CN114879310B - 一种带尾纤且免轴向调整的可调光纤耦合器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带尾纤且免轴向调整的可调光纤耦合器，包括光纤准直器、准直器调整架、光纤输出头；待耦合自由空间准直激光入射到光纤准直器，光纤准直器固定于准直器调整架的夹具中，尾纤的输出端连接光纤输出头。所述光纤准直器的透镜与尾纤轴向解耦可调，利用波像差干涉仪依次将透镜和尾纤调校至理想姿态，使光纤准直器具有最佳准直效果和最小波前畸变；所述光纤准直器的透镜与尾纤调整完成后封装为一体，实现了自由空间准直激光的免轴向调整高效率光纤耦合；所述准直器调整架旋转维度解耦可调，配合保偏耦合光路，在不损失耦合效率的前提下，实现了线偏振光的保偏光纤耦合。
Description
技术领域
本发明属于激光技术领域，具体涉及一种带尾纤且免轴向调整的可调光纤耦合器，特别适用于各种自由空间准直激光与单模保偏/非保偏光纤的高效率耦合。
背景技术
二十世纪七十年代以来，激光技术迅猛发展，直至今日已经在工业、医疗、商业、科研、信息和军事等领域广泛应用。在部分应用中，激光器直接出射的自由空间激光作为光源会给整体***的使用带来不便，因此光纤耦合就显得尤为重要。激光耦合后从光纤接头输出，能更好地与后续应用***相连接，有效减少了杂散光进入***，增加了使用的便利性和稳定性。
激光光纤耦合中光纤种类分为单模光纤和多模光纤，由于各传输模群延迟不同，多模光纤的应用大受限制。单模光纤克服了多模光纤的缺点而得到广泛应用，但其芯径通常只有多模光纤的十分之一，导致耦合难度更高。此外，实际应用中对于输出光偏振态的要求催生了保偏光纤的应用，相较于非保偏光纤而言，保偏光纤的耦合工作对旋转调整提出了要求。因此如何设计激光器与单模/单模保偏光纤之间的耦合器件，如何更快更准确地进行耦合调节以及提高耦合效率成了光纤耦合激光应用中的关键问题。
Thorlabs公司的光纤端口耦合器(https://www.thorlabs.com/newgrouppage9.cfm？objectgroup_id＝2940)共有六个调整维度，包括水平和垂直方向的线性调整维度、俯仰和偏摆的角度调整维度、轴向的调整维度以及旋转调整维度；其中需要以相同的增量转动俯仰和偏摆角度的调节器实现沿光轴的轴向平移，即轴向调整与俯仰和偏摆的角度调整未实现解耦；俯仰和偏摆的角度调整依靠三个调节螺丝实现调整，同样未实现水平和上下方向角度调整的解耦。
李庆鹏等在专利《一种带锁紧的可多维度精密调节的光纤耦合器》(CN113805277A)中提出的带锁紧的六维度光纤耦合器，耦合透镜的角度调整和轴向调整通过多个定位螺钉完成，同样未实现轴向调整与角度调整的解耦。
吴金才等在专利《一种自由空间激光耦合至单模光纤的装置及方法》(CN108663758B)中提出了一种利用平行光管和光束分析仪的可视化耦合调节装置与方法，该方法将光斑分析仪置于平行光管的焦面处，同时利用角锥棱镜、分光镜搭建了耦合调节光路，使光纤引入的准直光与被耦合激光互成180度，实现了自由空间激光与单模光纤的可视化耦合调节；该装置和方法适用于实验室场景，体积庞大，如何集成为光纤器件还需进一部探索；同时，该发明并未考虑保偏光纤的耦合问题，为其应用带来了一定的局限性。
发明内容
本发明旨在提供一种带尾纤且免轴向调整的可调光纤耦合器，实现了自由空间准直激光的免轴向调整光纤耦合，解决了现有光纤耦合器轴向维度与其他维度相互耦合的问题，同时解决了高效率免轴向调整保偏耦合输出的问题。
