三极管型、光敏电阻型、光控晶闸管型、光电达林顿型、集成电路型等。如下图1(外形有金属圆壳封装，塑封双列直插等)。

信号光耦合到增益介质的结构性能对激光的最终输出功率稳定性和指向稳定性有很大影响，这主要体现在增益介质溢出的泵浦光会打在信号光耦合透镜上，从而不断加热聚焦镜片导致信号光偏离最佳耦合位置，一般采用吸热光阑垂直插入耦合光路从而隔断泵浦光，避免聚焦镜变热，这种方式是一种节省空间、不干扰光路的新措施，但是光阑一般只具有挡光的功能，其本身对于热量挥发的性能较差，因而热量聚集到一定程度后，光阑自身热量升高，由于热量的辐射问题，聚焦镜仍然会存在变热的情况。

发明内容

1.要解决的技术问题

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种低模式色散的激光光纤耦合器，它可以通过在耦合器内的增益介质和聚焦镜之间的光阑上设置侧边热扩散板，一方面可以有效将泵浦光产生的热量隔绝在光阑表面，一方面有有效控制侧边热扩散板热量的扩散方向为向着远离聚焦镜的外侧扩散，另一方面可以将热量从泵浦光照射的位置在纵向向外扩散，有效提高热量的扩散面积，使得热量较为均匀的分布，进而有效避免局部温度过高位置的热量向聚焦镜一侧蔓延的情况，同时通过内聚热环和外扩散环的设计，可以有效提高温差，进而降低加速热量在光阑表面纵向的扩散，从而有效降低光线耦合时的偏移量，进而有效提高本耦合器的使用效果。

2.技术方案

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。

一种低模式色散的激光光纤耦合器，包括耦合器本体，所述耦合器本体左右两端分别连接有输入端口和输出端口，所述耦合器本体前端连接有耦合端口，所述耦合器本体内部安装有聚焦镜，所述聚焦镜外侧罩设有光阑，所述光阑靠近聚焦镜的一端开凿有空腔，所述空腔与聚焦镜相匹配，所述空腔与聚焦镜正对的内壁开凿有光阑孔，所述所述耦合器本体还连接有增益介质，所述增益介质位于光阑右侧，所述聚焦镜、空腔、光阑孔和增益介质从左向右依次排列，且四者位于同一中心线上，所述光阑靠近增益介质的一端连接有侧边热扩散板，可以通过在耦合器内的增益介质和聚焦镜之间的光阑上设置侧边热扩散板，一方面可以有效将泵浦光产生的热量隔绝在光阑表面，一方面有有效控制侧边热扩散板热量的扩散方向为向着远离聚焦镜的外侧扩散，另一方面可以将热量从泵浦光照射的位置在纵向向外扩散，有效提高热量的扩散面积，使得热量较为均匀的分布，进而有效避免局部温度过高位置的热量向聚焦镜一侧蔓延的情况，同时通过内聚热环和外扩散环的设计，可以有效提高温差，进而降低加速热量在光阑表面纵向的扩散，从而有效降低光线耦合时的偏移量，进而有效提高本耦合器的使用效果。

进一步的，所述光阑孔内壁处镶嵌有多个均匀分布的，多个所述相互接触，通过有效阻止泵浦光射在光阑上时，产生的热量向光阑内部传递，从而有效保证其内侧的聚焦镜不易受到泵浦光的影响。

进一步的，所述侧边热扩散板包括镶嵌在光阑内部的波浪形遮热板以及与波浪形遮热板固定杆连接的波浪外环，通过侧边热扩散板，可以有效将泵浦光产生的热量隔绝在光阑表面，一方面有有效控制侧边热扩散板热量的扩散方向为向着远离聚焦镜的外侧扩散，另一方面可以将热量从泵浦光照射的位置在纵向向外扩散，有效提高扩散面积，使得热量较为均匀的分布，进而有效避免局部温度过高位置的热量向聚焦镜一侧蔓延的情况。

进一步的，所述波浪外环包括多个内聚热环和多个外扩散环，多个所述内聚热环之间、多个外扩散环之间以及相邻的内聚热环和外扩散环之间均相互接触，通过内聚热环和外扩散环，一方面可以有效吸收泵浦光产生的热量，另一方面可以以光阑孔为中心在纵向上，将热量向外侧引导，进而有效降低热量在光阑上聚集，加速热量的转移扩散。

