CN112198597B - 一种光纤耦合调节方法 - Google Patents

一种光纤耦合调节方法 Download PDF

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Abstract

一种光纤耦合调节方法，属于光纤耦合技术领域。方法应用于包括激光光源、透镜模块、光纤的光纤耦合装置，方法包括：步骤S01，打开激光光源，初调光纤位置，检测光纤前端光线的明暗变化，当光线从无到变亮再变暗时，则确定当前耦合位置为大概耦合位置；步骤S02，微调光纤位置，检测光纤末端出光光斑的明暗变化，当光斑由暗变亮时，则确定当前耦合调节方向为准确的耦合调节方向；步骤S03，在准确的耦合调节方向上，调节光纤位置；利用功率计测量不同光纤位置处的光纤末端出光功率，当出光功率达到最大时，当前耦合位置为最优耦合位置。本发明能快速有效得将激光光束以理想的角度照射在光纤端面上，达到较高的耦合效率。

Description

一种光纤耦合调节方法
技术领域
本发明涉及光源耦合技术领域，尤其涉及一种光纤耦合调节方法。
背景技术
大功率的光纤耦合技术，通常使用多光源阵列和空间合束技术，将多个光源耦合进入同一根光纤中。与大功率耦合***不同的是，导光照明采用一对一的耦合方式（多模光纤由于纤芯直径原因无法承受过高功率），但是经过自带透镜准直过后的光源存在如下问题：1.慢轴方向发光面积未定，发散角较大且扩展光源效应比较强难以耦合；2.快轴方向由于准直透镜的封装误差，不同光源之间的发散角差异性较大；3.激光器功率较高，耦合在光纤端面上的光斑形态严重影响光纤的寿命。对此，我们亟需设计一种能将光源发出的光线进行整形汇聚并投射到光纤的进光端面上，从而使光线按照一定角度耦合进入光纤中的方案。
在激光光源光线投射到光纤的进光端面这一工艺步骤上，目前采用有源光纤对准方式，在光纤出光端连接功率计进行监测，通过手动调节六维光学调节台，将激光光源与光纤进行耦合。由于汇聚光斑位置不定，光纤端面仅有62.5微米直径的有效接收面积以及0.22数值孔径，在将激光光束耦合进光纤的过程中寻找耦合点存在极大的困难。目前市场上无有效工具可以直接观察汇聚点所在位置以调节光纤进行耦合。
发明专利CN201811476516.8公开了一种相控光波导芯片和输入光纤的耦合装置及方法，并具体公开了所述相控光波导芯片中具有监测波导结构，所述监测波导结构的底部端面与所述输入光纤输入至所述相控光波导芯片的传输光路平齐，所述耦合方法包括如下步骤：依次将光源、输入光纤、相控光波导芯片、垂直耦合光纤以及光功率计耦合，所述垂直耦合光纤的一端与相控光波导芯片中的监测波导结构的一端耦合，所述垂直耦合光纤的另一端与所述光功率计耦合，所述光功率计用于监测输入所述垂直耦合光纤中的传输光路损耗光的光功率损耗值；打开光源，根据所述光功率计的读数调整所述输入光纤与相控光波导芯片之间的耦合位置，直至所述光功率计的读数数值小于预设值。该发明基于具有监测波导结构的相控光波导芯片，并利用光功率计读数来确定单模光纤与相控光波导芯片之间的耦合位置。
发明内容
本发明针对现有技术存在的问题，提出了一种光纤耦合调节方法，能快速有效地将激光光束以理想的角度照射在光纤端面上，达到较高的耦合效率。
本发明是通过以下技术方案得以实现的：
一种光纤耦合调节方法，应用于包括激光光源、透镜模块、光纤的光纤耦合装置，方法包括：
步骤S01，打开激光光源，初调光纤位置，检测光纤前端光线的明暗变化，当光线从无到变亮再变暗时，则确定当前耦合位置为大概耦合位置；
步骤S02，微调光纤位置，检测光纤末端出光光斑的明暗变化，当光斑由暗变亮时，则确定当前耦合调节方向为准确的耦合调节方向；
步骤S03，在准确的耦合调节方向上，调节光纤位置；利用功率计测量不同光纤位置处的光纤末端出光功率，当出光功率达到最大时，当前耦合位置为最优耦合位置。
本发明能通过检测光纤前端光线的明暗变化、光纤末端出光光斑的明暗变化确定在大概耦合位置下的准确的耦合调节方向；继而通过功率计计算出多个光纤位置的出光功率，快速旋出耦合效率高的最优耦合位置。
作为优选，步骤S01中检测光纤前端光线的明暗变化为检测距离光纤前端端面150mm内光线的明暗变化。
作为优选，步骤S01具体包括：打开激光光源，初调光纤位置，以使得耦合进入光纤的光路与激光光轴同轴；在调节光纤位置过程中，检测光纤前端光线的明暗变化，当光线从无到变亮再变暗时，则确定当前耦合位置为大概耦合位置。
作为优选，步骤S01、步骤S02、步骤S03中光纤位置的调节通过六维调节架实现。
作为优选，所述光纤为具有光纤包层和光纤纤芯的裸光纤。
作为优选，所述光纤为多模光纤。
作为优选，所述透镜模块包括依次设置于激光光源与光纤之间的扩散柱透镜、汇聚柱透镜、非球面透镜。
作为优选，扩散柱透镜、汇聚柱透镜和非球面透镜通过透镜支架设于光纤前端；透镜支架轴线与激光光轴方向平行。
作为优选，所述激光光源为固体激光器、气体激光器、半导体激光器、光纤激光器中的一种。
本发明具有以下有益效果：
一种光纤耦合调节方法：
1、解决了现有无有效工具可以直接观察汇聚点所在位置以调节光纤进行耦合的问题；
2、利用光纤包层传输激光会造成大量泄露，同时可进行小段距离传输，可快速确定光纤是否已接近耦合目标点；
3、光纤激光传输起始段前150mm为全反射传输，泄露激光较多，且可肉眼直接观察到或通过视觉仪器检测到，方便快速确认是否已找到大致位置，为快速确定光纤耦合位置提供可能；
