專利名稱：光纖對準裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光束處理系統(tǒng)，更特別地涉及一種相對于高功率激光用于對準光纖的裝置和方法。
高功率激光系統(tǒng)的發(fā)展導(dǎo)致了對能夠?qū)⒏吖β始す怦詈线M入諸如光子晶體光纖之類的小纖芯光纖的需求。如果高功率激光未經(jīng)過光纖的中心纖芯并且變得入射在光纖的包層上，那么它能夠引起災(zāi)難性的損壞。通常，已知的耦合系統(tǒng)包括具有優(yōu)化光纖相對于高功率激光束的對準的人工測微計調(diào)整裝置的聚焦光學器件。利用照相機來觀察光束所注入的光纖的末端的技術(shù)也是已知的；例如參見EP432912。然而，這樣的現(xiàn)有技術(shù)是費時的，常常需要熟練的技術(shù)人員，并且可能非常不可靠。
在完全不相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域中，波前傳感器也是已知的。以前這樣的傳感器已被用來表征光學表面的形狀。下列出版物提供了各種波前傳感器的細節(jié)(a)Woods，S.，Greenaway，A.H.，Wave-front sensing by use of a Green’s functionsolution to the intensity transport equation，J. Opt. Soc. Am. A，20(3)508-512(2003)(b)Burnett，J，G.，Woods，S.，Turner，A.，Scott，A.M.，Wavefront measurement overan extended horizontal path using a wavefront curvature sensor，To be published inthe Proceedings of the 4th International Workshop on Adaptive Optics for Industryand Medicine，Muenster，Germany，Oct. 2003(c)Scott，A.M.，Woods，S.，Single shot measurement of the laser beam qualityparameter M2 using IMP gratings，SPIE Proc. 4629 Laser Resonators and BeamControl V，Alexis V. Kudryashov(ed.)San Jose，22-23 January 2002(d) Blanchard，P.M.，F(xiàn)isher，D.J.，Woods，S.，Greenaway，A.H.，Phase-diversitywave-front sensing with a distorted diffraction grating，Applied Optics 39(35) 6649-6655(2000)
(e)Blanchard P.M.，Greenaway A.H.，Broadband simultaneous multiplaneimaging，Opt.Comm.，183，29-36(2000)(f)Blanchard，P.M.，Greenaway，A.H.，Simultaneous multiplane imaging with adistorted diffraction grating，Applied Optics 38(32)6692-6699(1999)(g)Blanchard P.M.，Burnett J.G.，Erry G.R.，F(xiàn)isher D.J.，Greenaway A.H.，Harrison P.，Woods，S.，Measurements of low-level atmospheric turbulence.InAKohnle，J D Gonglewski(eds.).Optics in Atmospheric Propagation and AdaptiveSystems III.1999，Proc. SPIE 3866，135-142.
(h)Blanchard P.M.，Burnett J.G.，Erry G.R.G.，Greenaway A.H.，Harrison P.，Harvey A.，Woods S.，Optical propagation through low-level turbulence.InA DDevir，A Kohle，U Schreiber，C Werner(eds).Atmospheric propagation，AdaptiveSystems and Lidar techniques for Remote Sensing II. Proc.SPIE 3494，1998，104-110.
