CN112366502A - 用于干涉测量的单横模线偏振态大发散角激光光源 - Google Patents

用于干涉测量的单横模线偏振态大发散角激光光源 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于干涉测量的单横模线偏振态大发散角激光光源，包括激光器、光纤耦合器、标准单模光纤、偏振控制器和大数值孔径光纤；激光器出射激光通过光纤耦合器耦合进标准单模光纤，单模光纤经偏振控制器后通过模场匹配熔接点连接大数值孔径光纤，最后传导激光通过光纤拉锥输出端输出。本发明使用标准单模光纤将激光过渡耦合至大数值孔径光纤；通过模场匹配熔接点提高激光传输效率；基于应力双折射原理盘绕单模光纤，控制异种熔接光纤传输激光的偏振态；拉锥处理大数值孔径光纤输出端，减小输出端发光面积，提高激光发散角度；最后获得一种具有单横模、线偏振态的大发散角激光光源，从而提高干涉测量中干涉条纹的背景均匀性。

Description

用于干涉测量的单横模线偏振态大发散角激光光源
技术领域
本发明属于激光器光源领域，具体涉及一种用于干涉测量的单横模线偏振态大发散角激光光源。
背景技术
激光具有极好的时间相干性，在干涉测量领域得到广泛的应用。如激光干涉仪，将激光作为光源，从而获得对比度很高的干涉条纹，提高测量精度。目前，氦氖激光器已广泛用于商业干涉仪中作为光源。并且，利用光纤耦合激光技术可以将光源与干涉仪主机分开，减少干涉仪的体积和热源。
通常使用标准单模光纤作为He-Ne激光器的耦合光纤，可滤除高频噪声，改善输出波前信噪比。但使用标准单模光纤只能提供低发散角输出激光，将导致干涉图背景的均匀性降低，难以满足商用干涉仪的要求。根据高斯光束在阶跃型光纤内传输理论分析，激光发散角与光纤的纤芯半径和数值孔径相关。可以使用具有小纤芯半径，大数值孔径光纤提高输出光束发散角。
专利201811346766X，公开了一种用于干涉图背景匀化的光纤耦合激光器，采用大数值孔径光纤通过耦合器连接激光器，从而得到大范围光斑输出激光。该技术方案直接使用大数值孔径光纤耦合激光器，耦合效率低，且会激励出高阶模，最后输出激光中含有两种模式，分别是LP01模和LP11膜。
南京理工大学的郑云瀚等提出了一种用于激光干涉仪的大发散光纤耦合单模光源，以提高干涉图背景均匀性[Yunhan Zheng,Zhigang Han,Rihong Zhu.Largedivergence fiber-coupled single-mode light source for laser interferometer[J].Optics Communications,2020,474.]。郑云瀚等将标准单模光纤作为HeNe激光器与大数值孔径少模光纤的中间传输介质，制成大发散角光纤耦合单模光源。显著提高输出激光光束发散角，提升干涉图背景均匀性。但该技术方案中，由于大数值孔径相对于标准单模光纤，模场直径较小，直接熔接会产生较大的熔接损耗，并且该光纤耦合单模光源未取得较好的偏振消光比。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于干涉测量的单横模线偏振态大发散角激光光源，该光源相比于普通基模光源，可减小形成的干涉图的背景变化程度，提高干涉图条纹均匀性。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种用于干涉测量的单横模线偏振态大发散角激光光源，包括激光器、光纤耦合器、标准单模光纤、偏振控制器、大数值孔径光纤。激光器作为光源，出射激光通过光纤耦合器耦合进标准单模光纤中，后经过模场匹配熔接点进入大数值孔径光纤，最后通过光纤拉锥输出端输出。
通过光纤耦合器，将尽可能多的光功率从激光器耦合进单模光纤中，使用单模光纤不仅保证了高耦合效率，也避免激励出高阶模。