实现本发明的技术解决方案为：一种带尾纤且免轴向调整的可调光纤耦合器，包括光纤准直器、准直器调整架、光纤输出头。
所述光纤准直器的非球面透镜与尾纤轴向解耦可调，并提出了一种基于波像差干涉仪的光纤准直器高精度调校方法，该方法能实时监测光纤准直器的透射波前，能将波前畸变的峰谷值控制在λ1/20范围内，其中λ1为波像差干涉仪光源的中心波长，使光纤准直器具有最佳准直效果和极低的波前畸变，从而使耦合效率对光纤准直器的轴向位移不敏感，实现了自由空间准直激光的免轴向调整光纤耦合。尾纤的输出端连接可选光纤输出头，以满足不同光学***的光源接口要求。
本发明利用旋转解耦的准直器调整架，在不损失耦合效率的前提下，配合保偏光纤耦合调节光路，通过旋转维度的调节，实现自由空间线偏振准直激光的高效率保偏光纤耦合，满足了不同光学***对光源偏振特性的要求。
与现有光纤耦合器和其调整方法相比，其显著优点在于：
(1)本发明所述的光纤准直器的非球面透镜与尾纤的姿态调节与其他维度的调节相互解耦，提高了光纤耦合***的鲁棒性。
(2)本发明提出了一种基于波像差干涉仪的光纤准直器高精度调校方法，既能定性地实时监测光纤准直器的透射波前分布，又能定量地将波前畸变的峰谷值控制在λ1/20范围内，其中λ1为波像差干涉仪光源的中心波长。
(3)本发明使用封装好且波前畸变极低的光纤准直器将自由空间准直激光耦合进单模光纤，且调整过程中光纤准直器的微小轴向位移不会造成耦合效率的变化，相比于市面上的光纤-透镜分体式六轴光纤耦合器，本发明所设计的光纤耦合器仅仅通过上下平移、左右平移、俯仰和偏摆四维调节就能实现高效率耦合，大大简化了调节机构的复杂度和耦合器调整难度。
(4)准直器调整架的旋转维度与上下平移、左右平移、俯仰、偏摆四个维度相互解耦，利用保偏光纤合束器搭建的保偏输出调节光路，实现了单模保偏光纤的高效率耦合。
(5)根据不同光学***的光源接口要求，可以选择不同的光纤输出头(FC/FC、FC/PC、FC/APC、FC/UPC)类型，满足不同光学***的接口需求。
附图说明
图1为带尾纤且免轴向调整的可调光纤耦合器示意图。
图2为带尾纤和光纤输出头的光纤准直器示意图。
图3(a)为非球面透镜姿态调校光路图。
图3(b)为尾纤姿态调校光路图。
图4(a)为准直器调整架的三维结构示意图。
图4(b)为旋转调节机构三维结构示意图。
图4(c)为旋转调节机构的剖面图。
图5为普通单模光纤耦合光路图。
图6为单模保偏光纤耦合光路图。
图7(a)为非球面透镜姿态调节完成后的透射波前测试结果。
图7(b)为PM630光纤姿态调节完成后的透射波前测试结果。
具体实施方式
结合图1，本发所述的一种带尾纤且免轴向调整的可调光纤耦合器包括光纤准直器1、准直器调整架2、光纤输出头3。所述的光纤准直器1通过波像差干涉仪7进行精确调校，从而具有最佳准直效果和极低的波前畸变，实现了自由空间准直激光的免轴向调整光纤耦合；同时利用改进的轴向解耦准直器调整架，实现了高效率免轴向调整保偏耦合输出。
结合图1，光纤准直器1固定于准直器调整架2上，尾纤5可选择普通单模光纤或单模保偏光纤，以满足不同光学***对光源的偏振特性要求；光纤输出头3可选择FC/FC、FC/PC、FC/APC、FC/UPC不同型号，以满足不同光学***的光源接口要求。
