專利名稱：一種2μm半導(dǎo)體激光器高耦合效率單模光纖準(zhǔn)直器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體激光器高耦合效率單模光纖準(zhǔn)直器，特別是一種用于2μm半導(dǎo)體激光器高效率耦合的單模光纖準(zhǔn)直器。

背景技術(shù)：
隨著激光技術(shù)的發(fā)展，采用摻銩和摻鈥的固體激光器的工作波長在2μm附近，這比工作波長在1μm附近的Nd:YAG激光器對人眼的傷害閾值要高，二極管泵浦固體激光器是最近十幾年來發(fā)展的熱點，其主要特點是系統(tǒng)無需制冷，泵浦能量耦合效率高，穩(wěn)定性強，光束質(zhì)量好，壽命長，結(jié)構(gòu)緊湊。而2μm左右的二極管泵浦固體激光器是相干激光雷達的最佳匹配，為了提高對小尺度渦流擾動測量的分辨率和分析精度，促進了2μm相干激光雷達的發(fā)展。目前，美國、英國、德國、法國、荷蘭、愛爾蘭、日本等國都致力于2μm固體激光器、探測器、光學(xué)系統(tǒng)及其性能測試和測量地球大氣、地球風(fēng)場等應(yīng)用方面的研究。
所以，2μm全光纖相干激光多普勒測風(fēng)雷達已成為目前的研究熱點之一，無論是星載、機載，還是車載相干激光多普勒測風(fēng)雷達越來越注重小型化的要求。因此，雷達設(shè)計師公認的實現(xiàn)小型化的辦法就是利用光纖來代替自由空間中的光路，用小型化光纖器件來代替自由空間的光學(xué)器件及其調(diào)整機構(gòu)。同時，利用光纖可以克服自由空間光路中環(huán)境干擾和一些分光器件帶來的非線性誤差，2μm相干激光多普勒測風(fēng)雷達全光纖化和小型化的要求也無例外，其系統(tǒng)中主要使用的光纖器件就是單模光纖準(zhǔn)直器，這種器件通常應(yīng)用在光學(xué)器件封裝單模輸出、光源-單模光纖耦合、單模光纖-光電二極管耦合、光隔離器等光纖器件以及其它領(lǐng)域等，其具有雙窗口工作波長范圍寬、低插入損耗、梯度折射率透鏡封裝堅固尺寸小巧等特點，因此，這種器件可以實現(xiàn)2μm相干激光多普勒測風(fēng)雷達全光纖化和小型化。
單模光纖準(zhǔn)直器采用低成本的梯度折射率透鏡制作，產(chǎn)品具有低插入損耗，低后向反射的特性，采用標(biāo)準(zhǔn)的G652單模光纖封裝，輸出光束直徑大約0.5mm。廣泛應(yīng)用于激光二極管，光電二極管探測器，聲光調(diào)制器等光學(xué)器件相配合的系統(tǒng)中。光纖準(zhǔn)直器可以成對使用，用來把光耦合進/出其它光學(xué)器件。因此，光纖準(zhǔn)直器是其它器件光纖耦合封裝的理想器件。
光纖準(zhǔn)直器的工作原理如圖1所示，光纖準(zhǔn)直器的準(zhǔn)直光束直徑(Collimated Beam Diameter，簡稱BD)和全發(fā)散角(Full Divergence Angle，簡稱DA)，與透鏡的焦距長度(f)，光纖的纖芯直徑(a)，以及光纖的數(shù)值孔徑(NA)有關(guān)。公式如下 BD(mm)＝2f(mm)NA DA(mrad)＝a(μm)/f(mm) 其中，NA光纖的數(shù)值孔徑；a光纖的芯徑；BD光束直徑；DA發(fā)散角度；f透鏡的焦距。
但是，由于此2μm的波段屬于國際公認的特種激光波段，其透過率高的耦合透鏡材料比較少并且加工困難，雖然國內(nèi)外在可見光和近紅外波段單模光纖耦合技術(shù)已經(jīng)非常成熟，特別是國外該波段光纖準(zhǔn)直器{特別是在通信波段的產(chǎn)品}早已商品化了，但對于2μm波段的激光到單模光纖準(zhǔn)直器至今尚未見報道。
