CN114545644A - 一种高精度转角可调光纤准直系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高精度转角可调光纤准直系统，激光器发出的光通过光纤接入到所述光纤准直系统后出射放大准直光，所述光纤准直系统包括镜筒和依次设置在所述镜筒内的1/2波片组件、分光组件、发散组件、偏折组件、汇聚平行组件、1/4波片组件及第一探测组件；所述1/2波片组件用于旋转改变入射光的偏振态，所述分光组件用于分离偏振光并将接收到的反射光偏折至第一探测组件；所述发散组件和汇聚平行组件相互配合，用于得到平行光束；所述偏折组件用于实现光路偏转；所述1/4波片组件用于旋转改变出射光的偏振态。本发明在满足出射光能量及偏振态可调的基础上，提高了系统准直精度。

Description

一种高精度转角可调光纤准直系统

技术领域

本发明涉及光学设备技术领域，具体为一种高精度转角可调光纤准直系统。

背景技术

随着激光和光纤相关技术快速发展，激光器相关产品日渐成熟、商用化程度不断提高。由于光纤激光的光能量集中、方向性和单色性好等特点，光纤激光在各行各业中的应用越来越普遍，在工业生产和科学研究中，人们希望光纤激光经过准直后的光能量和偏振态可调，且机械结构能够更加紧凑，目前市场上现有的光纤激光准直器结构多为直筒的准直系统，系统中的光学镜片包含常见的不同光焦度的单透镜，出射的光斑比较小，不能满足人们对出射光不同偏振态和能量大小的多样需求，同时直筒式设计导致的系统总长过长也大大限制了准直系统在工业生产和科学研究中的应用。

公开号CN110174775A的中国专利于2019年8月27日公开了一种可调式光纤准直系统，激光光源连接光纤发出的激光经过所述光纤准直系统后出射准直光，所述光纤准直系统包括镜筒和依次设置在所述镜筒内的1/2波片、偏振分光棱镜、1/4波片、平凹透镜、反射镜和双胶合透镜，所述1/2波片用于旋转改变入射光偏振态，所述偏振分光棱镜用于改变出射光能量，所述1/4波片用于旋转改变出射光偏振态，经过所述的1/2波片、偏振分光棱镜和1/4波片之后的出射光经平凹透镜扩束后，由所述反射镜发射到双胶合透镜，然后由所述双胶合透镜进行准直。该专利申请可以调节出射光能量并使出射光为标准的圆偏光，同时通过转角设计减小了系统的横向尺寸，但是其偏振组件设置在放大组件中间，其安装过程中，产品的厚度和安装角度对整个系统准直性及成像质量均存在影响，无对应的实时检测系统。因为偏振组件中镀的偏振膜存在一定的入射角，如果角度不对，会照成透过率降低，因此产品的厚度存在偏差(由于产品的材料及折射率不同)则会改变整个光路，直接会影响系统的波前，故现有产品厚度在设计的时候需要考虑容差。此外，现有准直系统内部所使用的镜片均为单透镜组合，在准直性及成像质量上面精度不高。

因此，本发明提供一种高精度转角可调准直器系统，将平凹透镜和胶合透镜设置为镜片组，使整个系统的准直性及成像质量精度更高，1/4波片组件放置在出射准直光后面，消除其厚度与偏角对整个系统的影响，尾端设计可调光阑，满足不同口径的光斑需求。1/2波片组件、实时调节入射光强能量。分光组件加工探测功能。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种高精度转角可调光纤准直系统，在满足出射光能量及偏振态可调的基础上，提高了系统准直精度。

本发明是通过以下技术方案予以实现的：

一种高精度转角可调光纤准直系统，激光器发出的光通过光纤接入到所述光纤准直系统后出射放大准直光，所述光纤准直系统包括镜筒和依次设置在所述镜筒内的1/2波片组件、分光组件、发散组件、偏折组件、汇聚平行组件、1/4波片组件及第一探测组件；所述1/2波片组件用于旋转改变入射光的偏振态，所述分光组件用于分离偏振光并将接收到的反射光偏折至第一探测组件；所述发散组件和汇聚平行组件相互配合，用于得到平行光束；所述偏折组件用于实现光路偏转；所述1/4波片组件用于旋转改变出射光的偏振态。

上述技术方案中，入射光通过1/2波片组件调节，改变经由1/2波片组件出射的光的偏振态，使经由分光组件出射的光的能量最大，出射的光经由分光组件分光后入射到发散组件，通过发散组件将光快速放大，以缩短整个系统长度；经由发散组件出射的光通过偏折组件进行光路偏折；通过汇聚平行组件对偏折后的光路进行重新整形分配，得到近似平行的理想光束；然后通过1/4波片组件确保出射光的偏振态是圆偏振。