进一步的，多个所述内聚热环和外扩散环内部均开凿有内嵌导热通道，多个所述内嵌通道相互连通且均与外界相通，通过内嵌导热通道可以将内聚热环和外扩散环内产生的热量向外界扩散导出，进而有效抑制二者内的热量向光阑内部蔓延的情况。

进一步的，多个所述外扩散环从光阑孔向外的方向内径逐渐增大，多个所述内聚热环内径相同，且内聚热环内径小于内径最小的外扩散环，内聚热环的部分距离增益介质较近，泵浦光的照射路径较短，因而该部分温度相较于外扩散环会较高，同时内聚热环设置的较小，进而使得内聚热环部分整体的温度会更高，从而有效增大内聚热环和外扩散环之间的温差，从而有效引导内聚热环处的热量向着外扩散环蔓延，加速热量的扩散，从而有效提高侧边热扩散板的散热效果，从而有效降低光线耦合时的偏移量，进而有效提高本耦合器的使用效果。

进一步的，所述内聚热环和外扩散环均包括双向光选镜和热吸收端，所述双向光选镜固定连接在热吸收端外侧，且双向光选镜位于靠近增益介质的一侧，所述内嵌导热通道开凿在热吸收端上，泵浦光可以穿过双向光选镜进入到热吸收端内，部分光被吸收，部分热量被吸收，后从内嵌导热通道向外散发出。

进一步的，所述热吸收端内部填充有双态转移体，所述双态转移体为吸光石颗粒、砂石颗粒以及水的均匀混合的混合物，吸光石可以有效吸收泵浦光，从而将泵浦光被存储，进而有效降低整体泵浦光转化成热能的量，从而有效降低泵浦光整体产生的热量，有效降低光束在聚焦镜处进行耦合时的影响，同时吸光石内存储的泵浦光能可以在本耦合器不使用时，将环境变暗，将该光能释放即可，砂石颗粒具有较好的导热性能，可以有效提高热量在竖向上的扩散，提高散热效率，进而有效保护聚焦镜不易升温，有效保证光束耦合的正常进行。

进一步的，所述吸光石颗粒、砂石颗粒以及水的混合比例为1:1:0.5-0.8。

进一步的，所述双向光选镜(1101)材质为单向透视玻璃，且单向透视玻璃的镜面朝向增益介质一侧，使得光线在进行耦合时，泵浦光可以穿过双向光选镜(1101)照射到内聚热环(91)和外扩散环(92)的内部，同时照射到内部的光线很难折射出来，所述波浪形遮热板(10)由隔热材质制成，可以有效隔绝热量向光阑(6)内部蔓延，使得泵浦光产生的热量浮于光阑(6)的表面，进而加速热量向外的散发。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的优点在于：

(1)本方案可以通过在耦合器内的增益介质和聚焦镜之间的光阑上设置侧边热扩散板，一方面可以有效将泵浦光产生的热量隔绝在光阑表面，一方面有有效控制侧边热扩散板热量的扩散方向为向着远离聚焦镜的外侧扩散，另一方面可以将热量从泵浦光照射的位置在纵向向外扩散，有效提高热量的扩散面积，使得热量较为均匀的分布，进而有效避免局部温度过高位置的热量向聚焦镜一侧蔓延的情况，同时通过内聚热环和外扩散环的设计，可以有效提高温差，进而降低加速热量在光阑表面纵向的扩散，从而有效降低光线耦合时的偏移量，进而有效提高本耦合器的使用效果。

(2)光阑孔内壁处镶嵌有多个均匀分布的，多个相互接触，通过有效阻止泵浦光射在光阑上时，产生的热量向光阑内部传递，从而有效保证其内侧的聚焦镜不易受到泵浦光的影响。

(3)侧边热扩散板包括镶嵌在光阑内部的波浪形遮热板以及与波浪形遮热板固定杆连接的波浪外环，通过侧边热扩散板，可以有效将泵浦光产生的热量隔绝在光阑表面，一方面有有效控制侧边热扩散板热量的扩散方向为向着远离聚焦镜的外侧扩散，另一方面可以将热量从泵浦光照射的位置在纵向向外扩散，有效提高扩散面积，使得热量较为均匀的分布，进而有效避免局部温度过高位置的热量向聚焦镜一侧蔓延的情况。