目前，國內(nèi)外科研工作者所研發(fā)的2μm全光纖相干激光多普勒測風(fēng)雷達系統(tǒng)中激光器均采用種子源注入放大級的方式，而一般種子源均為光束質(zhì)量良好的半導(dǎo)體激光器，采用普通透鏡對半導(dǎo)體激光進行光纖耦合，缺點是透鏡和9μm直徑纖芯之間的光軸對準(zhǔn)調(diào)節(jié)十分困難，同時由于透鏡和光纖纖芯要分別通過光學(xué)調(diào)整架進行耦合調(diào)節(jié)，這樣使兩個光學(xué)調(diào)整架要保證一定的工作距離，所占據(jù)的空間會很大，對于2μm全光纖相干激光多普勒測風(fēng)雷達小型化要求是十分不利的。


發(fā)明內(nèi)容
因此，基于2μm相干激光多普勒測風(fēng)雷達全光纖化和小型化的需要，本發(fā)明的任務(wù)是提供一種2μm單模光纖準(zhǔn)直器。
一方面，本發(fā)明提供了一種2μm半導(dǎo)體激光器高效率耦合的2μm單模光纖準(zhǔn)直器，其特征在于該2μm半導(dǎo)體激光器高效率耦合的2μm單模光纖準(zhǔn)直器包括2μm半導(dǎo)體測試光源和高耦合效率單模光纖準(zhǔn)直器，還包括光纖連接器和高靈敏度2μm激光功率計。所述高耦合效率單模光纖準(zhǔn)直器包括梯度折射率透鏡、玻璃套管、金屬套管、光纖插針、單模光纖尾纖。其中，單模光纖尾纖穿入并固定在插針中心，將插針表面進行拋光處理后，將梯度折射率透鏡和光纖插針一起放入玻璃套管中實現(xiàn)對準(zhǔn)，同時金屬套管將套在玻璃套管外面，起到保護作用。所述梯度折射率透鏡和光纖插針端面采用斜面、球形連接，接觸端的中央部分保持球面，端面的其它部分加工成斜面，使端面與光纖軸線的夾角小于90°，這樣可以增加接觸面積，使光耦合更加緊密。當(dāng)端面與光纖軸線夾角為8°時，插入損耗小于0.5dB，斜面拋光后反射損耗可達68dB。同時，插針的外組件采用金屬或非金屬的材料制作，插針與梯度折射率透鏡接觸的斜面必須進行研磨處理，另一端通常采用彎曲限制構(gòu)件來支撐光纖或光纖軟纜以釋放應(yīng)力。所使用的2μm梯度折射率透鏡焦距為1.3mm，長度為7.7mm，半徑為1.8mm，聚焦常數(shù)為0.2mm-1，耦合效率為26.8％。2μm半導(dǎo)體測試光源在溫度控制器的作用下發(fā)射激光，在激光光軸方向放置2μm單模光纖準(zhǔn)直器對發(fā)射的激光進行耦合，2μm單模光纖準(zhǔn)直器輸出端通過光纖連接器與2μm激光功率計連接，因此，耦合到2μm光纖線芯中的激光功率可以通過2μm激光功率計觀察讀數(shù)。2μm半導(dǎo)體測試光源在溫度控制器的作用下發(fā)射激光，在激光光軸方向放置2μm單模光纖準(zhǔn)直器對發(fā)射的激光進行耦合，2μm單模光纖準(zhǔn)直器輸出端通過光纖連接器與2μm激光功率計連接，因此，耦合到2μm光纖線芯中的激光功率可以通過2μm激光功率計觀察讀數(shù)。
上述的2μm單模光纖準(zhǔn)直器中，所述梯度折射率透鏡由透明材料制成，所述透明材料包括硅片和氧化物玻璃等。
上述的2μm單模光纖準(zhǔn)直器中，所述梯度折射率透鏡的入射端面形狀一般為球面、平面、橢球面、錐面和楔形面。
進一步地，所述梯度折射率透鏡的兩個端面鍍有增加測試光源發(fā)射光束透射效率的增透膜。
上述的2μm單模光纖準(zhǔn)直器中，所述玻璃套管由特殊材料的兩半合成的、緊固的圓筒形構(gòu)件制成，所述特殊材料包括K9玻璃、融石英、陶瓷、透明塑料。
