CN114488434A - 光纤自动耦合***和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤自动耦合***和方法，所述***包括准直模块、振镜耦合模块、光纤支架、图像识别模块、光具座和反馈控制模块，可搭建高稳定性、高耦合效率的耦合光路，实现自动光纤耦合。本发明还公开了使用上述***进行光纤自动耦合的方法。

Description

光纤自动耦合***和方法

技术领域

本发明涉及光纤耦合技术领域，特别涉及一种基于振镜扫描模块的光纤自动耦合装置和方法。

发明背景

随着光纤激光器的出现和不断发展，在各种科研和产品开发领域中，通过高效的光纤耦合实现激光能量的传输是人们关心的重点。目前各种光纤器件价格高居不下，其成本主要在于耦合上，其成本约占产品总成本的70％至90％。在生产上，光纤与光纤之间的耦合对接80％以上还是要靠传统的劳动密集型手工或半自动完成，这种生产方式的耦合结果往往由于光纤内光束出射时发散角的存在而导致较低的耦合效率；在科研上，光纤耦合虽然能够实现较高的耦合效率，但是基本上还是靠人眼和手动操作来实现较高的耦合效率，且耦合光路不够稳定，受到微弱干扰后，耦合效率将显著降低。因此，市场和科研领域中亟需一种简便且稳定的光纤自动耦合方案。

2019年，中国科学院上海光学精密机械研究所公开了一种自动光纤耦合装置(CN109738996)，利用计算机和步进电机控制双光楔旋转，从而控制出射光束的方位角和空间位置，实现光纤耦合的最佳耦合效率，改善了传统耦合方式存在的调节困难、光学元件要求高、无法实现自动对准等问题，但是，在该种自动光纤耦合装置方案中，光纤耦合头直径为8-12mm，光斑直径为0.2-5mm，明显大于常用的光纤直径，且需要另外制作较大的耦合头，耦合方式的精度和普适性尚不理想。

目前，高精度激光扫描振镜在激光加工领域表现优异，其定位精度、稳定性、操作性较好，且具有激光输入接口，便于开发和集成，对于激光束聚焦光点的位置能够起到良好的定位作用，可解决解决光纤耦合中难度较高的光路调整问题，结合成像定位***和反馈控制可实现稳定的耦合光路。

发明内容

为解决以上问题，本发明提供一种光纤自动耦合***和方法，以达到高稳定性、高耦合效率的光纤耦合耦合效果，实现光纤自动耦合的目的。

为实现上述目的，本发明公开的光纤自动耦合***包括准直模块、振镜耦合模块、光纤支架、图像识别模块、光具座和反馈控制模块。该***通过准直模块获得准直光束，使用光纤支架对单根光纤或光纤阵列进行固定，根据图像识别模块得到光纤端面的空间位置信息，由反馈控制模块根据该信息控制振镜耦合模块将准直光束聚焦到光纤端面上进行耦合，之后通过手动或者反馈控制模块控制光纤支架和振镜耦合模块进行微扰动，观测耦合效率的变化，并将***定位到耦合效率最高时的状态，耦合完成后，反馈控制模块定期运行，维持耦合效率。

为了更改好的实现光纤自动耦合，所述的准直模块、振镜耦合模块、光纤支架、图像识别模块均为电控部件，并由反馈控制模块控制。

优选地，所述的准直模块中，两个光阑为电控光阑，分束镜分光比为99/1(透过/反射)，相机为CCD相机。

优选地，光纤支架采用步进电机驱动，可在x、y、z、水平、俯仰五个维度上进行调节；棒状保护套为圆柱状棒体，侧面相同位置有环形凸起，便于控制保护套位置，面板上孔洞直径略大于保护套直径，小于环形凸起直径，在面板侧面具有固定螺丝。