(i)國際專利申請WO 99/46768。
本發(fā)明的目的是提供一種用于將激光束耦合進入光纖的改進的裝置和方法。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，一種將第一光束耦合進入光纖的第一末端的方法包括以下步驟(i)將光耦合進入光纖的第二末端以使從光纖的第一末端輸出參考光束，以及(ii)將第一光束的至少一個光束參數(shù)與參考光束的相應(yīng)光束參數(shù)相匹配。
因此，本發(fā)明包括在與第一光束相反的方向上沿著光纖傳輸來自參考光源(例如低功率激光器)的光。在穿過光纖之后，從光纖第一末端輸出的參考光束具有與第一光束的最佳形狀共軛的光束形狀。換句話說，從光纖的第一末端輸出的參考光束的特性提供了第一光束的理想特性的指示；即最大化第一光束進入光纖的耦合效率所需要的特性。因此第一光束的至少一個光束參數(shù)與參考光束的相應(yīng)光束參數(shù)的匹配可被看成是提供一種增加激光束可以耦合進入光纖的光學效率的便利方式。
應(yīng)當注意，光耦合進入光纖的第二末端的效率不是關(guān)鍵性的，因為只有一小部分低功率光束需要被耦合進入光纖。然而優(yōu)選的是，形成參考光束的多數(shù)光沿著光纖的纖芯傳播，并且沒有耦合進入光纖纖芯的任何光在其到達光纖的第一末端之前就被損失了。如果需要，例如通過彎曲光纖，可以增加與光纖包層中的光傳播相關(guān)的損失。
有利地，將第一光束的至少一個光束參數(shù)與參考光束的相應(yīng)光束參數(shù)相匹配的步驟(ii)包括利用光束特性(characterisation)傳感器來測量參考光束的至少一個光束參數(shù)的步驟。
優(yōu)選地，將第一光束的至少一個光束參數(shù)與參考光束的相應(yīng)光束參數(shù)相匹配的步驟(ii)包括利用光束特性傳感器來測量第一光束的至少一個光束參數(shù)的步驟。
便利地，利用公共光束特性傳感器來測量第一光束的至少一個光束參數(shù)和參考光束的至少一個光束參數(shù)。
利用光束特性傳感器的步驟可以包括利用波前傳感器的步驟。波前傳感器是有利的，因為它可以提供關(guān)于諸如傾斜角、失準(misalignment)和光束曲率之類的許多波前特性的精確信息。波前傳感器也可以用來提供束腰信息?？蛇x擇地，如果需要第一光束與光纖的不大精確的對準，那么該傳感器可以包括標準的二維成像陣列。先前已經(jīng)描述了許多合適的波前傳感器，并且上面列出了描述這種傳感器的出版物的各種參考文獻。上面提到的參考文獻的內(nèi)容由此被結(jié)合以作參考。還可以利用其它波前傳感器，例如公知的Shack-Hartmann波前傳感器。
將第一光束的至少一個光束參數(shù)與參考光束的相應(yīng)光束參數(shù)相匹配的步驟(ii)可以包括將第一光束的傾斜(tip/tilt)與參考光束的傾斜相匹配的步驟。光束的傾斜是本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的術(shù)語。簡而言之，將第一光束安排成從與參考光束傳播離開光纖的第一末端相同的角度射在光纖的第一末端上。
將第一光束的至少一個光束參數(shù)與參考光束的相應(yīng)光束參數(shù)相匹配的步驟(ii)可以包括橫向?qū)实谝还馐c參考光束的步驟。第一光束因此被安排成在與參考光束相同位置處與包含光纖的第一末端的平面相交。
橫向?qū)实谝还馐c參考光束的步驟有利地包括相對于第一光束橫向移動光纖的第一末端。相對于第一光束移動光纖的第一末端提供了一種相對于光纖的第一末端改變第一光束的橫向位移的便利方式?？蛇x擇地，可以相對于光纖的第一末端來調(diào)整提供第一光束的激光源。
有利地，將第一光束的至少一個光束參數(shù)與參考光束的相應(yīng)光束參數(shù)相匹配的步驟(ii)包括將第一光束的焦點與參考光束的焦點相匹配的步驟。換句話說，安排第一光束以使其焦點與參考光束的焦點基本上在同一平面中。
此外，將第一光束的至少一個光束參數(shù)與參考光束的相應(yīng)光束參數(shù)相匹配的步驟(ii)可以包括將第一光束的光束曲率與參考光束的光束曲率相匹配的步驟?！肮馐省笔羌す忸I(lǐng)域技術(shù)人員公知的術(shù)語。在這種情況下，第一光束在光纖的第一末端上的會聚角將與離開光纖的參考光束的發(fā)散角匹配。
