CN112255815B - 一种光纤准直器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光纤准直器，包括宽带光纤，离轴抛物面反射镜和封装模块，所述宽带光纤和离轴抛物面反射镜安装在封装模块内部，所述宽带光纤光束输出端口位于离轴抛物面反射镜的焦点位置，所述封装模块上设有窗口镜，窗口镜位于离轴抛物面反射镜的输出光路上。本发明是基于反射式离轴抛物镜的光纤准直器，可以达到良好的准直效果。

Description

一种光纤准直器

技术领域

本发明涉及光纤，具体涉及一种光纤准直器。

背景技术

光纤准直器用于将从光纤端面直接输出的具有较快发散速度的发散光变换为可在较长范围内维持光斑大小的平行光、从而可进一步传输、耦合、扩束，是一种最常见的光纤无源器件。简单而言，其通常由一段光纤和一个透镜构成，光纤端面位于透镜焦点位置，从而使光纤端面的出射光束变换为具有较大的光束尺寸和较小发散角的准直平行光。常用的透镜包括自聚焦透镜、C-lens、非球面镜等。

超连续谱光源是一种新型的宽带激光光源，其可以在一段非线性光纤中输出一束同时覆盖很宽光谱范围的激光，例如从350nm的可见紫光到2400nm的近红外光。这些波长的光虽然同时输出，但是根据其波长不同，具有不同的模场大小和发散角。为了能够有效使用此种光源，如重新耦合进入光纤测试波导性质，或者进行遥感成像，都需要对其出射光进行准直。

现有的光纤准直器往往难于达到高标准的准直要求。无论是对于自聚焦透镜还是球面透镜，其基于材料折射率依据菲涅尔公式改变光线方向，然而，对于超宽带光源，如超连续谱光源，不可忽略材料折射率随波长变化，即色散，带来的影响。对于常用C-lens而言，意味着不同的波长具有不同的焦距。当准直器依照某一选定波长制造，光纤端面与透镜即有了固定的位置关系，此时，对远离其对准波长的光，因为其焦点并不和对准波长焦点重合，该波长并没有达到理想的准直。

专利CN 102253458 B公开一种光纤准直方法，其采用双胶合型消色差透镜作为准直光学器件。此发明的缺点是并不适用于具有高相干性的超连续谱光源，其消色差透镜采用光学胶将两个透镜零件表面粘贴固定，由于胶层与透镜间的折射率差异，以及透镜上的增透膜通常只具有部分波段的增透效果，易导致高相干性光源在光束准直时带有干涉斑纹形成。因此，本发明设计了一种宽光谱光纤准直器，用来提供宽光谱范围的光纤光源平行光束输出。

发明内容

本发明针对可见至红外范围的超宽带超连续谱准直，提出一种基于反射式离轴抛物镜的光纤准直器，可以达到良好的准直效果。

本发明的技术方案如下：

一种光纤准直器，包括宽带光纤，离轴抛物面反射镜和封装模块，所述宽带光纤和离轴抛物面反射镜安装在封装模块内部，所述宽带光纤光束输出端口位于离轴抛物面反射镜的焦点位置，所述封装模块上设有窗口镜，窗口镜位于离轴抛物面反射镜的输出光路上。

