CN116895997A - 基于空芯光纤的f-p腔及其调试与使用系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于空芯光纤的F‑P腔及其调试与使用系统和方法，所述F‑P腔包括第一弯月型镜片、空芯光纤和第二弯月型镜片，且第一弯月型镜片的凹陷侧、第二弯月型镜片的凹陷侧分别正对空芯光纤的前端、末端；所述第一弯月型镜片，用于将外部激光器发射的激光聚焦进入空芯光纤的纤芯和将空芯光纤前端出射的激光反射进入空芯光纤的纤芯；所述空芯光纤，用作F‑P腔的物理腔，其传输带宽覆盖激光及信号光波段；所述第二弯月型镜片，用于将空芯光纤末端出射的信号光准直和将空芯光纤末端出射的激光反射进入空芯光纤的纤芯。本发明的物理腔长可根据实际应用需求调节、激光及信号光的耦合效率高、可实现的F‑P腔内功率高、精细度高等。
Description
技术领域
本发明属于法布里-珀罗光学谐振腔领域，更具体地，涉及基于空芯光纤的F-P腔及其调试与使用系统和方法。
背景技术
法布里-珀罗光学谐振腔(简称“F-P腔”)在激光器、光学计量和(温度、压力、气体等)传感等领域具有非常广泛的应用。传统的自由空间型F-P腔受限于其光学结构，物理腔长通常小于50cm，为实现窄线宽的光谱输出，必须采用具有超高反射率的光学镜片(＞0.9999)作为腔镜，导致光学对准困难、系统稳定性要求极高，且成本较高。
公开号为CN108801946B，发明名称为法布里-珀罗谐振腔光纤传感器及其制造和气体检测方法的专利公开了一种全光纤型F-P腔气体传感器，其由空芯光子带隙光纤与两段端面镀有介质膜的单模光纤组合形成，无需复杂的对准光学系统，且传感器体积小、气体需求量小、适用性广。但其需要在单模光纤端面镀膜，器件制备及组装过程复杂；单模光纤与空芯光纤通过套管连接并进行胶固，无法主动调节光路对准；单模光纤与空芯光纤之间可能存在模式匹配问题，导致激光及信号光的耦合效率低；单模光纤可承受的激光损伤阈值较低，限制了F-P腔内高功率的实现；此外，该全光纤型F-P腔可实现的精细度最高为128，精细度较低。
发明内容
为解决现有技术中存在的不足，本发明提供基于空芯光纤的F-P腔及其调试与使用系统和方法。
本发明采用如下的技术方案。
基于空芯光纤的F-P腔，包括第一弯月型镜片、空芯光纤和第二弯月型镜片，且第一弯月型镜片的凹陷侧、第二弯月型镜片的凹陷侧分别正对空芯光纤的前端、末端；
所述第一弯月型镜片，用于将外部激光器发射的激光聚焦进入空芯光纤的纤芯和将空芯光纤前端出射的激光反射进入空芯光纤的纤芯；
所述空芯光纤，用作F-P腔的物理腔，其传输带宽覆盖激光及信号光波段；
所述第二弯月型镜片，用于将空芯光纤末端出射的信号光准直和将空芯光纤末端出射的激光反射进入空芯光纤的纤芯。
优选地，第一弯月型镜片的凸出侧与第二弯月型镜片的凸出侧均镀有覆盖激光及信号光波段的增透膜，透过率不低于0.995。
优选地，第一弯月型镜片的凹陷侧与第二弯月型镜片的凹陷侧均镀有针对激光波长的高反膜，第一弯月型镜片凹陷侧所镀的高反膜对信号光波段的反射率高于0.995，第一弯月型镜片凹陷侧所镀的高反膜对信号光波段的反射率低于0.005。
优选地，第一弯月型镜片凹陷侧与第二弯月型镜片凹陷侧的曲率半径r1均通过激光波长λ、空芯光纤直径d、镜片凹陷中心的表面距离空芯光纤端面的距离l确定，具体为：r1＝l+π2d4λ2。
优选地，第一弯月型镜片凸出侧与第二弯月型镜片凸出侧的曲率半径r2均通过镜片材质的折射率nL，镜片凸出侧的介质折射率nOS，镜片凹陷侧的介质折射率nIS，镜片凹陷侧的曲率半径为r1，镜片中心处的厚度t，以及镜片的有效焦距f确定，具体公式为：
优选地，镜片的有效焦距f为：
其中，λ、D、DMFD分别为激光波长、激光在镜片中心处的光斑大小、空芯光纤的模场直径。
优选地，空芯光纤为空芯镀银毛细管、空芯光子带隙光纤或空芯反谐振光纤。
一种基于空芯光纤的F-P腔的调试与使用系统，包括激光器、光纤环形器、第一光纤准直器、第一功率探测器、第二功率探测器、第二光纤准直器、单模光纤、第三功率探测器和光纤光谱仪；
