CN117782545A - 一种透镜光纤检测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种透镜光纤检测方法及装置。所述方法包括以下步骤：(1)对于正对光束分析仪感光平面的待测透镜光纤接通测试光源；(2)采用光束分析仪，获取距离待测透镜光纤端面不同位置且与待测透镜光纤的光纤轴垂直的测试平面上，测试光光斑的半高宽、以及光斑中心位置；(3)根据不同平面上测试光光斑的半高宽、以及光斑中心位置，拟合空间内光斑的半高宽、以及光斑中心所在的直线；(4)根据半高宽所在的直线与光斑中心所在的直线的夹角关系及夹角大小获取待测透镜光纤的发散角以及偏轴度。本发明大幅提高透镜光纤测试效率，适合高通量、自动化的透镜光纤测试。
Description
技术领域
本发明属于光器件领域，更具体地，涉及一种透镜光纤检测方法及装置。
背景技术
透镜光纤是半导体激光器关键元件，一般在光纤端面加工球面或柱面透镜，激光通过端面透镜直接耦合进光纤，相比分立的透镜耦合，器件结构更加紧凑。透镜光纤有两个重要的参数,影响光器件的装配和性能,即偏轴度和发散角：
透镜端面加工过程中，可能会出现透镜偏离中心的情况，若从透镜光纤向外发射光线，会导致发射光偏离光纤轴线，即为偏轴度，由于光路可逆，影响透镜光纤耦合效率。
从透镜光纤向外发射光线，光线先汇聚到焦点再发散，一般由光斑半高宽(FWHM)直径到束腰距离，可计算发散角，不同曲率半径对应不同的发散角，曲率半径越大，发散角越小，曲率半径越小，发散角越大。当发散角与激光模场匹配时，可获得较高的耦合效率。光斑的椭圆度、高斯拟合度等参数同样能反应透镜加工质量。
常规测试方法一般分别测试发散角、偏轴，需要分别校准调整光路，效率低，不利于大批量生产测试需求。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种透镜光纤检测方法及装置，其目的在于通过一次调试，进行空间几何测算，同步测试透镜光纤发散角与偏轴度参数，由此解决现有的透镜光纤检测方法，对透镜光纤发散角与偏轴度参数需要分别测试、多次调试或者反复调整光纤姿态的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种透镜光纤检测装置，包括光束分析仪，以及光纤夹具；
所述光纤夹具装夹光纤后，使所述光纤的光纤轴垂直于所述光束分析仪的感光平面；
所述光纤夹具相对于所述光束分析仪仅在四个维度上可调，分别为：三轴平移以及光纤绕其光纤轴旋转。
按照本发明的另一方面，提供了一种透镜光纤检测方法，包括以下步骤：
(1)对于正对光束分析仪感光平面的待测透镜光纤接通测试光源；
(2)采用光束分析仪，获取距离待测透镜光纤端面不同位置且与待测透镜光纤的光纤轴垂直的测试平面上，测试光光斑的半高宽、以及光斑中心位置；
(3)根据步骤(2)获得的不同平面上测试光光斑的半高宽、以及光斑中心位置，拟合空间内光斑的半高宽、以及光斑中心所在的直线；
(4)根据步骤(3)获得的半高宽所在的直线与步骤(3)获得的光斑中心所在的直线的夹角关系及夹角大小获取待测透镜光纤的发散角以及偏轴度。
优选地，所述透镜光纤检测方法，其步骤(2)所述不同位置的测试平面处于近点与远点之间，所述近点处测试平面的光斑直径在300～1000um，所述近点与远点之间的距离在2.5mm至10mm之间。
优选地，所述透镜光纤检测方法，其步骤(1)使正对光束分析仪感光平面的待测透镜光纤在空间内平移，使得其光纤轴与其相对于光束分析仪的运动方向平行。