所述宽带光纤的纤芯直径几何尺寸为2～1000um。

在另一优选例中，所述宽带光纤的直径为80μm、125μm、250μm、400μm或1000μm。

所述宽带光纤的传输波段为0.3～12um。

在另一优选例中，所述宽带光纤的传输波段为0.3-2.4μm、0.3-4μm、0.3-5.5μm、或2-8μm。

所述宽带光纤为可以用于展宽或传输激光光谱为超连续谱的特种光纤。

在另一优选例中，所述宽带光纤为石英基质材料光纤。

在另一优选例中，所述宽带光纤为石英基质的微结构光纤，或石英基质的阶跃型结构光纤。

在另一优选例中，所述宽带光纤为中红外玻璃光纤。

在另一优选例中，所述中红外玻璃光纤为含氟玻璃光纤、含硫玻璃光纤、或含碲玻璃光纤。

所述宽带光纤的光束输出端面为0～10度斜角。

在另一优选例中，所述宽带光纤输出端为一光纤端帽。

在另一优选例中，光纤端帽的通光孔径大于材料损伤阈值要求的最小尺寸，其外径几何尺寸≥宽带光纤直径，

在另一优选例中，光纤端帽出端面为0～10度斜角，即光纤中光束传播方向与光纤端帽出射面的法线呈0～10度夹角。

在另一优选例中，光纤端帽输出端面的光斑模场大于宽带光纤中的模场尺寸，同时小于光纤端帽的出射面尺寸。

在另一优选例中，所述宽带光纤与光纤端帽一体成型，所述光纤端帽通过加热源对宽带光纤输出端面位置进行模场扩大处理并做端面切割而成。

在另一优选例中，所述光纤端帽为与宽带光纤同一玻璃体系的多模光纤、无芯光纤或圆柱状块体中的一种，所述光纤端帽与宽带光纤熔接连接。

所述离轴抛物面反射镜的口径为5-60mm，焦距5-60mm，离轴角15-90度。

所述离轴角度是指端帽输出的光束通过离轴抛物面反射镜后光轴发生偏转的角度。

在另一优选例中，所述离轴抛物面反射镜，口径大小为8mm，焦距为7mm。

所述窗口镜呈楔形状或镀有增透介质膜，以避免光束正反馈以及光学条纹产生。

在另一优选例中，所述窗口镜为石英玻璃、氟化物玻璃、蓝宝石、或硒化锌中的一种。

在另一优选例中，所述封装模块设置有气路进出接口，气路进出接口具有进口与出口两通道，在传输特定光谱范围的光束时可选择干燥压力气体循环填充封装模块的腔室，降低特定光谱的吸收损耗，封装模块填充指定气体后，或无需气体循环填充时，气路进出接口可呈封闭状态，避免空气中的尘埃进入污染光学元件表面，劣化准直效果及损伤光学元件。

在另一优选例中，所述干燥压力气体为纯净的氮气或干燥的惰性气体。

本发明的有益效果：

1.实现光纤输出的宽带超连续谱激光的良好空间准直。

2.宽带光纤端面经过光纤端帽，光斑大小可进一步扩大，从而降低其输出端面上光功率密度，降低损伤发生概率，斜角避免光线反射。

3.初始光斑在不同波长处具有不同的模场大小和发散角，经过离轴抛物面反射镜，其都能够形成平行光输出。

4.封装模块的窗口镜可以将整个准直系统密封，隔绝外部环境。

5.气路进出接口用于改变准直器腔室的空气成分，提高该光纤准直器的适用性。

附图说明

图1是光纤准直器的示意图；

图2是具有气路进出口的光纤准直器的示意图。

图3是不具有光纤端帽的光纤准直器的示意图。

附图标记如下：1宽带光纤；2光纤端帽；3离轴抛物面反射镜；4封装模块；5窗口镜；6气路进出接口。

具体实施方式

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。此外，附图为示意图，因此本发明装置和设备并不受所述示意图的尺寸、相对位置或比例限制。

需要说明的是，在本专利的权利要求和说明书中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

实施例1

如图1所示为光纤准直器的示意图。图1所示光纤准直器包括宽带光纤1，光纤端帽2，离轴抛物面反射镜3和封装模块4，所述宽带光纤1，光纤端帽2和离轴抛物面反射镜3安装在封装模块4内部，所述光纤端帽2的输出端口位于离轴抛物面反射镜3的焦点位置，所述封装模块4上设有窗口镜5，窗口镜5位于离轴抛物面反射镜3的输出光路上。

本实施例中，宽带光纤1采用一款纤芯直径3μm，占空比0.4，包层直径为125μm，涂敷直径250μm的光子晶体光纤，尾端剥除长度1.5cm的涂覆层，并用电极熔接机按照标准强度一半强度放电至完全塌缩。在显微镜下切割，使得塌缩部分的长度为50μm。使用二氧化碳熔接机熔接直径2mm、长度5mm的石英端帽，端帽出射面为0度角。选用焦距为7mm，口径大小为8mm的镀保护银膜的银基90度离轴抛物面反射镜3。利用1064nm的皮秒激光器泵浦，在光子晶体光纤中获得可见光，在距离出射端1米处观察出射光斑大小和形貌，当其出射光维持中心对称输出，光斑大小约为3mm时，固定光纤准直器中的各光学元件位置。在光路出射位置设置一个直径6mm的石英窗口镜。形成完整的光纤准直器。图1中虚线为光束路径，初始发散的光束经过离轴抛物面反射镜后呈准直输出，并偏转90度，光斑呈中心对称分布。