激光器、光纤环形器、第一光纤准直器、第一弯月型镜片、空芯光纤、第二功率探测器、第二弯月型镜片、第二光纤准直器、单模光纤、第三功率探测器和光纤光谱仪依次设置在同一光路上；
所述激光器，用于F-P腔调试与使用的激光源；
所述光纤环形器，用于引导激光器发射的激光到F-P腔和从F-P腔出射的激光到第一功率探测器；
所述第一光纤准直器，用于将光纤环形器发射的激光准直成平行光；
所述第一功率探测器，用于探测从空芯光纤前端出射并经第一弯月型镜片和第一光纤准直器耦合进入光纤环形器的激光功率，为调节第二弯月型镜片的空间位置及俯仰、偏摆角度提供指导；
所述第二功率探测器，用于探测从空芯光纤末端出射的激光功率，为调节第一弯月型镜片的空间位置及俯仰、偏摆角度提供指导；
所述第二光纤准直器，用于将空芯光纤末端出射、并经第二弯月型镜片准直后的激光和信号光聚焦进入单模光纤的纤芯。
所述单模光纤，用于将第二光纤准直器聚焦后的激光和信号光传输到第三功率探测器；
所述第三功率探测器，用于探测从空芯光纤末端出射并经第二弯月型镜片准直、第二光纤准直器聚焦后进入单模光纤纤芯的激光功率，为调节第二光纤准直器的空间位置及俯仰、偏摆角度提供指导；
所述光纤光谱仪，用于记录和分析F-P腔输出的光谱。
优选地，所述激光器为光纤激光器，其波长典型值包括532nm、635nm、638nm、785nm、1064nm、1550nm，且波长包括在第一弯月型镜片的凹陷侧所镀高反膜的波长范围之内；
所述第一功率探测器、第二功率探测器和第三功率探测器的探测波长均覆盖所用激光及信号光波段。
优选地，光纤环形器配有a、b、c三个端口，激光若从a端口进，则从b端口出；若从b端口进，则从c端口出，其中，仅a、b端口设于激光器发射的激光路径上，且a、b、c端口分别正对激光器发射端口、第一光纤准直器、第一功率探测器探测口。
一种基于空芯光纤的F-P腔的调试与使用方法，包括以下步骤：
步骤1：激光器输出的激光经光纤环形器达到第一光纤准直器并经第一光纤准直器准直成平行光，再经第一弯月型镜片聚焦后进入空芯光纤，第二功率探测器探测从空芯光纤末端出射的激光功率；
调节第一弯月型镜片的空间位置及俯仰、偏摆角度，实时观测第二功率探测器的功率读数，在数值最大时结束调节并将第一弯月型镜片固定；
步骤2：移除第二功率探测器，调节第二弯月型镜片的空间位置及俯仰、偏摆角度，第一功率探测器探测从空芯光纤前端出射并经第一弯月型镜片和第一光纤准直器耦合进入光纤环形器的激光功率；
实时观测第一功率探测器的功率读数，在数值最大时结束调节并将第二弯月型镜片固定；
步骤3：调节第二光纤准直器的空间位置及俯仰、偏摆角度，第三功率探测器探测从空芯光纤末端出射并经第二弯月型镜片准直、第二光纤准直器聚焦后进入单模光纤纤芯的激光功率，实时观测第三功率探测器的功率读数，在数值最大时结束调节并将第二光纤准直器固定；
步骤4：移除第三功率探测器，将单模光纤的末端连接至光纤光谱仪，记录和分析F-P腔输出的光谱。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明的物理腔长可根据实际应用需求调节(最大腔长受限于空芯光纤对激光的传输损耗，通常可达数十米至数百米)、激光及信号光的耦合效率高(＞0.99)、可实现的F-P腔内功率高(最大功率受限于空芯光纤对激光的损伤阈值，通常为数百瓦特)、精细度高(受限于腔镜反射率，实施例中精细度＞3000)等，解决了现有F-P腔技术中自由空间及全光纤型F-P腔存在的物理腔长短、激光及信号光耦合效率低、腔内功率低、腔精细度低等问题。
附图说明
图1为本发明基于空芯光纤的F-P腔的结构示意图；
图2为本发明基于空芯光纤的F-P腔的构建方法示意图；
