CN218674172U - 一种激光束耦合进光纤的快速检测系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种激光束耦合进光纤的快速检测系统，包括光束对准模块、光束质量检测模块和耦合测试模块，其优点在于，对光源光束质量和耦合光纤进行测试，并判断是否能进行高效耦合，自动搜寻且较快速地找到最佳的光纤耦合位置。

Description

一种激光束耦合进光纤的快速检测系统

技术领域

本申请属于耦合系统领域，具体涉及一种激光束耦合进光纤的快速检测系统。

背景技术

使用光纤传输系统来传输大功率固体激光器的输出光束，极大地提高了激光加工系统的自动化程度和柔性。这使得大功率固体激光器在材料加工领域的应用进入了一个新的阶段。现有的自动耦合系统主要用于通信光源，此类技术主要使光纤光轴与激光轴线对齐，一般应用于毫瓦-瓦级的连续空间光进行自动耦合。该方法没有进行光源光束质量和光纤质量的检测，且只适用于较低功率的使用场景，若空间光光束质量发生变化或者聚焦光斑在调整过程中落在光纤纤芯区域以外，则有可能导致光纤端面的损坏。

实用新型内容

基于上述问题，本申请提供一种可以对光源光束质量和光纤进行测试，并判断是否能进行高效耦合的检测系统。其技术方案为，

一种激光束耦合进光纤的快速检测系统，包括光束对准模块、光束质量检测模块和耦合测试模块，所述光束对准模块包括光源、反射镜一、反射镜二、标靶一和标靶二，光源输出光束方向定义为X轴方向，所述反射镜一的法向与光源输出光束方向呈45°，标靶一的法向与激光束方向重合；所述反射镜一反射光束的方向定义为Y轴方向,所述反射镜二的法向与经反射镜一反射后的光束呈45°，标靶二的法向与经反射镜一反射后的光束重合；经反射镜二反射后的光束进入光束测量系统；所述光束质量检测模块包括激光二极管、准直镜头、反射镜三、滤光片和聚焦镜一，所述激光二极管与测试光纤连接，测试光纤另一端接到一个准直镜头上，光束通过反射镜三、滤光片、衰减器和聚焦镜一后进入光场分布探测器一；所述耦合测试模块包括反射镜四、反射镜五、聚焦镜二和光场分布的探测器二，所述反射镜三反射的光束依次进入反射镜四和反射镜五，经过反射镜五反射的光进入光吸收器，其透射的光经过聚焦镜二后进入被耦合光纤，利用光场分布探测器二探测从被耦合光纤中输出的光斑形状。

优选的，所述反射镜一与反射镜二沿Y轴方向平行安装，所述反射镜二位于反射镜一的反射光路上，所述反射镜一的法向与X轴的夹角为45度，所述反射镜二的法向与Y轴的夹角为45度；所述反射镜一和反射镜二均采用镀有高反射率膜的反射镜。

优选的，所述标靶一和标靶二上设有靶牌，所述靶牌上利用荧光粉标记十字刻线，当透射光照射到拥有十字划线的靶牌上时，靶牌上的荧光物质会发出光亮指示光斑的位置，当两个光斑分别落在标靶一和标靶二的中心时，即可判别光束已经对准。

优选的，所述反射镜三与反射镜二沿X轴方向平行安装，两者的法向与X轴夹角均为45度，且反射镜三在反射镜二的反射光路上，所述反射镜三与滤光片之间设有小孔光阑，光束通过小孔光阑滤去反射镜三折射产生的光斑和散射产生的荧光，通过电机来更换不同ND值的滤光片使光强在光场分布探测器一，例如光场分布探测器一的响应范围的线性区内，并确保不使其饱和。

优选的，所述反射镜四与反射镜三沿Y轴方向平行安装，两者的法向与Y轴的夹角均为45度，所述反射镜四在反射镜三的反射光路上，所述反射镜四与反射镜五沿X轴方向平行安装，且两者的法向与X轴的夹角均为45度，所述反射镜五在反射镜四的反射光路上。

优选的，所述的光场分布探测器一可采用电荷耦合元件(CCD)或CMOS相机，能够测量光束横截面上的光场分布。

有益效果

1.技术方案主要包括对光源光束质量和测试光纤进行测试，并判断是否能进行高效耦合，其次通过结合对输出光斑形貌和五点探测法，自动搜寻且较快速地找到最佳的光纤耦合位置。

2.缩短空间光-光纤的耦合时间，减少光纤端面损坏率，一般用于高功率激光耦合进光纤。

附图说明

图1为本申请原理图。

图中1-光源，2-反射镜一，3-反射镜二，4-标靶一，5-标靶二，6-反射镜三，7-准直镜，8-测试光纤，9-法兰，10-尾纤，11-光纤耦合的LD，13-滤波片，14-衰减器，15-聚焦镜一，16-光场分布探测器一(CCD)，17-小孔光阑，18-反射镜四，19-反射镜五，20-吸收器，21-聚焦镜二，22-被耦合光纤，23-光场分布探测器二。