使用大数值孔径光纤作为输出端，并且对输出端做拉锥处理，减小纤芯直径，减小发光面积，扩大输出光束发散角度。提高干涉仪所获得干涉图背景均匀度。
但单模光纤与大数值孔径光纤之间存在模场失配，通过模场匹配熔接点提高激光传输效率，保证光功率。
使用偏振控制器盘绕单模光纤，不同光纤线圈起到不同波片的作用，引起相位延迟，控制传输激光偏振态。通过偏振相机实时监控大数值孔径光纤输出激光偏振态调整线圈槽位置，做到控制异种熔接光纤偏振态。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
(1)使用标准单模光纤作为中介，提高耦合效率，并且避免激励出高阶模。
(2)使用偏振控制器盘绕标准单模光纤，控制异种光纤偏振态。
(3)通过模场匹配，提高熔接点激光传输效率，保证光功率。
(4)对大数值孔径光纤输出端拉锥处理，减小纤芯直径，减小发光面积，扩大输出光束发散角度。
(5)用作激光干涉仪光源，具有高耦合效率、线偏振态的大发散角等特点，提高了所获得干涉图中干涉条纹的背景均匀性。
附图说明
图1为本发明的用于干涉测量的单横模线偏振态大发散角激光光源的结构示意图。
图2为本发明中使用的偏振控制器示意图。
图3为本发明模场匹配熔接点示意图。
图4为本发明双锥形大数值孔径光纤示意图。
图5为本发明实例中该光源形成的干涉图与标准单模光纤耦合激光器形成的干涉图对比图，其中图(a)标准单模光纤光源；(b)具有大发散角的单横模线偏振态的大发散角激光光源。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步的详细描述。
本发明在已公开技术的基础上，使用标准单模光纤作为中介，提高耦合效率；使用偏振控制器盘绕标准单模光纤，控制异种光纤偏振态；通过模场匹配，提高熔接点激光传输效率；对大数值孔径光纤输出端拉锥处理，减小纤芯直径，减小发光面积，扩大输出光束发散角度。最后获得一种具有高耦合效率、线偏振态的大发散角单横模激光点光源光源，用作激光干涉仪光源，提高了所获得干涉图中干涉条纹的背景均匀性。
结合图1，本发明所述的用于干涉测量的单横模线偏振态大发散角激光光源，包括激光器1、光纤耦合器2、标准单模光纤3、偏振控制器4和大数值孔径光纤6。
其中激光器1的输出端设有光纤耦合器2，标准单模光纤3一端连接光纤耦合器2，中段盘绕在偏振控制器4上，另一端经过模场匹配熔接大数值孔径光纤6，大数值孔径光纤6的输出端做拉锥处理；激光器1作为光源，出射激光通过光纤耦合器2耦合进标准单模光纤3中，后经过模场匹配熔接点5进入大数值孔径光纤6，最后通过光纤拉锥输出端7输出；利用应力双折射原理，将标准单模光纤3盘绕上偏振控制器4上，实现控制异种熔接光纤偏振控制，即控制大数值孔径光纤6传输激光的偏振态。
其中，激光器1作为光源输出激光，使用光纤耦合器2将激光耦合进标准单模光纤3中，调节光纤耦合器2的透镜横向离焦量与轴向离焦量，使得聚焦后输出的光斑直径小于标准单模光纤3纤芯直径，可通过标准单模光纤3输出光功率变化来调节透镜位置，保证高耦合效率。
所述激光器1直接输出激光为基模光，也称高斯光束，其在横截面内的场振幅分布按高斯函数所描述的规律从中心向外平滑的减弱。并且基模光束的传输的依双曲线规律从中心向外扩展，光束束宽在远场增大形成渐进的面锥，光束远场发散角θ定义为双曲线的两根渐近线之间的夹角。根据激光光束聚焦特性参数Kf，同一束激光在传输过程中，光束的腰斑直径×远场发散角始终保持不变：
dL×θL＝df×θf＝Kf
式中，Kf为激光光束聚焦特性参数，dL，df为光束不同位置的光斑直径，θl，θf为对应的远场发散角度。
