CN112099144B - 实现光纤与石英端帽的对准装置及对准方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种实现光纤与石英端帽精确对准的方法，包括半导体激光器、光电探测器、光纤耦合器、包层光剥离器、光纤、三维平移台、CCD1和CCD2、五维调节台和石英端帽；使用测量工具测量出光纤端面的楔角α，并对光纤端面楔角方向进行标记；半导体激光器发出的激光从存在楔角α的光纤端面偏折出射，根据光纤数字孔径可计算出偏折角度为θ；调节端帽的位置使端帽端面与偏折光线相垂直，这样经端帽端面反射进入光纤的反射光最强，使光电探测器处于最大值；依据光纤端面的楔角方向，逆着偏折方向转动端帽角度θ，即实现光纤与石英端帽的精确对准。

Description

实现光纤与石英端帽的对准装置及对准方法
技术领域
本发明属于光纤端帽熔接领域，尤其涉及一种实现光纤与石英端帽的对准装置及对准方法。
背景技术
光纤激光器有许多优势特性，转换效率高、光束质量高、结构紧凑便于小型化等等，在输出功率不断提高的趋势下，随之出现了诸多问题。由于高功率光纤激光器的双包层光纤纤芯尺寸非常小，在传输高功率激光时会在光纤出射端面形成很高的光功率密度，而在此情况下，光纤端面上任何微小的端面污染和加工缺陷都可能会造成端面的损伤。
对于此问题的诸多解决办法之一是在出射光纤端面上熔接一个大尺寸的石英光纤端帽。光纤端帽是一种高功率光纤无源器件，通过对输出光纤端面的扩束来降低端面的光功率密度，从而避免高功率密度对光纤端面的损伤，实现高功率激光的稳定输出。因此，研究更好的光纤端帽熔接的效果的技术显得更为重要。
在光纤端帽熔接技术中存在一个难题，即光纤与端帽的对准，若是光纤与端帽熔接过程中发生横向错位或者角度偏移，不仅会影响光纤端帽的出射光轴方向，而且会使得光纤端帽的传输效率降低、光束质量退化，甚至会加热端帽导致器件损伤，无法达到高功率光纤激光器的输出要求。在先专利CN109188609B未考虑光纤端面存在切割角度以及通过探测光束质量来实现光纤与石英端帽对准的方法存在较大误差，而特别地，本发明考虑了实际光纤切割工作中存在切割角度的情况，提出了一种基于光学反馈的高精度对轴方法。
发明内容
鉴于此，本发明提供了一种实现光纤与石英端帽的对准装置及对准方法。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的。
一种实现光纤与石英端帽的对准装置，包括：
半导体激光器，用于产生激光，且激光中心波长处于光电探测器的响应范围内，通过法兰连接与光纤耦合器相连；
光电探测器，用于探测从端帽端面反射回光纤的激光的强度大小，通过法兰连接与光纤耦合器相连；
光纤耦合器，2合1光纤耦合器，使经端帽端面反射回光纤的激光被光电探测器接收，通过光纤熔接与包层光剥离器相连；
包层光剥离器，对在光纤包层中传输的光进行剥离，包括半导体激光器出射的激光和经端帽端面反射回光纤的激光，通过光纤熔接与光纤相连；
光纤，具有弯曲段，通过增加弯曲损耗来消除在光纤中传输的高阶模，且与端帽熔接的端面具有楔角α，使出射激光发生偏折；
三维平移台，光纤通过夹具固定在三维平移台上，实现光纤的平移；
CCD1和CCD2，两个CCD相互垂直放置，且两者成像方向均垂直于光纤光轴，实现光纤和端帽的粗对准；
五维调节台，端帽通过夹具固定在五维调节台上，实现端帽的平移以及二维角度调节。
另一方面，本发明还提供一种实现光纤与石英端帽的对准方法，该对准方法包括如下步骤：
