CN115201968B - 一种光纤耦合器及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光纤耦合器，包括光纤输入端口、光纤输出端口和固定安装在所述光纤输入端口与光纤输出端口之间的光学镜组；所述光纤输入端口和光纤输出端口分别通过一套二维调整架和一维平台进行三维位置调整。所述第一非球面镜的焦距大于所述第二非球面镜的焦距。采用非球面镜组的结构型式，将四方形对角排列的四路离轴激光耦合进入单根光纤中，将耦合效率大幅提高。光纤耦合器的外盒由铝合金整体数控加工完成，保证了调整时的精度要求，外观质量优于其它多维光学调整装置。

Description

一种光纤耦合器及其应用
技术领域
本发明涉及光传输技术领域，特别是涉及一种光纤耦合器及其应用。
背景技术
现有的实验条件下，多路激光的合成传输方式主要有两种，一种是空间合成传输(包括波长合成、偏振合成等)、一种是多模光纤合束传输(包括四路分束光纤耦合进一路光纤传输、四合一熔融拉锥合束传输)。
这两种传输方式各有优缺点。空间合成传输的优点是能够保持激光良好的光束质量(空间指向性好)、可调节的偏振度分布(可以实现完全线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光等)、几乎没有激光功率损伤阈值的限制(合成镜激光功率损伤阈值高)、传输效率高(合成镜片可镀宽带介质膜)。空间合成传输的缺点也很明显，传输路径占用空间大、光斑能量分布不均匀、空间合成精确度偏低、长距离传输激光指向性受气流扰动影响较大等。光纤传输方式的优点是传输路径灵活、光斑中心功率分布均匀、光斑传输稳定性强；它的缺点也很明显，光纤传输功率损伤阈值较低、出射激光的光束质量明显变差(指向性很差)、多模光纤传输将破坏激光偏振性等。
对比激光的两种传输方式，各有优缺点，针对这些特征，在不同的应用情况下，需要选择不同的激光传输方式，它们是不能相互替代的。
现有应用于四路光纤出射激光与单根光纤之间的耦合装置为两片平凸透镜组合的透镜组，两透镜外径均为25.4mm，焦距分别为50mm和60mm，球面透镜无法有效消除离轴光线的像差、球差等光学畸变，导致此种耦合方式耦合效率较低，在40％左右。
发明内容
本发明的目的是针对现有应用于四路光纤出射激光与单根光纤之间的耦合装置，无法有效消除离轴光线的像差、球差等光学畸变，耦合效率较低的技术缺陷，而提供一种光纤耦合器。
本发明的另一个目的，是提供上述光纤耦合器在四路光纤出射激光与单根光纤之间耦合的应用。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
一种光纤耦合器，包括光纤输入端口、光纤输出端口和固定安装在所述光纤输入端口与光纤输出端口之间的光学镜组；
所述光纤输入端口安装在第一二维调整架上；所述光纤输出端口安装在第二二维调整架上；所述第一二维调整架固定在第一一维平台上；所述第二二维调整架固定在第二一维平台上；所述第一一维平台受第一一维调整架标尺和第一一维调整架控制；所述第二一维平台受第二一维调整架标尺和第二一维调整架控制；
所述光学镜组包括凸面相对放置的第一非球面镜和第二非球面镜；所述第一非球面镜的焦距大于所述第二非球面镜的焦距。
在上述技术方案中，所述第一非球面镜的焦距为40mm；所述第二非球面镜的焦距为26mm。
在上述技术方案中，所述光学镜组封装在封闭式暗盒中。
在上述技术方案中，所述第一非球面镜和第二非球面镜分别通过封装圈固定在所述封闭式暗盒的内部空腔中；所述封装圈与封闭式暗盒之间通过螺栓固定。
在上述技术方案中，所述第一二维调整架和所述第二二维调整架在x，y方向的移动量为±1.5mm；所述第一一维平台和所述第二一维平台在z轴的移动量为±3mm。
在上述技术方案中，所述第一二维调整架与所述第一一维平台之间以及所述第二二维调整架与所述第二一维平台之间均设置有第一垫块。
在上述技术方案中，所述第一一维调整架标尺和第二一维调整架标尺的端部分别与第一一维平台和第二一维平台相接触，从而推动第一一维平台和第二一维平台向中间移动；
所述第一一维平台和所述第二一维平台的下方均设置有回弹滑台，所述第一一维平台和所述第二一维平台内部设置有弹簧，所述弹簧与回弹滑台配合，驱动所述第一一维平台和所述第二一维平台沿回弹滑台向两侧回弹。
在上述技术方案中，还包括外盒；所述外盒包括盒体和底板；所述盒体和所述底板之间通过螺栓连接。
在上述技术方案中，所述底板为磁性表座。