上述的2μm單模光纖準(zhǔn)直器中，所述金屬套管由金屬材料制成，所述金屬材料包括金、銅、鋁、鋼等。
另一方面，對設(shè)計的2μm單模光纖準(zhǔn)直器件，利用專業(yè)ZAMEX軟件進行了優(yōu)化。
本發(fā)明將2μm單模光纖準(zhǔn)直器巧妙地引入半導(dǎo)體激光器到單模光纖耦合的系統(tǒng)中，提出了通過漸變折射率透鏡對大發(fā)散角人眼安全的2μm激光進行光纖耦合的想法。
采取上述技術(shù)方案，可以實現(xiàn)2μm單模光纖準(zhǔn)直器的制備，實際測試耦合效率最大可達25.4％，滿足了2μm相干激光多普勒測風(fēng)雷達接收系統(tǒng)對回波進行光纖耦合的要求，實現(xiàn)了接收系統(tǒng)的全光纖化和小型化，成功地解決了光軸對準(zhǔn)調(diào)節(jié)困難和占據(jù)空間大的缺陷，此外，本發(fā)明同時具有耦合效率高、可操作性強和重復(fù)性好的特點，且兼?zhèn)湎鄬Τ杀镜停子趯崿F(xiàn)的優(yōu)勢，在激光器到光纖耦合領(lǐng)域具有很高的實用價值。



以下，結(jié)合附圖來詳細說明本發(fā)明的實施例，其中 圖1是單模光纖準(zhǔn)直器的工作原理示意圖； 圖2是自聚焦透鏡的聚焦特點示意圖； 圖3是自聚焦透鏡和單模光纖之間耦合效率與各參量之間的關(guān)系示意圖； 圖4是2μm單模光纖準(zhǔn)直器的一般結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5是梯度折射率透鏡的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖6是光纖插針結(jié)構(gòu)示意圖； 圖7是玻璃套管結(jié)構(gòu)示意圖； 圖8是鍍金套管結(jié)構(gòu)示意圖； 圖9是2μm半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)示意圖； 圖10是2μm半導(dǎo)體激光器光纖耦合測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施例方式 一般單模光纖準(zhǔn)直器主要是由自聚焦透鏡和單模光纖組成，自聚焦棒透鏡的折射率呈梯度分布，中心折射率為n0，離軸r處的折射率為 其中n0為軸線折射率，r為自聚焦透鏡半徑，

為自聚焦透鏡的聚焦常數(shù)。自聚焦透鏡的焦距為 其中z為自聚焦透鏡的長度。
由(2)式可知，因為A是波長的函數(shù)，所以f也是波長的函數(shù)。如圖2所示，在給定的波長條件下，如果z過長，則焦點在透鏡端面內(nèi)；反之z過短，則焦點在透鏡端面外。因此，透鏡的長度誤差必然會影響到光束耦合效果，這是造成準(zhǔn)直器損耗的主要原因之一。
2μm半導(dǎo)體激光到單模光纖的耦合系統(tǒng)是由單模光纖和1/4節(jié)距的自聚焦透鏡組成，使用1/4節(jié)距的自聚焦透鏡目的是便于機加工，又因為1/4節(jié)距的自聚焦透鏡的焦點在端面上便于耦合調(diào)試。它們之間的耦合原理同普通透鏡的耦合原理相似，所用自聚焦透鏡的長度為 其中P為自聚焦透鏡的節(jié)距。因為P是在近軸近似條件下，根據(jù)子午光纖遵循正弦路徑傳播而確定的。所以由式(3)計算出的z值不準(zhǔn)，帶來了耦合時的損耗另外自聚焦透鏡的像差也會使耦合效率下降增加器件的損耗。
當(dāng)自聚焦透鏡的長度為1/4節(jié)距時，即根據(jù)模場耦合理論，光場分布為φ1的高斯光束與φ2的高斯光束的耦合效率為 運用高斯光束傳輸理論，經(jīng)進一步推導(dǎo)，可分別得到自聚焦透鏡和單模光纖之間在離軸耦合、偏角耦合及間距耦合3種情況下，自聚焦透鏡和單模光纖之間的耦合效率。