便利地，將第一光束的至少一個光束參數(shù)與參考光束的相應(yīng)光束參數(shù)相匹配的步驟(ii)包括將第一光束的束腰與參考光束的束腰相匹配的步驟。束腰或2ω0是激光束的公知特性。通常，所需束腰將是光纖纖芯的直徑的大約70％。
本發(fā)明的方法可以包括將第一光束和參考光束的傾斜、橫向?qū)?、焦點、光束曲率或束腰中的任何一個或多個相匹配。然而，各種因素(例如光纖纖芯直徑)將影響在特定光學系統(tǒng)中精確地匹配該特定光束參數(shù)有多么關(guān)鍵。因此，技術(shù)人員將基于光學裝置的精密設(shè)計而選擇第一光束的哪個或哪些光束參數(shù)應(yīng)該與參考光束的哪個或哪些參數(shù)相匹配。
還可以提供計算機程序來分析從波前傳感器獲得的數(shù)據(jù)。此外，可以安排該計算機程序來控制該光學系統(tǒng)的各種部件，從而實施將第一光束的至少一個光束參數(shù)與參考光束的相應(yīng)光束參數(shù)相匹配的步驟。例如，計算機程序可以分析由波前傳感器提供的與參考光束和第一光束的光束特性相關(guān)的數(shù)據(jù)。于是可以相對于第一光束來移動光纖的第一末端的位置以最小化參考光束和第一光束的橫向失準。
對準方法可以在第一光束傳輸穿過光纖時進行使用和/或該方法可以在第一光束的激勵之前進行使用。換句話說，可以在裝置校準期間(例如在光學部件的初始對準期間)周期性地(例如在系統(tǒng)啟動時)和/或連續(xù)地(例如在使用期間連續(xù)地最大化耦合效率)使用該對準方法。
還應(yīng)當注意，可以以兩個階段來執(zhí)行步驟(ii)；例如，測量參考光束的光束參數(shù)的步驟(a)和調(diào)整第一光束的至少一個光束參數(shù)的步驟(b)。在某些情況下，在執(zhí)行步驟(a)和(b)之間可能存在延遲。例如，可以測量并存儲參考光束的光束參數(shù)以供隨后用于優(yōu)化第一光束的至少一個光束參數(shù)。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，光學裝置被提供以用于將第一光束耦合進入光纖的第一末端，并且其特征在于該裝置包括將光耦合進入光纖的第二末端以使參考光束將從光纖的第一末端輸出的裝置，其中光束匹配裝置被提供以用于將第一光束的至少一個光束參數(shù)與參考光束的相應(yīng)光束參數(shù)相匹配。
優(yōu)選地，該光束匹配裝置包括諸如波前傳感器之類的光束特性傳感器。該波前傳感器可包括畸變光柵、透鏡和探測器陣列中的至少一個。此外，該裝置可進一步包括中繼光學器件，該中繼光學器件被安排成將參考光束和一部分第一光束引導(dǎo)到光束特性傳感器。有利地，該中繼光學器件可包括分束器和反向反射器。這種布置允許少量百分比的第一光束被引導(dǎo)到傳感器，同時大部分光束功率被引導(dǎo)到光纖的第一末端。
便利地，該光纖可以是光子晶體光纖。然而應(yīng)當注意，本發(fā)明可以被用來對準任何類型的光纖。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，光學裝置包括用于產(chǎn)生第一光束的主激光源和用于將光纖的第一末端與第一光束對準的對準裝置，其特征在于，該對準裝置包括至少一個波前傳感器。
因此，提供一種光學裝置，其中對準裝置被安排成利用波前傳感器將第一光束與光纖對準。該波前傳感器提供第一光束的波前形狀的測量，并且這樣的光束形狀數(shù)據(jù)可以用來幫助光纖的纖芯與由激光源所產(chǎn)生的第一光束的對準。換句話說，當將第一光束與光纖對準時，測量并利用第一光束的特性。這種類型的裝置使得光束能夠以比現(xiàn)有技術(shù)的人工調(diào)整技術(shù)大得多的精確度來與光纖的纖芯對準。
便利地，該裝置還包括光纖，該對準裝置被安排成相對于光束對準所述光纖的第一末端。
優(yōu)選地，該對準裝置還包括用于輸出參考光束的第二激光源，其中，在使用中，所述參考光束被光耦合進入光纖的第二末端。在這種情況下，該裝置可以被安排成使得將波前傳感器安排成在從光纖的第一末端輸出參考光束時接收該參考光束。