上述技术方案通过1/2波片组件、分光组件、1/4波片组件的相互配合，调节出射光能量并使出射光为标准的圆偏光，以简单易调节的方式保证了系统准直精度。同时，该技术方案还通过发散组件和汇聚平行组件的相互配合对入射光进行快速放大与准直，以缩短整个系统的长度。

作为进一步的技术方案，所述发散组件、偏折组件和汇聚平行组件均包括至少两块透镜。通过多块透镜组成镜片组的方式，使整个系统的准直性及成像质量精度更高。

具体地，所述发散组件由两片或两片以上的透镜组合而成，使其能够更加快速而精确的将入射光放大，从而缩小系统的总长度。

具体地，所述汇聚平行组件由两片或两片以上的透镜组合而成，从而能够更好的收缩发散角，使系统的准直性能更佳、相差及色差功能更好。

作为进一步的技术方案，所述分光组件用于将P偏振光和S偏振光区分开，并使P偏振光透射至发散组件，使S偏振光反射至第二探测组件；透射的P偏振光经系统反射后变为S偏振光并入射至第一探测组件。所述第二探测组件用于在调试时判断入射光的能量是否达到最大，当第二探测组件接收到的能量最小时，经过系统的入射光的能量达到最大。所述第一探测组件固定于镜筒上，用于接收系统反射回的光，并根据接收到的信号变化，监测准直器的工作状态。

作为进一步的技术方案，所述偏折组件包括平面反射镜、三棱镜或角锥。优选地可采用镀金平面反射镜作为偏折组件。所述偏折组件可设置为任意角度。

作为进一步的技术方案，所述1/2波片组件、1/4波片组件均独立可调且能够实现360°任意调节。所述1/2波片组件、1/4波片组件均进行了润滑处理，以使组件调节更加流畅。

作为进一步的技术方案，所述镜筒内与1/2波片组件、1/4波片组件相对应的位置分别开设有导向槽，所述1/2波片组件、1/4波片组件分别容置于导向槽内且能够沿导向槽的中轴线旋转，所述镜筒上开设有螺钉口，用于固定1/2波片组件或1/4波片组件。

进一步地，所述导向槽为圆柱形槽，且所述导向槽的中轴线与镜筒的中轴线一致。

作为进一步的技术方案，所述导向槽与镜筒内壁之间开设有至少一条油槽，至少一条所述油槽沿镜筒内壁环状设置。通过油槽设计来保证波片组件在转动过程中顺畅。

作为进一步的技术方案，所述镜筒上与导向槽相对应的位置开设有观察窗，用于观察波片组件旋转的角度。

作为进一步的技术方案，所述波片组件包括波片和支撑组件，所述波片固定于支撑组件上，所述支撑组件容置于导向槽内；所述支撑组件的外表面环状设置有若干小孔，每一小孔对应一角度刻度线，所述角度刻度表标记在镜筒的外表面。该技术方案中，通过小孔拨动波片组件旋转，且小孔环设于波片组件表面并与角度刻度线相对应，既能够准确获知波片的旋转角度，又满足调节方便的条件。

作为进一步的技术方案，所述系统的出射端设有可调光阑，用于调节出射光的口径大小。这样设置可根据需求调节出射光斑的大小。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明通过1/2波片组件、分光组件、1/4波片组件的相互配合，调节出射光能量并使出射光为标准的圆偏光，以简单易调节的方式保证了系统准直精度；同时还通过发散组件和汇聚平行组件的相互配合对入射光进行快速放大与准直，缩短了整个系统的长度。

(2)本发明的1/2波片组件、1/4波片组件均独立可调，通过1/2波片组件可实时调节入射光的能量，通过1/4波片组件可保证出射光的偏振态为标准的圆偏振；并且，将1/4波片组件放置在出射准直光的后面，消除了其厚度与偏角对整个系统的影响，提高了系统的精度。

(3)本发明通过分光组件实现P偏振光与S偏振光的区分，并使P偏振光以高透射率透射通过，使S偏振光被反射至第二探测组件，通过检测第二探测组件所探测到的光的能量大小作为依据，然后调节1/2波片组件，进而使经由分光组件出射的光的能量最大；同时，还通过分光组件接收系统反射回的P偏振光的反射光，并将该反射光入射至第一探测组件，通过第一探测组件所接收的信号来监测准直系统的工作状态。