附图标记为：1-第一弯月型镜片、2-空芯光纤、3-第二弯月型镜片、4-激光器、5-光纤环形器、6-第一光纤准直器、7-第一功率探测器、8-第二功率探测器、9-第二光纤准直器、10-单模光纤、11-第三功率探测器和12-光纤光谱仪。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。本申请所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部实施例。基于本发明精神，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的有所其它实施例，都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明实施例1提供基于空芯光纤的F-P腔，包括第一弯月型镜片1(即镜面截面为弯月型)、空芯光纤2和第二弯月型镜片3，且第一弯月型镜片1的凹陷侧、第二弯月型镜片3的凹陷侧分别正对空芯光纤2的前端、末端，其中,弯月型镜片同时起到(聚焦/准直)透镜和反射腔镜的作用。
所述第一弯月型镜片1，用于将外部激光器4发射的激光耦合(聚焦)进入空芯光纤2的纤芯和将空芯光纤2前端出射的激光耦合(反射)进入空芯光纤2的纤芯，同时起到聚焦透镜和反射腔镜的作用。
进一步优选地，对于第一弯月型镜片1，弯月型镜片凸出侧镀有覆盖激光及信号光波段的增透膜，透过率不低于0.995；
镜片凹陷侧镀有针对激光波长的高反膜，反射率可根据实际应用的需求定制，典型值包括但不限于0.90，0.95，0.99，0.995，0.999，0.9995，0.9999等；
镜片凹陷侧的镀膜对信号光波段的反射率存在两种情况，或低于0.005，或高于0.995，具体情况根据实际应用需求而定。
上述激光及信号光的波段也根据实际应用需求而定，如针对气体拉曼光谱检测，激光的波长选取为532nm，信号光(气体拉曼散射光)的波段为550～700nm。
弯月型镜片凹陷侧的曲率半径为r1，其与激光波长λ、空芯光纤2直径d、镜片凹陷中心的表面距离空芯光纤2端面的距离l有关，具体为r1＝l+π2d4λ2；
镜片凸出侧的曲率半径为r2，其与镜片材质的折射率nL，镜片凸出侧的介质折射率nOS，镜片凹陷侧的介质折射率nIS，镜片凹陷侧的曲率半径为r1，镜片中心处的厚度t，以及镜片的有效焦距f有关，具体为
其中，镜片的有效焦距f，与激光波长λ、激光在镜片中心处的光斑大小D、空芯光纤2的模场直径DMFD等参数，具体为
所述空芯光纤2，用作F-P腔的物理腔，其传输带宽覆盖激光及信号光波段，具体可为空芯镀银毛细管、空芯光子带隙光纤(HC-PBGF)、空芯反谐振光纤(HC-ARF)等。
进一步优选地，空芯光纤2具体可为空芯镀银毛细管、空芯光子带隙光纤(HC-PBGF)、空芯反谐振光纤(HC-ARF)等；空芯光纤2长度、激光及信号光的波段根据实际应用的需求而定。
所述第二弯月型镜片3，用于将空芯光纤2末端出射的信号光准直和将空芯光纤2末端出射的激光耦合(反射)进入空芯光纤2的纤芯，同时起到准直透镜和反射腔镜的作用。
进一步优选地，对于第二弯月型镜片3，弯月型镜片凸出侧镀有覆盖激光及信号光波段的增透膜，透过率不低于0.995；
镜片凹陷侧镀有针对激光波长的高反膜，反射率可根据实际应用的需求定制，镀膜对激光的反射率典型值包括但不限于0.90，0.95，0.99，0.995，0.999，0.9995，0.9999等；
镜片凹陷侧的镀膜对信号光波段的反射率存在两种情况，或低于0.005，或高于0.995，具体情况根据实际应用需求而定,即一个弯月型镜片凹陷侧的镀膜对信号光波段的反射率低于0.005，另一个弯月型镜片凹陷侧的镀膜对信号光波段的反射率高于0.995，应用时收集光路置于对信号光波段反射率低的镜片方向。对于本实施中,第一弯月型镜片1凹陷侧所镀的高反膜对信号光波段的反射率高于0.995，第一弯月型镜片3凹陷侧所镀的高反膜对信号光波段的反射率低于0.005。
上述激光及信号光的波段也根据实际应用需求而定。
弯月型镜片凹陷侧的曲率半径为r1，其与激光波长λ、空芯光纤2直径d、镜片凹陷中心的表面距离空芯光纤2端面的距离l有关，具体为r1＝l+π2d4λ2；
镜片凸出侧的曲率半径为r2，其与镜片材质的折射率nL，镜片凸出侧的介质折射率nOS，镜片凹陷侧的介质折射率nIS，镜片凹陷侧的曲率半径为r1，镜片中心处的厚度t，以及镜片的有效焦距f有关，具体为