以這種方式，根據(jù)需要可以通過波前傳感器來測量從光纖的第一末端輸出的參考光束的形狀和/或主光束的形狀。換句話說，該裝置允許第一光束和參考光束中的一個或二者被路由到波前傳感器。如上所述，可通過分束器布置將第一光束和參考光束傳遞到波前傳感器。這允許參考光束和第一光束落到相同的波前傳感裝置上?？赏ㄟ^確保零階模的重疊來提供第一光束和參考光束的粗對準。
應(yīng)當注意，雖然單個波前傳感器是優(yōu)選的，但是可以提供獨立的波前傳感器來分別探測第一光束和參考光束。
有利地，對準裝置被安排成相對于第一光束改變光纖的第一末端的位置，以便疊加參考光束和主光束。例如，該對準裝置可包括相對于第一光束平移光纖的第一末端的位置的平移臺。
該對準裝置還可以包括用于相對于第一光束的光軸改變光纖的第一末端的角對準的可移動臺(例如以匹配傾斜)。該可移動臺還可以被安排成相對于第一光束平移光纖的第一末端的位置。
此外，可附加地提供光束成形裝置(例如光束成形光學器件)來改變第一光束的光束形狀。換句話說，提供改變第一光束的形狀的裝置。改變第一光束的形狀(例如改變束腰或曲率)進一步提高光可以耦合進入第一光纖的效率。
便利地，主激光源是高功率激光源。防止這種高功率源的失準防止了對光纖的損壞。
還描述了一種光學裝置，該光學裝置包括激光源、具有被安排成接收由該激光源輸出的第一光束的第一末端的光纖、以及在該光纖的第一末端處改變所述第一光束的波前形狀的光束調(diào)整裝置，其特征在于，該裝置還包括至少一個測量第一光束的波前形狀的波前傳感器。
還描述了一種用于對準包括主激光源的光學系統(tǒng)的裝置，該裝置被安排成耦合第一光束進入光纖的第一末端。該裝置包括波前傳感器，該波前傳感器在被附于所述光學系統(tǒng)時可以測量第一光束的光束特性。
換句話說，可以提供一種光學系統(tǒng)，該光學系統(tǒng)利用包括波前傳感器的裝置來對準，該波前傳感器被附于所述光學系統(tǒng)，并且測量主激光源的光束特性。在對準之后，該裝置可從該光學系統(tǒng)被拆除。
便利地，該光學系統(tǒng)被安排成將輻射注入光纖的第二末端，以使參考光束從光纖的第二末端輸出，其中該波前傳感器在被附于所述光學系統(tǒng)時可以測量參考光束的光束特性。照這樣，參考光束的光束參數(shù)可以以上述方式與第一光束的光束參數(shù)進行比較。
此外，描述了包括波前傳感器、分束器和反向反射器的波前傳感裝置，其中該裝置被安排成使得可同時將兩個光束引導(dǎo)到波前傳感器。
現(xiàn)在將參考下面的附圖并僅作為例子來描述本發(fā)明，其中

圖1說明本發(fā)明的光學系統(tǒng)的布局，圖2示出參考和高功率光束的零級圖像，圖3示出粗對準之后的參考和高功率光束的圖像，圖4示出高功率光束的波前測量，圖5示出在其波前特性已經(jīng)與高功率光束匹配時的參考光束，圖6示出掃描的光纖末端的三維圖，圖7示出穿過在圖6所示數(shù)據(jù)的z＝0處的x-y平面的截面圖像，圖8示出光纖軸對準的效應(yīng)，圖9示出本發(fā)明的第一可替換光學布局，以及圖10示出本發(fā)明的第二可替換光學布局。
參考圖1，示出了本發(fā)明的光學裝置。該裝置包括先前在上面所列的各種出版物中描述的類型的波前曲率傳感器或照相機2。
該波前照相機2包括探測器陣列4、常規(guī)透鏡6以及充當離軸菲涅耳透鏡的畸變相位光柵8?？蛇x擇地，可利用兩個具有不同焦距的正交光柵來代替透鏡6和光柵8。
該波前照相機2可以測量入射光束的直徑和曲率。利用前述處理的形式，該波前照相機2能夠同時測量9個平面處的光束直徑，并且可以由此立即確定入射光束的高斯光束參數(shù)。
入射在照相機2上的光首先由離軸菲涅耳波帶片(即畸變光柵8)衍射。該光柵8將光衍射成-1、0和+1級，其效率取決于相位光柵的深度。零級光穿過而沒有改變，但是+1和-1級分別經(jīng)歷對應(yīng)于焦距+fg和-fg的聚焦。衍射的光進一步被照相機的常規(guī)透鏡6聚焦，并且被引導(dǎo)到位于常規(guī)透鏡6的焦平面的探測器陣列4上。
當準直光束被引導(dǎo)到照相機2上時，三個衍射級均產(chǎn)生對應(yīng)于不同焦距的圖像，并且照相機焦平面上的圖像分別對應(yīng)于零級腰部的圖像、以及+1和-1級的散焦圖像。通過測量三個圖像的直徑，有可能得到束腰的位置和直徑的估計以及光束發(fā)散度的估計。
