專利名稱：大功率多路高斯激光光束光纖分光方法及其設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種對激光進(jìn)行分光和多路光控的光纖分光方法及其設(shè)備，具體涉 及一種大功率多路高斯激光光束光纖分光方法及其設(shè)備。
背景技術(shù)：
許多激光技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域都需要多路激光同時工作，而且每路激光根據(jù)應(yīng)用要求 具有一定能量和一定相位關(guān)系。
用多臺激光器實現(xiàn)多路激光，成本很高，每臺激光器輸出激光的相位控審他難 以實現(xiàn)。因此，多采用一臺大功率激光器輸出，再用分光技術(shù)實現(xiàn)多路分光。
傳統(tǒng)的能量分光， 一般采用光學(xué)分光鏡進(jìn)行分光，光學(xué)分光鏡由表面鍍有半透 半反膜的鏡片構(gòu)成。激光光束通過第一級分光鏡后，被分成第一級反射光和透射光， 即獲得二路激光分路輸出。第一級反射光和透射光的能量比例可按需要控制。第一 級反射光和透射光分別通過第二級分光鏡后，被分成第二級反射光和透射光，即獲
得四路激光分路輸出。依此類推，可實現(xiàn)2n路激光分路輸出，n為分路的級數(shù)。采 用光學(xué)分光鏡進(jìn)行分光的缺點如下
1. 實現(xiàn)多路分光困難。當(dāng)需要分路的激光為幾十路、幾百路時，系統(tǒng)龐大、復(fù) 雜，光路對光不易，實際實施非常困難，甚至無法實現(xiàn)。
2. 光程差調(diào)節(jié)不便。當(dāng)需要獲得不同光程差的激光輸出時，各光程差的調(diào)節(jié)非 常不便。
3. 光束方向引導(dǎo)不便。由于分光鏡的位置固定及光的直線傳播特性，龐大的分 光系統(tǒng)可移動性差，分光鏡的位置、放置角度等受到很大限制，光束方向的引導(dǎo)非 常不便。
4. 分光不宜遠(yuǎn)距離傳輸。當(dāng)分光的距離傳輸較遠(yuǎn)時，系統(tǒng)會過于龐大而失去實 用性，因此，每路分光的距離不可能傳輸很遠(yuǎn)。
利用光纖束實現(xiàn)激光的分光，是將激光耦合到光纖束中，通過光纖的傳輸，最 終每根光纖都輸出一束激光。由于光纖的傳輸損耗很低，因此，適于較長的傳輸光
路。該技術(shù)己廣泛應(yīng)用于激光技術(shù)、光通信及光纖傳感中。目前，光通訊技術(shù)中所 采用的光纖分光是將多個一分二耦合器進(jìn)行樹狀集聯(lián)的熔融拉錐技術(shù)，即將兩根或 多根光纖捆在一起，在拉錐機上熔融拉伸，實時監(jiān)控分光比的變化，直至分光比達(dá) 到要求。其中一端保留一根光纖作為輸入端，其余的剪掉，另一端則作多路輸出端。
成熟的拉錐工藝一次只能拉1X4以下的分束器，1X4以上的器件，則需用多個1X2 的器件連接在一起。利用熔融拉錐技術(shù)光纖束實現(xiàn)激光分光主要存在以下缺點
1. 多路分光實現(xiàn)困難。對于一分四路、八路的分光技術(shù)尚易實現(xiàn)，但隨著分光 路數(shù)的增加，需要集聯(lián)的一分二耦合器的數(shù)量需成倍增加，具體實現(xiàn)的技術(shù)難度非常大。
2. 體積龐大，可靠性低，成本高。分路器體積較大，不僅可靠性會降低，而且 成本也較高。
3. 不適用于大功率場合。由于熔融拉錐光纖不能耐受高功率激光，因此，不能 用于大功率場合。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種大功率多路高斯激光光束光纖分光方法及其設(shè)備， 其解決了背景技術(shù)中分體積龐大、成本高、光路數(shù)少、光束方向引導(dǎo)不便、傳輸距 離短、不適用大功率激光場合的技術(shù)問題。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是