其中，镜片的有效焦距f，与激光波长λ、激光在镜片中心处的光斑大小D、空芯光纤2的模场直径DMFD等参数，具体为
如图2所示，本发明实施例2提供所述一种上述基于空芯光纤的法布里-珀罗光学谐振腔的调试与使用系统，包括激光器4、光纤环形器5、第一光纤准直器6、第一功率探测器7、第二功率探测器8、第二光纤准直器9、单模光纤10、第三功率探测器11和光纤光谱仪12；
进一步优选地，光纤环形器5配有a、b、c三个端口，激光若从a端口进，则从b端口出；若从b端口进，则从c端口出；
激光器4、光纤环形器5的a、b端口、第一光纤准直器6、第一弯月型镜片1、空芯光纤2、第二功率探测器8、第二弯月型镜片3、第二光纤准直器9、单模光纤10、第三功率探测器11和光纤光谱仪12依次设置在同一光路上，第一功率探测器7探测口正对光纤环形器5的c端口；
所述激光器4为光纤激光器，用于F-P腔调试与使用的激光源。其波长根据实际应用需求而定，典型值包括但不限于532nm、635nm、638nm、785nm、1064nm、1550nm等，且波长包括在第一弯月型镜片1的凹陷侧所镀高反膜的波长范围之内；
所述光纤环形器5，用于引导激光器4发射的激光到F-P腔和从F-P腔出射的激光到第一功率探测器7。
所述第一光纤准直器6，用于将光纤环形器5发射的激光准直成平行光。
所述第一功率探测器7，用于探测从空芯光纤2前端出射并经第一弯月型镜片1和第一光纤准直器6耦合进入光纤环形器5b端口并从c端口输出的激光功率，为调节第二弯月型镜片3的空间位置(x、y、z轴位移)及俯仰、偏摆等角度提供指导。其探测波长覆盖所用激光及信号光波段。
所述第二功率探测器8，用于探测从空芯光纤2末端出射的激光功率，为调节第一弯月型镜片1的空间位置(x、y、z轴位移)及俯仰、偏摆等角度提供指导。其探测波长覆盖所用激光及信号光波段。
所述第二光纤准直器9，用于将空芯光纤2末端出射、并经第二弯月型镜片3准直后的激光和信号光聚焦进入单模光纤10的纤芯。
所述单模光纤10，用于将第二光纤准直器9聚焦后的激光和信号光传输到第三功率探测器11。
所述第三功率探测器11，用于探测从空芯光纤2末端出射并经第二弯月型镜片3准直、第二光纤准直器9聚焦后进入单模光纤10纤芯的激光功率，为调节第二光纤准直器9的空间位置(x、y、z轴位移)及俯仰、偏摆等角度提供指导。其探测波长覆盖所用激光及信号光波段。
所述光纤光谱仪12，用于记录和分析F-P腔输出的光谱。
本发明实施例3提供一种上述基于空芯光纤的法布里-珀罗光学谐振腔的调试与使用方法，具体步骤包括：
步骤1：激光器4输出的激光从光纤环形器5的a端口进、b端口出，经第一光纤准直器6准直成平行光，再经第一弯月型镜片1聚焦后进入空芯光纤2，第二功率探测器8探测从空芯光纤2末端出射的激光功率；
调节第一弯月型镜片1的空间位置(x、y、z轴位移)及俯仰、偏摆等角度，实时观测第二功率探测器8的功率读数，在数值最大时结束调节并将第一弯月型镜片1固定；
步骤2：移除第二功率探测器8，调节第二弯月型镜片3的空间位置(x、y、z轴位移)及俯仰、偏摆等角度，第一功率探测器7探测从空芯光纤2前端出射并经第一弯月型镜片1和第一光纤准直器6耦合进入光纤环形器5b端口并从c端口输出的激光功率；
实时观测第一功率探测器7的功率读数，在数值最大时结束调节并将第二弯月型镜片3固定；
步骤3：调节第二光纤准直器9的空间位置(x、y、z轴位移)及俯仰、偏摆等角度，第三功率探测器11探测从空芯光纤2末端出射并经第二弯月型镜片3准直、第二光纤准直器9聚焦后进入单模光纤10纤芯的激光功率，实时观测第三功率探测器11的功率读数，在数值最大时结束调节并将第二光纤准直器9固定；
步骤4：移除第三功率探测器11，将单模光纤10的末端连接至光纤光谱仪12，记录和分析F-P腔输出的光谱。
本发明提供实施例4对上述方案进行精细度验证：