(1)自聚焦透鏡和單模光纖之間離軸耦合為 (2)自聚焦透鏡和單模光纖之間偏角耦合為 (3)自聚焦透鏡和單模光纖之間距耦合為 其中， 這里，ω0，λ分別為高斯光束的模場半徑和波長；d為自聚焦透鏡和單模光纖之間的間距；x0為自聚焦透鏡和單模光纖之間的軸間間距；θ為自聚焦透鏡和單模光纖之間的角度。
圖3是自聚焦透鏡和單模光纖之間耦合效率與各參量之間的關(guān)系示意圖。利用MATLAB仿真了自聚焦透鏡和單模光纖之間耦合效率與各參量之間的關(guān)系如圖3所示，其中圖3(a)為耦合效率與其軸間距離的關(guān)系；圖3(b)為耦合效率與其角度的關(guān)系；圖3(c)為耦合效率與其間距的關(guān)系，從圖中可以看出耦合效率隨各參量的增加而迅速下降，并且可以看出耦合效率對間距耦合相對于另兩種耦合來說不敏感。
圖4是2μm單模光纖準(zhǔn)直器的一般結(jié)構(gòu)示意圖。該光纖準(zhǔn)直器包括光纖尾纖401、光纖插針402、玻璃套管403、梯度折射率透鏡404、金屬套管407、和光纖連接器406。根據(jù)上面自聚焦透鏡的傳光原理，針對于1/4節(jié)距的自聚焦透鏡，對所設(shè)計的2μm單模光纖準(zhǔn)直器進行了優(yōu)化設(shè)計。當(dāng)匯聚光從自聚焦透鏡一個端面輸入時，經(jīng)過自聚焦透鏡后會轉(zhuǎn)變成平行光纖或者匯聚光纖。單模光纖準(zhǔn)直器是光纖通信系統(tǒng)和光纖傳感系統(tǒng)中的基本光學(xué)器件，其用途是對傳輸?shù)母咚构馐M行準(zhǔn)直或聚焦，以提高光源與光纖間的耦合效率。這種單模光纖準(zhǔn)直器的特點是可以將發(fā)散角很大的2μm半導(dǎo)體激光耦合到單模光纖里。
對于2μm半導(dǎo)體激光器來說，如果直接用2μm半導(dǎo)體激光器和單模光纖耦合的話，耦合效率會因為橢圓激光模場和圓對稱的光纖模場不匹配而降低。當(dāng)然，可以通過增大激光器端面和光纖端面的距離來減少模式不匹配帶來的損耗。但是，由于激光的高度發(fā)散，高斯激光光束的波前在增大工作距離的同時變得更加彎曲，這樣會導(dǎo)致彎曲的激光光束波前和平面的光纖光束波前相位失匹。同樣導(dǎo)致耦合效率降低。因此，要提高耦合效率，不僅要減少模場半徑失配帶來的耦合損失，而且要減少相位失配帶來的耦合損失。因此，將梯度折射率透鏡集成在平端光纖端面，主要利用梯度折射率透鏡404的漸變折射率將擴散的光束聚集在光纖芯徑處來提高耦合效率，同時增加了工作距離。既克服了模場的不匹配，同時又克服了相位的不匹配帶來的損耗。
由于2μm是個國內(nèi)外公認的特種激光波段，國內(nèi)外透過率高的透鏡材料非常少見，要找到高透過率材料并按要求進行加工，其成本是非常高的。因此，折中考慮所有的因素之后，利用中國西安同維通訊技術(shù)有限責(zé)任公司加工生產(chǎn)的材料即特殊氧化物玻璃梯度折射率透鏡來完成單模光纖準(zhǔn)直器的制備，這種材料的特點是在2μm波段透過率高且加工容易。通過理論計算并利用ZEMAX軟件進行優(yōu)化，設(shè)計加工了制備準(zhǔn)直器所需的自聚焦透鏡，其優(yōu)化設(shè)計參數(shù)如表1所示。
表1準(zhǔn)直器優(yōu)化后的設(shè)計參數(shù)
把2μm半導(dǎo)體激光器通過自聚焦透鏡和光纖進行耦合，來標(biāo)定所制備的單模光纖準(zhǔn)直器的耦合效率的有效值，耦合測試裝置如圖10所示。