一種大功率多路高斯激光光束光纖分光方法，其特殊之處在于，它的實現(xiàn)步驟 包括-
1對激光束進(jìn)行擴束對高斯分布的激光束進(jìn)行擴束，使激光光斑大小與光 束勻化器3相匹配；
2勻化激光束將空間能量為高斯分布的激光束轉(zhuǎn)換空間能量為平頂分布的 激光束，使輸出的^[光能量在空間均勻分布；3進(jìn)行多路分光
3. 1用光纖分束器對勻化后的激光進(jìn)行多路分光；
3.2調(diào)整每路光纖分束器光纖的長度，使每路輸出的激光同相、同步。 上述光纖分束器為集束型光纖分束器4;所述的集束型光纖分束器4是將多根
光纖的一端集束在一起構(gòu)成光纖束5，該多根光纖的另一端為自由移動端。
上述構(gòu)成集束型光纖分束器4的光纖束5中的光纖是按照圓內(nèi)接六邊形方式緊
密排布(這樣可使光纖排列緊密。)，所排布的光纖數(shù)量M為
M二3X (N2—N)+l
式中，N為排列的光纖層數(shù)。
上述構(gòu)成集束型光纖分束器4的光纖，其光纖纖芯和光纖包層材料的直徑比的 取值條件是在保證光束全反射傳輸?shù)那疤嵯卤M量趨近l。
上述構(gòu)成集束型光纖分束器4的光纖，其光纖直徑、光纖纖芯直徑及光纖皮層 厚度的確定選取條件是根據(jù)所需的傳光效率確定光纖的直徑；根據(jù)所需承受的功 率密度確定光纖的纖芯直徑；根據(jù)所需的激光耦合效率確定光纖的皮層厚度。
一種實現(xiàn)上述大功率多路高斯激光光束光纖分光方法的設(shè)備，包括光束擴束器 2,設(shè)置于光束擴束器2輸入端的激光器1，其特殊之處在于所述的光束擴束器2 的輸出端設(shè)置有光束勻化器3，所述光束勻化器3的輸出端與集束型光纖分束器4 的輸入端光耦合連接。
上述集束型光纖分束器4是由多根光纖構(gòu)成的光纖束5，該多根光纖的一端集 束在一起，另一端為自由移動端。
上述構(gòu)成集束型光纖分束器4的光纖束5中的光纖排布是按照圓內(nèi)接六邊形方 式緊密排布，所排布的光纖數(shù)量M為
M二3X (N2—N)+l
式中，N為排列的光纖層數(shù)。
上述構(gòu)成集束型光纖分束器4的光纖是大功率傳能型石英光纖，即光纖的纖芯 和包層材料均為高純石英。
上述激光器1是連續(xù)激光器或脈沖激光器。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點-
本發(fā)明具有以下優(yōu)點
1. 使用光束勻化器，分光均勻，能量差別小。
2. 激光輸出能量均勻，輸出時間延遲抖動小。
3. 光纖長度可據(jù)需要設(shè)置，以調(diào)節(jié)每一路光程。
4. 采用大模場石英光纖，可耐受高功率激光。
5. 采用光纖輸出，系統(tǒng)體積小，激光輸出的位置可隨意放置，使用靈活、方便。
6. 光纖分束器與激光器對接簡便。
7. 結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)。
8. 適用范圍寬。可實現(xiàn)百路、甚至千路能量均勻的、輸出相位或具有固定相位 延遲的激光輸出，可用于大功率激光連續(xù)型和脈沖型激光的光分束、合束。具體可 用于光導(dǎo)開關(guān)天線陣列、光相控陣?yán)走_(dá)、激光加工、多路激光多臺光纖激光器的泵 浦等。尤其適用于國防電子對抗與目標(biāo)識別等領(lǐng)域中。
圖l是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本發(fā)明光纖分束器端面結(jié)構(gòu)的示意圖； 圖3是本發(fā)明高斯光束勻化為平頂光束的示意圖的結(jié)構(gòu)示意圖。 附圖標(biāo)號說明1-激光器，2-光束擴束器，3-光束勻化器，4-集束型光纖分束 器，5-光纖束，6-大光斑，7-小光斑。