实施例4中，激光器4的波长为532nm；空芯光纤2的纤芯直径为26μm，光纤长度为20m；对于第一弯月型镜片1和第二弯月型镜片3：弯月型镜片的材质为熔融石英(折射率nL为1.458)，镜片两侧均为空气(折射率nOS与nIS均为1.0003)，镜片中心处的厚度t为4mm，镜片的有效焦距f为60mm，镜片的曲率半径r1为60mm、r2为19.3mm，镜片凹陷中心的表面距离空芯光纤2端面的距离l为60mm；镜片对激光的反射率不低于0.999。
具体地，激光器4输出的激光经光纤环形器5的a端口进、b端口出，经第一光纤准直器6准直成平行光，再经第一弯月型镜片1聚焦后进入空芯光纤2。调节第一弯月型镜片1的空间位置(x、y、z轴位移)及俯仰、偏摆等角度，实时观测第二功率探测器8的功率读数，在数值最大时结束调节并将第一弯月型镜片1固定；移除第二功率探测器8，调节第二弯月型镜片3的空间位置(x、y、z轴位移)及俯仰、偏摆等角度，实时观测第一功率探测器7的功率读数，在数值最大时结束调节并将第二弯月型镜片3固定；调节第二光纤准直器9的空间位置(x、y、z轴位移)及俯仰、偏摆等角度，实时观测第三功率探测器11的功率读数，在数值最大时结束调节并将第二光纤准直器9固定；移除第三功率探测器11，将单模光纤10的末端连接至光纤光谱仪12，记录和分析F-P腔输出的光谱。本实施例4实现了激光及信号光的耦合效率高于99.5％，F-P腔的精细度为3016，F-P腔内激光功率的增强倍数为1920。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明的物理腔长可根据实际应用需求调节(最大腔长受限于空芯光纤对激光的传输损耗，通常可达数十米至数百米)、激光及信号光的耦合效率高(＞0.99)、可实现的F-P腔内功率高(最大功率受限于空芯光纤对激光的损伤阈值，通常为数百瓦特)、精细度高(受限于腔镜反射率，实施例中精细度＞3000)等，解决了现有F-P腔技术中自由空间及全光纤型F-P腔存在的物理腔长短、激光及信号光耦合效率低、腔内功率低、腔精细度低等问题。
本公开可以是系统、方法和/或计算机程序产品。计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质，其上载有用于使处理器实现本公开的各个方面的计算机可读程序指令。
计算机可读存储介质可以是可以保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以是――但不限于――电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意合适的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、静态随机存取存储器(SRAM)、便携式压缩盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能盘(DVD)、记忆棒、软盘、机械编码设备、例如其上存储有指令的打孔卡或凹槽内凸起结构、以及上述的任意合适的组合。这里所使用的计算机可读存储介质不被解释为瞬时信号本身，诸如无线电波或者其它自由传播的电磁波、通过波导或其它传输媒介传播的电磁波(例如，通过光纤电缆的光脉冲)、或者通过电线传输的电信号。
这里所描述的计算机可读程序指令可以从计算机可读存储介质下载到各个计算/处理设备，或者通过网络、例如因特网、局域网、广域网和/或无线网下载到外部计算机或外部存储设备。网络可以包括铜传输电缆、光纤传输、无线传输、路由器、防火墙、交换机、网关计算机和/或边缘服务器。每个计算/处理设备中的网络适配卡或者网络接口从网络接收计算机可读程序指令，并转发该计算机可读程序指令，以供存储在各个计算/处理设备中的计算机可读存储介质中。
