CN106767544A - 一种光纤集束器光纤芯间平行度的测试***和测试方法 - Google Patents

一种光纤集束器光纤芯间平行度的测试***和测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明为一种光纤集束器光纤芯间平行度的测试***和测试方法，本***的光纤集束器，共轭透镜组的输入、输出透镜及CCD光电探头分别安装于五维微调架上、同轴；可见激光源与光纤集束器的光纤耦合，CCD光电探头的数据线接入计算机。本方法先处理光纤集束器输出端面达平整，用光学分划板和可见激光导引调节光纤集束器，共轭透镜组的输入、输出透镜及CCD光电探头同轴，可见激光源与集束器任一输入光纤耦合，该光纤在CCD探测面的聚焦光斑与CCD十字交叉点重合，其余光纤依次与可见激光源耦合，由各光斑与十字交叉点的距离计算芯间平行度。本发明结构紧凑简单，易操作；可见光使同轴调节简化；适用于多芯光纤集束器的芯间平行度测试。

Description

一种光纤集束器光纤芯间平行度的测试***和测试方法
技术领域
本发明涉及光纤集束器相关技术领域，具体涉及一种光纤集束器光纤芯间平行度的测试***和测试方法。
背景技术
在激光惯性约束聚变、高能激光***等领域，需要实现高能量输出的激光，同时要求电-光、光-光转换效率高。光纤放大网络(FAN)可实现激光聚变点火装置兆焦耳以上的单脉冲能量输出，具有墙插效率高、光路柔性化等特点。要实现如此高的单脉冲能量输出，需要采用上千万根大模场增益光纤，故需要光纤集束器以实现成百上千根光纤输出光束的组束。目前光纤集束器是通过光纤熔融拉锥(FBT-Fused Biconical Taper)工艺拉制而成，主要用于激光输出光纤的组束。对熔融拉锥光纤集束器的技术要求除了***损耗、插损均匀性指标等以外，拉锥后光纤集束器中各个光纤的芯间平行度也是一个十分重要的技术指标，芯间平行度的好坏直接关系到光纤输出激光组束的光束质量。因此，需要对每个光纤集束器的芯间平行度进行测试。
芯间平行度以毫弧度(mrad)表示，其定义为：从平行紧密排列的两根光纤端面发出的两束光，在距离其端面1公里处，若两束光的光斑中心间距为1米，此二光纤的平行度为1mrad。目前检测光纤集束器中各个光纤的芯间平行度时用透镜将光束准直，需在1～3米远处对光斑中心间距进行测试。测试设备所需空间较大，而且测试时间长，结果准确度也不高。故目前急需一种测试光纤集束器中各光纤的芯间平行度的结构紧凑、便于实施的***和方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种光纤集束器光纤芯间平行度的测试***和测试方法，采用共轭透镜测试光纤集束器各光纤输出光束的远场光斑中心重合度来判断光纤集束器的芯间平行度。结构紧凑，简便易行。
本发明设计的一种光纤集束器光纤芯间平行度的测试***，包括CCD光电探头，还包括共轭透镜组，在光学平台的水平台面上待测光纤集束器，共轭透镜组的输入透镜、输出透镜及CCD光电探头分别安装于4个相互独立的微调架上，各微调架均具有五维可调机械机构，所述五维包括x、y、z三向和俯仰角、水平角，即可手动调节其上安装的部件的五维位置；所述光纤集束器，共轭透镜组及CCD光电探头同轴；可见激光源与待测光纤集束器的某根输入光纤耦合，CCD光电探头的图像输出数据线接入计算机。
所述共轭透镜组包括两个参数完全相同的平凸棒透镜为输入透镜和输出透镜，所述平凸棒透镜的空间口径大于光纤集束器的空间口径，平凸棒透镜的数值口径大于待测光纤集束器中单根光纤的数值孔径。所述共轭透镜组的2个平凸棒透镜的球面端相对，相互对称，2个平凸棒透镜的中心线为同一水平直线。
所述共轭透镜组的2个平凸棒透镜球面端中心的距离为5～10mm。
所述CCD光电探头的探测面大于或等于光纤集束器输出端经共轭透镜组聚焦在CCD光电探头的探测面的光班面积，且像素大于等于20万。
本发明一种光纤集束器光纤芯间平行度测试方法，采用本发明的光纤集束器光纤芯间平行度测试***，包括如下工作步骤：
Ⅰ、光纤集束器输出端面处理
处理光纤集束器输出端面使之平整且端面与光纤集束器中心线垂直；