具體實施例方式
參見圖1，本發(fā)明設(shè)備主要由光束擴束器2、光束勻化器3及集束型光纖分束器 4構(gòu)成。光束擴束器2的輸入端是激光器1，激光器1是連續(xù)激光器或脈沖激光器， 還可釆用光纖激光器作為觸發(fā)源，實現(xiàn)與后面的耦合。光束擴束器2的輸出端設(shè)置 有光束勻化器3，光束勻化器3的輸出與集束型光纖分束器4光耦合連接。
參見圖2，光纖束5中的光纖是按照圓內(nèi)接六邊形方式緊密排布，這種排布方 式可使光纖排列緊密。所排布的光纖數(shù)量M為
M二3X (N2—N) +1
式中，N為排列的光纖層數(shù)。
本發(fā)明集束型光纖分束器4所選用光纖的特性對器件性能有較大影響。大功率 激光輸出的光纖宜選擇大功率的、傳能型石英光纖，即光纖的纖芯和包層材料均為 高純石英。光纖的纖芯和光纖包層材料的直徑比應(yīng)在保證光束全反射傳輸?shù)那疤嵯?盡量趨近1。光纖的直徑越大，耐受激光的功率越高，傳光效率也越高。光纖的纖 芯直徑越小，進(jìn)行激光耦合時光纖端面所承受的功率密度越高，加工時越容易打壞。
光纖的皮層越薄，光纖束5的收光面積越大，耦合到光纖束5的激光耦合效率高。 所以， 一般根據(jù)所需的傳光效率確定光纖的直徑，根據(jù)所需承受的功率密度確定光 纖的纖芯直徑，根據(jù)所需的激光耦合效率確定光纖的皮層厚度。 參見圖3，本發(fā)明分光方法的實現(xiàn)步驟如下1對激光束進(jìn)行擴束將激光器1輸出的對高斯分布的激光束用光束擴束器
2進(jìn)行擴束，使激光光斑大小與光束勻化器3相匹配。激光器l輸出的光斑一般是 較小的小光斑7，需擴束為大小與光束勻化器3相匹配的大光斑6。
2勻化激光束用光束勻化器3將空間能量為高斯分布的激光束轉(zhuǎn)換空間能 量為平頂分布的激光束，使輸出的激光能量在空間均勻分布。由于一般激光器l所 輸出的光斑為高斯光斑，激光能量空間分布不均勻，呈中間強外沿弱，如果直接用 光纖束5進(jìn)行耦合分光，所輸出激光的能量空間分布不均勻，即排列在中心的光纖 輸出功率大，而外圈上的光纖輸出功率小。用光束勻化器3可將高斯光斑變成平頂 矩形光斑，使輸出光斑的能量在空間均勻分布，每路光纖耦合到的激光能量均勻。 勻化后的激光更便于與光纖分束器耦合連接。
3進(jìn)行多路分光
3. 1用光纖分束器對勻化后的激光進(jìn)行多路分光。光纖分束器為集束型光纖 分束器4，其由多根光纖的一端集束在一起組成光纖束5，多根光纖的另一端為自由 移動端，用于對大功率高斯激光進(jìn)行多路分光。
3.2調(diào)整每路光纖分束器的光纖長度，能夠控制每路激光輸出的相位，使每 路輸出的激光同相、同步。
權(quán)利要求
1.一種大功率多路高斯激光光束光纖分光方法，其特征在于，它的實現(xiàn)步驟包括1對激光束進(jìn)行擴束對高斯分布的激光束進(jìn)行擴束，使激光光斑大小與光束勻化器(3)相匹配；2勻化激光束將空間能量為高斯分布的激光束轉(zhuǎn)換空間能量為平頂分布的激光束，使輸出的激光能量在空間均勻分布；3進(jìn)行多路分光3.1用光纖分束器對勻化后的激光進(jìn)行多路分光；3.2調(diào)整每路光纖分束器光纖的長度，使每路輸出的激光同相、同步。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大功率多路高斯激光光束光纖分光方法,其特征在于，所述的光纖分束器為集束型光纖分束器(4);所述的集束型光纖分束器(4)是將多根光纖的一端集束在一起構(gòu)成光纖束(5)，該多根光纖的另一端為自由移動端。