①测量出光纤端面的楔角α，并对光纤端面楔角方向进行标记，可使楔角方向处于水平或是竖直方向，便于确定调节端帽偏转θ角的方向和大小；
②调节三维平移台和五维调节台，通过两个CCD组成的图像检测系统实现光纤与石英端帽的粗对准；
③半导体激光器发出的激光经光纤耦合器、包层光剥离器和和一段弯曲光纤后从光纤纤芯出射，光纤端面的楔角α使出射光发生偏转；
④计算光纤出射光线的偏折角度θ，公式如下：
θ＝(n1-n2)α/n2
其中，n1为纤芯折射率，n2为空气折射率，α为光纤端面的楔角；
⑤通过调节五维调节台使端帽端面与偏折光线相垂直，这样经端帽端面反射进入光纤的反射光最强，经过一段弯曲光纤、包层光剥离器和光纤耦合器传输后被光电探测器接收，使光电探测器处于最大值；
⑥再依据光纤端面的楔角方向，调节端帽逆着偏折方向偏转θ角度，即实现光纤与石英端帽的精确对准，其中对准精度可设为φ/D，其中φ为光纤芯径，D为光纤端帽至端帽熔接面的间隔。
优选的，对准精度为δθ＝φ/D，其中φ为光纤芯径(设φ＝20μm，NA＝0.065rad)，D为光纤端帽至端帽熔接面的间隔；从光纤纤芯出射的激光为高斯光束，经端帽端面反射后部分光会进入光纤中传输，在传输过程中经过一段弯曲光纤和包层光剥离器后，仅有在纤芯中传输的低阶模能被光电探测器所探测到，若是出射激光的偏折方向与端帽端面相互垂直，这样探测到的反射光是最强的即光电探测器示数最大，若D＝10mm时，对准精度δθ＝φ/D＝2mrad，即在此情况下，光纤纤芯与端帽的对准的误差在此角度以内。
本发明的有益效果：
本发明考虑了实际光纤切割工作中光纤端面存在切割角度的情况，提出了一种基于光学反馈的高精度对轴方法：从存在楔角α的光纤端面出射的激光会发生偏折，且偏折方向和偏折角度θ可知，调节五维调节台使经端帽端面反射进入光纤的反射光最强，即光电探测器处于最大值，再调节端帽逆着偏折方向偏转θ角度，如此，可实现光纤与石英端帽的精确对准。通过光纤与端帽的精确对准和熔接，可有效提高端帽熔接的光纤端帽的指向一致性，降低端帽的偏心和光束质量退化量，提高光纤器件的功率承受水平。
附图说明：
图1为本发明实施例的光纤与石英端帽粗对准的示意图。
图2为本发明实施例的端帽端面与偏折光线相垂直的俯视示意图。
图3为本发明光纤与石英端帽精确对准装置的结构示意图。
图4为本发明实施例对准精度的分析示意图。
附图标记：
1、半导体激光器，2、光电探测器，3、光纤耦合器，4、包层光剥离器，5、光纤，6、三维平移台，7、CCD1相机，8、CCD2相机，9、五维调节台，10、端帽。
具体实施方式
为使本发明的上述特征及效果更明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能偶以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受于下面公开的具体实施的限制。
下面首先结合附图具体描述本发明实施例的实现光纤与石英端帽精确对准的装置。
请参阅图1、图2和图3，本发明实施例的实现光纤与石英端帽精确对准的装置包括：1、半导体激光器，2、光电探测器，3、光纤耦合器，4、包层光剥离器，5、光纤，6、三维平移台，7、CCD1相机，8、CCD2相机，9、五维调节台，10、端帽。
具体而言，半导体激光器1用于产生激光，激光的波长处于光电探测器2的适宜范围内；包层光剥离器4用于剥离在光纤包层中传输的激光，减少包层光的干扰；经光纤端面反射回光纤5中传输的激光可不必考虑。
