CN114899690A - 一种用于相干激光雷达的双纤端口激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于相干激光雷达的双纤端口激光器，包括连续光源，耦合器，声光调制器，多级放大器和发射回收器，所述发射回收器包括光纤组件、金属固件和陶瓷插芯；所述光纤组件包括两根保偏光纤，两根保偏光纤的一端并列紧贴在一起或熔接在一起，形成第二端口；两根保偏光纤的另外一端相互分离，形成第一端口和第三端口；两根保偏光纤关于陶瓷插芯的中心轴对称。本发明设计了纯光纤的发射回收器，几乎没有任何损耗，故相比环形器，本发明的能量整体提高了3db，即提高一倍，激光雷达的探测距离也会相应提高。

Description

一种用于相干激光雷达的双纤端口激光器

技术领域

本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种用于相干激光雷达的双纤端口激光器。

背景技术

激光雷达是一种主动的现代光学遥感技术，是传统雷达技术与现代激光技术相结合的产物。激光具有高亮度、高方向性、高相干性、高峰值功率的特点。因此，激光雷达具有高角分辨率、高的距离分辨率、高时间分辨率、高测量精度、远探测距离、多目标探测、强抗干扰的优点。通过以激光为信息载体，激光雷达可以用振幅、频率、相位、偏振来搭载信息。因此，其不仅可以精确测距，还可以精确测量频移、角度、姿态、退偏振。继微波雷达之后，激光雷达将辐射源的频率提高到了光频率，比毫米波高出四个数量级，这使之能够探测微小自然目标，如大气中的气溶胶和分子。随着激光技术和光电子学技术的发展，激光雷达已成为重要遥感探测手段。

相干激光雷达是激光雷达的重要组成部分，相干激光雷达由光源发射脉冲激光与大气相互作用产生的回波信号与本地的系统本振光产生差频信号，同时测量被放大的差频信号即可相对容易的得到待测大气参数如径向风速。光源部分包括一个脉冲的高功率激光器（出射光）和一个窄线宽的连续波激光器（本振光），出射光中的小部分用于和本振光混频，大部分被发射至大气中，然后被空气中气溶胶或大气分子散射产生回波信号，回波信号被望远镜接收后与本振光混频。

发明内容

本发明的发明人研究发现：相干激光雷达中，在激光器中最后输出的环形器，其性能是制约整个激光器性能的关键器件。

本发明提供了一种用于相干激光雷达的双纤端口激光器，通过设计发射回收器提高激光器的性能，并降低激光器的成本。

一种用于相干激光雷达的双纤端口激光器，包括连续光源，耦合器，声光调制器，多级放大器和发射回收器，

所述发射回收器包括光纤组件、金属固件和陶瓷插芯；

所述光纤组件包括两根保偏光纤，两根保偏光纤的一端并列紧贴在一起或熔接在一起，形成第二端口；两根保偏光纤的另外一端相互分离，形成第一端口和第三端口；两根保偏光纤关于陶瓷插芯的中心轴对称；

所述陶瓷插芯为圆柱体，沿圆柱体的中心轴方向开设有孔洞，所述孔洞用于容纳所述光纤组件的第二端口；

所述金属固件用于连接和固定光纤组件和陶瓷插芯；

连续光源用于输出预定波长的连续的激光信号；

耦合器用于将连续激光器输出的信号按照预定比例分为两路，其中一路作为信号光输出到声光调制器，另一路作为本振光；

所述声光调制器用于将输入的连续激光信号调制为脉冲光信号；

多级放大器用于将声光调制器输出的脉冲光信号进行放大；

所述发射回收器的第一端口用于将多级放大器输出的脉冲信号传输至第二端口；所述第二端口用于将第一端口输入的信号输出，并将包含待测目标物信息的回波信号输出至第三端口。

进一步的，所述金属固件的外侧设置有螺纹；在使用时可以将带螺纹的金属固件旋拧固定其他的器件上。

进一步的，光纤组件中的两根保偏光纤为熊猫光纤，不带涂覆层。

进一步的，光纤组件中的两根保偏光纤并列紧贴，关于陶瓷插芯中心轴对称，两根保偏光纤的猫眼连线均与纤芯连线垂直。

进一步的，光纤组件中的两根保偏光纤并列紧贴，且关于陶瓷插芯中心轴对称，两根保偏光纤的猫眼连线与纤芯连线均为同一直线。

进一步的，光纤组件中的两根保偏光纤并列紧贴，且关于陶瓷插芯中心轴对称，两根保偏光纤的猫眼连线互相平行，与纤芯连线具有任意夹角。

进一步的，两根保偏光纤的一端熔接在一起包括：

将两根保偏光纤的一端的部分光纤削磨掉，形成削磨面，不破坏应力轴和纤芯，并且每个削磨面均与应力轴连线平行。

进一步的，所述光纤模块还包括双芯保偏光纤，所述双芯保偏光纤与两根保偏光纤的一端分别熔接在一起；所述双芯保偏光纤的两个纤芯位于猫眼连线上，且关于双芯保偏光纤的中心轴对称。