附图说明

图1为根据本发明实施例的一种高精度转角可调光纤准直系统的结构示意图。

图2为根据本发明实施例的1/2波片与分光组件的光路示意图。

图3为根据本发明实施例的波片组件在导向槽内的安装示意图。

图4为根据本发明实施例的观察窗的示意图。

图5为根据本发明实施例的可调光阑的示意图。

图中：1、光纤接口；2、分光组件；2-1、P偏振光；2-2、S偏振光；2-3、系统反射的光；3、发散组件；4、偏折组件；5、汇聚平行组件；6、1/2波片组件；7、1/4波片组件；8、第一探测组件；9、可调光阑；11、第二探测组件；12、镜筒；13、螺钉口；14、观察窗；15、导向槽；16、油槽；17、小孔；18、支撑组件；19、波片；20、刻度线。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述发实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

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”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，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，也可以是电连接或可以相互通讯；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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

本发明提供一种高精度转角可调光纤准直系统，如图1所示，所述光纤准直系统包括镜筒和依次设置在所述镜筒内的1/2波片组件、分光组件、发散组件、偏折组件、汇聚平行组件、1/4波片组件及探测组件组成。

所述系统中，光纤采用APC型，避免光沿原路返回。光纤接口采用的是APC型接口，其自带的8度楔角，可有效阻隔光纤端面的反射，消除杂光，提高精度，同时避免系统反射回来的光路进入激光器，从而保护激光器。

分光组件采用PBS，便于与探测组件集成。探测组件包括第一探测组件和第二探测组件，第一探测组件集成在镜筒内，从而实现通过系统自带的探测组件实现工作状态的实时监测。第二探测组件为外接探测器，用于在调试时探测所接收到的光的能量。

发散组件采用两片及以上的透镜组合，实现入射光快速精确放大，以缩短系统的总长度。

偏折组件可选用平面反射镜，三棱镜，角锥等实现。为了减小系统的横向尺寸，有利于工业生产和科研应用，本实施的光纤准直系统采用45°反射镜实现转角式设计，通过45°反射镜将系统光路转折，大大减小系统的横向尺寸。其中，反射镜选用为镀金反射镜，镀金反射膜为金属膜，且金属膜反射率在介质膜和金属膜中反射率最高，反射率可达到98％以上。

汇聚平行组件采用两片及以上的透镜组合，能更好的收缩发散角。

1/2波片组件、1/4波片组件相互独立，内部涂抹润滑剂，可自由实现360度旋转的同时保证调节顺畅。

激光器发出的激光经由光纤接入系统，先经由1/2波片组件进行调节，改变经由1/2波片组件出射的光的偏振态，使经由分光组件出射的光的能量最大；经由分光组件分光后入射到发散组件的光，通过发散组件将光快速放大，以缩短整个系统长度；经由发散组件出射的光通过偏折组件进行光路偏折；通过汇聚平行组件对偏折后的光路进行重新整形分配，得到近似平行的理想光束；然后通过1/4波片组件确保出射光的偏振态是圆偏振。

由于光源是一偏振光，当经过分光组件时，如果入射光的偏振态与分光组件的偏振态不重合，则能量会分散，故通过旋转1/2波片组件调节入射光的偏振态，使入射光的偏振态与分光组件的偏振态重合，进而达到能量汇聚；在旋转调节过程中，通过外接的第二探测组件探测经由1/2波片组件反射出去的光的能量，如果探测到的能量最小，则经过系统的入射光能量最大。

如图2所示，光纤出射的光经过分光组件，实现将P偏振光2-1和S偏振光2-2区分开来，同时在偏振面上将P偏振光的透过率设置为97％，P偏振光经过整个系统反射回来的光变成S偏振光2-3向上偏折，被第一探测组件收集，第一探测组件8根据收集到得电信号变化，监测准直系统工作状态。

所述镜筒的外壁在分光组件底部开有一逃逸孔，用于外接第二探测组件。第二探测组件用于在调试时判断入射光的能量是否达到最大，以提高光源的利用效率。在入射光的能量达到最大时，固定1/2波片组件，使其处于当前调试的旋转角度。

所述发散组件和汇聚平行组件配合使用，利用不同曲率的透镜组先将入射光放大，然后再缩小，最终获得一近似平行的光束。根据透镜组的不同材料，曲率，距离等因素的组合，实现整个系统良好的像差及色差功能。