用于执行本公开操作的计算机程序指令可以是汇编指令、指令集架构(ISA)指令、机器指令、机器相关指令、微代码、固件指令、状态设置数据、或者以一种或多种编程语言的任意组合编写的源代码或目标代码，所述编程语言包括面向对象的编程语言—诸如Smalltalk、C++等，以及常规的过程式编程语言—诸如“C”语言或类似的编程语言。计算机可读程序指令可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络—包括局域网(LAN)或广域网(WAN)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。在一些实施例中，通过利用计算机可读程序指令的状态信息来个性化定制电子电路，例如可编程逻辑电路、现场可编程门阵列(FPGA)或可编程逻辑阵列(PLA)，该电子电路可以执行计算机可读程序指令，从而实现本公开的各个方面。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (11)
1.基于空芯光纤的F-P腔，包括第一弯月型镜片(1)、空芯光纤(2)和第二弯月型镜片(3)，且第一弯月型镜片(1)的凹陷侧、第二弯月型镜片(3)的凹陷侧分别正对空芯光纤(2)的前端、末端，其特征在于：
所述第一弯月型镜片(1)，用于将外部激光器(4)发射的激光聚焦进入空芯光纤(2)的纤芯和将空芯光纤(2)前端出射的激光反射进入空芯光纤(2)的纤芯；
所述空芯光纤(2)，用作F-P腔的物理腔，其传输带宽覆盖激光及信号光波段；
所述第二弯月型镜片(3)，用于将空芯光纤(2)末端出射的信号光准直和将空芯光纤(2)末端出射的激光反射进入空芯光纤(2)的纤芯。
2.根据权利要求1所述的基于空芯光纤的F-P腔，其特征在于：
第一弯月型镜片(1)的凸出侧与第二弯月型镜片(3)的凸出侧均镀有覆盖激光及信号光波段的增透膜，透过率不低于0.995。
3.根据权利要求1所述的基于空芯光纤的F-P腔，其特征在于：
第一弯月型镜片(1)的凹陷侧与第二弯月型镜片(3)的凹陷侧均镀有针对激光波长的高反膜，第一弯月型镜片(1)凹陷侧所镀的高反膜对信号光波段的反射率高于0.995，第一弯月型镜片(3)凹陷侧所镀的高反膜对信号光波段的反射率低于0.005。
4.根据权利要求1所述的基于空芯光纤的F-P腔，其特征在于：
第一弯月型镜片(1)凹陷侧与第二弯月型镜片(3)凹陷侧的曲率半径r1均通过激光波长λ、空芯光纤(2)直径d、镜片凹陷中心的表面距离空芯光纤(2)端面的距离l确定，具体为：r1＝l+π2d4λ2。
5.根据权利要求1所述的基于空芯光纤的F-P腔，其特征在于：
第一弯月型镜片(1)凸出侧与第二弯月型镜片(3)凸出侧的曲率半径r2均通过镜片材质的折射率nL，镜片凸出侧的介质折射率nOS，镜片凹陷侧的介质折射率nIS，镜片凹陷侧的曲率半径为r1，镜片中心处的厚度t，以及镜片的有效焦距f确定，具体公式为：
6.根据权利要求5所述的基于空芯光纤的F-P腔，其特征在于：
镜片的有效焦距f为：
其中，λ、D、DMFD分别为激光波长、激光在镜片中心处的光斑大小、空芯光纤(2)的模场直径。
7.根据权利要求1所述的基于空芯光纤的F-P腔，其特征在于：
空芯光纤(2)为空芯镀银毛细管、空芯光子带隙光纤或空芯反谐振光纤。
8.一种根据权利要求1-7任一项所述的基于空芯光纤的F-P腔的调试与使用系统，其特征在于：包括激光器(4)、光纤环形器(5)、第一光纤准直器(6)、第一功率探测器(7)、第二功率探测器(8)、第二光纤准直器(9)、单模光纤(10)、第三功率探测器(11)和光纤光谱仪(12)；
激光器(4)、光纤环形器(5)、第一光纤准直器(6)、第一弯月型镜片(1)、空芯光纤(2)、第二功率探测器(8)、第二弯月型镜片(3)、第二光纤准直器(9)、单模光纤(10)、第三功率探测器(11)和光纤光谱仪(12)依次设置在同一光路上；
所述激光器(4)，用于F-P腔调试与使用的激光源；
所述光纤环形器(5)，用于引导激光器(4)发射的激光到F-P腔和从F-P腔出射的激光到第一功率探测器(7)；
所述第一光纤准直器(6)，用于将光纤环形器(5)发射的激光准直成平行光；
所述第一功率探测器(7)，用于探测从空芯光纤(2)前端出射并经第一弯月型镜片(1)和第一光纤准直器(6)耦合进入光纤环形器(5)的激光功率，为调节第二弯月型镜片(3)的空间位置及俯仰、偏摆角度提供指导；