測試中所用的光纖都是Corning SMF-28單模光纖，2μm光功率計型號為3A-FS，測量范圍為60μW～3W，測試中所用的其它儀器參數(shù)如表2和表3所示。
表22μm單模半導(dǎo)體激光器參數(shù)
表32μm單模光纖參數(shù)及測試數(shù)據(jù)
將2μm單模半導(dǎo)體激光用功率計測出它的輸出功率，定為基準(zhǔn)，然后將2μm半導(dǎo)體激光器固定在六維調(diào)整架上，梯度折射率透鏡404和光纖插針402通過套管403固定在二維調(diào)整架的壓板上不動，在顯微鏡的監(jiān)視下，仔細調(diào)節(jié)六維調(diào)整架，使得光纖插針402尾部的光纖連接器406的輸出光功率計最大，將最大輸出功率與激光器輸出功率相比就可計算出最大耦合效率，通過大量的測試得到最大的耦合效率為25.4％，接近于優(yōu)化后的理論值，測試結(jié)果表明了優(yōu)化結(jié)果是正確的。
圖5是梯度折射率透鏡的結(jié)構(gòu)示意圖。該梯度折射率透鏡包括激光入射面502和與光纖插針相接觸的斜面503。梯度折射率透鏡的激光入射面502鍍有增加激光器出射激光透射效率的增透膜，梯度折射率透鏡和光纖插針端面采用斜面、球形連接，接觸端的中央部分保持球面，端面的其它部分加工成斜面503，使端面與光纖軸線的夾角小于90°，這樣可以增加接觸面積，使光耦合更加緊密。當(dāng)端面與光纖軸線夾角為8°時，插入損耗小于0.5dB，斜面503拋光后反射損耗可達68dB。所使用的2μm梯度折射率透鏡焦距為1.3mm，長度為7.7mm，半徑為1.8mm，聚焦常數(shù)為0.2mm-1，耦合效率為26.8％。同時，此斜面503也鍍有增加激光器出射激光透射效率的增透膜。該梯度折射率透鏡由柱狀透明材料制成。所述透明材料可以為硅片和氧化物玻璃等。所述的梯度折射率透鏡入射面可以為平面，也可以根據(jù)具體需要設(shè)計成球面、橢球面、錐面和楔形面等，這對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員是很好理解的。
圖6是光纖插針的結(jié)構(gòu)示意圖。該光纖插針包括光纖線芯保護玻璃棒601、光纖纖芯602、與梯度折射率透鏡相接觸的端面603、光纖尾纖604和光纖連接器605。所述的光纖插針和梯度折射率透鏡端面采用斜面、球形連接，接觸端的中央部分保持球面，端面的其它部分加工成斜面，使端面與光纖軸線的夾角小于90，這樣可以增加接觸面積，使光耦合更加緊密。當(dāng)端面與光纖軸線夾角為8°時，插入損耗小于0.5dB，斜面拋光后反射損耗可達68dB。同時，插針的外組件采用金屬或非金屬的材料制作，插針與梯度折射率透鏡接觸的斜面必須進行研磨處理，另一端通常采用彎曲限制構(gòu)件來支撐光纖或光纖軟纜以釋放應(yīng)力。所述的保護玻璃棒601除了具有固定光纖線芯的作用外，由于其外徑的制作是和梯度折射率透鏡外徑尺寸相匹配的，因此，此保護玻璃棒601還具有便于梯度折射率透鏡和光纖線芯耦合調(diào)節(jié)的功能。所述光纖一般為SMF-28類型的單模光纖。所述的光纖連接器605一般為FC/APC類型，也可以根據(jù)需要制作成無連接器、FU-FC/UPC、SU-SC/UPC、SA-SC/APC類型，光纖連接器605光纖線芯一般被陶瓷棒保護，其端面一般也有8°的傾角，依然起到隔離后向散射光，降低插入損耗的作用，使得插入損耗小于0.5dB，斜面拋光后反射損耗可達68dB，為盡量精確地對準(zhǔn)光纖，對插針和玻璃套管的加工精度要求很高，這對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員是很好理解的。