該原理還可以通過在常規(guī)透鏡前面放置兩個彼此正交的具有不同有效焦距的光柵而被采用。在這種情況下，產(chǎn)生對應(yīng)于9個不同平面處的光束圖像的3×3圖像的陣列。這9個圖像可以用來精確測量焦斑直徑、位置和光束發(fā)散度，從而導(dǎo)致M2的測量。正如本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知，M2提供光束質(zhì)量的測量。
應(yīng)當注意，可選擇地，畸變光柵和常規(guī)照相機的組合可被用作波前曲率傳感器。這包括處理記錄的數(shù)據(jù)的不同方式。兩個衍射級可以與入射光束在兩個獨立的平面上的圖像相關(guān)，并且已經(jīng)證明，可以處理這兩個圖像來確定波前曲率。以前(例如參見上面列出的Woods和Greenaway的出版物)已經(jīng)證明，可以處理這種數(shù)據(jù)，并且利用格林函數(shù)算法可以記錄兩個圖像，從其中有可能確定在40×40空間陣列上的波前形狀。于是可以根據(jù)Zernike模式來分析波前以確定畸變度，從而識別諸如像散、球面像差和彗差之類的特征。
上述的波前曲率傳感器以前已經(jīng)被用來測量光學表面的形狀。這是通過將待測量的準直光束照射到反射表面上并測量反射光的波前形狀來完成的。
在使用中，本發(fā)明的裝置使低功率參考光束10通過分束器14和透鏡16被引導(dǎo)到光纖12的輸出端中。參考光束10相對于光纖12的對準不必是關(guān)鍵的，只要足夠的功率被耦合進入光纖以使得能夠在高功率輸入端進行波前傳感器的測量。
激光源20提供高功率激光束18，該激光束18穿過透鏡22和孔24到達第二分束器26。第二分束器26將大部分高功率激光束通過透鏡28導(dǎo)向光纖12的輸入端。光纖12的輸入端被安裝在X-Y-Z編碼器反饋臺30上。
利用第二分束器26拾取高功率光束18的一小部分，并且通過透鏡27和反射鏡29將該小部分向后反射到波前傳感器2。中繼光學器件(即透鏡22、29等等)確保高功率激光束的孔(瞳平面)被中繼成像到畸變衍射光柵上。通過波前傳感器2來測量高功率激光束18和參考光束10的波前特性(傾斜、散焦)并對二者進行比較。通過調(diào)整X-Y-Z編碼器反饋臺30來移動光纖12的輸入端被用來改變在波前傳感器2處的參考光束的特性。移動X-Y-Z編碼器反饋臺30，直到參考和高功率光束被對準；即直到高功率光束匹配參考光束。下面更詳細地描述執(zhí)行這種調(diào)整的方式。
因此，本發(fā)明的裝置采用了下述原理將參考光束從“輸出”端向下引導(dǎo)到光纖，其不具有最佳對準，但是在其從“輸入”端出射時具有待分析的足夠功率。從輸入端將出射具有人們期望對耦合進入光纖的光束產(chǎn)生的精確的高斯光束參數(shù)的光。利用波前傳感器，可以確定出射光束的位置(橫向和縱向的)和直徑。利用分束器和獨立的光路以使波前傳感器能夠確定實際輸入光束的參數(shù)，而不需要改變光學對準。因此，可以利用傳感器來調(diào)整輸入光束，直到它與出射的參考光束的參數(shù)相匹配，并且在該點的輸入光束將與光纖很好地匹配。
應(yīng)當注意，這里描述的特定系統(tǒng)利用波前傳感器只測量出射的波前的曲率和傾斜。這允許調(diào)整光纖的縱向和橫向位置以確保以最大效率耦合預(yù)定的輸入光束。特別地，應(yīng)當注意，束腰的直徑并沒有被確定，因此所描述的系統(tǒng)并不提供完全的模式匹配。然而，可容易地安排波前傳感器來進行這種測量，并且可以提供也通過改變預(yù)定輸入光束的聚焦光學器件來提供完全模式匹配的系統(tǒng)。
提供計算機32來響應(yīng)于由波前傳感器2所獲得的測量而控制X-Y-Z編碼器反饋臺30。該計算機運行以多個步驟來執(zhí)行對準過程的控制軟件。
首先，進行粗對準步驟。該步驟允許在比較波前之前測量兩個光束(即高功率光束和參考光束)的不同特性。該步驟包括確定參考光束和高功率光束的零級位置。然后，執(zhí)行簡單平移以疊加參考光束和高功率光束。換句話說，調(diào)整臺30以在波前傳感器處共同定位高功率光束和參考光束的零級。
其次，關(guān)閉參考光束，并且從高功率激光束中計算波前測量。來自該測量的傾斜結(jié)果被用來使該系統(tǒng)無效(null)，以便任何進一步的測量都與高功率波前相關(guān)。應(yīng)當注意，由于發(fā)散高功率光束等效于會聚參考光束，所以該步驟的散焦測量需要與相反方向(opposite sense)相匹配。
