CN111463656A - 光纤耦合系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光纤耦合系统，包括依次设置的激光器、非球面透镜、第一柱面镜、第二柱面镜、耦合透镜、光纤；所述激光器发出的激光经非球面透镜进行快轴准直后，依次通过第一柱面镜、第二柱面镜进行快轴光斑压缩，再经耦合透镜聚焦进入光纤。本发明的光纤耦合系统，避免了使用昂贵的非球面快轴准直透镜，降低了成本，具有较高的耦合效率。

Description

光纤耦合系统
技术领域
本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种光纤耦合系统。
背景技术
将激光耦合进光纤是一种广泛使用的技术。比如著名的光纤通信，就是将激光耦合进光纤进行远距离传输通信的。因固体激光器光束质量较好，因此将其耦合到光纤里面相对容易。但是对于半导体激光器，因为其本身的特性，像散很严重，快轴和慢轴方向的光束质量和发散角差别很大，如果要将其高效率的耦合到光纤，需要进行专门的光学设计。
传统上，将半导体激光耦合进光纤有多种途径：
1、直接将光纤怼到半导体激光器的发光点附近，结构非常简单紧凑，但是耦合效率一般不超过50%；
2、在1的基础上，通过微透镜，或将光纤端面磨成微球面或双楔面，可以将耦合效率提高到60%-70%；
3、大功率系统，使用微透镜阵列或非球面柱面透镜（快轴准直镜）进行准直，再配合阶梯镜等光路设计，可以得到较高的效率（80%以上）。
4、对于单点半导体激光器，使用“快轴准直镜+慢轴准直镜+非球面耦合透镜”的方法，可以获得80%以上的耦合效率。
其中第1、2种方法，适用于小功率激光对小芯径光纤的耦合。虽然耦合效率不高，但因为市场体量大、激光器成本低廉，再加上其结构简单紧凑易生产，在光纤通信或小功率激光耦合中大量使用。
其中第3种方法，适用于大功率激光对较大芯径光纤的耦合。虽然微透镜阵列、快轴准直镜、阶梯镜等器件价格不菲，但是其应用场景主要面向大功率激光系统，整个系统本身就很昂贵，所以对于个别器件成本不敏感。
但是在一些特殊的应用中，比如远距离激光照明，因为半导体激光器成本占比较高，因此耦合效率对整个系统成本的影响比较敏感。又由于传输距离远，需要尽量减小光纤芯径以压缩光纤成本。从技术上讲，此时采用上述第4种方法是最简单的，但是其所采用的快轴准直镜为非球面的柱面透镜，其成本很高。所以，需要将较高功率的半导体激光高效率的耦合进较小芯径的光纤进行传输并尽量压缩成本。
发明内容
本发明针对现有技术存在的问题，提出了一种光纤耦合系统设计。
本发明是通过以下技术方案得以实现的：
本发明提出的光纤耦合系统，包括依次设置的激光器、非球面透镜、第一柱面镜、第二柱面镜、耦合透镜、光纤；所述激光器发出的激光经非球面透镜进行快轴准直后，依次通过第一柱面镜、第二柱面镜进行快轴光斑压缩，再经耦合透镜聚焦进入光纤。
作为优选，所述激光器为单点发光或双点发光的半导体激光器；且当所述激光器为双点发光时，发光区总长度不大于300μm。
作为优选，所述非球面透镜为平凸结构或双凸结构，且至少一个凸面为奇次非球面或偶次非球面。
作为优选，所述非球面透镜的有效焦距为1.5mm-12mm。
作为优选，所述激光器发光点设置于所述非球面透镜的焦平面上，并使得准直后的激光快轴远场发散角小于1°。
作为优选，所述非球面透镜与所述激光器进行一体化封装或者在激光器封装结构之外独立设置。
作为优选，所述第一柱面镜为平凸柱面透镜或双凸柱面透镜，且凸柱面屈光方向设置于所述激光器快轴方向。
作为优选，所述第一柱面镜的有效焦距为8mm到50mm。
作为优选，所述第二柱面镜为平凹柱面透镜或双凹柱面透镜，且凹柱面屈光方向设置于所述激光器快轴方向。
作为优选，所述第二柱面镜的有效焦距为-2mm到-10mm。
作为优选，所述耦合透镜为平凸结构或双凸结构，且至少一个凸面为奇次非球面或偶次非球面；当所述耦合透镜为平凸结构时，激光经过的顺序为：先经过非球凸面，再经过平面。
作为优选，所述光纤为芯径20μm-400μm的石英光纤，且位于激光经所述耦合透镜会聚后的焦点上。
作为优选，所述非球面透镜、第一柱面镜、第二柱面镜、耦合透镜为光学玻璃材质或石英材质。
作为优选，所述激光器的发光区长度l、快轴发散角θ 快 、慢轴发散角θ 慢 ，所述发散角均为半角所述光纤的芯径d、和数值孔径NA，所述非球面透镜的焦距f 1 、所述耦合透镜的焦距f 2 ,、所述第一柱面镜的焦距f 柱1 和所述第二柱面镜的焦距f 柱2 之间满足关系：
Figure 712135DEST_PATH_IMAGE001
。
本发明具有以下有益效果。
1、本发明的光纤耦合系统，避免了使用昂贵的非球面快轴准直透镜，降低了成本。
2、本发明的光纤耦合系统，可以将半导体激光器输出的激光高效的耦合进光纤，实现80%以上的效率。
附图说明
图1为本发明光纤耦合系统结构图。
图2为本发明光纤耦合系统光路示意图。
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。
实施例1。
光纤耦合系统，包括依次设置的激光器1、非球面透镜2、第一柱面镜3、第二柱面镜4、耦合透镜5、光纤6；所述激光器1发出的激光经非球面透镜2进行快轴准直后，依次通过第一柱面镜3、第二柱面镜4进行快轴光斑压缩，再经耦合透镜5聚焦进入光纤6。
其中激光器1为单点发光的半导体激光器，发光区长度75um，输出功率2W；非球面透镜2为平凸非球面，焦距4mm；第一柱面镜3焦距20mm，屈光方向设置在激光器慢轴方向；第二柱面镜4焦距-4mm，屈光方向设置在激光器慢轴方向；耦合透镜5焦距4mm；石英光纤6芯径100μm。经调试后，光纤耦合输出1.7W，耦合效率85%。
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 (10)