4、耦合过程中依据光纤前端从不发光-亮光-暗的现象既可为光纤耦合调节是否到位提供判断依据，也可为机械化调节提供判断依据。
附图说明
图1为本发明一种光纤耦合调节方法的流程图；
图2为光纤耦合装置的结构示意图。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
本发明一种光纤耦合调节方法，应用于包括激光光源、透镜模块、光纤的光纤耦合装置。所述透镜模块置于所述激光光源和所述光纤之间。如图1，本发明方法包括：
步骤S01，打开激光光源，初调光纤位置，检测光纤前端光线的明暗变化，当光线从无到变亮再变暗时，则确定当前耦合位置为大概耦合位置；
步骤S02，微调光纤位置，检测光纤末端出光光斑的明暗变化，当光斑由暗变亮时，则确定当前耦合调节方向为准确的耦合调节方向；
步骤S03，在准确的耦合调节方向上，调节光纤位置；利用功率计测量不同光纤位置处的光纤末端出光功率，当出光功率达到最大时，当前耦合位置为最优耦合位置。
所述步骤S01具体包括：打开激光光源，初调光纤位置，以使得耦合进入光纤的光路与激光光轴同轴；在调节光纤位置过程中，检测光纤前端光线的明暗变化，当光线从无到变亮再变暗时，则确定当前耦合位置为大概耦合位置。所述初调光纤位置过程通过六维调节架实现，在X轴左右方向、在Y轴前后方向，在Z轴上下方向进行调节。此过程主要通过三轴调节实现，以确保耦合进入光纤的光路与激光光轴同轴。
在耦合调节过程中，激光会先耦合进入光纤包层，此时耦合端150mm以内会有明显的肉眼可察的亮暗变化，而在激光耦合进光纤纤芯后，其传输模式会随着距离的增加而变化，在距耦合光纤端面距离较近150mm内会有较多的激光泄露，但远没有激光耦合进光纤包层内时泄露的多，因此在激光光束耦合进光纤纤芯的调节过程中，光纤前端150mm内会有一种不发光到较亮到变暗的过程，利用此现象，即可判断，耦合位置是否接近。为此，步骤S01中检测光纤前端光线的明暗变化优选为检测距离光纤前端端面150mm内光线的明暗变化。光线的明暗变化可通过肉眼检测或通过机器视觉仪器检测。
所述步骤S02中微调光纤位置的过程通过六维调节架实现，在X轴左右方向、在Y轴前后方向，在Z轴上下方向进行微量调节。当光纤末端具有明显的圆形光斑时，可以确定从不明显到明显变化（即光斑由暗变亮）的调节方向为准确的耦合调节方向。此过程可进行单轴或双轴或三轴的多种调节，以获得明显变化的光斑。
所述步骤S03中调节光纤位置的过程通过六维调节架实现，在X轴左右方向、在Y轴前后方向，在Z轴上下方向进行调节。当明确准确的耦合调节方向时，可在调节方向内进行调节：如调节方向为自Z轴下方向上调节为准确的耦合调节方向时，仅在Z轴向上方向调节，功率计检测Z轴方向调节的多个位置的光纤末端出光功率，在多个出光功率中选择出最大值，则确定在最大出光功率的耦合调节位置为最优耦合位置；如调节方向为自X轴左方向右调节以及自Y轴后方向前调节为准确的耦合调节方向时，在X轴向右方向以及Y轴向前方向调节，功率计检测这两个方向调节的多个位置的光纤末端出光功率，在多个出光功率中选择出最大值，则确定最大出光功率的耦合调节位置为最优耦合位置；如调节方向为自X轴左方到右调节、自Y轴后方向前调节、自Z轴下方向上为准确的耦合调节方向时，在X轴向右方向、Y轴向前方向、Z轴向上方向调节，功率计检测这三个方向调节的多个位置的光纤末端出光功率，在多个出光功率中选择出最大值，则确定最大出光功率的耦合调节位置为最优耦合位置。本发明不限于上述示例的调整，具体根据实际情况可进行单轴或双轴或三轴的多种调节。
所述激光光源为固体激光器、气体激光器、半导体激光器、光纤激光器中的一种。
所述透镜模块包括单个透镜或多个透镜，主要是为了减小激光光源发射光束的数值孔径，以增加进入光纤端面的激光，提高耦合效率。图2提出了一种透镜模块的实施方式，所述透镜模块包括依次设置于激光光源3与光纤9之间的扩散柱透镜1、汇聚柱透镜2、非球面透镜5。扩散柱透镜1、汇聚柱透镜2和非球面透镜5通过透镜支架4设于光纤前端6。透镜支架轴线与激光光轴方向平行。
所述光纤为具有光纤包层和光纤纤芯的裸光纤。所述光纤为多模光纤。
以图2为实例，进行光纤耦合调节，在获得最佳耦合位置后，对耦合装置进行封装。首先，按照图2示例排布耦合装置。之后，打开激光光源LD，确保激光光轴方向与透镜支架轴线平行。在耦合过程中进行光纤端面耦合位置调节。在耦合调节过程中，激光会先耦合进入光纤包层，此时耦合端150mm以内会有明显的肉眼可察亮暗变化，而在激光耦合进光纤纤芯后，其传输模式会随着距离的增加而变化，在距耦合光纤端面距离较近100mm内会有较多的激光泄露，但远远没有激光耦合进光纤包层内时泄露的多，因此在激光光束耦合进光纤纤芯的调节过程中，光纤前端100mm内会有一种不发光到较亮到变暗的过程，利用此现象，即可判断，耦合位置是否接近。最佳位置的确定，通过上述方式找到大概位置后，改为光纤末端出光光斑观察，在有部分激光耦合进光纤后，光纤末端会有明显的圆形光斑，通过光斑明暗即可确定调节方向的正确性，最后通过功率计测量出的光纤末端出光功率即可找到光纤耦合的最佳位置。
本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本发明的实施例只作为举例而并不限制本发明。本发明的目的已经完整有效地实现。本发明的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本发明的实施方式可以有任何变形或修改。

