CN114935828B

CN114935828B - 一种光纤耦合镜头焦面的调试方法

Info

Publication number: CN114935828B
Application number: CN202210474289.5A
Authority: CN
Inventors: 史元元; 李小燕; 侯晓华; 曹明强; 刘勇
Original assignee: XiAn Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS
Current assignee: XiAn Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS
Priority date: 2022-04-29
Filing date: 2022-04-29
Publication date: 2023-04-11
Anticipated expiration: 2042-04-29
Also published as: CN114935828A

Abstract

本发明提供了一种光纤耦合镜头焦面的调试方法，以解决现有技术在检测光纤与光学镜头焦面的耦合程度时在红外波段无法测量镜头的最佳焦面位置以及无法测量激光光斑发散角的技术问题。本发明提供的一种光纤耦合镜头焦面的调试方法包括以下步骤：搭建光学镜头焦面调节装置，调整光学镜头的光轴使其与哈特曼传感器的光轴重合，进行光学镜头最佳焦面调整；标定角锥的光斑中心位置，搭建光斑发散角检测装置，使激光光斑中心处于记录的角锥光斑中心位置，检测光斑发散角，当光斑发散角满足预设要求，则完成光纤耦合镜头焦面的调试。

Description

一种光纤耦合镜头焦面的调试方法

技术领域

本发明涉及光学仪器装调及检测领域，具体涉及一种光纤耦合镜头焦面的调试方法，可用于光纤耦合光学镜头的最佳焦面以及发散角的实时检测和调试。

背景技术

在激光传输信号领域，光纤荷载激光信号进入通信支路进行传输和接收时，对出射光斑的发散角这一性能指标要求非常高。发散角较小时，激光光束在传输信号时才能满足传输速率高、能量损失少、指向性高的要求。故在装调时需要将光纤头调试到镜头的最佳焦面位置。

目前，对光纤耦合镜头焦面调试时，一般是通过干涉仪、全自动综合测量仪等仪器得到镜头的最佳焦面位置。但该类仪器的出射光线都在可见光波段，在激光传输领域无法满足红外波段下镜头的最佳焦面位置的测量，且在测量过程中也无法实时耦合光纤得到离焦量的数值，导致不能测量光斑发散角的大小。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术在检测光纤与光学镜头焦面的耦合程度时在红外波段无法测量镜头的最佳焦面位置以及无法测量激光光斑发散角的技术问题，而提供一种光纤耦合镜头焦面的调试方法。

为了解决上述技术问题，本发明所提供的技术解决方案是：

一种光纤耦合镜头焦面的调试方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)光学镜头最佳焦面调整

1.1)将激光器通过光纤组件与光学镜头连接，在光学镜头的出光口方向设置哈特曼传感器；

1.2)通过调整光学镜头及哈特曼传感器的空间姿态，使光学镜头的光轴与哈特曼传感器的光轴重合；

1.3)采集哈特曼传感器的输出获得光学镜头的zernike系数中Def(Z4)项数值，通过调整光纤组件与光学镜头的连接位置，使光学镜头的zernike系数中Def(Z4)项数值在-10～10nm范围内，此时光纤组件的光纤头位于光学镜头的最佳焦面处，其中Def表示离焦量，Def(Z4)表示光纤组件的光纤头和光学镜头最佳焦面的离焦量；

2)光斑发散角检测

2.1)设置平行光管并标定平行光管的焦面位置，在平行光管的焦面位置设置红外探测器，将激光器和平行光管相连；

在平行光管出光口前方设置角锥，通过红外探测器采集角锥的光斑图像，标定并记录角锥的光斑中心位置；

2.2)移除角锥，断开激光器和平行光管之间的连接，将光学镜头设置在正对平行光管出光口的中心位置处；将激光器与光纤组件相连；

2.3)调整光学镜头的空间姿态，使激光光斑中心处于记录的角锥光斑中心位置；

红外探测器探测激光信号并获得实时的激光光斑图像，通过光斑图像获取光斑发散角；若光斑发散角满足预设要求，则完成光斑发散角的测量，否则，微调光纤组件与光学镜头的连接位置，直至光斑发散角满足预设要求，光纤耦合镜头焦面的调试完成。

进一步地，步骤1.2)中，通过调整光学镜头及哈特曼传感器的空间姿态，使光学镜头的光轴与哈特曼传感器的光轴重合具体为：

通过调节设置在光学镜头下的第二调整架进行粗调，使光学镜头光轴位于哈特曼传感器CCD芯片的中心位置；通过调节设置在哈特曼传感器下的第一调整架调整哈特曼传感器光轴进行精调，直至所测光学镜头的zernike系数tilt(Z2，Z3)项数值在30-90deg范围内时，光学镜头的光轴与哈特曼传感器的光轴重合，其中tilt(Z2，Z3)表示第一调整架X轴方向的倾斜量和Y轴方向的倾斜量。