光纤集束器输出端面与光纤集束器中心线的垂直度小于等于1度；
对光纤集束器输出端面进行研磨与光学抛光处理，使输出端面的表面平整度达到光学9级或以上，表面粗糙度小于1μm；
Ⅱ、测试***的调节
Ⅱ-1、调节光纤集束器
光学分划板安装于光学平台上的微调架上，调节其微调架使光学分划板与光学平台台面垂直，与光纤集束器输出端面的距离为500～1000mm，可见激光源的输出端与光纤集束器的任一输入光纤耦合，在光纤集束器端面输出的可见光束投射到光学分划板上，调节光纤集束器的微调架，使可见光束的光斑中心与光学分划板中心重合；
Ⅱ-2、调节共轭透镜组
将共轭透镜组的输入透镜引入光纤集束器和光学分划板之间的光路，输入透镜的平面端朝向光纤集束器，调节该输入透镜的微调架使准直后的光束中心与光学分划板中心重合；将共轭透镜组的输出透镜引入输入透镜和光学分划板之间的光路，输出透镜的球面端朝向输入透镜的球端面，调节该输出透镜的微调架使聚焦后的光束中心与光学分划板中心重合；
输入透镜与输出透镜球面端中心的距离为5～10mm；
光纤集束器的输出端面处于共轭透镜组的输入透镜的焦平面上；
Ⅱ-3、调节CCD光电探头
去掉光学分划板，将CCD光电探头置于光学分划板的位置上，手动调节CCD光电探头的微调架，使可见光束聚焦于CCD光电探头的探测面中心；
本步骤Ⅱ完成光纤集束器与共轭透镜组的同轴调节后，光纤集束器与共轭透镜组的同轴度达到0.1mrad或以上。
Ⅲ、可见激光测试光纤集束器各光纤芯间平行度
Ⅲ-1、测试第一根任意光纤
将可见激光源耦合到光纤集束器任意一根输入光纤中，该光纤在光纤集束器输出端输出的光束经共轭透镜组聚焦在CCD光电探头的探测面上，光斑信号经光电转换后的电信号传输到计算机，根据计算机显示的CCD光电探头探测面上的光斑位置，微调CCD光电探头的左右和上下位置，使光斑中心与计算机显示的CCD光电探头探测面的十字交叉点重合。
Ⅲ-2、依次测试其它光纤
将光纤集束器的其余光纤依次与可见激光源耦合，记录计算机显示的各光纤的光束聚焦于CCD光电探头探测面上的光斑中心与十字交叉点的距离。
Ⅲ-3、计算光纤芯间平行度
步骤Ⅲ-2所得的某根光纤距离数据除以共轭透镜组单个透镜的焦距即得到该光纤与第一根光纤的芯间平行度，按此计算得到待测光纤集束器各光纤的芯间平行度。
与现有技术相比，本发明一种光纤集束器光纤芯间平行度测试***和测试方法的优点为：1、采用共轭透镜组测试装置结构紧凑，设备简单，操作容易；2、采用可见激光检测，使各部件的同轴调节可视且简化；3、计算机可自动处理测试结果，方便快捷；4、适用于多芯光纤集束器的芯间平行度测试，可测芯数上百、甚至上千的光纤集束器。
附图说明
图1为本光纤集束器光纤芯间平行度的测试***实施例结构示意图。
图中标号为：
1-光纤集束器，2-输入透镜，3-输出透镜，4-CCD光电探头，5-数据线，6-计算机，7-微调架，8-可见激光源，9-输入光纤。
具体实施方式
光纤集束器光纤芯间平行度的测试***实施例
本光纤集束器光纤芯间平行度的测试***实施例的结构如图1所示，在光学平台的水平台面上待测光纤集束器1，共轭透镜组的输入透镜2、输出透镜3及CCD光电探头4分别安装于4个相互独立的微调架7上，各微调架7均具有五维可调机械机构，即可手动调节其上安装的部件的五维位置。本例光纤集束器1，共轭透镜组及CCD光电探头4同轴；可见激光源8与待测光纤集束器1的某根输入光纤9耦合，CCD光电探头4的图像输出数据线接入计算机6。
本例共轭透镜组的输入透镜2和输出透镜3为2个对称的平凸棒透镜，2个平凸棒透镜的球面端相对，球面端中心的距离为8mm。2个平凸棒透镜的中心线为同一水平直线。
输入透镜2和输出透镜3的参数完全相同，透镜的口径为Φ6mm，焦距为7.75mm，空间口径大于光纤集束器的空间口径，透镜的数值口径大于待测光纤集束器1中单根光纤的数值孔径。
本例的可见激光源8为氦-氖(He-Ne)激光器的红色激光源。
本例CCD光电探头4的探测面大于光纤集束器1输出端经共轭透镜组聚焦在CCD光电探头4的探测面的光班面积，为6mm×6mm，像素为25万，可满足上百芯的光纤集束器平行度测试。
光纤集束器光纤芯间平行度测试方法实施例