优选地，所述透镜光纤检测方法，其以光束分析仪的坐标系作为拟合空间的XYZ三轴坐标系，以XY平面为测试平面；
步骤(1)旋转光纤，使得光斑的慢轴、快轴分别与X轴、Y轴平行或使得光斑的慢轴、快轴分别与Y轴、X轴平行；
步骤(2)在不同XY平面上分别获得慢轴和快轴的光斑的半高宽RXn、RYn、以及光斑中心位置(Xn，Yn)。
优选地，所述透镜光纤检测方法，其步骤(3)利用两个测试平面之间的几何关系拟合空间内光斑的半高宽、以及光斑中心所在的直线。
优选地，所述透镜光纤检测方法，其步骤(4)利用测试平面XYn和测试平面XYn+1内，测试结果计算：
待测透镜光纤偏轴度θ为：
θ＝arctan(((Xn+1-Xn)2+(Yn+1-Yn)2)1/2/ΔL)
待测透镜光纤发散角为：
θX＝arctan((|RXn+1-RXn|+|Xn+1-Xn|)/ΔL)+arctan((|RXn+1-RXn|-|Xn+1-Xn|)/ΔL)；
θy＝arctan((|Ryn+1-Ryn|+|yn+1-yn|)/ΔL)+arctan((|Ryn+1-Ryn|-|yn+1-yn|)/ΔL))；
其中，(Xn，Yn)为测试平面XYn内光斑中心位置，(Xn+1，Yn+1)为测试平面XYn+1内光斑中心位置；RXn+1为测试平面XYn+1内X方向的测试光光斑的半高宽，RXn为测试平面XYn内X方向的测试光光斑的半高宽；Ryn+1为测试平面XYn+1内Y方向的测试光光斑的半高宽，Ryn为测试平面XYn内Y方向的测试光光斑的半高宽；ΔL为测试平面XYn与测试平面XYn+1在Z轴上的距离；θX为慢轴或快轴的发散角，θy为快轴或慢轴的发散角。
优选地，所述透镜光纤检测方法，其有3个或3个以上的测试平面，将多个由两不同测试平面计算获得的偏轴度和发散角的平均值作为待测透镜光纤的偏轴度和发散角。
优选地，所述透镜光纤检测方法，其应用本发明提供的透镜光纤检测装置。
优选地，所述透镜光纤检测方法，其步骤(1)按照如下方法使得待测透镜光纤正对光束分析仪感光平面：
以平面标准光纤作为校准光纤，调试光纤夹具与所述光束分析仪感光平面的相对姿态，使得：
所述校准光纤的沿其光纤轴所在直线相对于所述光束分析仪运动预设的距离时，光斑中心偏移的距离在预设的阈值之内；且
旋转光纤一周，最小椭圆度在预设的椭圆度阈值之上且光斑中心偏移量在预设的阈值之下；
则固定夹具并将校准光纤替换为待测透镜光纤。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
本发明提供的透镜光纤检测方法，通过一次待测透镜光纤装夹和调试，即可通光束分析仪与待测透镜光纤的相对距离改变，利用空间几何关系，同步测试透镜光纤发散角与偏轴度，集成度高、测试精度高的同时，大幅提高透镜光纤测试效率，适合高通量、自动化的透镜光纤测试。
本发明提供的透镜光纤检测装置结构简单，为简化发明，利用了光束分析仪实时测量高斯光束的能量的场强分布的特性，可以一次性测出透镜光纤的快轴和慢轴的发散角、偏轴度，弥补了现有测试方法只能单一测试或同步测试精度不高的问题，并且简化了调整维度，仅保留四个维度的调整，即可实现同步测试透镜光纤发散角与偏轴度的功能。
附图说明
图1是本发明实施例1提供透镜光纤检测方法利用几何关系测试发散角、偏轴度的测试原理图；
图2是本发明实施例2提供的透镜光纤检测装置结构示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-三维位移台、2-光纤旋转夹具、3-光束分析仪、4-电动直线位移台、5-陶瓷插芯。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供的透镜光纤检测方法，一般以光束分析仪的坐标系作为拟合空间的XYZ三轴坐标系，以XY平面为测试平面；包括以下步骤：