1.一种光纤耦合系统，其特征在于，包括依次设置的激光器、非球面透镜、第一柱面镜、第二柱面镜、耦合透镜、光纤；所述激光器发出的激光经非球面透镜进行快轴准直后，依次通过第一柱面镜、第二柱面镜进行快轴光斑压缩，再经耦合透镜聚焦进入光纤。
2.根据权利要求1所述的光纤耦合系统，其特征在于，所述激光器为单点发光或双点发光的半导体激光器；且当所述激光器为双点发光时，发光区总长度不大于300μm。
3.根据权利要求1所述的光纤耦合系统，其特征在于，所述非球面透镜为平凸结构或双凸结构，且至少一个凸面为奇次非球面或偶次非球面。
4.根据权利要求1所述的光纤耦合系统，其特征在于，所述非球面透镜的有效焦距为1.5mm-12mm；所述第一柱面镜的有效焦距为8mm到50mm；所述第二柱面镜的有效焦距为-2mm到-10mm。
5.根据权利要求1所述的光纤耦合系统，其特征在于，所述激光器发光点设置于所述非球面透镜的焦平面上，并使得准直后的激光快轴远场发散角小于1°。
6.根据权利要求1所述的光纤耦合系统，其特征在于，所述非球面透镜与所述激光器进行一体化封装或者在激光器封装结构之外独立设置；所述光纤为芯径20μm-400μm的石英光纤，且位于激光经所述耦合透镜会聚后的焦点上；所述非球面透镜、第一柱面镜、第二柱面镜、耦合透镜为光学玻璃材质或石英材质。
7.根据权利要求1所述的光纤耦合系统，其特征在于，所述第一柱面镜为平凸柱面透镜或双凸柱面透镜，且凸柱面屈光方向设置于所述激光器快轴方向。
8.根据权利要求1所述的光纤耦合系统，其特征在于，所述第二柱面镜为平凹柱面透镜或双凹柱面透镜，且凹柱面屈光方向设置于所述激光器快轴方向。
9.根据权利要求1所述的光纤耦合系统，其特征在于，所述耦合透镜为平凸结构或双凸结构，且至少一个凸面为奇次非球面或偶次非球面；当所述耦合透镜为平凸结构时，激光经过的顺序为：先经过非球凸面，再经过平面。
10.根据权利要求1所述的光纤耦合系统，其特征在于，所述激光器的发光区长度l、快轴发散角θ 快 、慢轴发散角θ 慢 ，所述发散角均为半角，所述光纤的芯径d、和数值孔径NA，所述非球面透镜的焦距f 1 、所述耦合透镜的焦距f 2 ,、所述第一柱面镜的焦距f 柱1 和所述第二柱面镜的焦距f 柱2 之间满足关系:
Figure 689266DEST_PATH_IMAGE001
。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112198597A (zh) * 2020-09-30 2021-01-08 浙江光塔安全科技有限公司 一种光纤耦合调节方法
CN114185177A (zh) * 2021-12-17 2022-03-15 吉林省长光瑞思激光技术有限公司 一种可实现光斑均匀分布的蓝光半导体激光器
CN117849952A (zh) * 2024-03-08 2024-04-09 广东工业大学 一种蓝宝石光纤到石英光纤的耦合系统

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