本光纤集束器光纤芯间平行度测试方法实施例，采用上述的光纤集束器光纤芯间平行度测试***实施例，本例测试7芯光纤集束器的芯间平行度，包括如下工作步骤：
Ⅰ、光纤集束器1输出端面处理
7芯光纤集束器输出端面直径较大，用宝石刀切割难以得到平整的输出端面，故采用专用研磨抛光夹具对光纤集束器1输出端面依次进行粗磨、细磨和抛光处理，使光纤集束器1输出端面与光纤集束器1中心线垂直，垂直度小于等于1度；且输出端面的表面平整度达到光学9级或以上，表面粗糙度小于1μm。
Ⅱ、测试***的调节
Ⅱ-1、调节光纤集束器
光学分划板安装于光学平台上的微调架上，调节其微调架使光学分划板与光学平台台面垂直，与光纤集束器1输出端面的距离为800mm，氦-氖(He-Ne)激光器的输出端与光纤集束器1的任一输入光纤9耦合，在光纤集束器1端面输出的可见红色光束投射到光学分划板上，调节光纤集束器1的微调架7，使红色光束的光斑中心与光学分划板中心重合；
Ⅱ-2、调节共轭透镜组
将共轭透镜组的输入透镜2引入光纤集束器1和光学分划板之间的光路，输入透镜2的平面端朝向光纤集束器，光纤集束器1的输出端面处于共轭透镜组的输入透镜2的焦平面上；调节该输入透镜2的微调架7使准直后的光束中心与光学分划板中心重合；将共轭透镜组的输出透镜3引入输入透镜2和光学分划板之间的光路，输出透镜3的球面端朝向输入透镜2球端面，输入透镜2与输出透镜3球面端中心的距离为8mm；调节该输出透镜3的微调架7使聚焦后的光束中心与光学分划板中心重合；
本步骤Ⅱ-2完成光纤集束器1与共轭透镜组的同轴调节后，光纤集束器1与共轭透镜组输入透镜2与输出透镜3的同轴度达到0.1mrad或以上。
Ⅱ-3、调节CCD光电探头
去掉光学分划板，将CCD光电探头4置于光学分划板的位置上，手动调节CCD光电探头4的微调架7，使红色光束聚焦于CCD光电探头4的探测面中心；
Ⅲ、可见激光测试光纤集束器各光纤芯间平行度
Ⅲ-1、测试第一根任意光纤
将氦-氖激光器的输出耦合到光纤集束器1任意一根输入光纤9中，该光纤在光纤集束器1输出端输出的光束经共轭透镜组聚焦在CCD光电探头4的探测面上，光斑信号经光电转换后的电信号传输到计算机6，根据计算机显示的CCD光电探头4探测面上的光斑位置，微调CCD光电探头4的左右和上下位置，使光斑中心与计算机显示的CCD光电探头4探测面的十字交叉点重合。
Ⅲ-2、依次测试其它光纤
将光纤集束器1的其余6根光纤依次与可见激光源8耦合，记录计算机6显示的各光纤的光束聚焦于CCD光电探头4探测面上的光斑中心与十字交叉点的距离。
Ⅲ-3、计算光纤芯间平行度
步骤Ⅲ-2所得的某根光纤距离数据除以共轭透镜组单个透镜的焦距即得到该光纤与第一根光纤的芯间平行度，按此计算得到待测光纤集束器1各光纤的芯间平行度。
本例所测7芯光纤集束器的各光纤光斑中心与CCD光电探头4探测面上十字交叉点的距离及计算所得各光纤的芯间平行度如表1所示。由表1可见本例测得该7芯光纤集束器的光纤芯间平行度≤0.52mrad。
表1 七芯光纤集束器的各光纤芯间平行度测试结果一览表
光纤编号 1 2 3 4 5 6 7
光斑与十字交叉点的距离μm 0 2 3 3 3 4 2
平行度mrad 0 0.26 0.39 0.39 0.39 0.52 0.26
本方法实施例适合于N芯光纤集束器光纤芯间平行度测试，N为7、19、37、61、91、127、169及以上，可大于1000。
上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种光纤集束器光纤芯间平行度的测试***，包括CCD光电探头，其特征在于：
还包括共轭透镜组，在光学平台的水平台面上待测光纤集束器(1)，共轭透镜组的输入透镜(2)、输出透镜(3)及CCD光电探头(4)分别安装于4个相互独立的微调架(7)上，各微调架(7)均具有五维可调机械机构，即可手动调节其上安装的部件的五维位置；所述光纤集束器(1)，共轭透镜组及CCD光电探头(4)同轴；可见激光源(8)与待测光纤集束器(1)的某根输入光纤(9)耦合，CCD光电探头(4)的图像输出数据线接入计算机(6)；
所述共轭透镜组包括两个参数完全相同的平凸棒透镜为输入透镜(2)和输出透镜(3)，所述平凸棒透镜的空间口径大于光纤集束器(1)的空间口径，平凸棒透镜的数值口径大于待测光纤集束器(1)中单根光纤的数值孔径；