第三，關(guān)閉高功率光束并啟用參考光束。測量將不同于高功率激光束的特性的參考波前。波前特性傾斜的測量意味著可以獲得光纖末端在X-Y軸的精確平移。同樣，散焦測量使得光纖末端能夠在Z軸被平移以給出所需的(即相反的)聚焦。
現(xiàn)在參考圖2-5來說明典型的對準過程。如上所述，該對準過程由后面是波前測量和校正的粗對準組成。
圖2示出從本發(fā)明的裝置的控制軟件捕獲的幀。精確定位參考光束和高功率光束的零級光束，并且計算這兩個光束的位置差。注意，參考光束的角失準在+/-1級中引起離軸強度。所計算的差值于是轉(zhuǎn)變?yōu)榭臻g差，并且啟動平移臺以移動光纖的末端，以便疊加這兩個光束。
圖3示出這兩級的粗對準。注意，該粗對準在所述級中產(chǎn)生干涉，因為用在本例中的這兩個光束是從同一HeNe激光源耦合的。無論如何，干涉效應(yīng)都不會影響任何測量，因為并不同時分析這兩個光束。
然后關(guān)閉參考光束，并且只對高功率激光束執(zhí)行波前測量。圖4示出高功率光束的圖像，從該圖像中計算光束的傾斜和散焦特性。還測量了諸如可以表現(xiàn)為傾斜的彗差之類的其它模式，并且同時可以獲得一般的光束質(zhì)量測量。于是復(fù)位該軟件，以便將與高功率光束相關(guān)的傾斜值調(diào)整至零。
最后，關(guān)閉高功率光束。于是測量參考光束的特性，同時反饋環(huán)改變光纖末端的對準，以使它與高功率對準匹配。由于高功率光束的傾斜值被調(diào)整至零，所以反饋環(huán)起到無效系統(tǒng)的作用。換句話說，通過移動光纖的末端來改變參考光束的波前特性，以使它們與高功率激光束的特性相匹配。應(yīng)當注意，在散焦的情況下，會聚高功率光束將需要是發(fā)散參考光束。
圖5示出匹配的參考光束，該參考光束已經(jīng)被對準，以使傾斜被最小化(即等于高功率光束的傾斜)，并且散焦(在這種情況中為零)在相反方向。
參考圖6和7，概述了一種用于測定上面參考圖1-5描述的對準技術(shù)的有效性的方法。
該方法包括在耦合透鏡的焦點周圍三維掃描光纖的輸入端時測量高功率光束耦合進入光纖的有效程度。當通過高功率光束的腰來掃描輸入端時，在光纖的輸出端處的強度于是改變。假定最佳耦合將產(chǎn)生最大輸出強度。通過比較最高強度和WFS對準的坐標，可以確定系統(tǒng)的有效性。
圖6示出在小體積(0.16mm尺寸)上實現(xiàn)快速高分辨率強度分布所采用的示例掃描。利用光電二極管在掃描中的每一點測量光纖輸出端處的強度。該掃描以通過波前傳感器技術(shù)已經(jīng)預(yù)先對準的光纖末端為中心。(0，0)位置對應(yīng)于來自利用波前傳感器對準光纖的輸出端處的強度。所獲得的最高強度是位于距離原點+0.0130mm、+0.0270mm處的4095AU(任意單位)。比較起來，位置(0，0)處的強度是2832AU。
圖7示出穿過Z＝0處的圖6所示數(shù)據(jù)的X-Y平面的強度的截面。最高強度(4095AU)由交叉70表示，并且可以看出稍微偏離(0，0)位置(2832AU)。
應(yīng)當注意，光纖本身的耦合效率不在研究之中，因為在設(shè)計中存在許多影響耦合效率的因素。入射光束剖面不與光纖模式匹配，并且沒有優(yōu)化該過程以考慮到光纖末端的指向。參考光束方向的失準將產(chǎn)生用于波前傳感器系統(tǒng)的反饋系統(tǒng)的非線性校正系數(shù)。當前軟件沒有考慮所觀察的不同模式(傾斜、散焦)的任何串擾效應(yīng)或者任何非線性。
盡管有各種近似，但是已經(jīng)證明，波前傳感器可以用來測量來自光纖的參考光束的聚焦腰的位置，并利用此來對準參考光束和光纖。這種技術(shù)允許以大約30微米或更小的精度執(zhí)行對準。這種對準技術(shù)將適于集成到允許光纖半自動地與輸入光束對準的簡單控制系統(tǒng)中。
參考圖8說明了光纖末端的角對準的效應(yīng)。圖8a示出在光纖離軸指向中第一級的強度分布。圖8b示出中心強度被如何向中間移位以給出光纖的軸上指向。
應(yīng)當注意，當光柵照相機系統(tǒng)被用作波前傳感器(即使用格林函數(shù)近似)時，該波前傳感器可以測量波前的曲率以及像平面中的光纖角度。為了對準光纖以實現(xiàn)有效耦合，光束進入光纖的角度是重要的。如果劈開(cleave)是平坦的，那么耦合激光將沿著其軸進入并離開光纖。利用畸變光柵的二次效應(yīng)，可以推斷來自光纖的參考光束的方向。