(1)对于正对光束分析仪感光平面的待测透镜光纤接通测试光源；
待测透镜光纤正对光束分析仪感光平面，即待测透镜光纤的光纤轴垂直于光束分析仪感光平面；
可以通过与光束分析仪相对姿态固定的光纤夹具实现待测透镜光纤正对光束分析仪感光平面的姿态，这样减少调整待测光纤所需的步骤，无需调整光纤夹持的俯仰及偏转角度使光纤的光纤轴与测试时运动方向平行，仅需要使光斑以固定的姿态处于光束分析仪感光平面特定的位置，一次测试即可得到偏轴度和发散角，调试步骤简单，适用于本发明提供的透镜光纤检测装置。
对于通用型的六轴调整光纤夹具，亦可通过以下方法，应用平面光纤作为校准光纤，调试光纤夹具与所述光束分析仪感光平面的相对姿态：
首先使光纤夹具装夹校准光纤，调试光纤夹具与所述光束分析仪感光平面的相对姿态，使得：
所述校准光纤的沿其光纤轴所在直线相对于所述光束分析仪运动预设的距离时，光斑中心偏移的距离在预设的阈值之内；且
旋转光纤一周，最小椭圆度在预设的椭圆度阈值之上且光斑中心偏移量在预设的阈值之下；
则固定夹具并将校准光纤替换为待测透镜光纤。
优选方案，旋转光纤，使得光斑的慢轴、快轴分别与X轴、Y轴平行或使得光斑的慢轴、快轴分别与Y轴、X轴平行；
(2)采用光束分析仪，获取距离待测透镜光纤端面不同位置且与待测透镜光纤的光纤轴垂直的测试平面上，测试光光斑的半高宽、以及光斑中心位置；
测试范围即不同位置的测试平面所述的范围，为近点与远点之间；所述近点处测试平面的光斑直径在300～1000um，所述近点与远点之间的距离在2.5mm至10mm之间。
使正对光束分析仪感光平面的待测透镜光纤在空间内平移，使得其光纤轴与其相对于光束分析仪的运动方向平行，光束分析仪的感光平面即不同的测试平面，进行光斑数据读取：
在不同XY平面上分别获得慢轴和快轴的光斑的半高宽RXn、RYn、以及光斑中心位置(Xn，Yn)。
(3)根据步骤(2)获得的不同平面上测试光光斑的半高宽、以及光斑中心位置，拟合空间内光斑的半高宽、以及光斑中心所在的直线；
可以通过多次测试，拟合直线在拟合空间内的线性方程，进行接下来的数据处理，也可以简化计算利用两个测试平面之间的几何关系拟合空间内光斑的半高宽、以及光斑中心所在的直线进行几何计算。
(4)根据步骤(3)获得的半高宽所在的直线与步骤(3)获得的光斑中心所在的直线的夹角关系及夹角大小获取待测透镜光纤的发散角以及偏轴度。
当利用几何关系进行偏轴度和发散角计算，方法如下：
待测透镜光纤偏轴度θ为：
θ＝arctan(((Xn+1-Xn)2+(Yn+1-Yn)2)1/2/ΔL)
待测透镜光纤发散角为：
θX＝arctan((|RXn+1-RXn|+|Xn+1-Xn|)/ΔL)+arctan((|RXn+1-RXn|-|Xn+1-Xn|)/ΔL)；
θy＝arctan((|Ryn+1-Ryn|+|yn+1-yn|)/ΔL)+arctan((|Ryn+1-Ryn|-|yn+1-yn|)/ΔL))；其中，(Xn，Yn)为测试平面XYn内光斑中心位置，(Xn+1，Yn+1)为测试平面XYn+1内光斑中心位置；RXn+1为测试平面XYn+1内X方向的测试光光斑的半高宽，RXn为测试平面XYn内X方向的测试光光斑的半高宽；Ryn+1为测试平面XYn+1内Y方向的测试光光斑的半高宽，Ryn为测试平面XYn内Y方向的测试光光斑的半高宽；ΔL为测试平面XYn与测试平面XYn+1在Z轴上的距离；θX为慢轴或快轴的发散角，θy为快轴或慢轴的发散角。