由于大数值孔径光纤6相比于标准单模光纤3，具有更小的纤芯直径与更大的数值孔径，其出射的激光光束，在束腰位置处的束腰半径更小，具有更大的远场发散角。在激光束的束腰位置处，激光束扩散速度更快，其瑞利距离更短。瑞利距离可以理解为光束的准直距离，在这段长度内，光束可以近似认为是平行的，瑞利长度越长，以为这光束准直的范围越大。在激光耦合的过程中，在准直范围中耦合才能保证最大的耦合效率。所以相比于激光器1直接耦合大数值孔径光纤6，使用标准单模光纤3来作中介，保证高耦合效率的同时，也避免在耦合过程中激励出高阶模。
结合图2，所述偏振控制器4包括线圈旋转轴8、光纤入口9、光纤线圈槽10与光纤出口11。光纤入口9与光纤出口11均有槽位可将光纤固定，可旋转光纤线圈槽10是将标准单模光纤绕成圆圈，利用光纤弯曲引起光纤横截面内具有各向异性的分布的应力，由于光弹效应，使光纤材料折射率分布发生变化，从而产生附加的应力双折射，改变传输激光偏振态。
将标准单模光纤3固定，并盘绕上偏振控制器4的可旋转光纤线圈槽10。由于所使用的激光器1本身输出为线偏振激光，通过光纤耦合器2进入到光纤中会转变为椭圆偏振光。将标准单模光纤3先后盘绕两个线圈槽，第一个光纤线圈产生奇数倍π/4的相位延迟，起到1/4波片的作用，将椭圆偏振光转变为线偏振光；第二个光纤线圈产生奇数倍π/2的相位延迟，实现1/2波片的作用，控制单模光纤传输激光偏振方向。
通过把一根光纤以一定的半径R绕成具有一定匝数N的光纤线圈，通过弯曲引起相位延迟，随着整根光纤累积，从而在两个正交模之间引入π或者π/2，或π/4的总相位差，从而使偏振态发生变化，实现偏振态控制。
|δn|2πNR(m，N)＝λ/m
式中，λ为工作波长，弯曲半径R为m和N的函数，m＝2、4或8，分别代表全波片，1/2，1/4波片。所以有：
Figure BDA0002764403240000051
将盘绕偏振控制器4后的标准单模光纤3与大数值孔径光纤6熔接。使用标准单模光纤3作为激光器1与大数值孔径光纤6的中介，保证高耦合效率的同时也避免耦合过程中激励出高阶模。通过大数值孔径光纤6端面输出，可有效提高输出激光发散角。
由于大数值孔径光纤6纤芯直径与模场直径均小于标准单模光纤3，熔接会产生模场失配，损失功率。通过对光纤熔接点5进行后处理，匹配标准单模光纤与大数值孔径光纤模场直径，实现模场匹配，提升熔接效率。
结合图3、对标准单模光纤3与大数值孔径光纤6熔接点进行模场匹配，目前实现异种光纤熔接模场匹配的方式主要有两种，分别是对模场直径大的光纤加工的光纤拉锥技术，和对模场直径小的光纤加工的光纤热扩芯技术。本发明采用的方式是加热扩芯技术，将标准单模光纤3和大数值孔径光纤6分别固定在氢氧焰拉锥机两端夹具12上，将熔接点5放置在氢氧焰火头13正下方进行加热。
通过加热，使纤芯区域的粒子向包层扩散，增大光纤有效纤芯直径，从而实现增大光纤模场，对于大模场光纤熔接小模场光纤可有效提高传输效率。在加热的过程中，忽略光纤内掺杂物质在光纤轴向方向上的扩散，则光纤的各个横截面内掺杂物质的总量守恒。又由渐变折射率光纤光纤归一化频率V的计算公式如下：
Figure BDA0002764403240000052
式中，k0为自由空间波数，n(r)2为距离纤芯中心距离为r处的折射率。np为包层折射率。
由上式可知，光纤在加热扩大模场直径的同时，V值不发生变化，光纤的归一化频率V是一个重要的参数，它决定光纤可以传播的模式。
下一步，对大数值孔径光纤6输出端进行适度拉锥，拉成一段双锥形光纤后，在锥腰位置16处切割输出，形成输出端7。改变光纤输出端面的直径大小，减小了发光面积，扩大了输出激光发散角。
结合图3、图4，所述大数值孔径光纤输出端7面为双锥形光纤在锥腰位置处切割输出端。使用光纤铲刀将将光纤涂覆层14剥除，将包层15裸露在空气中，擦净后放置在氢氧焰拉锥机夹具12上，火头13对光纤进行加热的同时，夹具12缓慢向两端移动，最后得到一段双锥形光纤。在拉锥光纤锥腰处16处切割作为输出端面。