进一步的，所述光纤模块的制备方法包括：

对两根单芯保偏光纤进行削磨处理，形成削磨面，不破坏应力轴和纤芯，并且每个削磨面均与应力轴连线平行；

将两个削磨面预熔连接在一起，形成8字形的包层结构，包括两个应力轴和两个纤芯；

将两根单芯保偏光纤预熔在一起的一端与单纤双芯保偏光纤熔接在一起，并保证两对纤芯互相对准，应力轴互相对准。

本发明具有以下有益效果：

第一，本发明设计了纯光纤的发射回收器，几乎没有任何损耗，因为光纤的衰减是0.2db/km，一两米的光纤损耗完全可以忽略不计。故相比环形器，本发明的能量整体提高了3db，即提高一倍，激光雷达的探测距离也会相应提高。

第二，本发明设计的发射回收器，其第一端口的光纤直接与前级放大器熔接，无需额外的光纤尾纤，故减少了环形器第一端口的光纤长度，约0.5米，降低了在高脉冲能量传输的过程中带来的非线性效应，将单脉冲能量能提升20%以上。

第三，环形器内部的晶体具有各向异性，光通道1-2和2-3都在相同的晶体传输且间距不到1mm，故串扰不可避免。并且光通道1-2是较大能量传输，而2-3是较微弱光传输，故对回光有强烈的干扰作用。普通环形器的通道之间串扰为50db左右，使用本发明的发射回收器方案，通道之间不存在任何干扰，接近正无穷。

第四，环形器成本较高，使用发射回收器后不仅节约了成本，系统稳定性也将提升。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案和优点，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的一种用于相干激光雷达的双纤端口激光器的结构框图；

图2为本发明实施例提供的发射回收器的结构图；

图3为本发明实施例提供的光纤组件的示意图；

图4为本发明实施例提供的对第二端口部分出射和回收光路进行模拟仿真图；

图5为本发明实施例提供的第二端口的输出端平面图；

图6为另一个实施例中第二端口的输出端平面图；

图7为本发明实施例中的光斑的一个仿真图；

图8为本发明实施例中的光斑的另一仿真图；

图9为本发明实施例中的光斑的又一仿真图；

图10为本发明实施例提供的第二端口的输出端又一平面图；

图11是本发明实施例中双芯熔合的光纤横截面示意图。

图12是本发明实施例中双芯熔合的光纤侧截面示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

实施例：

相干激光雷达由光源发射保偏脉冲激光与大气相互作用产生的回波信号与本地的系统本振光产生差频信号，同时测量被放大的差频信号即可相对容易的得到待测大气参数如径向风速。光源部分包括一个脉冲的高功率激光器（出射光）和一个窄线宽的连续波激光器（本振光），出射光中的小部分用于和本振光混频，大部分被发射至大气中，然后被空气中气溶胶或大气分子散射产生回波信号，回波信号被望远镜7接收后与本振光混频；探测部分包括两个探测器，一个用来探测出射光的频率f0 和本振光频率fLO 的混频信号，另一个用来探测回波信号f0+△f和本振光fLO的混频信号。

根据相干激光雷达的基本原理，相干激光雷达由光源发射连续光，一部分经脉冲发生器（如AOM）调制为脉冲激光与大气相互作用产生回波信号，另一部分连续光作为本振光，本地的系统本振光与回波信号产生差频信号，同时测量被放大的差频信号即可相对容易的得到待测大气参数如径向风速。

本发明的发明人研究发现：相干激光雷达中，在激光器中最后输出的环形器，其性能是制约整个激光器性能的关键器件。

第一，环形器的两个通道都有损耗，各约1.5db左右，两个加起来3db。也就是发射的功率和返回光的功率一起要衰减一半，造成极大的浪费。

第二，环形器端口一和端口二各带的光纤尾纤具有一定的长度，用来方便熔接和激光器的使用，在高脉冲能量传输的过程中带来的非线性效应将制约其功率的放大，故尾纤的长度越短越好。