当采用多个测试平面时，即有3个或3个以上的测试平面，将多个由两不同测试平面计算获得的偏轴度和发散角的平均值作为待测透镜光纤的偏轴度和发散角。
本发明提供的透镜光纤检测装置，包括光束分析仪，以及光纤夹具；
所述光纤夹具装夹光纤后，使所述光纤的光纤轴垂直于所述光束分析仪的感光平面；所述光纤夹具相对于所述光束分析仪仅在四个维度上可调，分别为：三轴平移以及光纤绕其光纤轴旋转。
现有透镜光纤检测装置，均需要采用通用的六轴光纤夹具，调整轴分别为：：三轴平移、光纤绕其光纤轴旋转、以及光纤俯仰、偏转角度调整，本发明提供的透镜光纤检测装置，无需进行光纤俯仰、偏转角度调整，简化调整步骤及装置的复杂度，仍能完成透镜光纤综合检测。
以下为实施例：
实施例1
本实施例提供的透镜光纤检测方法，以光束分析仪的坐标系作为拟合空间的XYZ三轴坐标系，以XY平面为测试平面；包括以下步骤：
(1)对于正对光束分析仪感光平面的待测透镜光纤接通测试光源；
待测透镜光纤正对光束分析仪感光平面，即待测透镜光纤的光纤轴垂直于光束分析仪感光平面；
本实施例采用通用透镜光纤检测装置，应用平面光纤作为校准光纤，调试光纤夹具与所述光束分析仪感光平面的相对姿态，具体如下：
使用平面标准光纤调试设备，光纤端面与光纤轴向垂直，角度90°±0.2°，为研磨后外观尺寸检测良好的光纤。将光纤穿过光纤旋转夹具及陶瓷插芯，露出少许，光纤固定在光纤旋转夹具上。光束分析仪起始位置为近点，光斑直径300～1000um，电动直线位移台带动光束分析仪移动至10mm位置为远点，调节三维位移台，使近点及远点处光斑中心偏移探测器中心均在10um以内，即保证探测器中心运动路径与光纤在同一轴线上。旋转光纤至最低椭圆度，微调光束分析仪角度，使椭圆度在95％以上，且旋转光纤，椭圆度均在95％以上且极差不超过2个百分点，则光纤与光束分析仪垂直度较好，测试结果更加准确。
旋转平面标准光纤，不同角度下，近点与远点光斑中心偏移探测器中心均在20um以下，更优为10um以下，则光纤旋转约束较好，若偏差较大，则调整光纤旋转夹具与插芯同心度或更换更紧配的插芯，此操作是为了保证任何角度插入光纤，均不影响测量。
调试完成后待测光纤穿过光纤旋转夹具及陶瓷插芯，露出少许，光纤固定在光纤旋转夹具上，旋转光纤，使得光斑的慢轴、快轴分别与X轴、Y轴平行或使得光斑的慢轴、快轴分别与Y轴、X轴平行；
(2)采用光束分析仪，获取距离待测透镜光纤端面不同位置且与待测透镜光纤的光纤轴垂直的测试平面上，测试光光斑的半高宽、以及光斑中心位置；
光束分析仪为近点的起始位置，仅调整XYZ三维位移，不调节俯仰及偏摆旋钮，使光斑中心偏移探测器中心10um以内，优选5um以下。为保证测试条件的统一，初始光斑直径为300～1000um内的固定值，椭圆度为最低值；
(3)根据步骤(2)获得的不同平面上测试光光斑的半高宽、以及光斑中心位置，拟合空间内光斑的半高宽、以及光斑中心所在的直线；
电动直线位移台带动光束分析仪往10mm远点移动，每移动1mm记录一次光斑XY方向上的FWHM半径RXn、RYn及光斑中心位置(Xn，Yn)，包含初始点，共记录11组数据，n为0～11的整数，对应取值点。
(4)根据步骤(3)获得的半高宽所在的直线与步骤(3)获得的光斑中心所在的直线的夹角关系及夹角大小获取待测透镜光纤的发散角以及偏轴度。
对于透镜面无倾斜要求的透镜光纤，仅考虑加工偏差产生的偏轴。对11组数据中的半径RXn、RYn及进行分别线性拟合，若不考虑偏轴度对光斑的影响，求得RXn斜率即为X方向发散角半角正切tan(θX/2)，求得RYn斜率即为Y方向发散角半角正切tan(θY/2)，求得/>斜率即为偏轴度正切tanθ。