所述1/2波片组件用于旋转改变入射光偏振态，并改变出射光的光强。所述1/4波片组件用于旋转改变出射光偏振态，最终实现出射光为圆偏光。现有技术将1/2波片组件和1/4波片组件放置在发散组件之前，由于光经过波片组件会发生波前畸变和偏移(畸变由镜片2个面的表面面型造成，偏移由安装角度照成)，且入射光是发散光，因此导致经过波片组件后的光会出现较大的畸变和偏移。本发明将1/4波片组件放置在汇聚平行组件之后，入射到1/4波片组件上的光是经过准直的近似平行光，极大减小了光的畸变和偏移，有效避免了1/4波片组件对整个系统光路的影响。

本发明通过导向槽、油槽、观察窗及螺钉口的相互配合，实现波片组件的调节流畅及锁紧功能。

如图3所示，在镜筒内放置波片组件的位置分别开设导向槽，将1/2波片组件、1/4波片组件放置于导向槽中。所述1/2波片组件、1/4波片组件均可在导向槽内360°旋转，且旋转轴与镜筒的中心轴重合。

在镜筒内壁与导向槽之间，开设了2条油槽，所述油槽为环状设置，用于保证波片组件在转动过程中的顺畅。

为便于观察波片组件旋转的角度，在镜筒上与导向槽对应的位置开了一观察窗，如图4所示。所述观察窗位于远离油槽的一端。为方便调节，沿波片组件外表面环设有若干小孔，用于拨动波片组件旋转。同时在镜筒的外表面靠近观察窗的位置打上刻度线标记，刻度范围在0-360°，该刻度线标记用于对齐波片组件上的小孔。

当波片组件调试完成后，通过螺钉口对波片组件进行固定，使波片不会再旋转。

具体地，在出射端安装可调光阑，根据使用要求，实时调节出射光的有效口径。如图5所示，左右拨动调节旋钮，中间的光阑小孔会变大和缩小。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案。

Claims (10)

1.一种高精度转角可调光纤准直系统，激光器发出的光通过光纤接入到所述光纤准直系统后出射放大准直光，其特征在于，所述光纤准直系统包括镜筒和依次设置在所述镜筒内的1/2波片组件、分光组件、发散组件、偏折组件、汇聚平行组件、1/4波片组件及第一探测组件；所述1/2波片组件用于旋转改变入射光的偏振态，所述分光组件用于分离偏振光并将接收到的反射光偏折至第一探测组件；所述发散组件和汇聚平行组件相互配合，用于得到平行光束；所述偏折组件用于实现光路偏转；所述1/4波片组件用于旋转改变出射光的偏振态。

2.根据权利要求1所述一种高精度转角可调光纤准直系统，其特征在于，所述发散组件、偏折组件和汇聚平行组件均包括至少两块透镜。

3.根据权利要求2所述一种高精度转角可调光纤准直系统，其特征在于，所述分光组件用于将P偏振光和S偏振光区分开，并使P偏振光透射至发散组件，使S偏振光反射至第二探测组件；透射的P偏振光经系统反射后变为S偏振光并入射至第一探测组件。

4.根据权利要求1所述一种高精度转角可调光纤准直系统，其特征在于，所述偏折组件包括平面反射镜、三棱镜或角锥。

5.根据权利要求1所述一种高精度转角可调光纤准直系统，其特征在于，所述1/2波片组件、1/4波片组件均独立可调且能够实现360°任意调节。

6.根据权利要求5所述一种高精度转角可调光纤准直系统，其特征在于，所述镜筒内与1/2波片组件、1/4波片组件相对应的位置分别开设有导向槽，所述1/2波片组件、1/4波片组件分别容置于导向槽内且能够沿导向槽的中轴线旋转，所述镜筒上开设有螺钉口，用于固定1/2波片组件或1/4波片组件。

7.根据权利要求6所述一种高精度转角可调光纤准直系统，其特征在于，所述导向槽与镜筒内壁之间开设有至少一条油槽，至少一条所述油槽沿镜筒内壁环状设置。

8.根据权利要求6所述一种高精度转角可调光纤准直系统，其特征在于，所述镜筒上与导向槽相对应的位置开设有观察窗，用于观察波片组件旋转的角度。

9.根据权利要求8所述一种高精度转角可调光纤准直系统，其特征在于，所述波片组件包括波片和支撑组件，所述波片固定于支撑组件上，所述支撑组件容置于导向槽内；所述支撑组件的外表面环状设置有若干小孔，每一小孔对应一角度刻度线，所述角度刻度表标记在镜筒的外表面。

10.根据权利要求1所述一种高精度转角可调光纤准直系统，其特征在于，所述系统的出射端设有可调光阑，用于调节出射光的口径大小。

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