第三，环形器内部的晶体具有各向异性，光通道1-2和2-3都在相同的晶体传输且间距不到1mm，故串扰不可避免。并且光通道1-2是较大能量传输，而2-3是较微弱光传输，故对回光有强烈的干扰作用。

第四，环形器有一定的成本。

为了解决上述问题，如图1所示，本发明提供了一种用于相干激光雷达的双纤端口激光器，包括连续光源1，耦合器2，声光调制器3，多级放大器4和发射回收器5。

如图2所示，所述发射回收器5包括光纤组件、金属固件504和陶瓷插芯505。

所述光纤组件包括两根保偏光纤（51，52），两根保偏光纤的一端并列紧贴在一起或熔接在一起，形成第二端口502；两根保偏光纤的另外一端相互分离，形成第一端口501和第三端口503；两根保偏光纤关于陶瓷插芯505的中心轴对称。

需要说明的是，本发明中光纤组件中的光纤，均为保偏光纤。

所述陶瓷插芯505为圆柱体，沿圆柱体的中心轴方向开设有孔洞，所述孔洞用于容纳所述光纤组件的第二端口502；

所述金属固件504用于连接和固定光纤组件和陶瓷插芯505；

连续光源1用于输出预定波长的连续的激光信号；

耦合器2用于将连续激光器输出的信号按照预定比例分为两路，其中一路作为信号光输出到声光调制器3，另一路作为本振光；

所述声光调制器3用于将输入的连续激光信号调制为脉冲光信号；

多级放大器4用于将声光调制器3输出的脉冲光信号进行放大；

所述发射回收器5的第一端口501用于将多级放大器4输出的脉冲信号传输至第二端口502；所述第二端口502用于将第一端口501输入的信号输出，并将包含待测目标物信息的回波信号输出至第三端口503。

连续光源1通过耦合器2来分出一小部分功率作为本振光，然后其他部分通过AOM声光调制器3来产生脉冲波形，并通过多级放大器4将脉冲能量提升，最后通过发射回收器5第二端口502射出至大气中，由于光路可逆，大气中微弱的回反光会通过第二端口502接收，并通过第三端口503射出，形成可用的待测信号光源。

如图2所示，发射回收器5由光纤、金属固件504和陶瓷插芯505组成。

所述金属固件504的外侧设置有螺纹；在使用时可以将带螺纹的金属固件504旋拧固定其他的器件上。金属固件504的作用是连接光纤和陶瓷插芯505，并且在使用时可以将带螺纹的金属固件504旋拧固定其他的器件上。激光器输出的高能量脉冲光从第一端口501通过光纤传输到第二端口502，整个过程都是在光纤中传输，在一米左右的短距离内无需考虑损耗。返回光（激光雷达的回波信号）从第二端口502进入，通过光纤从第三端口503输出，整个过程也都是在光纤中传输，无任何损耗。并且是由两根独立光纤完成传输，相互之间无任何干扰。

在一个实施例中，光纤组件中的两根保偏光纤为熊猫光纤，不带涂覆层。

在一个实施例中，如图3所示，光纤组件中的两根保偏光纤并列紧贴，关于陶瓷插芯505中心轴对称，两根保偏光纤的猫眼连线均与纤芯连线垂直。

图3中，两根保偏光纤（51，52）相同，以保偏光纤51为例，包括纤芯512和两个应力棒511。两个应力棒511在光纤截面中相对纤芯512对称，应力棒组合也称为猫眼。

图3为一个实施例中第二端口502的输出端平面图。外围环形部分为陶瓷插芯505部分，空间的孔洞可以同时插入两根不带涂覆层的保偏光纤，猫眼的连线互相平行，这样出射光和返回光的偏振态相同。出射光从上面光纤的纤芯部分射出，并通过准直望远系统射入待测介质中；返回光从下面光纤的纤芯进入后并从第三端口503射出。

图4为对第二端口502部分出射和回收光路进行模拟仿真。上面的圆圈为上面（发射光纤）光纤纤芯部分，下面的圆圈为下面（接收光纤）光纤纤芯部分，横虚线为准直望远系统中心光轴，竖线为激光雷达的准直望远系统。假设极远处有个平面镜，其法线与准直望远系统的光轴平行。红圈（发射光纤）的出射光经准直望远系统后平行射到极远处的平面镜上，然后反射回到准直望远系统，并100%聚焦到绿圈（接收光纤）部分的下面纤芯里，此时效率最高的是因为发射光纤和接收光纤是关于虚横线对称的。也就是说，当发射光纤和接收光纤关于陶瓷中心轴对称时，接收效率最高。