优选地，所述的图像识别模块中的两台CCD相机分别位于***上方和侧方，对光纤进行拍摄。

优选地，所述的光具座上具有用于搭载以上模块的滑块，且为电控滑块。

优选地，所述的反馈控制模块控制以上所有电控器件，且约每一小时运行一次，对耦合光路进行反馈校正。

优选地，在进行耦合操作时，微扰动范围不超过光纤直径。

本发明还提供了一种光线走动耦合方法，包括：

步骤S1，将***中各部件调整至预设位置；

步骤S2，将待耦合光纤或光纤阵列固定到光纤支架上，要求光纤端面与棒状保护套末端平齐，保护套环状突起紧贴面板，光纤端面方向沿光具座光轴方向平行；

步骤S3，调节准直模块，获得直径为预设值的准直输入光束，获得输入光功率；

步骤S4，通过图像识别模块计算光纤端面的空间坐标信息，并传输到反馈控制模块；

步骤S5，反馈控制模块发出控制命令，控制振镜耦合模块将准直光束聚焦到待耦合光纤端面，实现初步耦合；

步骤S6，通过反馈控制模块使光纤支架轻微扰动，观测光纤耦合效率变化，达到最大耦合效率后，维持光纤支架不动；

步骤S7，通过反馈控制模块使振镜耦合模块轻微扰动，观测光纤耦合效率变化，达到最大耦合效率后，维持定位点不动；

步骤S8，重复步骤S6-S7，直到耦合效率不低于预设阈值，锁定振镜耦合模块和光纤支架，实现耦合；

步骤S9，实现耦合后，设定检查时间间隔为一小时，每经过一次检查时间间隔，反馈控制模块自动运行，检测耦合效率是否低于预设阈值，若低于预设阈值，则重复步骤S8；若不低于阈值，***进入下一个检查时间间隔。

发明效果：

1、本发明公开的光纤自动耦合***和方法以高精度扫描振镜为核心部件，结合多维度可调节光纤支架进行耦合，提供了高度冗余的空间自由度，便于耦合效率的高度优化，更容易达到更高的耦合效率。

2、本发明公开的光纤自动耦合***和方法无需对待耦合光纤进行额外加工，对光纤种类无要求，普适性较强，可即时完成耦合。

3、本发明公开的光纤自动耦合***和方法改善了传统人工进行光纤耦合时费时费力的状况，并使用按期运行的反馈控制模块维持光纤耦合效率，大大提高了光纤耦合的稳定性。

专利附图

参照附图，通过详细描述其具体实施例，本发明的上述和其他特性和优点将会更加清楚。其中：

图1为本发明提供的一种光纤自动耦合***实施例的整体装置示意图的主视图。

图2为本发明提供的一种光纤自动耦合***实施例的整体装置示意图的俯视图。

图3为本发明中使用的一种光纤支架固定示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。图1为本发明提供的一种光纤自动耦合***实施例的整体装置示意图的主视图，包括准直模块、振镜耦合模块、光纤支架、图像识别模块、光具座1和反馈控制模块，图2为本发明提供的一种光纤自动耦合***实施例的整体装置示意图的俯视图，标出了偏心离轴器件的位置，隐藏了光具座1，图3为本发明中使用的一种光纤支架固定示意图。

所述的准直模块主要由两个电控光阑2、分束镜3以及CCD相机4-1组成，按照电控光阑2、电控光阑2、分束镜3的顺序安装在光具座上，CCD相机4-1位于光路侧面，如图2所示，与分束镜3固定为一个整体，通过不断调整两个电控光阑2的大小以及分束镜3-CCD相机4-1整体在光具座1上的位置，当CCD相机4-1探测到的光斑直径和位置基本不变时判定为光束准直，准直结束后，将CCD相机4-1改为光功率计5，获得输入光功率。

所述的电控光阑2采用步进电机驱动，最大同光直径约为7mm，所述的分束镜3分光比为99/1(透过/反射)。

所述的振镜耦合模块主要由高精度扫描振镜6、场镜7以及全反射镜8组成，高精度扫描振镜6的输入窗口直径约为7mm，场镜焦距为25-75mm。

所述的光纤支架主要由光纤保护套9、面板10和五维调节架11组成，光纤保护套9的环状凸起如图3所示，将光纤12套入光线保护套后，***面板10并拧紧固定螺丝完成固定，所述的五维调节架11由步进电机驱动。