进一步地，步骤2.3)中，调整光学镜头的空间姿态，使激光光斑中心处于记录的角锥光斑中心位置具体为：

通过调节设置在光学镜头下的第二调整架来调整光学镜头的空间姿态使激光光斑中心处于记录的角锥光斑中心位置。

进一步地，步骤1.3)中，调整光纤组件与光学镜头的连接位置具体为通过更换位于光纤组件与光学镜头之间不同厚度的调整垫片来调整光纤组件与光学镜头的连接位置。

进一步地，步骤1.1)中，搭建光学镜头焦面调节装置时，在激光器和光纤组件之间设置衰减器。

进一步地，步骤2.1)中，所述平行光管为双光路平行光管。

进一步地，步骤2.1)中，标定平行光管的焦面位置采用五棱镜法。

进一步地，所述激光器采用红外波长可调谐激光器。

进一步地，所述光纤组件包括光纤以及连接在光纤一端用于和光学镜头固定连接的光纤法兰，所述光纤和光纤法兰进行粘接固定。

本发明相比于现有技术的有益效果在于：

1、本发明提供的一种光纤耦合镜头焦面的调试方法，能够快速有效的调整并标定光学镜头最佳焦面位置，并耦合光纤安装位置，保证激光经过光学镜头后的发散角角度，提高了后续系统的集成指标精度，以满足高精度的激光发射和接收。

2、本发明提供的一种光纤耦合镜头焦面的调试方法，采用光学镜头最佳焦面调整和光斑发散角检测依次调试的方法，能够快速实时地确定光纤头与光学镜头最佳焦面之间的距离，具有装调简单，前后一致性好，可靠性高的技术特点。

3、本发明提供的一种光纤耦合镜头焦面的调试方法，通过第二调整架的粗调和第一调整架的精调，使光学镜头的光轴与哈特曼传感器的光轴重合，保证了光轴一致性调整的精度。

4、本发明提供的一种光纤耦合镜头焦面的调试方法，通过调节第二调整架来调整光学镜头的空间姿态使激光光斑中心处于记录的角锥光斑中心位置。

5、本发明提供的一种光纤耦合镜头焦面的调试方法，通过更换不同厚度的调整垫片来调整光纤组件与光学镜头的连接位置，使光纤头位于光学镜头的最佳焦面处，具有实时性好、精确度高的特点。

6、本发明提供的一种光纤耦合镜头焦面的调试方法，在激光器和光纤之间设置衰减器，可以调节激光的辐照度，避免激光能量过高损坏哈特曼传感器的感光芯片。

7、本发明提供的一种光纤耦合镜头焦面的调试方法，采用双光路平行光管，可以同时标定角锥的中心光斑位置和测量激光光斑发散角的大小，结构简单，装调方便。

8、本发明提供的一种光纤耦合镜头焦面的调试方法，采用五棱镜法来标定平行光管的焦面位置，标定方法简单高效，易操作。

9、本发明提供的一种光纤耦合镜头焦面的调试方法，激光器采用为红外波长可调谐激光器，能够在红外波段修改发出激光的波长，简单方便、易操作。

附图说明

图1为本发明实施例中步骤1.1)光学镜头焦面调节装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中步骤2.1)标定角锥光斑中心位置示意图；