结合图2，所述光纤准直器1包括非球面透镜4、尾纤5、镀金管6，其中，非球面透镜4的数值孔径和尾纤5的数值孔径一致，从而保证高耦合效率，即非球面透镜4的F数和尾纤5的数值孔径NA满足以下关系，
所述光纤准直器1具有最佳准直效果，具体为：
尾纤5的输出光束通过束腰位于光纤端面且模场半径为w0的基模高斯光束表征，经过焦距为f的非球面透镜4后，像方高斯光束的束腰半径w'0满足：
根据光束质量因子M2的定义，像方高斯光束的发散角全角θ'为：
其中，l是尾纤5端面到非球面透镜4的距离，λ2是待耦合激光的光波长。
光纤准直器1准直效果最佳，即出射光束瑞利距离最长、束腰半径w'0最大且发散角θ'最小，即/>极小，令/>得到l＝f，即尾纤5的输入端面位于非球面透镜4的焦平面处。
本发明提出了一种基于波像差干涉仪7的光纤准直器1调校方法，将尾纤5的输出端调校至非球面透镜4的焦平面处且二者共光轴，使完成调校后的光纤准直器1具有最佳准直效果和最小波前畸变，具体包括两步：
结合图3(a)，步骤1，基于波像差干涉仪7将光纤准直器1的非球面透镜4的姿态调校至最佳，具体为：
步骤1-1、将非球面透镜4粘接于镀金管6的第一端，并将第一端置于波像差干涉仪7测试臂的出光口，标准球面反射镜8置于非球面透镜4后。
步骤1-2、调节非球面透镜4与标准球面反射镜8的相对位置，使标准球面反射镜8球心与非球面透镜4焦点重合，此时波像差干涉仪7中出现干涉图像。
步骤1-3、在波像差干涉仪7视场中心标记出非球面透镜4的有效口径，同时调节非球面透镜4和标准球面反射镜8的姿态，至干涉图与上述标记重合，此时波像差干涉仪7的测试臂和参考臂光轴重合。
步骤1-4、根据波前信息，继续调节非球面透镜4和标准球面反射镜8的姿态，至得到零条纹的干涉图像，此时非球面透镜4的姿态调校完成。
调校完成的非球面透镜4的光轴与波像差干涉仪7的测试臂光轴重合，方便下一步尾纤5的姿态调校，且为其提供光轴基准。
结合图3(b)，步骤2，基于波像差干涉仪7将光纤准直器1的尾纤5的姿态调校至最佳姿态，具体为：
步骤2-1、将尾纤5的输入端伸入镀金管6的第二端，并将尾纤5输入端端面置于非球面透镜4焦点处。
步骤2-2、光纤输出头3连接至法兰头输出的外置激光光源，粗调尾纤5姿态，使其输出光经过非球面透镜4准直后，在波像差干涉仪7中的光斑与所标记的非球面透镜4有效口径基本重合。
步骤2-3、完成尾纤5位置的粗调后，断开激光光源，打开波像差干涉仪7光源，将尾纤5连接的光纤输出头3连接至第一功率计14，调节尾纤5的姿态，至其输出端的输出功率最大。
步骤2-4、将尾纤5靠近输出端光纤进行平切，此时波像差干涉仪7中出现干涉图像，进而得到波前信息，根据波前信息继续调节尾纤5姿态，至干涉图条纹数目最少，此时波前畸变峰谷值在λ1/20内，其中λ1为波像差干涉仪光源的中心波长，完成尾纤5的姿态调校。
步骤2-5、将尾纤5与镀金管6粘接在一起，并将光纤输出头3与尾纤5输出端熔接，完成光纤准直器1的调校。
调校完成的尾纤5，其输入端位于非球面透镜4的焦平面处，且二者光轴重合，从而使光纤准直器1具有最佳准直效果。
自由空间准直激光与尾纤5的耦合效率η用光纤准直器1出射光束的复振幅E1与自由空间准直激光的复振幅E2的重叠积分表示：
其中，表示对E2取共轭。
设自由空间准直激光为平面波，在调节光纤准直器1过程中，光纤准直器1的轴向位移远小于其出射光束的瑞利距离，由重叠积分决定的耦合效率基本保持不变，具有最佳准直效果的光纤准直器1实现了自由空间准直激光的免轴向调整光纤耦合。