光纤输出的发散角θ0由纤芯半径a和数值孔径NA确定：
Figure BDA0002764403240000061
式中k为自由空间波数，J为第一类贝塞尔函数，b为归一化常数。
通过计算，可得到不同NA下，出射激光发散角与光纤纤芯直径之间的关系。
调整偏振控制器4上的两个线圈槽10的旋转方位，使用偏振相机采集大数值孔径光纤6的输出端面7激光光斑图像，监测其偏振态的变化调整偏振控制器分别两个线圈槽10的旋转方位，调整至某一特定偏振角度线偏振光输出，实现异种光纤偏振控制。
采集大数值孔径光纤6的输出端面7输出激光，使用功率计采集输出光功率，计算耦合效率；在功率计前放置偏振片，旋转偏振片，计算其消光比。
实施例1
结合图1，本发明所述的用于干涉测量的单横模线偏振态大发散角激光光源，激光器(1)使用的是出射633nm可见红光的HeNe激光器；标准单模光纤3使用的是Nufern 630-HP，纤芯直径4um，包层直径125um，数值孔径NA为0.13；使用的偏振控制器4采用Thorlabs公司型号为FPC030的手动偏振控制器，具有三个27mm线圈槽；大数值孔径光纤6为NufernUHNA1，模场直径2.5um，包层直径125um，数值孔径NA为0.28。
将HeNe激光器1通过光纤耦合器2将激光耦合进标准单模光纤3中，调整耦合器透镜的横向与轴向离焦量，尽可能提高耦合功率。
结合图2，将标准单模光纤3盘绕上偏振控制器4两个线圈槽10，利用了应力诱导双折射原理来产生两种独立相位延迟与方位角控制。
弯曲半径R为m和N的函数：
Figure BDA0002764403240000062
m＝2、4或8，分别代表全波片，1/2，1/4波片。
代入石英对应常数系数a与光纤参数与偏振控制器线圈槽10半径R，计算得出所应盘绕圈数。将标准单模光纤3分别盘绕上偏振控制器4第一、第二个线圈槽10，分别实现1/4波片与1/2波片的作用。
结合图3，将标准单模光纤3与大数值孔径光纤6熔接。但大数值孔径光纤6在633nm波长下的模场直径比标准单模光纤3纤芯直径小，直接熔接会产生模场失配。模场直径根据下式计算：
MFD＝2a(0.65+1.619V-1.5+2.879V-6)
将光纤半径a与归一化频率V值带入上式，计算得到大数值孔径光纤6光纤在传输633nm波长激光时模场直径MFD＝2.2542um。
再根据模场失配计算公式：
Figure BDA0002764403240000071
式中，D1、D2分别为输入光纤输出光纤模场直径，且D1>D2。
又有光纤的损耗(衰减)系数A可用如下单位长度(km)光纤光功率衰减的分贝数来定义：
A＝-10lg(Pout/Pin)/L(dB/km)
即传输效率为
Figure BDA0002764403240000072
计算可知直接熔接会损失21％功率。可通过模场适配器增加耦合效率。
根据计算，标准单模光纤3与大数值孔径光纤6直接熔接时，理论传输效率在79％。进行了多组直接熔接实验，记录此时功率P2结果表明，实验数据与理论计算相符。
调节氢氧焰拉锥机参数，对标准单模光纤3与大数值孔径光纤6的熔接点5进行加热扩芯。氢氧焰拉锥机通过控制H2与O2流量来控制火焰温度；通过控制火头13移动距离与移动速度分别来控制加热区域与局部加热时间。将标准单模光纤3和大数值孔径光纤6分别固定在氢氧焰拉锥机两端夹具12上，将熔接点5放置在氢氧焰火头13正下方。在加热过程中，夹具12保持不动，火头向UHNA1光纤方向缓慢来回移动。
结合图3、图4，使用氢氧焰拉锥机对大数值孔径光纤6输出端进行熔融拉锥，根据CCD采集图像观察光纤拉锥情况。拉锥结束后，使用切割刀在拉锥光纤锥腰处16以切断作为输出端面。