图3为本发明实施例中步骤2.2)光斑发散角检测装置的结构示意图；

图4为本发明实施例中光纤组件的结构示意图；

图5为本发明实施例中光学镜头、调整垫片以及光纤组件连接结构爆炸图。

具体附图标记如下：

1-激光器；2-衰减器；

3-光纤组件，31-光纤，32-光纤法兰；

41-光学镜头，42-调整垫片，43-固定工装，44-第二调整架；

5-第一调整架；6-哈特曼传感器；7-平行光管；8-红外探测器；9-角锥。

具体实施方式

为使本发明的优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

一种光纤耦合镜头焦面的调试方法，具体包括以下步骤：

1)光学镜头41最佳焦面调整

1.1)搭建光学镜头41焦面调节装置

如图1、图4所示，将激光器1通过光纤组件3与光学镜头41连接，光纤组件3包括光纤31以及固连在光纤31一端用于和光学镜头41固连的光纤法兰32，光学镜头41固定在固定工装43上，固定工装43仅用于对光学镜头41进行固定。优选的，光纤31和光纤法兰32通过XM-31胶进行粘接固定；光学镜头41与固定工装43通过螺钉固定，通过机械加工保证光学镜头41与固定工装43的同轴性；光纤法兰32与光学镜头41通过螺钉固连，可以保证光纤31出射光和光学镜头41的同轴性。同时如图5所示，可以在光纤法兰32和光学镜头41之间设置调整垫片42，通过更换不同厚度的调整垫片42调节光纤31与光学镜头41之间的离焦量。在固定工装43的下方设置用于调整光学镜头41空间姿态的第二调整架44，在光学镜头41的出光口方向设置哈特曼传感器6，哈特曼传感器6下方设置用于调整哈特曼传感器6空间姿态的第一调整架5。第一调整架5采用为五维调整架，第二调整架44采用三维调整架，建立三维空间直角坐标系，以激光的传输方向为Z轴正方向，垂直于Z轴且和Z轴位于同一个水平面的方向为X轴，垂直于X轴和Z轴水平面的方向为Y轴，则第一调整架5五个调整维度分别为沿X轴的平移，相对X轴的倾斜、沿Y轴的平移、相对Y轴的倾斜以及沿Z轴的平移，第二调整架44三个调整维度分别为相对X轴的倾斜、相对Y轴的倾斜以及沿Y轴的平移。本发明在激光器1和光纤31之间还可以设置衰减器2用于调节激光的辐照度，避免激光能量过高损坏哈特曼传感器6的感光芯片。

1.2)使光学镜头41的光轴与哈特曼传感器6的光轴重合

激光器1采用能够在红外波段修改发出激光波长的红外波长可调谐激光器，激光器1和哈特曼传感器6分别连接计算机，计算机上安装有激光器软件和光学镜头软件。在计算机的激光器软件控制界面输入参数，使得激光出射波长为1550mm。通过调节第二调整架44三个方向的维度来粗调使光学镜头41的光轴位于哈特曼传感器6CCD芯片的中心位置，通过调节第一调整架5五个方向的维度调整哈特曼传感器6的光轴进行精调，同时监测计算机光学镜头软件控制界面中所测光学镜头41的zernike系数中tilt(Z2，Z3)项数值，其中tilt表示倾斜量，tilt(Z2，Z3)表示第一调整架5X轴方向的倾斜量和Y轴方向的倾斜量；若tilt(Z2，Z3)项数值不在30-90deg范围内，则继续调整第一调整架5，直至zernike系数tilt(Z2，Z3)项数值在30-90deg范围内时，光学镜头41的光轴与哈特曼传感器6的光轴重合。

1.3)光学镜头41最佳焦面调整

采集哈特曼传感器6的输出获得光学镜头41的zernike系数中Def(Z4)项数值，通过更换不同厚度的调整垫片42来调整光纤组件3与光学镜头41的连接位置，并实时监测计算机光学镜头软件控制界面中所测光学镜头41的zernike系数中Def(Z4)项数值，其中Def表示离焦量，Def(Z4)表示光纤31的光纤头和光学镜头41最佳焦面的离焦量；若zernike系数中Def(Z4)项数值不在-10～10nm范围内，则更换不同厚度的调整垫片42，直至zernike系数中Def(Z4)项数值在-10～10nm范围内时，此时光纤31的光纤头位于光学镜头41的最佳焦面处。

2)光纤耦合镜头焦面的调试

2.1)标定角锥9光斑中心位置

如图2所示，设置平行光管7并采用五棱镜法标定平行光管7的焦面位置，在平行光管7的焦面位置设置红外探测器8，将激光器1和平行光管7相连，平行光管7发光；平行光管7可选择双光路平行光管，用于同时标定最佳焦面位置以及测量激光光斑发散角的大小。激光器1和红外探测器8分别连接计算机，计算机上设置有红外CCD探测器软件。

在平行光管7出光口前方设置角锥9，通过红外探测器8采集角锥9的光斑图像，在计算机的红外CCD探测器软件界面标定并记录角锥9光斑中心位置。

2.2)搭建光斑发散角检测装置

如图3所示，移除角锥9，断开激光器1和平行光管7之间的连接，将光学镜头41设置在正对平行光管7出光口的中心位置处；将激光器1与光纤组件3相连；

2.3)检测光斑发散角，完成光纤耦合镜头焦面的调试

通过调整第二调整架44来调整光学镜头41，使激光的光斑中心处于记录的角锥9光斑中心位置。

红外探测器8探测激光信号并通过红外CCD探测器软件实时采集激光光斑图像，通过采集的激光光斑图像获取光斑发散角。本实施例通过Matlab程序对激光光斑发散角的大小进行判读，若光斑发散角满足预设要求，则完成光斑发散角的测量，否则，通过更换与现有调整垫片42厚度相差较小的调整垫片，对光纤组件3与光学镜头41的连接位置进行微调，进而调节光纤31与光学镜头41的离焦量，直至光斑发散角满足预设要求，光纤耦合镜头焦面的调试完成。

以上所述，仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对于本领域的普通专业技术人员来说，可以对上述实施例所记载的具体技术方案进行修改，或者对其中部分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所保护技术方案的范围。