结合图4(a)～图4(c)，本发明所述准直器调整架2的一种实现方式如下：
在通用四维调整架9上增加旋转调节机构10，使旋转维度与替他维度之间的实现解耦调节，在不损失耦合效率的前提下完成线偏振光的保偏耦合。
旋转调节机构10包括准直器夹具11、基座12、螺栓13，准直器夹具11包括圆筒和底座，底座为圆柱，沿其中心轴向开有第一通孔19，圆筒固定在底座的一端，两者的中心孔相连通，基座12套在圆筒的外壁上，通过螺栓13将基座12和圆筒固连，并通过第一紧固螺栓17定位，螺栓13的螺杆伸入圆筒中。沿螺栓13的中心轴线开有第二通孔20，第二通孔20、圆筒的中心孔、第一通孔19共同形成光通道。基座12固定在四维调整架9上。镀金管6伸入第一通孔19中，并通过第二紧固螺栓18定位。
结合图5，本发明所述一种带尾纤且免轴向调整的可调光纤耦合器，在尾纤5选择普通单模光纤时，可以实现自由空间准直激光与单模光纤的免轴向调整耦合，耦合步骤具体为：
步骤A、按照待耦合的自由空间准直激光器、准直器调整架2、光纤准直器1、光纤输出头3、第一功率计14的顺序配置输出功率实时监测光路，其中光纤准直器1通过准直器固定装置固定于准直器调整架2上，光纤输出头3通过法兰与第一功率计14连接。
步骤B、预调节准直器调整架2的上下平移和左右平移位置，使光纤准直器1的光轴与自由空间激光束光轴大致重合。
步骤C、调节准直器调整架2的俯仰/偏摆角度，同时调节上下/左右平移位置用以补偿俯仰/偏摆变化引起的上下/左右位移，使第一功率计14示数达到极大值，此时完成了对光纤准直器1的一次微调。
步骤D、重复步骤A～C的调节过程，直至第一功率计14示数达到最大值，光纤准直器1的光轴与自由空间激光的光轴完全重合，即耦合完成。
结合图6，本发明所述一种带尾纤且免轴向调整的可调光纤耦合器，当尾纤5选择为保偏光纤时，可以实现线偏光的免轴向保偏光纤耦合，保偏耦合步骤具体为：
步骤a、按照上述的普通单模光纤功率输出调整方法步骤A至步骤C，使耦合***首先获得最大输出功率。
步骤b、步骤A中所述光纤输出头3通过法兰连接保偏光纤合束器16的输出端，将第一功率计14与第二功率计15的功率系数校准至一致，保偏光纤合束器16的两支输入端分别连接第一功率计14与第二功率计15，则可由第一功率计14与第二功率计15示数之比得该保偏耦合***的偏振消光比。
步骤c、转动准直器夹具11，直至偏振消光比达到最大值，即保偏光纤的快/慢轴与自由空间激光的光矢量振动方向一致，旋紧准直器夹具11的固定螺母，此时，完成线偏振光的最大效率保偏光纤耦合。
实施例1
本实施例采用He-Ne激光器(波长为633nm)作为待耦合的激光光源，采用直径为2.62mm，F数为3.8的非球面透镜为光纤准直器1中的非球面透镜4，采用单模保偏光纤PM630(NA＝0.13)作为光纤准直器1中的尾纤5。
利用波像差干涉仪7对光纤准直器1中的非球面透镜4进行精确调校，如图3(a)所示，具体步骤如下。
首先，将非球面透镜4粘接于镀金管6的第一端，并将第一端置于波像差干涉仪7测试臂的出光口，标准球面反射镜8置于非球面透镜4后；然后调节非球面透镜4与标准球面反射镜8的相对位置，使得标准球面反射镜球心与透镜焦点重合，此时波像差干涉仪7中出现干涉图像；在波像差干涉仪7视场中心标记出非球面透镜4的有效口径，同时调节非球面透镜4和标准球面反射镜8的姿态，至干涉图像与上述标记重合，此时波像差干涉仪7的测试臂和参考臂光轴重合；最后，根据波前信息，继续调节非球面透镜4和标准球面反射镜8的姿态，至得到零条纹的干涉图像，此时非球面透镜4的姿态调校完成。