(4)波浪外环包括多个内聚热环和多个外扩散环，多个内聚热环之间、多个外扩散环之间以及相邻的内聚热环和外扩散环之间均相互接触，通过内聚热环和外扩散环，一方面可以有效吸收泵浦光产生的热量，另一方面可以以光阑孔为中心在纵向上，将热量向外侧引导，进而有效降低热量在光阑上聚集，加速热量的转移扩散。

(5)多个内聚热环和外扩散环内部均开凿有内嵌导热通道，多个内嵌通道相互连通且均与外界相通，通过内嵌导热通道可以将内聚热环和外扩散环内产生的热量向外界扩散导出，进而有效抑制二者内的热量向光阑内部蔓延的情况。

(6)多个外扩散环从光阑孔向外的方向内径逐渐增大，多个内聚热环内径相同，且内聚热环内径小于内径最小的外扩散环，内聚热环的部分距离增益介质较近，泵浦光的照射路径较短，因而该部分温度相较于外扩散环会较高，同时内聚热环设置的较小，进而使得内聚热环部分整体的温度会更高，从而有效增大内聚热环和外扩散环之间的温差，从而有效引导内聚热环处的热量向着外扩散环蔓延，加速热量的扩散，从而有效提高侧边热扩散板的散热效果，从而有效降低光线耦合时的偏移量，进而有效提高本耦合器的使用效果。

(7)内聚热环和外扩散环均包括双向光选镜和热吸收端，双向光选镜固定连接在热吸收端外侧，且双向光选镜位于靠近增益介质的一侧，内嵌导热通道开凿在热吸收端上，泵浦光可以穿过双向光选镜进入到热吸收端内，部分光被吸收，部分热量被吸收，后从内嵌导热通道向外散发出。

(8)热吸收端内部填充有双态转移体，双态转移体为吸光石颗粒、砂石颗粒以及水的均匀混合的混合物，吸光石颗粒、砂石颗粒以及水的混合比例为1:1:0.5-0.8，吸光石可以有效吸收泵浦光，从而将泵浦光被存储，进而有效降低整体泵浦光转化成热能的量，从而有效降低泵浦光整体产生的热量，有效降低光束在聚焦镜处进行耦合时的影响，同时吸光石内存储的泵浦光能可以在本耦合器不使用时，将环境变暗，将该光能释放即可，砂石颗粒具有较好的导热性能，可以有效提高热量在竖向上的扩散，提高散热效率，进而有效保护聚焦镜不易升温，有效保证光束耦合的正常进行。

(9)双向光选镜材质为单向透视玻璃，且单向透视玻璃的镜面朝向增益介质一侧，使得光线在进行耦合时，泵浦光可以穿过双向光选镜照射到内聚热环和外扩散环的内部，同时照射到内部的光线很难折射出来，波浪形遮热板由隔热材质制成，可以有效隔绝热量向光阑内部蔓延，使得泵浦光产生的热量浮于光阑的表面，进而加速热量向外的散发。

附图说明

图1为本发明的立体的结构示意图；

图2为本发明的光路耦合时的结构示意图；

图3为本发明的光阑侧面的结构示意图；

图4为图3中A处的结构示意图；

图5为本发明的侧边热扩散板部分的结构示意图。

图中标号说明：

1耦合器本体、2输入端口、3输出端口、4耦合端口、5聚焦镜、6光阑、7空腔、8光阑孔、91内聚热环、92外扩散环、10波浪形遮热板、1101双向光选镜、1102热吸收端。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图；对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然；所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例；而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例；本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例；都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1：

请参阅图1-2，一种低模式色散的激光光纤耦合器，包括耦合器本体1，耦合器本体1左右两端分别连接有输入端口2和输出端口3，耦合器本体1前端连接有耦合端口4，耦合器本体1内部安装有聚焦镜5，聚焦镜5外侧罩设有光阑6。