Claims

1.一种光纤耦合镜头焦面的调试方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)光学镜头(41)最佳焦面调整

1.1)将激光器(1)通过光纤组件(3)与光学镜头(41)连接，在光学镜头(41)的出光口方向设置哈特曼传感器(6)；

1.2)通过调整光学镜头(41)及哈特曼传感器(6)的空间姿态，使光学镜头(41)的光轴与哈特曼传感器(6)的光轴重合；

1.3)采集哈特曼传感器(6)的输出获得光学镜头(41)的zernike系数中Def(Z4)项数值，通过调整光纤组件(3)与光学镜头(41)的连接位置，使光学镜头(41)的zernike系数中Def(Z4)项数值在-10～10nm范围内，此时光纤组件(3)的光纤头位于光学镜头(41)的最佳焦面处，其中Def表示离焦量，Def(Z4)表示光纤组件(3)的光纤头和光学镜头(41)最佳焦面的离焦量；

2)光斑发散角检测

2.1)设置平行光管(7)并标定平行光管(7)的焦面位置，在平行光管(7)的焦面位置设置红外探测器(8)，将激光器(1)和平行光管(7)相连；

在平行光管(7)出光口前方设置角锥(9)，通过红外探测器(8)采集角锥(9)的光斑图像，标定并记录角锥(9)的光斑中心位置；

2.2)移除角锥(9)，断开激光器(1)和平行光管(7)之间的连接，将光学镜头(41)设置在正对平行光管(7)出光口的中心位置处；将激光器(1)与光纤组件(3)相连；

2.3)调整光学镜头(41)的空间姿态，使激光光斑中心处于记录的角锥(9)光斑中心位置；

红外探测器(8)探测激光信号并获得实时的激光光斑图像，通过光斑图像获取光斑发散角；若光斑发散角满足预设要求，则完成光斑发散角的测量，否则，微调光纤组件(3)与光学镜头(41)的连接位置，直至光斑发散角满足预设要求，光纤耦合镜头焦面的调试完成。

2.根据权利要求1所述的一种光纤耦合镜头焦面的调试方法，其特征在于：

步骤1.2)中，通过调整光学镜头(41)及哈特曼传感器(6)的空间姿态，使光学镜头(41)的光轴与哈特曼传感器(6)的光轴重合具体为：

通过调节设置在光学镜头(41)下的第二调整架(44)进行粗调，使光学镜头(41)光轴位于哈特曼传感器(6)CCD芯片的中心位置；通过调节设置在哈特曼传感器(6)下的第一调整架(5)调整哈特曼传感器(6)光轴进行精调，直至所测光学镜头(41)的zernike系数tilt(Z2，Z3)项数值在30-90deg范围内时，光学镜头(41)的光轴与哈特曼传感器(6)的光轴重合，其中tilt(Z2，Z3)表示第一调整架(5)X轴方向的倾斜量和Y轴方向的倾斜量。

3.根据权利要求2所述的一种光纤耦合镜头焦面的调试方法，其特征在于：

步骤2.3)中，调整光学镜头(41)的空间姿态，使激光光斑中心处于记录的角锥(9)光斑中心位置具体为：

通过调节设置在光学镜头(41)下的第二调整架(44)来调整光学镜头(41)的空间姿态使激光光斑中心处于记录的角锥(9)光斑中心位置。

4.根据权利要求3所述的一种光纤耦合镜头焦面的调试方法，其特征在于：

步骤1.3)中，调整光纤组件(3)与光学镜头(41)的连接位置具体为：

通过更换位于光纤组件(3)与光学镜头(41)之间不同厚度的调整垫片(42)来调整光纤组件(3)与光学镜头(41)的连接位置。

5.根据权利要求4所述的一种光纤耦合镜头焦面的调试方法，其特征在于：

步骤1.1)中，在激光器(1)和光纤组件(3)之间设置衰减器(2)。

6.根据权利要求5所述的一种光纤耦合镜头焦面的调试方法，其特征在于：步骤2.1)中，所述平行光管(7)为双光路平行光管。

7.根据权利要求6所述的一种光纤耦合镜头焦面的调试方法，其特征在于：步骤2.1)中，标定平行光管(7)的焦面位置采用五棱镜法。

8.根据权利要求1-7任一所述的一种光纤耦合镜头焦面的调试方法，其特征在于：所述激光器(1)采用红外波长可调谐激光器。

9.根据权利里要求8所述的一种光纤耦合镜头焦面的调试方法，其特征在于：所述光纤组件(3)包括光纤(31)以及连接在光纤(31)一端用于和光学镜头(41)固定连接的光纤法兰(32)，所述光纤(31)和光纤法兰(32)进行粘接固定。