图5为另一个实施例中第二端口502的输出端平面图。光纤组件中的两根保偏光纤并列紧贴，且关于陶瓷插芯505中心轴对称，两根保偏光纤的猫眼连线与纤芯连线均为同一直线。

具体的，只改变两个保偏光纤快慢轴方向，双纤并列紧贴，且关于陶瓷插芯505中心对称，猫眼连线与纤芯连线为同一直线。

图6为另一个实施例中第二端口502的输出端平面图。

光纤组件中的两根保偏光纤并列紧贴，且关于陶瓷插芯505中心轴对称，两根保偏光纤的猫眼连线互相平行，与纤芯连线具有任意夹角。

具体的，只改变两个保偏光纤快慢轴方向，双纤并列紧贴，且关于陶瓷插芯505中心对称，猫眼连线与纤芯连线相互平行。

图7-图9为使用ZEMAX软件对两根保偏光纤纤芯偏离准直望远系统光轴的三种不同距离进行仿真的图像。

图7为两根保偏光纤的芯径距离50um时，1公里处光斑的仿真形状。

图8为两根保偏光纤的芯径距离100um时，1公里处光斑的仿真形状。

图9为两根保偏光纤的芯径距离150um时，1公里处光斑的仿真形状。

从图7-图9可见，芯径偏离距离越近，光斑效果越好。故本发明进一步的来优化双纤中纤芯距离光轴的距离。

通过削磨光纤，将两根光纤在第二端口502处熔接在一起使纤芯距离更近，从而提高光斑质量，提高探测效果。

两根保偏光纤的一端熔接在一起包括：

将两根保偏光纤的一端的部分光纤削磨掉，形成削磨面，不破坏应力轴和纤芯，并且每个削磨面均与应力轴连线平行。

图10为另一个实施例中第二端口502的输出端平面图。

因为纤芯偏离准直望远系统的光轴后，出射的光斑会发生畸变，为了使出射光斑更接近圆形，故纤芯位置应该更靠近光轴。此例中将光纤部分削磨掉，不破坏应力轴和纤芯，并且削磨面应该和应力轴连线平行。

在一个实施例中，所述光纤模块还包括双芯保偏光纤，所述双芯保偏光纤与两根保偏光纤的一端分别熔接在一起；所述双芯保偏光纤的两个纤芯位于猫眼连线上，且关于双芯保偏光纤的中心轴对称。

所述光纤模块的制备方法包括：

对两根单芯保偏光纤进行削磨处理，形成削磨面，不破坏应力轴和纤芯，并且每个削磨面均与应力轴连线平行；

将两个削磨面预熔连接在一起，形成8字形的包层结构，包括两个应力轴和两个纤芯；

将两根单芯保偏光纤预熔在一起的一端与单纤双芯保偏光纤熔接在一起，并保证两对纤芯互相对准，应力轴互相对准。

双纤削磨后并列放置，使光纤纤芯偏离光轴距离更短，传输损耗更小，且激光的非线性效应越小。

下面以一个具体实例说明。

以光纤包层为300um，纤芯25um，应力轴为55um为例，发明一种双芯保偏光纤，两个纤芯位于猫眼连线上，且关于光纤中心对称。光纤纤芯25um，纤芯中心距离为35um。此种情况是在25um直径纤芯的最近距离，并且两路光束互不干扰。此时可以从其中一个纤芯射出脉冲光，再从另一个纤芯接收返回光。

2×1器件模块：

因为此种是单纤双芯，需要制作模块和双纤进行耦合，故对此模块进行介绍。

图11是双芯熔合的光纤横截面示意图。

如图11所示，首先对两根单芯保偏光纤进行削磨处理（对应于图11的上部），然后预熔连接在一起（对应于图11的下部）。此时光纤截面形成8字形的包层结构，包括两个应力轴和两个纤芯。

图12是双芯熔合的光纤侧截面示意图。

如图12所示，从侧面来看，两根单芯光纤预熔在一起后，和单纤双芯光纤再进行熔接在一起，并保证两对纤芯互相对准，应力轴互相对准。包层结构从8字型变成圆形不影响纤芯传输光的能力。

在激光器中最后输出的环形器，其性能是制约整个激光器性能的关键器件。

综上所述，本发明提供了一种用于相干激光雷达的双纤端口激光器，包括连续光源，耦合器，声光调制器，多级放大器和发射回收器。本发明具有以下有益效果：

第一，本发明设计了纯光纤的发射回收器，几乎没有任何损耗，因为光纤的衰减是0.2db/km，一两米的光纤损耗完全可以忽略不计。故相比环形器，本发明的能量整体提高了3db，即提高一倍，激光雷达的探测距离也会相应提高。