所述的图像识别模块只要由CCD相机4-2和4-3组成，位于偏心光路上，与主光轴夹角45°，CCD相机4-2位于光路上方，CCD相机2-3位于光路侧面，如图2所示，从而可对支架上固定的光纤端面进行拍摄，计算机通过处理图像并结合相机在光路中的坐标计算出光纤端面的空间信息，为振镜耦合模块提供定位信息，进而实现初步耦合。

所述的光具座1含有电控滑块，可使用计算机控制广聚做上各器件的精确移动。

所述的反馈控制模块通过在光纤12末端设置的光功率计5得到的输出光功率，结合输入光功率计算得到耦合效率，通过控制振镜耦合模块以及光纤支架进行微扰动，保留耦合效率最高时的定位状态，实现最高耦合效率。

在光路完成光纤耦合后，设定检测时间间隔约为1小时，每1小时反馈控制模块运行，保证耦合光路稳定在较高的耦合效率，提高光路的稳定性。

本发明公开的一种光纤自动耦合方法实施例的具体步骤如下：

步骤S1，将***中各部件调整至预设位置；

步骤S2，将光纤12固定到光纤支架上，要求光纤端面与光纤保护套9末端平齐，光纤保护套9环状突起紧贴面板10，光纤端面方向沿光具座1光轴方向平行；

步骤S3，调节准直模块，获得直径为预设值的准直输入光束，并获得输入光功率；

步骤S4，通过图像识别模块计算光纤端面的空间坐标信息，并传输到反馈控制模块；

步骤S5，反馈控制模块发出控制命令，控制振镜耦合模块将准直光束聚焦到光纤12的端面上，实现初步耦合；

步骤S6，通过反馈控制模块使光纤支架轻微扰动，观测光纤耦合效率变化，达到最大耦合效率后，维持光纤支架不动；

步骤S7，通过反馈控制模块使振镜耦合模块轻微扰动，观测光纤耦合效率变化，达到最大耦合效率后，维持定位点不动；

步骤S8，重复步骤S6-S7，直到耦合效率不低于预设阈值，锁定振镜耦合模块和光纤支架，实现耦合；

步骤S9，实现耦合后，设定检查时间间隔为一小时，每经过一次检查时间间隔，反馈控制模块自动运行，检测耦合效率是否低于预设阈值，若低于预设阈值，则重复步骤S8；若不低于阈值，***进入下一个检查时间间隔。

本发明实施例采用高精度扫描振镜作为耦合器件，并结合电控五维光纤支架进行耦合，提供了高度的空间冗余自由度并大大提高耦合***的自动化程度，便于耦合效率的高度优化，更容易达到更高的耦合效率，且大大改善了传统人工耦合方式效率低下的情况，另外，该发明实施例对光纤种类无特殊要求，且无需对光纤进行特殊加工处理，具有较高的普适性和即时性。

本发明实施例引入了反馈控制模块实现自动耦合并对耦合光路进行定期自动检测维护，大大提高了耦合光路的稳定性，使得耦合光路可在干扰较多的情况下使用，比如地面振动、空气流动等，提高了光纤耦合相关***的稳定性和可靠性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种光纤自动耦合***，包括准直模块、振镜耦合模块、光纤支架、图像识别模块、光具座和反馈控制模块，其特征在于：所述的准直模块用于将输入光束转变为准直光束并控制光束直径，所述的振镜耦合模块用于将准直模块输出的准直光束定位聚焦到空间指定位置进行耦合，所述的光纤支架用于固定待耦合光纤，可多维度自动调节，所述的图像识别模块用于获取并处理光纤位置信息，所述的光具座用于搭载以上四种模块，所述的反馈控制模块用于控制振镜耦合模块和光纤支架，使得光纤耦合效率最高。