通过偏振相机实时监控输出激光偏振控制的情况，实时调整偏振控制器线圈槽10方向。最后得到了较好的线偏振光输出图像，并记录此时输出功率，结果表明：对标准单模光纤3进行盘绕，不会对功率产生影响。
使用功率计采集输出光功率，此时光纤输出功率P3＝122.2uw，激光传输效率从81.2％提升至92.4％。在功率计前放置偏振片，旋转偏振片，计算其消光比大于500:1。
经过拉锥后的光纤，光纤纤芯直径减小，发光面积减小，发散角增大。测量输出激光发散角为12.7°，通过M2测量仪采集输出光纤端面光斑，测得激光光束质量M2＝1.04。使用该光源形成的干涉图与标准单模光纤耦合激光器形成的干涉图对比如图5所示。实验结果表明，该光源可以明显提高干涉图背景均匀性。

Claims (8)

1.一种用于干涉测量的单横模线偏振态大发散角激光光源，其特征在于：包括激光器（1）、光纤耦合器（2）、标准单模光纤（3）、偏振控制器（4）、大数值孔径光纤（6）；其中激光器（1）的输出端设有光纤耦合器（2），标准单模光纤（3）一端连接光纤耦合器（2），中段盘绕在偏振控制器（4）上，另一端经过模场匹配熔接大数值孔径光纤（6），大数值孔径光纤（6）的输出端做拉锥处理；激光器（1）作为光源，出射激光通过光纤耦合器（2）耦合进标准单模光纤（3）中，后经过模场匹配熔接点（5）进入大数值孔径光纤（6），最后通过光纤拉锥输出端（7）输出；利用应力双折射原理，将标准单模光纤（3）盘绕上偏振控制器（4）上，实现控制异种熔接光纤偏振控制，即大数值孔径光纤（6）传输激光的偏振态。
2.根据权利要求1所述用于干涉测量的单横模线偏振态大发散角激光光源，其特征在于：所述激光器（1）输出光为线偏振激光，激光线宽和频率稳定性满足为干涉仪对光源的时间相干性以及条纹稳定性要求。
3.根据权利要求1所述用于干涉测量的单横模线偏振态大发散角激光光源，其特征在于：所述光纤耦合器（2）中的耦合器透镜的通光孔径大于激光器（1）的输出光斑直径，光纤耦合器（2）能够调节透镜横向离焦量和轴向离焦量。
4.根据权利要求1所述用于干涉测量的单横模线偏振态大发散角激光光源，其特征在于：所述标准单模光纤（3）的芯径和数值孔径满足激光器（1）工作波长的单模传输条件，标准单模光纤（3）的数值孔径大于光纤耦合器（2）的透镜的数值孔径，标准单模光纤（3）的纤芯直径大于激光器（1）输出激光经过光纤耦合器（2）聚焦后的光斑直径。
5.根据权利要求1所述用于干涉测量的单横模线偏振态大发散角激光光源，其特征在于：偏振控制器（4）上设有三个相同直径的线圈槽，线圈槽可放置光纤，且每个线圈槽均能够单独旋转；相应的线圈槽直径、光纤盘绕圈数可实现标准单模光纤的奇数倍π/2或π/4相位延迟，分别对应实现1/2或1/4波片的作用。
6.根据权利要求5所述所述用于干涉测量的单横模线偏振态大发散角激光光，其特征在于：基于应力双折射原理，将单模光纤（3）盘绕在偏振控制器（4）的两个线圈槽上，分别起到1/2或1/4波片的作用，通过偏振相机实时监控大数值孔径光纤（6）输出激光的偏振态，调整线圈槽方位角度，达到控制异种熔接光纤偏振态作用。
7.根据权利要求1所述用于干涉测量的单横模线偏振态大发散角激光光源，其特征在于：大数值孔径光纤（6）纤芯半径小于标准单模光纤（3）半径，其端面出射激光具有发射面积小，发散角大的特点；但标准单模光纤（3）与大数值孔径光纤（6）直接熔接存在模场失配，激光传输效率低；通过模场匹配熔接点（5）可有效提升传输效率。
8.根据权利要求1所述用于干涉测量的单横模线偏振态大发散角激光光源，其特征在于：将大数值孔径光纤（6）尾端拉锥成双锥形光纤，在锥区处切断，作为激光输出端面（7），可起到扩大激光发散角的作用。
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