若考虑偏轴度对光斑的影响，利用几何关系，去两组相邻测试面如图1所示，计算：
待测透镜光纤偏轴度θ为：
θ＝arctan(((Xn+1-Xn)2+(Yn+1-Yn)2)1/2/ΔL)
待测透镜光纤发散角为：
θX＝arctan((|RXn+1-RXn|+|Xn+1-Xn|)/ΔL)+arctan((|RXn+1-RXn|-|Xn+1-Xn|)/ΔL)；
θy＝arctan((|Ryn+1-Ryn|+|yn+1-yn|)/ΔL)+arctan((|Ryn+1-Ryn|-|yn+1-yn|)/ΔL))；其中，(Xn，Yn)为测试平面XYn内光斑中心位置，(Xn+1，Yn+1)为测试平面XYn+1内光斑中心位置；RXn+1为测试平面XYn+1内X方向的测试光光斑的半高宽，RXn为测试平面XYn内X方向的测试光光斑的半高宽；Ryn+1为测试平面XYn+1内Y方向的测试光光斑的半高宽，Ryn为测试平面XYn内Y方向的测试光光斑的半高宽；ΔL为测试平面XYn与测试平面XYn+1在Z轴上的距离；θX为慢轴或快轴的发散角，θy为快轴或慢轴的发散角。
对于11组数据，取相邻的两个测试平面的数据计算发散角和偏轴度后，以10组计算结果的平均值，作为待测光纤的发散角和偏轴度。
实施例2
本实施例提供的透镜光纤检测设备，如图2所示，由三维位移台1、光纤旋转夹具2、光束分析仪3、电动直线位移台4、光源组成；光纤夹具2装夹光纤后，使该光纤的光纤轴垂直于所述光束分析仪的感光平面；
三维位移台1用于调节光纤位置；光纤旋转夹具2位于三维位移台1上，用于旋转光纤，旋转夹具前方固定有与之分离的陶瓷插芯5，用于光纤穿入限位，光纤在其中旋转，轴向偏移小于1um；光束分析仪3用于测试光纤出光光斑，包括光斑直径、光斑中心位置、椭圆度、高斯拟合度等；电动直线位移台4用于承载光束分析仪3移动，可获取移动距离；光源5用于提供光纤测试用波长的光，光纤通过跳线与之相连。
电动直线位移台4移动方向与光纤同向，光纤与光束分析仪3垂直，通过三维位移台调整光纤，可以将光纤调整到合适的位置。电动直线位移台移动量10mm以上，重复定位精度优于1um，直线度5um以内。
光束分析仪3为狭缝式光束分析仪，可测试光斑直径、椭圆度、高斯拟合度等参数。
光纤旋转夹具2可旋转360°，左侧为磁性压块6，用于固定光纤。夹具前方固定有与之分离陶瓷插芯5，调节插芯，尽量使插芯与旋转夹具光纤槽位于同一轴线，根据光纤包层直径选用插芯。由于有插芯的约束，旋转光纤时，光纤不会径向移动，对光斑尺寸及中心位置影响较小。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种透镜光纤检测装置，其特征在于，包括光束分析仪，以及光纤夹具；
所述光纤夹具装夹光纤后，使所述光纤的光纤轴垂直于所述光束分析仪的感光平面；
所述光纤夹具相对于所述光束分析仪仅在四个维度上可调，分别为：三轴平移以及光纤绕其光纤轴旋转。
2.一种透镜光纤检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对于正对光束分析仪感光平面的待测透镜光纤接通测试光源；
(2)采用光束分析仪，获取距离待测透镜光纤端面不同位置且与待测透镜光纤的光纤轴垂直的测试平面上，测试光光斑的半高宽、以及光斑中心位置；
(3)根据步骤(2)获得的不同平面上测试光光斑的半高宽、以及光斑中心位置，拟合空间内光斑的半高宽、以及光斑中心所在的直线；
(4)根据步骤(3)获得的半高宽所在的直线与步骤(3)获得的光斑中心所在的直线的夹角关系及夹角大小获取待测透镜光纤的发散角以及偏轴度。