请参阅图3，光阑6靠近聚焦镜5的一端开凿有空腔7，空腔7与聚焦镜5相匹配，空腔7与聚焦镜5正对的内壁开凿有光阑孔8，耦合器本体1还连接有增益介质，增益介质位于光阑6右侧，聚焦镜5、空腔7、光阑孔8和增益介质从左向右依次排列，且四者位于同一中心线上，光阑6靠近增益介质的一端连接有侧边热扩散板。

请参阅图4，光阑孔8内壁处镶嵌有多个均匀分布的12，多个12相互接触，通过12有效阻止泵浦光射在光阑6上时，产生的热量向光阑6内部传递，从而有效保证其内侧的聚焦镜5不易受到泵浦光的影响，侧边热扩散板包括镶嵌在光阑6内部的波浪形遮热板10以及与波浪形遮热板10固定杆连接的波浪外环，波浪形遮热板10由隔热材质制成，可以有效隔绝热量向光阑6内部蔓延，使得泵浦光产生的热量浮于光阑6的表面，进而加速热量向外的散发，通过侧边热扩散板，可以有效将泵浦光产生的热量隔绝在光阑6表面，一方面有有效控制侧边热扩散板热量的扩散方向为向着远离聚焦镜5的外侧扩散，另一方面可以将热量从泵浦光照射的位置在纵向向外扩散，有效提高扩散面积，使得热量较为均匀的分布，进而有效避免局部温度过高位置的热量向聚焦镜5一侧蔓延的情况。

请参阅图3，波浪外环包括多个内聚热环91和多个外扩散环92，多个内聚热环91之间、多个外扩散环92之间以及相邻的内聚热环91和外扩散环92之间均相互接触，通过内聚热环91和外扩散环92，一方面可以有效吸收泵浦光产生的热量，另一方面可以以光阑孔8为中心在纵向上，将热量向外侧引导，进而有效降低热量在光阑6上聚集，加速热量的转移扩散。

请参阅图5，图中纵向箭头表示热量整体的扩散方向，横向的箭头表示热量向光阑6外散发的方向，多个内聚热环91和外扩散环92内部均开凿有内嵌导热通道，多个内嵌通道相互连通且均与外界相通，通过内嵌导热通道可以将内聚热环91和外扩散环92内产生的热量向外界扩散导出，进而有效抑制二者内的热量向光阑6内部蔓延的情况，多个外扩散环92从光阑孔8向外的方向内径逐渐增大，多个内聚热环91内径相同，且内聚热环91内径小于内径最小的外扩散环92，内聚热环91的部分距离增益介质较近，泵浦光的照射路径较端，因而该部分温度相较于外扩散环92会较高，同时内聚热环91设置的较小，进而使得内聚热环91部分整体的温度会更高，从而有效增大内聚热环91和外扩散环92之间的温差，从而有效引导内聚热环91处的热量向着外扩散环92蔓延，加速热量的扩散，从而有效提高侧边热扩散板的散热效果，从而有效降低光线耦合时的偏移量，进而有效提高本耦合器的使用效果。

内聚热环91和外扩散环92均包括双向光选镜1101和热吸收端1102，双向光选镜1101材质为单向透视玻璃，且单向透视玻璃的镜面朝向增益介质一侧，使得光线在进行耦合时，泵浦光可以穿过双向光选镜1101照射到内聚热环91和外扩散环92的内部，同时照射到内部的光线很难折射出来，双向光选镜1101固定连接在热吸收端1102外侧，且双向光选镜1101位于靠近增益介质的一侧，内嵌导热通道开凿在热吸收端1102上，泵浦光可以穿过双向光选镜1101进入到热吸收端1102内，部分光被吸收，部分热量被吸收，后从内嵌导热通道向外散发出，热吸收端1102内部填充有双态转移体，双态转移体为吸光石颗粒、砂石颗粒以及水的均匀混合的混合物，吸光石颗粒、砂石颗粒以及水的混合比例为1:1:0.5-0.8，吸光石可以有效吸收泵浦光，从而将泵浦光被存储，进而有效降低整体泵浦光转化成热能的量，从而有效降低泵浦光整体产生的热量，有效降低光束在聚焦镜5处进行耦合时的影响，同时吸光石内存储的泵浦光能可以在本耦合器不使用时，将环境变暗，将该光能释放即可，砂石颗粒具有较好的导热性能，可以有效提高热量在竖向上的扩散，提高散热效率，进而有效保护聚焦镜5不易升温，有效保证光束耦合的正常进行。