2.根据权利要求1所述的***，其特征在于：所述的准直模块主要由两个光阑、一块分束镜、一台CCD相机和一台光功率计构成，按照光阑、光阑、分束镜的顺序安装在光具座上，CCD相机位于光路侧面，与分束镜固定为一个整体，可在光具座上滑动，接收分束镜分出的部分光束，通过不断调整两个光阑的大小以及分束镜-CCD相机整体在光具座上的位置，当CCD相机探测到的光斑直径和位置基本不变时判定为光束准直，准直结束后，将CCD相机改为光功率计，获得输入光功率。

3.根据权利要求2所述的准直模块，其特征在于：若入射光束为发散光束且通过不断调整仍达不到光束准直，可在第一个光阑前加入准直透镜进行初步准直。

4.根据权利要求2所述的准直模块，其特征在于：所述的光阑可为机械光阑，进行手动调整，也可为电控光阑，加入反馈控制进行自动调整。

5.根据权力要求1所述的***，其特征在于：所述的振镜耦合模块主要包括高精度扫描振镜和场镜，高精度扫描振镜含有输入窗口，用于接收输入光束，高精度扫描振镜内部的反射镜可根据光束波长镀高反射率膜，场镜可根据光束波长镀高透过率膜，该模块由图像识别模块和反馈控制模块控制。

6.根据权利要求1所述的***，其特征在于：所述的光纤支架用于固定待耦合光纤，可固定单根光纤，也可固定由多根光纤组成的光纤阵列；固定时，待耦合光纤先装入棒状保护套，再***面板进行固定，最后安装在可多维度调节的光纤支架上完成固定，棒状保护套同一位置含有环状凸起或阶梯，便于固定。

7.根据权利要求6所述的光纤支架，其特征在于：所述的光纤支架至少可进行五维调节(x、y、z、水平、俯仰)，可为机械手动调节，也可为电控调节。

8.根据权利要求1所述的***，其特征在于：所述的图像识别模块主要由两台CCD相机构成，位于偏心光路上，对支架上固定的待耦合光纤进行拍摄，计算机通过处理图像并结合相机在光路中的坐标计算出待耦合光纤的空间信息，为振镜耦合模块提供定位信息。

9.根据权利要求1所述的***，其特征在于：所述的光具座用于搭载上述四种模块，具有滑道、刻度和固定螺丝位。

10.根据权利要求1所述的***，其特征在于：所述的反馈控制模块通过在光纤末端设置的光功率计得到的输出光功率，结合输入光功率计算得到耦合效率，通过控制振镜耦合模块以及光纤支架进行微扰动，保留耦合效率最高时的定位状态，实现最高耦合效率。

11.根据权利要求10所述的反馈控制模块，其特征在于：在光路存在振动或者受到干扰等情况时，反馈控制模块仍然处于运行状态，保证耦合光路稳定在较高的耦合效率。

12.一种光纤自动耦合方法，其特征在于：所述的方法可应用于权利要求1-11任意一项所述的***，所述的方法包括：

步骤S1，将***中各部件调整至预设位置；

步骤S2，将待耦合光纤或光纤阵列固定到光纤支架上，要求光纤端面与棒状保护套末端平齐，光纤端面方向沿光具座光轴方向平行；

步骤S3，调节准直模块，获得直径为预设值的准直输入光束，获得输入光功率；

步骤S4，通过图像识别模块计算光纤端面的空间坐标信息，并传输到反馈控制模块；

步骤S5，反馈控制模块发出控制命令，控制振镜耦合模块将准直光束聚焦到待耦合光纤端面，实现初步耦合；

步骤S6，通过手动或者反馈控制模块使光纤支架轻微扰动，观测光纤耦合效率变化，达到最大耦合效率后，维持光纤支架不动；

步骤S7，通过反馈控制模块使振镜耦合模块轻微扰动，观测光纤耦合效率变化，达到最大耦合效率后，维持定位点不动；

步骤S8，重复步骤S6-S7，直到耦合效率不低于预设阈值，锁定振镜耦合模块和光纤支架，实现耦合；

步骤S9，实现耦合后，可设定检查时间间隔，每经过一次检查时间间隔，反馈控制模块自动运行，检测耦合效率是否低于预设阈值，若低于预设阈值，则重复步骤S8；若不低于阈值，***进入下一个检查时间间隔。

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