已经测量出经光纤切割机切割的光纤端面的楔角α，并对光纤端面的楔角方向进行标记；计算出出射光偏折角度θ的大小，为便于确定调节端帽10偏转θ角度的方向和大小，可将光纤5固定在夹具上时，使楔角方向处于水平或是竖直方向；
调节三维平移台6和五维调节台9，通过CCD1相机7和CCD2相机8组成的图像检测系统可完成光纤5与石英端帽10的粗对准；
从存在楔角α的光纤端面出射的激光会发生偏折，会朝着光纤端面的楔角方向偏折，依据光纤端面的楔角方向标记，可知出射激光的偏折方向，为提高对准精度，需适当延长光纤端帽至端帽熔接面的间距D，通过不断调节五维调节台9使端帽端面与偏折光线相垂直，这样经端帽端面反射进入光纤5的反射光最强，使光电探测器2处于最大值；
再依据光纤端面的楔角方向，调节端帽10逆着偏折方向偏转θ角度，即实现光纤5与石英端帽10的精确对准。
五维调节台9有多种类型，当使用螺旋测微计调节台调节端帽偏转的角度和方向时，需避免在调节过程中的螺旋测微计回程差的影响。
上述实施例为本发明的一种实施方式，但本发明不限于所述的实施方式，对本发明的实质内容做出的任何显而易见的改进、替换或是变型均属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种实现光纤与石英端帽对准的装置，其特征在于，包含下述部件：
半导体激光器(1)，用于产生激光，且激光中心波长处于光电探测器(2)的响应范围内，通过法兰连接与光纤耦合器(3)相连；
光电探测器(2)，用于探测从端帽端面反射回光纤(5)的激光的强度大小，通过法兰连接与光纤耦合器(3)相连；
光纤耦合器(3)，2合1光纤耦合器，使经端帽端面反射回光纤(5)的激光被光电探测器(2)接收，通过光纤熔接与包层光剥离器(4)相连；
包层光剥离器(4)，对在光纤(5)包层中传输的光进行剥离，包括半导体激光器(1)出射的激光和经端帽端面反射回光纤(5)的激光，通过光纤熔接与光纤(5)相连；
光纤(5)，具有弯曲段，且与端帽(10)熔接的端面具有楔角α，使出射激光发生偏折；
三维平移台(6)，光纤(5)通过夹具固定在三维平移台(6)上，实现光纤(5)的平移；
CCD1(7)和CCD2(8)，两个CCD相互垂直放置，且两者成像方向均垂直于光纤光轴，实现光纤(5)和端帽(10)的粗对准；
五维调节台(9)，端帽(10)通过夹具固定在五维调节台(9)上，实现端帽(10)的平移以及二维角度调节。
2.根据权利要求1所述的装置实现光纤与石英端帽对准的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
①使用测量工具测量出光纤端面的楔角α，并对光纤端面楔角方向进行标记，可使楔角方向处于水平或是竖直方向，便于确定调节端帽(10)偏转θ角的方向和大小；
②调节三维平移台(6)和五维调节台(9)，通过CCD1(7)和CCD2(8)组成的图像检测系统实现光纤与石英端帽的粗对准；
③半导体激光器(1)发出的激光经光纤耦合器(3)、包层光剥离器(4)和一段弯曲光纤后从光纤纤芯出射，光纤端面的楔角α使出射光发生偏折；
④计算光纤(5)出射光线的偏折角度θ，公式如下：
θ＝(n1-n2)α/n2，
其中，n1为纤芯折射率，n2为空气折射率，α为光纤端面的楔角；
⑤调节五维调节台(9)使端帽端面与偏折光线相垂直，这样经端帽端面反射进入光纤(5)的反射光最强，使光电探测器(2)处于最大值；
⑥再依据光纤端面的楔角方向，调节端帽(10)逆着偏折方向偏转θ角度，即实现光纤(5)与石英端帽(10)的对准。
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