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的大功率多路高斯激光光束光纖分光方法，其特征 在于，所述構(gòu)成集束型光纖分束器(4)的光纖束(5)中的光纖是按照圓內(nèi)接六邊形方式緊密排布，所排布的光纖數(shù)量M為M=3X (N2—N)+l式中，N為排列的光纖層數(shù)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的大功率多路高斯激光光束光纖分光方法，其特征在于， 所述構(gòu)成集束型光纖分束器(4)的光纖，其光纖纖芯和光纖包層材料的直徑比的取 值條件是在保證光束全反射傳輸?shù)那疤嵯卤M量趨近l。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的大功率多路高斯激光光束光纖分光方法，其特征在于， 所述構(gòu)成集束型光纖分束器(4)的光纖，其光纖直徑、光纖纖芯直徑及光纖皮層厚 度的確定選取條件是根據(jù)所需的傳光效率確定光纖的直徑；根據(jù)所需承受的功率 密度確定光纖的纖芯直徑；根據(jù)所需的激光耦合效率確定光纖的皮層厚度。
6. —種實現(xiàn)權(quán)利要求1所述大功率多路高斯激光光束光纖分光方法的設(shè)備，包 括光束擴束器(2)，設(shè)置于光束擴束器(2)輸入端的激光器(1)，其特征在于 所述的光束擴束器(2)的輸出端設(shè)置有光束勻化器(3),所述光束勻化器(3)的輸出端與集束型光纖分束器(4)的輸入端光耦合連接。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的大功率多路高斯激光光束光纖分光方法，其特征在于:所述的集束型光纖分束器(4)是由多根光纖構(gòu)成的光纖束(5)，該多根光纖的一端集束在一起，另一端為自由移動端。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的大功率多路高斯激光光束光纖分光方法，其特征 在于所述構(gòu)成集束型光纖分束器(4)的光纖束(5)中的光纖排布是按照圓內(nèi)接 六邊形方式緊密排布，所排布的光纖數(shù)量M為-M=3X(N2—N) +1式中，N為排列的光纖層數(shù)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的大功率多路高斯激光光束光纖分光方法，其特征在于 所述構(gòu)成集束型光纖分束器(4)的光纖是大功率傳能型石英光纖。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的大功率多路高斯激光光束光纖分光方法，其特征在于所述的激光器(1)是連續(xù)激光器或脈沖激光器。
全文摘要
本發(fā)明將激光器輸出的高斯分布的激光束用光束擴束器進(jìn)行擴束，再用光束勻化器將空間能量為高斯分布的激光束轉(zhuǎn)換空間能量為平頂分布的激光束，最后用光纖分束器對勻化后的激光進(jìn)行多路分光。調(diào)整每路光纖分束器的光纖長度，能夠控制每路激光輸出的相位，使每路輸出的激光同相、同步。本發(fā)明解決了背景技術(shù)中分體積龐大、成本高、光路數(shù)少、光束方向引導(dǎo)不便、傳輸距離短、不適用大功率激光場合的技術(shù)問題。本發(fā)明分光均勻，激光輸出的位置可隨意放置，使用靈活、方便，可實現(xiàn)百路、千路能量均勻的輸出相位或具有固定相位延遲的激光輸出，可用于大功率激光連續(xù)型和脈沖型激光的光分束、合束，尤其適用于國防電子對抗與目標(biāo)識別等領(lǐng)域中。
文檔編號G02F1/35GK101191971SQ20061010493
公開日2008年6月4日 申請日期2006年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月20日
發(fā)明者衛(wèi) 趙, 馳 阮, 陳國夫 申請人:中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所