本发明的另一方面，上述光纤耦合器在将四路离轴激光耦合进入单根光纤中的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明提供的光纤耦合器，采用非球面镜组的结构型式，将四方形对角排列的四路离轴激光耦合进入单根光纤中，将耦合效率大幅提高。较好的改善了由于耦合效率低导致的耦合器温升效应引起的像点光斑大小改变和焦距漂移的现象，提升了耦合系统的稳定性，为激光共振电离光谱实验的长时间考核提供有力支撑。
2.本发明提供的光纤耦合器，将光学镜组封装在一个封闭式暗盒中，以避免强光对人眼造成的伤害。光纤耦合器还设置有外盒。所述外盒由铝合金整体数控加工完成，保证了调整时的精度要求，外观质量优于其它多维光学调整装置。该装置的下部为磁性表座，便于在光学平台上固定位置。
3.本发明提供的光纤耦合器，在调整过程中，只需要反复优化三维平移台位置，用功率计测得输出功率的峰值即可完成，操作方便。
附图说明
图1所示为光纤耦合器的结构示意图；
图2所示为光学镜组的剖面图；
图3所示为盒体的结构示意图。
图中：1-光纤输入端口，2-光纤输出端口，3-第一二维调整架，4-第二二维调整架，5-第一一维平台，6-第二一维平台，7-第一一维调整架标尺，8-第一一维调整架，9-第二一维调整架标尺，10-第二一维调整架，11-封闭式暗盒，12-第一非球面镜，13-第二非球面镜，14-外盒，14-1-盒体，14-2-底板，15-光纤孔，16-二维调整孔，17-一维调整孔，18-第一垫块，19-回弹滑台，20-封装圈。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种光纤耦合器，如图1所示，包括光纤输入端口1、光纤输出端口2和固定安装在所述光纤输入端口1与光纤输出端口2之间的光学镜组；
所述光纤输入端口1安装在第一二维调整架3上；所述光纤输出端口2安装在第二二维调整架4上；所述第一二维调整架3和所述第二二维调整架4均可在x，y方向移动，x，y方向的移动量均为±1.5mm；
所述第一二维调整架3下方固定在第一一维平台5上；所述第二二维调整架4下方固定在第二一维平台6上；所述第一一维平台5受第一一维调整架标尺7和第一一维调整架8控制；所述第二一维平台6受第二一维调整架标尺9和第二一维调整架10控制；所述第一一维平台5和所述第二一维平台6均可在z方向移动，z轴的移动量为±3mm；
所述光学镜组封装在封闭式暗盒11中；如图2所示，所述光学镜组包括凸面相对放置的第一非球面镜12和第二非球面镜13；所述第一非球面镜12的焦距大于所述第二非球面镜13的焦距；所述第一非球面镜12的焦距为40mm；所述第二非球面镜13的焦距为26mm。
所述第一非球面镜12和第二非球面镜13分别通过封装圈20固定在所述封闭式暗盒11的内部空腔中，所述封装圈20与封闭式暗盒11之间通过螺栓固定。
所述第一一维调整架标尺和第二一维调整架标尺的端部分别与第一一维平台和第二一维平台相接触，从而推动第一一维平台和第二一维平台向中间移动；
所述第一二维调整架3与所述第一一维平台5之间以及所述第二二维调整架4与所述第二一维平台6之间均设置有第一垫块18；
所述第一一维平台5和所述第二一维平台6的下方均设置有回弹滑台19。所述第一一维平台5和所述第二一维平台6内部设置有弹簧，所述弹簧与回弹滑台19配合，可驱动所述第一一维平台5和所述第二一维平台6沿回弹滑台19向两侧(相互远离的方向)回弹。
实施例2
本实施例是在实施例1的基础上介绍其外盒结构。
一种光纤耦合器，还包括外盒14；所述光纤输入端口1、光纤输出端口2、第一二维调整架3、第二二维调整架4、第一一维平台5、第二一维平台6和封闭式暗盒11位于所述外盒14的内部空腔；第一一维调整架8和第二一维调整架10固定在所述外盒14的外侧壁上；所述第一一维调整架标尺7和第二一维调整架标尺9位于所述外盒14的外部，其端部穿过所述外盒14分别与第一一维平台5和第二一维平台6相接触，从而推动第一一维平台5、第二一维平台6向中间(相互靠近的方向)移动；
所述外盒14包括盒体14-1和底板14-2；所述盒体14-1和所述底板14-2之间通过螺栓连接；所述盒体14-1由铝合金整体数控加工完成，保证了调整时的精度要求，外观质量优于其它多维光学调整装置；所述底板14-2为磁性表座，便于在光学平台上固定位置。
如图3所示，所述盒体14-1的左右两侧开设有两个光纤孔15、四个二维调整孔16和两个一维调整孔17；两个光纤孔15分别对应光纤输入端口1和光纤输出端口2的位置；四个二维调整孔16分别对应第一二维调整架3和第二二维调整架4中四个调整钮的位置；两个一维调整孔17分别对应第一一维调整架标尺7和第二一维调整架标尺9的位置。