可以通过在耦合器内的增益介质和聚焦镜5之间的光阑上设置侧边热扩散板，一方面可以有效将泵浦光产生的热量隔绝在光阑6表面，一方面有有效控制侧边热扩散板热量的扩散方向为向着远离聚焦镜5的外侧扩散，另一方面可以将热量从泵浦光照射的位置在纵向向外扩散，有效提高热量的扩散面积，使得热量较为均匀的分布，进而有效避免局部温度过高位置的热量向聚焦镜5一侧蔓延的情况，同时通过内聚热环91和外扩散环92的设计，可以有效提高温差，进而降低加速热量在光阑6表面纵向的扩散，从而有效降低光线耦合时的偏移量，进而有效提高本耦合器的使用效果。

以上所述；仅为本发明较佳的具体实施方式；但本发明的保护范围并不局限于此；任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内；根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变；都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种低模式色散的激光光纤耦合器，包括耦合器本体(1)，所述耦合器本体(1)左右两端分别连接有输入端口(2)和输出端口(3)，所述耦合器本体(1)前端连接有耦合端口(4)，所述耦合器本体(1)内部安装有聚焦镜(5)，其特征在于：所述聚焦镜(5)外侧罩设有光阑(6)，所述光阑(6)靠近聚焦镜(5)的一端开凿有空腔(7)，所述空腔(7)与聚焦镜(5)相匹配，所述空腔(7)与聚焦镜(5)正对的内壁开凿有光阑孔(8)，所述所述耦合器本体(1)还连接有增益介质，所述增益介质位于光阑(6)右侧，所述聚焦镜(5)、空腔(7)、光阑孔(8)和增益介质从左向右依次排列，且四者位于同一中心线上，所述光阑(6)靠近增益介质的一端连接有侧边热扩散板。

2.根据权利要求1所述的一种低模式色散的激光光纤耦合器，其特征在于：所述光阑孔(8)内壁处镶嵌有多个均匀分布的(12)，多个所述(12)相互接触。

3.根据权利要求1所述的一种低模式色散的激光光纤耦合器，其特征在于：所述侧边热扩散板包括镶嵌在光阑(6)内部的波浪形遮热板(10)以及与波浪形遮热板(10)固定杆连接的波浪外环。

4.根据权利要求3所述的一种低模式色散的激光光纤耦合器，其特征在于：所述波浪外环包括多个内聚热环(91)和多个外扩散环(92)，多个所述内聚热环(91)之间、多个外扩散环(92)之间以及相邻的内聚热环(91)和外扩散环(92)之间均相互接触。

5.根据权利要求4所述的一种低模式色散的激光光纤耦合器，其特征在于：多个所述内聚热环(91)和外扩散环(92)内部均开凿有内嵌导热通道，多个所述内嵌通道相互连通且均与外界相通。

6.根据权利要求5所述的一种低模式色散的激光光纤耦合器，其特征在于：多个所述外扩散环(92)从光阑孔(8)向外的方向内径逐渐增大，多个所述内聚热环(91)内径相同，且内聚热环(91)内径小于内径最小的外扩散环(92)。

7.根据权利要求6所述的一种低模式色散的激光光纤耦合器，其特征在于：所述内聚热环(91)和外扩散环(92)均包括双向光选镜(1101)和热吸收端(1102)，所述双向光选镜(1101)固定连接在热吸收端(1102)外侧，且双向光选镜(1101)位于靠近增益介质的一侧，所述内嵌导热通道开凿在热吸收端(1102)上。

8.根据权利要求7所述的一种低模式色散的激光光纤耦合器，其特征在于：所述热吸收端(1102)内部填充有双态转移体，所述双态转移体为吸光石颗粒、砂石颗粒以及水的均匀混合的混合物。

9.根据权利要求8所述的一种低模式色散的激光光纤耦合器，其特征在于：所述吸光石颗粒、砂石颗粒以及水的混合比例为1:1:0.5-0.8。

10.根据权利要求7所述的一种低模式色散的激光光纤耦合器，其特征在于：所述双向光选镜(1101)材质为单向透视玻璃，且单向透视玻璃的镜面朝向增益介质一侧，所述波浪形遮热板(10)由隔热材质制成。

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