所述第二功率探测器(8)，用于探测从空芯光纤(2)末端出射的激光功率，为调节第一弯月型镜片(1)的空间位置及俯仰、偏摆角度提供指导；
所述第二光纤准直器(9)，用于将空芯光纤(2)末端出射、并经第二弯月型镜片(3)准直后的激光和信号光聚焦进入单模光纤(10)的纤芯。
所述单模光纤(10)，用于将第二光纤准直器(9)聚焦后的激光和信号光传输到第三功率探测器(11)；
所述第三功率探测器(11)，用于探测从空芯光纤(2)末端出射并经第二弯月型镜片(3)准直、第二光纤准直器(9)聚焦后进入单模光纤(10)纤芯的激光功率，为调节第二光纤准直器(9)的空间位置及俯仰、偏摆角度提供指导；
所述光纤光谱仪(12)，用于记录和分析F-P腔输出的光谱。
9.根据权利要求8所述的调试与使用系统，其特征在于：
所述激光器(4)为光纤激光器，其波长典型值包括532nm、635nm、638nm、785nm、1064nm、1550nm，且波长包括在第一弯月型镜片(1)的凹陷侧所镀高反膜的波长范围之内；
所述第一功率探测器(7)、第二功率探测器(8)和第三功率探测器(11)的探测波长均覆盖所用激光及信号光波段。
10.根据权利要求8所述的调试与使用系统，其特征在于：
光纤环形器(5)配有a、b、c三个端口，激光若从a端口进，则从b端口出；若从b端口进，则从c端口出，其中，仅a、b端口设于激光器(4)发射的激光路径上，且a、b、c端口分别正对激光器(4)发射端口、第一光纤准直器(6)、第一功率探测器(7)探测口。
11.一种根据权利要求1-7任一项所述的基于空芯光纤的F-P腔的调试与使用方法，其特征在于：
所述方法包括以下步骤：
步骤1：激光器(4)输出的激光经光纤环形器(5)达到第一光纤准直器(6)并经第一光纤准直器(6)准直成平行光，再经第一弯月型镜片(1)聚焦后进入空芯光纤(2)，第二功率探测器(8)探测从空芯光纤(2)末端出射的激光功率；
调节第一弯月型镜片(1)的空间位置及俯仰、偏摆角度，实时观测第二功率探测器(8)的功率读数，在数值最大时结束调节并将第一弯月型镜片(1)固定；
步骤2：移除第二功率探测器(8)，调节第二弯月型镜片(3)的空间位置及俯仰、偏摆角度，第一功率探测器(7)探测从空芯光纤(2)前端出射并经第一弯月型镜片(1)和第一光纤准直器(6)耦合进入光纤环形器(5)的激光功率；
实时观测第一功率探测器(7)的功率读数，在数值最大时结束调节并将第二弯月型镜片(3)固定；
步骤3：调节第二光纤准直器(9)的空间位置及俯仰、偏摆角度，第三功率探测器(11)探测从空芯光纤(2)末端出射并经第二弯月型镜片(3)准直、第二光纤准直器(9)聚焦后进入单模光纤(10)纤芯的激光功率，实时观测第三功率探测器(11)的功率读数，在数值最大时结束调节并将第二光纤准直器(9)固定；
步骤4：移除第三功率探测器(11)，将单模光纤(10)的末端连接至光纤光谱仪(12)，记录和分析F-P腔输出的光谱。
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| CN202310649572.1A CN116895997A (zh) | 2023-06-02 | 2023-06-02 | 基于空芯光纤的f-p腔及其调试与使用系统和方法 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117433747A (zh) * | 2023-12-11 | 2024-01-23 | 中国电子科技集团公司第四十六研究所 | 一种有源光纤吸收系数测试装置及测试方法 |
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2023
- 2023-06-02 CN CN202310649572.1A patent/CN116895997A/zh active Pending
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