所述第一一维调整架8套装在第一一维调整架标尺7上，其侧面固定安装在所述盒体14-1侧壁上；所述第二一维调整架10套装在第二一维调整架标尺9上，其侧面固定安装在所述盒体14-1侧壁上。
所述封闭式暗盒11通过四个螺栓固定在盒体14-1的顶壁上。
实施例3
本实施例是在实施例1和2的基础上介绍其应用例。
将实施例2中介绍的光纤耦合器应用于芯径为365um+365um+550um+550um的四合一光纤与芯径为910um的单根光纤之间，将四方形对角排列的四路离轴激光耦合进入单根光纤中。
首先，安装光纤。将四合一光纤安装在光纤输入端口1；将单根光纤的入射端安装在光纤输出端口2；单根光纤的出射端架设功率计实时监测出射激光功率。
分别采集功率300mw左右的四路激光进行光纤耦合器性能测试。调整第一二维调整架3和第二二维调整架4，观测出射光斑形状和功率计计数，通过参考出射光斑形状(要求出射光斑均匀无暗区，外围无光环)将出射激光功率调整为最大值；固定第一二维调整架3和第二二维调整架4，调整第一一维调整架标尺7和第二一维调整架标尺9，按要求将出射激光功率调整为最大值；重复上述操作，反复优化三维平移台位置，将出射激光功率调整为最大值。
增大采光功率，模拟真实工况。将四路光纤的采光功率分别设定为1W、15W、30W、2W，由于功率提高，出射光斑光束质量变化导致的像点大小和焦距均有细微的变化，因此需要按照上文步骤继续优化出射激光功率。经调整优化，四合一光纤与单根光纤之间的耦合效率达到51％。
应用实施例1或2中的光纤耦合器，成功克服了①四路光纤的出射端光纤最大外径1100um(光纤四芯端面最大外径＝550um+550um)大于单根光纤的入射端光纤芯径910um；②四路光纤出射激光波长间隔最大200nm；③四路光纤出射激光功率最大差异高于一个数量级；④四路光纤呈四方形对角排列，出射激光需要离轴耦合等四个难点，成功将球面透镜装置的耦合效率提升了10个百分点，达到最大51％的耦合效率。较好的改善了由于耦合效率低导致的耦合器温升效应引起的像点光斑大小改变和焦距漂移的现象，提升了耦合系统的稳定性，为激光共振电离光谱实验的长时间考核提供有力支撑。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种光纤耦合器，其特征在于：包括光纤输入端口、光纤输出端口和固定安装在所述光纤输入端口与光纤输出端口之间的光学镜组；
所述光纤输入端口与四合一光纤相连，以输入四路离轴激光；
所述光纤输出端口与单根光纤相连，以输出耦合后的激光；
所述光纤输入端口安装在第一二维调整架上；所述光纤输出端口安装在第二二维调整架上；所述第一二维调整架固定在第一一维平台上；所述第二二维调整架固定在第二一维平台上；所述第一一维平台受第一一维调整架标尺和第一一维调整架控制；所述第二一维平台受第二一维调整架标尺和第二一维调整架控制；
所述光学镜组包括凸面相对放置的第一非球面镜和第二非球面镜；所述第一非球面镜的焦距大于所述第二非球面镜的焦距；
所述光学镜组封装在封闭式暗盒中；
所述第一非球面镜和第二非球面镜分别通过封装圈固定在所述封闭式暗盒的内部空腔中；所述封装圈与封闭式暗盒之间通过螺栓固定。
2.如权利要求1所述的光纤耦合器，其特征在于：所述第一非球面镜的焦距为40mm；所述第二非球面镜的焦距为26mm。
3.如权利要求1所述的光纤耦合器，其特征在于：所述第一二维调整架和所述第二二维调整架在x，y方向的移动量为±1.5mm；所述第一一维平台和所述第二一维平台在z轴的移动量为±3mm。
4.如权利要求3所述的光纤耦合器，其特征在于：所述第一二维调整架与所述第一一维平台之间以及所述第二二维调整架与所述第二一维平台之间均设置有第一垫块。
5.如权利要求4所述的光纤耦合器，其特征在于：所述第一一维调整架标尺和第二一维调整架标尺的端部分别与第一一维平台和第二一维平台相接触，从而推动第一一维平台和第二一维平台向中间移动；
所述第一一维平台和所述第二一维平台的下方均设置有回弹滑台，所述第一一维平台和所述第二一维平台内部设置有弹簧，所述弹簧与回弹滑台配合，驱动所述第一一维平台和所述第二一维平台沿回弹滑台向两侧回弹。
6.如权利要求1所述的光纤耦合器，其特征在于：还包括外盒；所述外盒包括盒体和底板；所述盒体和所述底板之间通过螺栓连接。
7.如权利要求6所述的光纤耦合器，其特征在于：所述底板为磁性表座。
8.如权利要求1-7任一项所述的光纤耦合器在将四路离轴激光耦合进入单根光纤中的应用。
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