实施例2

如图2所示为具有气路进出口的光纤准直器的示意图。图2所示光纤准直器包括宽带光纤1，光纤端帽2，离轴抛物面反射镜3和封装模块4，所述宽带光纤1，光纤端帽2和离轴抛物面反射镜3安装在封装模块4内部，所述光纤端帽2的输出端口位于离轴抛物面反射镜3的焦点位置，所述封装模块4上设有窗口镜5，窗口镜5位于离轴抛物面反射镜3的输出光路上，封装模块上还设有气路进出接口6，气路进出接口6具有进口与出口两通道，在传输特定光谱范围的光束时可选择特定的气体循环填充封装模块4的腔室，降低特定光谱的吸收损耗。

本实施例中，宽带光纤1采用一款纤芯直径7μm，包层直径125μm的氟化铟光纤，尾端剥除长度2cm的涂覆层，使用切割刀对光纤切割后，采用二氧化碳熔接机将光纤与直径125μ的氟化铟无芯光纤熔接，在熔接点后50μm处做端面8度斜角处理。利用2μm波长的飞秒脉冲激光器泵浦，在氟化铟光纤中获得红外超连续谱，选用焦距为7mm，口径大小为8mm的镀保护银膜的银基90度离轴抛物面反射镜3准直光束，观察出射光斑大小和形貌，当整体出射光束光斑维持对称输出时，固定各光学元件位置。准直器输出位置设置一个直径12.7mm的氟化钙窗口镜，在气路进出接口接入干燥氮气，使光纤准直器腔因干燥氮气填充具有较低的中红外波段损耗。

实施例3

如图3所示为无光纤端帽的光纤准直器的示意图。图3所示光纤准直器包括宽带光纤1，离轴抛物面反射镜3和封装模块4，所述宽带光纤1和离轴抛物面反射镜3安装在封装模块4内部，所述宽带光纤的输出端口位于离轴抛物面反射镜3的焦点位置，所述封装模块4上设有窗口镜5，窗口镜5位于离轴抛物面反射镜3的输出光路上。

本实施例中，宽带光纤1为一款纤芯直径25μm，包层直径250μm的石英光纤，尾端剥除长度7cm的涂覆层，使用光纤切割刀对该光纤做端面8度斜角切割处理。利用波长1.55μm或2μm的光纤放大器中的非线性光谱展宽，在光纤中获得近红外超连续谱。选用焦距为7mm，口径大小为8mm的镀保护银膜的银基90度离轴抛物面反射镜3准直光束，观察出射光斑大小和形貌，当整体出射光束光斑维持对称输出时，固定各光学元件位置。光束准直输出口设置一个直径12.7mm，镀增透膜的氟化钙平窗口镜。

Claims (4)

1.一种光纤准直器，其特征在于：包括宽带光纤，离轴抛物面反射镜和封装模块，所述宽带光纤和离轴抛物面反射镜安装在封装模块内部，所述宽带光纤的光束输出端口位于离轴抛物面反射镜的焦点位置，所述封装模块上设有窗口镜，窗口镜位于离轴抛物面反射镜的输出光路上；所述宽带光纤为可以用于展宽或传输激光光谱为超连续谱的特种光纤；所述宽带光纤的纤芯直径几何尺寸为2～1000μm；所述宽带光纤的光束输出端面为0～10度斜角；所述宽带光纤为光子晶体光纤。

2.根据权利要求1所述的光纤准直器，其特征在于：所述离轴抛物面反射镜的离轴角为15-90度。

3.根据权利要求1所述的光纤准直器，其特征在于：所述封装模块设置有气路进出接口，在传输特定光谱范围的光束时可选择干燥压力气体循环填充封装模块的腔室，降低特定光谱的吸收损耗，无需气体循环填充时，所述气路进出接口呈封闭状态，避免空气中的尘埃进入污染光学元件表面，劣化准直效果及损伤光学元件。

4.根据权利要求1所述的光纤准直器，其特征在于：所述窗口镜呈楔形状或镀有增透介质膜，以避免光束正反馈以及光学条纹产生。

Images