具体实施方式

以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。

一种激光束耦合进光纤的快速检测系统，包括光束对准模块、光束质量检测模块和耦合测试模块。

图1中，第一部分为光束对准模块包括光源1(激光器)、反射镜一2、反射镜二3、标靶一4和标靶二5，光源输出光束方向定义为X轴方向，所述反射镜一2的法向与光源输出光束方向呈45°，标靶一4的法向与激光束方向重合；所述反射镜一2反射光束的方向定义为Y轴方向,所述反射镜二3的法向与经反射镜一2反射后的光束呈45°，标靶二5的法向与经反射镜一2反射后的光束重合；经反射镜二3反射后的光束进入光束测量系统。

所述反射镜一2与反射镜二3沿Y轴方向平行安装，所述反射镜二3位于反射镜一2的反射光路上，所述反射镜一2的法向与X轴的夹角为45度，所述反射镜二3的法向与Y轴的夹角为45度；所述反射镜一2和反射镜二3均采用镀有高反射率膜的反射镜。实际反射率一般大于99.5％，有一定的透射光。所述标靶一4和标靶二5分别用于校准光束在X轴方向和Y轴方向的输出，所述标靶一4和标靶二5上设有靶牌，所述靶牌上利用荧光粉标记十字刻线，当透射光照射到拥有十字划线的靶牌上时，靶牌上的荧光物质会发出光亮指示光斑的位置，当两个光斑分别落在标靶一4和标靶二5的中心时，即可判别光束已经对准。

图1中的第二部分和第三部分为光束质量检测模块，当光源发出的光束依次经过反射镜一2、反射镜二3后分别投射到标靶一4和标靶二5上；所述光束质量检测模块包括激光二极管(光纤耦合的LD)、准直镜头7、反射镜三6、滤光片13和聚焦镜一15，所述激光二极管11的尾纤10与测试光纤8通过光纤法兰9接到一起，测试光纤8另一端接到一个准直镜头7上，光束通过反射镜三6、小孔光阑17、滤光片13、衰减器14和聚焦镜一15后进入光场分布探测器一16；光束通过小孔光阑17滤去了反射镜二3折射产生的光斑和散射产生的荧光。通过调整中性滤光片13的滤光能力(通过电机来更换不同ND值的滤光片)使光强在光场分布探测器一16探测范围的线性区内(饱和值的10％-80％)，并不使其饱和。然后通过电机选择特定焦距的聚焦镜15(准直镜与聚焦镜的焦距相同)。通过控制电机移动光场分布探测器一16，获得焦点附近十个位置点的光斑大小。通过数据拟合与现有公式计算可以计算出光纤输出光的M²值。

所述反射镜三6与反射镜二3在X轴方向上平行安装，两者的法向与X轴夹角均为45度，且反射镜三6在反射镜二3的反射光路上，由于测量光斑大小的移动光场分布探测器一16所能接收的光功率有限，所以用一个45°放置的高反射率(反射率大于99.5％)反射镜三6将激光的主要能量反射出测试区再吸收掉，使用其透射光进行测试。

测试光纤8与被耦合光纤22材质相同或者近似，将测试光纤8与准直镜7连接，如果光源1光束的M²大于测试光纤8出射光的M²，提示激光光束发散角度超过测试光纤8可接收入射角范围，进入测试光纤8的光线会透过光纤包层和涂覆层损耗掉，建议更换更大数值孔径的光纤或者缩小光源的发散角。如果激光束聚焦在测试光纤8端面上的光斑直径大于测试光纤8芯径，则建议更换更小焦距的准直镜7再试；如还不合适，则建议更换更大纤芯的光纤或者提高光源光束质量。如果光源聚焦后的光斑直径过小，通过计算功率密度高于损伤阈值，则建议使用更长焦距的透镜。

第四个部分为耦合测试模块包括反射镜四18、反射镜五19、聚焦镜二21和光场分布探测器二23，所述反射镜三6反射的光束依次进入反射镜四18和反射镜五19，所述反射镜四18与反射镜三6沿Y轴方向平行安装，两者的法向与Y轴的夹角均为45度，所述反射镜四18在反射镜三6的反射光路上，所述反射镜四18与反射镜五19沿X轴方向平行安装，且两者的法向与X轴的夹角均为45度，所述反射镜五19在反射镜四18的反射光路上。

反射镜四18、反射镜五19镀有高反射率的反射镜片，和光吸收器20(用于吸收激光能量)一起固定在电控滑动台上，反射镜五19透射的光经过聚焦镜二21进入被耦合光纤22中，被耦合光纤22固定在一个电控的五维调节平台上，调整被耦合光纤22端面的位置和角度，对准聚焦后的光斑。另外在被耦合光纤22后放置了一个光场分布探测器二23，此光场分布探测器二23可以探测从被耦合光纤22中输出的光斑形状。通过程序分析输出光斑的形状可以调整被耦合光纤22位置使光纤的光轴与激光束的光轴重合。