所述共轭透镜组的2个平凸棒透镜的球面端相对，相互对称，2个平凸棒透镜的中心线为同一水平直线。
2.根据权利要求1所述的光纤集束器光纤芯间平行度的测试***，其特征在于：
所述共轭透镜组的2个平凸棒透镜球面端中心的距离为5～10mm。
3.根据权利要求1所述的光纤集束器光纤芯间平行度的测试***，其特征在于：
所述CCD光电探头(4)的探测面大于或等于光纤集束器(1)输出端经共轭透镜组聚焦在CCD光电探头(4)的探测面的光班面积，且像素大于等于20万。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光纤集束器光纤芯间平行度的测试***的光纤集束器光纤芯间平行度的测试方法，其特征在于包括如下工作步骤：
Ⅰ、光纤集束器输出端面处理
处理光纤集束器(1)输出端面使之平整且端面与光纤集束器(1)中心线垂直；
Ⅱ、测试***的调节
Ⅱ-1、调节光纤集束器
光学分划板安装于光学平台上的微调架上，调节其微调架使光学分划板与光学平台台面垂直、与光纤集束器(1)输出端面的距离为500～1000mm，可见激光源(8)的输出端与光纤集束器(1)的任一输入光纤耦合，在光纤集束器(1)端面输出的可见光束投射到光学分划板上，调节光纤集束器的微调架，使可见光束的光斑中心与光学分划板中心重合；
Ⅱ-2、调节共轭透镜组
将共轭透镜组的输入透镜(2)引入光纤集束器(1)和光学分划板之间的光路，输入透镜(2)的平面端朝向光纤集束器(1)端面，调节该输入透镜(2)的微调架(7)使准直后的光束中心与光学分划板中心重合；将共轭透镜组的输出透镜(3)引入输入透镜(2)和光学分划板之间的光路，输出透镜(3)的球面端朝向输入透镜(2)球端面，调节该输出透镜(3)的微调架(7)使聚焦后的光束中心与光学分划板中心重合；
光纤集束器(1)的输出端面处于共轭透镜组的输入透镜(2)的焦平面上；
Ⅱ-3、调节CCD光电探头
去掉光学分划板，将CCD光电探头(4)置于光学分划板的位置上，手动调节CCD光电探头(4)的微调架(7)，使可见光束聚焦于CCD光电探头(4)的探测面中心；
Ⅲ、可见激光测试光纤集束器各光纤芯间平行度
Ⅲ-1、测试第一根任意光纤
将可见激光源(8)耦合到光纤集束器(1)任意一根输入光纤(9)中，该光纤在光纤集束器(1)输出端输出的光束经共轭透镜组聚焦在CCD光电探头(4)的探测面上，光斑信号经光电转换后的电信号传输到计算机(6)，根据计算机(6)显示的CCD光电探头(4)探测面上的光斑位置，微调CCD光电探头(4)的左右和上下位置，使光斑中心与计算机(6)显示的CCD光电探头(4)探测面的十字交叉点重合；
Ⅲ-2、依次测试其它光纤
将光纤集束器(1)的其余光纤依次与可见激光源(8)耦合，记录计算机(6)显示的各光纤的光束聚焦于CCD光电探头(4)探测面上的光斑中心与十字交叉点的距离；
Ⅲ-3、计算光纤芯间平行度
步骤Ⅲ-2所得的某根光纤距离数据除以共轭透镜组单个透镜的焦距即得到该光纤与第一根光纤的芯间平行度，按此计算得到待测光纤集束器(1)各光纤的芯间平行度。
5.根据权利要求4所述的光纤集束器光纤芯间平行度的测试方法，其特征在于：
所述步骤Ⅰ光纤集束器(1)输出端面处理后光纤集束器(1)输出端面与光纤集束器(1)中心线的垂直度小于等于1度。
6.根据权利要求4所述的光纤集束器光纤芯间平行度的测试方法，其特征在于：
所述步骤Ⅰ光纤集束器(1)输出端面处理是对光纤集束器(1)输出端面进行研磨与光学抛光处理，使输出端面的表面平整度达到光学9级或以上，表面粗糙度小于1μm。
7.根据权利要求4所述的光纤集束器光纤芯间平行度的测试方法，其特征在于：
所述步骤Ⅱ-2调节后输入透镜(2)与输出透镜球面端中心(3)的距离为5～10mm。
8.根据权利要求4所述的光纤集束器光纤芯间平行度的测试方法，其特征在于：
所述步骤Ⅱ调节后，共轭透镜组的输入透镜(2)、输出透镜(3)和光纤集束器(1)的同轴度为0.1mrad或以上。
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