第二，本发明设计的发射回收器，其第一端口的光纤直接与前级放大器熔接，无需额外的光纤尾纤，故减少了环形器第一端口的光纤长度，约0.5米，降低了在高脉冲能量传输的过程中带来的非线性效应，将单脉冲能量能提升20%以上。

第三，环形器内部的晶体具有各向异性，光通道1-2和2-3都在相同的晶体传输且间距不到1mm，故串扰不可避免。并且光通道1-2是较大能量传输，而2-3是较微弱光传输，故对回光有强烈的干扰作用。普通环形器的通道之间串扰为50db左右，使用本发明的发射回收器方案，通道之间不存在任何干扰，接近正无穷。

第四，环形器成本较高，使用发射回收器后不仅节约了成本，系统稳定性也将提升。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种用于相干激光雷达的双纤端口激光器，其特征在于，包括连续光源，耦合器，声光调制器，多级放大器和发射回收器，

所述发射回收器包括光纤组件、金属固件和陶瓷插芯；

所述光纤组件包括两根保偏光纤，两根保偏光纤的一端并列紧贴在一起或熔接在一起，形成第二端口；两根保偏光纤的另外一端相互分离，形成第一端口和第三端口；两根保偏光纤关于陶瓷插芯的中心轴对称；

所述陶瓷插芯为圆柱体，沿圆柱体的中心轴方向开设有孔洞，所述孔洞用于容纳所述光纤组件的第二端口；

所述金属固件用于连接和固定光纤组件和陶瓷插芯；

连续光源用于输出预定波长的连续的激光信号；

耦合器用于将连续激光器输出的信号按照预定比例分为两路，其中一路作为信号光输出到声光调制器，另一路作为本振光；

所述声光调制器用于将输入的连续激光信号调制为脉冲光信号；

多级放大器用于将声光调制器输出的脉冲光信号进行放大；

所述发射回收器的第一端口用于将多级放大器输出的脉冲信号传输至第二端口；所述第二端口用于将第一端口输入的信号输出，并将包含待测目标物信息的回波信号输出至第三端口。

2.根据权利要求1所述的一种用于相干激光雷达的双纤端口激光器，其特征在于，所述金属固件的外侧设置有螺纹；在使用时可以将带螺纹的金属固件旋拧固定其他的器件上。

3.根据权利要求1所述的一种用于相干激光雷达的双纤端口激光器，其特征在于，光纤组件中的两根保偏光纤为熊猫光纤，不带涂覆层。

4.根据权利要求1所述的一种用于相干激光雷达的双纤端口激光器，其特征在于，光纤组件中的两根保偏光纤并列紧贴，关于陶瓷插芯中心轴对称，两根保偏光纤的猫眼连线均与纤芯连线垂直。

5.根据权利要求1所述的一种用于相干激光雷达的双纤端口激光器，其特征在于，光纤组件中的两根保偏光纤并列紧贴，且关于陶瓷插芯中心轴对称，两根保偏光纤的猫眼连线与纤芯连线均为同一直线。

6.根据权利要求1所述的一种用于相干激光雷达的双纤端口激光器，其特征在于，光纤组件中的两根保偏光纤并列紧贴，且关于陶瓷插芯中心轴对称，两根保偏光纤的猫眼连线互相平行，与纤芯连线具有任意夹角。

7.根据权利要求1所述的一种用于相干激光雷达的双纤端口激光器，其特征在于，两根保偏光纤的一端熔接在一起包括：

将两根保偏光纤的一端的部分光纤削磨掉，形成削磨面，不破坏应力轴和纤芯，并且每个削磨面均与应力轴连线平行。

8.根据权利要求1所述的一种用于相干激光雷达的双纤端口激光器，其特征在于，所述光纤模块还包括双芯保偏光纤，所述双芯保偏光纤与两根保偏光纤的一端分别熔接在一起；所述双芯保偏光纤的两个纤芯位于猫眼连线上，且关于双芯保偏光纤的中心轴对称。

9.根据权利要求8所述的一种用于相干激光雷达的双纤端口激光器，其特征在于，所述光纤模块的制备方法包括：

对两根单芯保偏光纤进行削磨处理，形成削磨面，不破坏应力轴和纤芯，并且每个削磨面均与应力轴连线平行；

将两个削磨面预熔连接在一起，形成8字形的包层结构，包括两个应力轴和两个纤芯；

将两根单芯保偏光纤预熔在一起的一端与单纤双芯保偏光纤熔接在一起，并保证两对纤芯互相对准，应力轴互相对准。

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