使用步骤

①将准备进行测试光纤8一端插进第二部分的法兰9，以及放入准备进行耦合用的准直镜7，另一端插进准直镜7前的光纤固定头。光纤耦合的LD通电开始发光，第三部分开始自动工作，测量从测试光纤8输出光束的光束质量。

②将光源的电流增加到工作电流，系统自动调整中性滤光片13的滤光强度使激光强度不会让光场分布探测器一16饱和。光场分布探测器一16在电机推动下测量不同距离上的光斑大小，通过不同的距离以及对应的光斑直径还有焦距，通过公式自动计算出光源的光束质量。电脑通过比对两个光束质量来确定是否适合进行光纤耦合。

③如果适合进行光纤耦合，测试光纤8不需要更换即为所需要被耦合光纤22，(测试光纤的芯径和数值孔径与光源1较为匹配，由于测试光纤8与被耦合光纤22相同或相似，因此，光源1与光纤22的耦合是可行的)系统将自动进行耦合测试。将第四部分中的电动滑动台会将45°安装的反射镜移动至光路上，当光源进入工作电流时，激光主要能量都会进入光吸收器20。使用五点跟踪法进行耦合，使光纤输出光场分布探测器二23上的光斑功率最高呈圆形，且无外围光环。

④第三步完成后，第四部分中的电动滑动台会自动将45°反射镜四18移动出光路。光源调至低电流工作，被耦合光纤22的端面位置和角度被调整至耦合效率最高的状态。此时，输出光斑功率最大，且呈圆形，且无外围光环。耦合完成。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种激光束耦合进光纤的快速检测系统，其特征在于，包括光束对准模块、光束质量检测模块和耦合测试模块，所述光束对准模块包括光源、反射镜一、反射镜二、标靶一和标靶二，光源输出光束方向定义为X轴方向，所述反射镜一的法向与光源输出光束方向呈45°，标靶一的法向与激光束方向重合；所述反射镜一反射光束的方向定义为Y轴方向,所述反射镜二的法向与经反射镜一反射后的光束呈45°，标靶二的法向与经反射镜一反射后的光束重合；经反射镜二反射后的光束进入光束测量系统；所述光束质量检测模块包括激光二极管、准直镜头、反射镜三、滤光片和聚焦镜一，所述激光二极管与测试光纤连接，测试光纤另一端接到一个准直镜头上，光束通过反射镜三、滤光片、衰减器和聚焦镜一后进入光场分布探测器一；所述耦合测试模块包括反射镜四、反射镜五、聚焦镜二和光场分布探测器二，所述反射镜三反射的光束依次进入反射镜四和反射镜五，经过反射镜五反射的光进入光吸收器，其透射的光经过聚焦镜二后进入被耦合光纤，利用光场分布探测器二探测从被耦合光纤中输出的光斑形状。

2.根据权利要求1所述的一种激光束耦合进光纤的快速检测系统，其特征在于，所述反射镜一与反射镜二沿Y轴方向平行安装，所述反射镜二位于反射镜一的反射光路上，所述反射镜一的法向与X轴的夹角为45度，所述反射镜二的法向与Y轴的夹角为45度；所述反射镜一和反射镜二均采用镀有高反射率膜的反射镜。

3.根据权利要求1所述的一种激光束耦合进光纤的快速检测系统，其特征在于，所述标靶一和标靶二上设有靶牌，所述靶牌上利用荧光粉标记十字刻线，当透射光照射到拥有十字划线的靶牌上时，靶牌上的荧光物质会发出光亮指示光斑的位置，当两个光斑分别落在标靶一和标靶二的中心时，即可判别光束已经对准。

4.根据权利要求1所述的一种激光束耦合进光纤的快速检测系统，其特征在于，所述反射镜三与反射镜二沿X轴方向平行安装，两者的法向与X轴夹角均为45度，且反射镜三在反射镜二的反射光路上，所述反射镜三与滤光片之间设有小孔光阑，光束通过小孔光阑滤去反射镜三折射产生的光斑和散射产生的荧光，通过电机来更换不同ND值的滤光片使光强在光场分布探测器一的响应范围的线性区内，并确保不使其饱和。

5.根据权利要求1所述的一种激光束耦合进光纤的快速检测系统，其特征在于，所述反射镜四与反射镜三沿Y轴方向平行安装，两者的法向与Y轴的夹角均为45度，所述反射镜四在反射镜三的反射光路上，所述反射镜四与反射镜五沿X轴方向平行安装，且两者的法向与X轴的夹角均为45度，所述反射镜五在反射镜四的反射光路上。

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