Claims (6)

1.一种光纤耦合调节方法，应用于包括激光光源、透镜模块、光纤的光纤耦合装置，其特征在于，所述透镜模块包括依次设置于激光光源与光纤之间的扩散柱透镜、汇聚柱透镜、非球面透镜；方法包括：
步骤S01，打开激光光源，初调光纤位置，检测距离光纤前端端面150mm内光线的明暗变化，当光线从无到变亮再变暗时，则确定当前耦合位置为大概耦合位置；扩散柱透镜、汇聚柱透镜和非球面透镜通过透镜支架设于光纤前端；透镜支架轴线与激光光轴方向平行；
步骤S02，微调光纤位置，检测光纤末端出光光斑的明暗变化，当光斑由暗变亮时，则确定当前耦合调节方向为准确的耦合调节方向；
步骤S03，在准确的耦合调节方向上，调节光纤位置；利用功率计测量不同光纤位置处的光纤末端出光功率，当出光功率达到最大时，当前耦合位置为最优耦合位置。
2.根据权利要求1所述的一种光纤耦合调节方法，其特征在于，步骤S01具体包括：打开激光光源，初调光纤位置，以使得耦合进入光纤的光路与激光光轴同轴；在调节光纤位置过程中，检测光纤前端光线的明暗变化，当光线从无到变亮再变暗时，则确定当前耦合位置为大概耦合位置。
3.根据权利要求1所述的一种光纤耦合调节方法，其特征在于，步骤S01、步骤S02、步骤S03中光纤位置的调节通过六维调节架实现。
4.根据权利要求1所述的一种光纤耦合调节方法，其特征在于，所述光纤为具有光纤包层和光纤纤芯的裸光纤。
5.根据权利要求1所述的一种光纤耦合调节方法，其特征在于，所述光纤为多模光纤。
6.根据权利要求1所述的一种光纤耦合调节方法，其特征在于，所述激光光源为固体激光器、气体激光器、半导体激光器、光纤激光器中的一种。
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