3.如权利要求2所述的透镜光纤检测方法，其特征在于，步骤(2)所述不同位置的测试平面处于近点与远点之间，所述近点处测试平面的光斑直径在300～1000um，所述近点与远点之间的距离在2.5mm至10mm之间。
4.如权利要求2所述的透镜光纤检测方法，其特征在于，步骤(1)使正对光束分析仪感光平面的待测透镜光纤在空间内平移，使得其光纤轴与其相对于光束分析仪的运动方向平行。
5.如权利要求4所述的透镜光纤检测方法，其特征在于，以光束分析仪的坐标系作为拟合空间的XYZ三轴坐标系，以XY平面为测试平面；
步骤(1)旋转光纤，使得光斑的慢轴、快轴分别与X轴、Y轴平行或使得光斑的慢轴、快轴分别与Y轴、X轴平行；
步骤(2)在不同XY平面上分别获得慢轴和快轴的光斑的半高宽RXn、RYn、以及光斑中心位置(Xn，Yn)。
6.如权利要求5所述的透镜光纤检测方法，其特征在于，步骤(3)利用两个测试平面之间的几何关系拟合空间内光斑的半高宽、以及光斑中心所在的直线。
7.如权利要求6所述的透镜光纤检测方法，其特征在于，步骤(4)利用测试平面XYn和测试平面XYn+1内，测试结果计算：
待测透镜光纤偏轴度θ为：
θ＝arctan(((Xn+1-Xn)2+(Yn+1-Yn)2)1/2/ΔL)
待测透镜光纤发散角为：
θX＝arctan((|RXn+1-RXn|+|Xn+1-Xn|)/ΔL)+arctan((|RXn+1-RXn|-|Xn+1-Xn|)/ΔL)；
θy＝arctan((|Ryn+1-Ryn|+|yn+1-yn|)/ΔL)+arctan((|Ryn+1-Ryn|-|yn+1-yn|)/ΔL))；其中，(Xn，Yn)为测试平面XYn内光斑中心位置，(Xn+1，Yn+1)为测试平面XYn+1内光斑中心位置；RXn+1为测试平面XYn+1内X方向的测试光光斑的半高宽，RXn为测试平面XYn内X方向的测试光光斑的半高宽；Ryn+1为测试平面XYn+1内Y方向的测试光光斑的半高宽，Ryn为测试平面XYn内Y方向的测试光光斑的半高宽；ΔL为测试平面XYn与测试平面XYn+1在Z轴上的距离；θX为慢轴或快轴的发散角，θy为快轴或慢轴的发散角。
8.如权利要求7所述的透镜光纤检测方法，其特征在于，有3个或3个以上的测试平面，将多个由两不同测试平面计算获得的偏轴度和发散角的平均值作为待测透镜光纤的偏轴度和发散角。
9.如权利要求1或7任意一项所述的透镜光纤检测方法，其特征在于，应用如权利要求1所述的透镜光纤检测装置。
10.如权利要求1或7任意一项所述的透镜光纤检测方法，其特征在于，步骤(1)按照如下方法使得待测透镜光纤正对光束分析仪感光平面：
以平面标准光纤作为校准光纤，调试光纤夹具与所述光束分析仪感光平面的相对姿态，使得：
所述校准光纤的沿其光纤轴所在直线相对于所述光束分析仪运动预设的距离时，光斑中心偏移的距离在预设的阈值之内；且
旋转光纤一周，最小椭圆度在预设的椭圆度阈值之上且光斑中心偏移量在预设的阈值之下；
则固定夹具并将校准光纤替换为待测透镜光纤。
Priority Applications (1)
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| CN202311854509.8A CN117782545A (zh) | 2023-12-29 | 2023-12-29 | 一种透镜光纤检测方法及装置 |
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