结合图7(a)，非球面透镜4姿态调校完成后，其透射波前与波像差干涉仪7的参考光形成的干涉图约有1.5根条纹，透射波前的峰谷值约0.05λ1，基本符合预期结果。
利用波像差干涉仪7对光纤准直器1中的尾纤5进行精确调校，如图3(b)所示，具体步骤如下。
首先，将尾纤5的输入端伸入镀金管6的第二端，并将尾纤输入端端面置于透镜焦点处，将尾纤5连接的光纤输出头3连接至法兰输出的外置激光光源，使光束通过尾纤5输入端输出，经过非球面透镜4准直后入射到波像差干涉仪7中，根据光斑位置对尾纤位置进行粗调。
在完成尾纤位置的粗调后，断开激光光源，打开干涉仪光源，将尾纤5连接的光纤输出头3连接至第一功率计14，调节尾纤5的姿态，至其输出端的输出功率最大。然后将尾纤5靠近输出端光纤进行平切，此时波像差干涉仪7中出现干涉图像，进一步可得到波前图像，根据波前图像信息继续调节尾纤5姿态，使波像差干涉仪7的测试臂和参考臂光轴重合，继续调节至干涉图像为最少条纹状态，将波前畸变峰谷值控制在λ1/20，其中λ1为波像差干涉仪光源的中心波长，即完成尾纤5的姿态调校。最后将尾纤5与镀金管6固连，并将光纤输出头3与尾纤5输出端熔接，即完成了光纤准直器1的调校工作。
结合图7(b)，尾纤5的姿态调校完成后，光纤准直器1的透射波前与波像差干涉仪7的参考光形成的干涉图约有5根条纹，透射波前的峰谷值约0.059λ1，基本达到预期结果。
根据图1、图4(a)～图4(c)，将光纤准直器1伸入准直器调整架2的准直器夹具11并由第二紧固螺栓18固定，将准直器调整架2通过四角的通孔用四个适配的螺丝安装于He-Ne激光器的输出端。
如图5所示，光纤输出头3通过法兰与第一功率计14连接，即完成了单模光纤耦合输出功率监测光路搭建，在此***的基础上，开始光纤耦合调节工作。
首先预调节准直器调整架2的上下平移和左右平移位置，使光纤准直器1的光轴与自由空间激光束光轴大致重合。然后调节准直器调整架2的俯仰/偏摆，同时调节上下/左右平移位置用以补偿俯仰/偏摆变化引起的上下/左右位移，使第一功率计14示数达到极大值，此时完成了对光纤准直器1的一次微调。重复上述微调的调节过程，直至第一功率计14示数达到最大值，光纤准直器1的光轴与自由空间激光的光轴完全重合。
随后将光纤输出头3通过精密法兰连接保偏光纤合束器16的输出端，并将第一功率计14与第二功率计15的功率系数校准至一致，保偏光纤合束器16的两支输入端分别连接第一功率计14与第二功率计15，即完成单模保偏光纤耦合光路的搭建，保偏光纤耦合***的偏振消光比可由第一功率计14与第二功率计15示数之比计算得到。在此***的基础上，开始光纤保偏调节工作。
转动准直器夹具11，使偏振消光比达到最大值，即保偏光纤的快/慢轴与自由空间激光的光矢量振动方向一致，旋紧准直器夹具11的固定螺母将其固定，从而完成线偏振He-Ne激光器的单模保偏光纤耦合。
Claims (5)
1.一种带尾纤且免轴向调整的可调光纤耦合器，其特征在于：包括光纤准直器(1)、准直器调整架(2)、光纤输出头(3)，光纤准直器(1)包括非球面透镜(4)、尾纤(5)、镀金管(6)，非球面透镜(4)固定于镀金管(6)第一端，尾纤(5)的输入端从镀金管(6)的第二端伸入，并位于非球面透镜(4)的焦面处；所述光纤准直器(1)固定于准直器调整架(2)上，并由准直器调整架(2)调节其姿态，使入射光束完全耦合进入尾纤(5)中，尾纤(5)的输出端连接光纤输出头(3)，以满足不同光学***的光源接口要求；