在波前傳感器處光束的散焦第一級顯示了當光纖角度改變時周圍的強度變化。參考光束將被對準，所以最高強度位于+/-1級的中間。
雖然參考圖1描述了示例光學布局，但是技術(shù)人員將會認識到可以用來實施本發(fā)明的許多類型的不同光學布置。
參考圖9，示出了一個可替換的光學布局。圖9中所示的與圖1中所示的部件等效的部件被分配了相同的附圖標記。
圖9中所示的布置包括分束器26、波前傳感器2和高功率激光器20。提供聚焦光學器件91將高功率光束耦合進入光纖12，并且從光纖12中接收低功率參考光束。還應(yīng)當注意，雖然在圖1的系統(tǒng)中高功率激光束在到達波前傳感器之前兩次穿過分束器(即它通過包括透鏡27和反射鏡29的中繼光學器件被路由)，但是圖9所示的系統(tǒng)使低功率參考光束兩次路由穿過分束器。提供中繼光學器件90以確保由低功率光束所橫穿的附加支路不會引起低功率光束相對于波前傳感器的任何失準。
參考圖10，示出了本發(fā)明的另一個系統(tǒng)。代替圖9所示的中繼光學器件90，提供了反向反射器92(例如角隅棱鏡)。該反向反射器確保入射到該反向反射器上的參考光束的光軸與從該反向反射器反射的參考光束的光軸重合。以這種方式來保持對準。
根據(jù)在此包含的教導(dǎo)，更多合適的光學布置對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是非常明顯的。
權(quán)利要求
1.一種將第一光束耦合進入光纖的第一末端的方法，包括以下步驟(i)將光耦合進入光纖的第二末端以使參考光束從光纖的第一末端輸出，以及(ii)將第一光束的至少一個光束參數(shù)與參考光束的相應(yīng)光束參數(shù)相匹配。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中將第一光束的至少一個光束參數(shù)與參考光束的相應(yīng)光束參數(shù)相匹配的步驟(ii)包括利用光束特性傳感器來測量參考光束的至少一個光束參數(shù)的步驟。
3.根據(jù)任何一項在前權(quán)利要求所述的方法，其中將第一光束的至少一個光束參數(shù)與參考光束的相應(yīng)光束參數(shù)相匹配的步驟(ii)包括利用光束特性傳感器來測量第一光束的至少一個光束參數(shù)的步驟。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，在其從屬于權(quán)利要求2時，其中利用公共光束特性傳感器來測量第一光束的至少一個光束參數(shù)和參考光束的至少一個光束參數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2-4中任何一項所述的方法，其中利用光束特性傳感器的步驟包括利用波前傳感器的步驟。
6.根據(jù)任何一項在前權(quán)利要求所述的方法，其中將第一光束的至少一個光束參數(shù)與參考光束的相應(yīng)光束參數(shù)相匹配的步驟(ii)包括將第一光束的傾斜與參考光束的傾斜相匹配的步驟。
7.根據(jù)任何一項在前權(quán)利要求所述的方法，其中將第一光束的至少一個光束參數(shù)與參考光束的相應(yīng)光束參數(shù)相匹配的步驟(ii)包括橫向?qū)实谝还馐c參考光束的步驟。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中橫向?qū)实谝还馐c參考光束的步驟包括相對于第一光束橫向移動光纖的第一末端。
9.根據(jù)任何一項在前權(quán)利要求所述的方法，其中將第一光束的至少一個光束參數(shù)與參考光束的相應(yīng)光束參數(shù)相匹配的步驟(ii)包括將第一光束的焦點與參考光束的焦點相匹配的步驟。
10.根據(jù)任何一項在前權(quán)利要求所述的方法，其中將第一光束的至少一個光束參數(shù)與參考光束的相應(yīng)光束參數(shù)相匹配的步驟(ii)包括將第一光束的光束曲率與參考光束的光束曲率相匹配的步驟。
11.根據(jù)任何一項在前權(quán)利要求所述的方法，其中將第一光束的至少一個光束參數(shù)與參考光束的相應(yīng)光束參數(shù)相匹配的步驟(ii)包括將第一光束的束腰與參考光束的束腰相匹配的步驟。