利用波像差干涉仪(7)对光纤准直器(1)中非球面透镜(4)和尾纤(5)进行姿态调校，使调校后的尾纤(5)输入端位于非球面透镜(4)的焦面处，且二者光轴重合，光纤准直器(1)的波前畸变峰谷值在λ1/20内，且具有最佳准直效果，其中λ1为波像差干涉仪(7)光源的中心波长；
波像差干涉仪(7)调校非球面透镜(4)和尾纤(5)的过程包括两步；
步骤1，将非球面透镜(4)粘接于镀金管(6)的第一端，并将非球面透镜(4)置于波像差干涉仪(7)测试臂的出光口，标准球面反射镜(8)置于非球面透镜(4)后，且标准球面反射镜(8)的球心与非球面透镜(4)的焦点重合；在波像差干涉仪(7)视场中心标记出非球面透镜(4)的有效口径，调节非球面透镜(4)和标准球面反射镜(8)的姿态，至干涉图与上述标记重合，此时波像差干涉仪(7)的测试臂和参考臂光轴重合，继续调节非球面透镜(4)和标准球面反射镜(8)的姿态，至得到零条纹的干涉图像，此时非球面透镜(4)的姿态调校完成；
步骤2，将标准球面反射镜(8)更换为尾纤(5)，将尾纤(5)的输入端从第二端伸入镀金管(6)中，光纤输出头(3)连接外置激光光源，调节尾纤(5)姿态，使波像差干涉仪(7)的测试臂和参考臂光轴重合；关闭外置激光光源，对尾纤(5)的输出端进行平切，继续调节尾纤(5)姿态，直至干涉图像与所做标记完全重合且条纹数最少，此时完成尾纤(5)的姿态调校；最后将尾纤(5)与镀金管(6)固连，并将光纤输出头(3)与尾纤(5)输出端熔接。
2.根据权利要求1所述的带尾纤且免轴向调整的可调光纤耦合器，其特征在于：所述光纤准直器(1)中非球面透镜(4)的F数和尾纤(5)的数值孔径NA满足以下关系，
3.根据权利要求1所述的带尾纤且免轴向调整的可调光纤耦合器，其特征在于：光纤准直器(1)具有最佳准直效果，具体为：
尾纤(5)的输出光束通过束腰位于其输入端，且模场半径为w0的基模高斯光束表征，经过焦距为f的非球面透镜(4)后，像方高斯光束的束腰半径w'0满足：
同时，根据光束质量因子M2的定义，得到像方高斯光束的发散角全角θ'：
其中，l是尾纤(5)端面到非球面透镜(4)的距离，λ2是待耦合激光的光波长；具有最佳准直效果的光纤准直器(1)的出射光束瑞利距离最长、束腰半径w'0最大且发散角θ'最小，即/>极小，令/>得到l＝f，即尾纤(5)的输入端面位于非球面透镜(4)的焦平面处。
4.根据权利要求3所述的带尾纤且免轴向调整的可调光纤耦合器，其特征在于：自由空间准直激光与尾纤(5)的耦合效率η用光纤准直器(1)出射光束的复振幅E1与自由空间准直激光的复振幅E2的重叠积分表示：
表示对E2取共轭，设自由空间准直激光为平面波，在调节光纤准直器(1)的过程中，光纤准直器(1)的轴向位移远小于其出射光束的瑞利距离，由重叠积分决定的耦合效率基本保持不变，具有最佳准直效果的光纤准直器(1)实现了自由空间准直激光的免轴向调整光纤耦合。
5.根据权利要求1所述的带尾纤且免轴向调整的可调光纤耦合器，其特征在于：准直器调整架(2)用于实现上下平移、左右平移、俯仰、偏摆和旋转五个可调维度；旋转维度与其他四个维度互相解耦，在不损失耦合效率的前提下，将保偏尾纤的快/慢轴与自由空间准直激光的偏振方向精准对齐，实现线偏振光的保偏耦合。
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