12.一種用于將第一光束耦合進入光纖的第一末端的光學裝置，其特征在于該裝置包括用于將光耦合進入光纖的第二末端以使參考光束將從光纖的第一末端輸出的裝置，其中光束匹配裝置被提供以用于將第一光束的至少一個光束參數(shù)與參考光束的相應(yīng)光束參數(shù)相匹配。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置，其中該光束匹配裝置包括光束特性傳感器。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其中該光束特性傳感器包括波前傳感器。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的裝置，其中該波前傳感器包括畸變光柵、透鏡以及探測器陣列中的至少一個。
16.根據(jù)權(quán)利要求13-15中任何一項所述的裝置，還包括中繼光學器件，該中繼光學器件被安排成將參考光束和一部分第一光束引導(dǎo)到光束特性傳感器。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的裝置，其中該中繼光學器件包括分束器和反向反射器。
18.根據(jù)權(quán)利要求12-17中任何一項所述的裝置，其中該光纖是光子晶體光纖。
19.一種光學裝置，包括用于產(chǎn)生第一光束的主激光源和用于對準光纖的第一末端和第一光束的對準裝置，其特征在于該對準裝置包括至少一個波前傳感器。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的裝置，還包括光纖，該對準裝置被安排成相對于光束來對準所述光纖的第一末端。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的裝置，其中該對準裝置還包括用于輸出參考光束的第二激光源，其中在使用中，所述參考光束被光學耦合進入光纖的第二末端。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的裝置，其中該裝置被安排成使得將該波前傳感器安排成在參考光束從光纖的第一末端輸出時接收該參考光束。
23.根據(jù)權(quán)利要求19-22中任何一項所述的裝置，其中該對準裝置被安排成相對于第一光束改變光纖的第一末端的位置，以便重疊參考光束和主光束。
24.根據(jù)權(quán)利要求19-23中任何一項所述的裝置，其中該對準裝置包括用于相對于第一光束平移光纖的第一末端的位置的平移臺。
25.根據(jù)權(quán)利要求19-24中任何一項所述的裝置，其中該對準裝置包括用于相對于第一光束的光軸改變光纖的第一末端的角對準的可移動臺。
26.根據(jù)權(quán)利要求19-25中任何一項所述的裝置，其中附加地提供光束成形裝置來改變第一光束的光束形狀。
27.根據(jù)權(quán)利要求19-26中任何一項所述的裝置，其中該主激光源是高功率激光源。
28.一種用于對準光學系統(tǒng)的裝置，該光學系統(tǒng)包括被安排成將第一光束耦合進入光纖的第一末端的主激光源，其中該裝置包括波前傳感器，該波前傳感器在被附于所述光學系統(tǒng)時可以測量第一光束的光束特性。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的裝置，其中該光學系統(tǒng)被安排成將輻射注入光纖的第二末端以使參考光束從光纖的第二末端輸出，其中該波前傳感器在被附于所述光學系統(tǒng)時可以測量參考光束的光束特性。
全文摘要
描述了一種將第一光束(18)耦合進入光纖(12)的第一末端的方法，包括以下步驟(i)將光耦合進入光纖(12)的第二末端以使參考光束(10)從光纖(12)的第一末端輸出，以及(ii)將第一光束(18)的至少一個光束參數(shù)與參考光束(10)的相應(yīng)光束參數(shù)相匹配。可以利用波前傳感器(2)來執(zhí)行步驟(ii)。此外描述了相應(yīng)的裝置。
文檔編號G02B6/42GK1981227SQ200580023001
公開日2007年6月13日 申請日期2005年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月8日
發(fā)明者A·M·斯科特, A·J·特納 申請人:秦內(nèi)蒂克有限公司