圖7是玻璃套管的結(jié)構(gòu)示意圖。該玻璃套管一般由透明材料制成，所述透明材料為K9玻璃、石英、陶瓷、透明塑料等。圖7(a)所示為玻璃套管縱向剖面圖，而圖7(b)為玻璃套管橫向剖面圖，包括外表面701和內(nèi)表面702。所述內(nèi)表面702的孔徑和梯度折射率透鏡的直徑相匹配，玻璃套管的作用是把梯度折射率透鏡和光纖插針固定到自身內(nèi)部703里邊，便于梯度折射率透鏡和光纖之間按照一定得工作距離進行耦合調(diào)節(jié)。因此，對于玻璃套管被表面加工質(zhì)量的要求相對比較高，這樣才能保證激光可以通過梯度折射率透鏡高效率地耦合到光纖線芯內(nèi)部。
圖8是鍍金套管的結(jié)構(gòu)示意圖。該鍍金套管一般由金屬材料制成，所述的金屬材料為金、銅、鋁和鋼等。圖8(a)所示為玻璃套管縱向剖面圖，而圖8(b)為玻璃套管橫向剖面圖，包括外表面801和內(nèi)表面802。所述內(nèi)表面802的孔徑和玻璃套管的外徑相匹配，鍍金套管的作用是保護玻璃套，使其在受到外力作用時不易破碎。由于此鍍金套管主要起到保護內(nèi)部元件的作用，因此對其加工精度要求較低，可以根據(jù)具體需要制作多種孔徑的金屬套管。
圖9是2μm半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)示意圖。該2μm半導(dǎo)體激光器包括三個管腳，分別為管腳902、管腳903和管腳904，同時還包括半導(dǎo)體激光器的發(fā)光面901。所述的半導(dǎo)體激光器的發(fā)光面901的作用是使半導(dǎo)體激光器出射的激光沿光軸方向發(fā)射，同時發(fā)光面901在使用時按照一定要求進行了封裝，發(fā)光面901上面有一層透明材料制成防塵窗片，所述透明材料為石英、K9玻璃和硅片等。所述三個管腳902、903和904一般為半導(dǎo)體激光器的正極、負極和接地，不同的2μm半導(dǎo)體激光器正極、負極和接地的順序可能不同。
所述的2μm半導(dǎo)體激光器一般根據(jù)管腳順序，安裝在特制的半導(dǎo)體激光器安裝架上，此時2μm半導(dǎo)體激光器就可以在溫控器的作用下工作，所述溫控器有兩個輸出端口，其中一個輸出端為電流輸出端，此端口為2μm半導(dǎo)體激光器提供工作電流；另一個輸出端為控溫端，它精確地控制2μm半導(dǎo)體激光器的工作溫度，控溫精度一般為0.001°，這樣可以保持激光器輸出波長穩(wěn)定，這對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說是可以理解的。
圖10是2μm半導(dǎo)體激光器光纖耦合測試裝置結(jié)構(gòu)示意圖。該耦合測試裝置包括半導(dǎo)體激光器溫控器1001、半導(dǎo)體激光器安裝架1002、2μm半導(dǎo)體激光器1003、梯度折射率透鏡1004、玻璃套管1005、光纖插針1006、高靈敏度激光功率計1007和光纖尾纖1008。所述的半導(dǎo)體激光器1003安裝在半導(dǎo)體激光器安裝架1002上，而半導(dǎo)體激光器安裝架1002與半導(dǎo)體激光器溫控器1001相連。所述的梯度折射率透鏡1004和光纖插針1006通過玻璃套管1005根據(jù)工作距離固定在一起，所述光纖插針的后端的光纖連接器與2μm高靈敏度光功率計相連，而為了進行耦合調(diào)節(jié)和測試所制備的2μm光纖準(zhǔn)直器的耦合性能，通常把玻璃套管固定到二維調(diào)整架上，同時把半導(dǎo)體激光器安裝架1002固定到一個六維調(diào)整架上，放到梯度折射率透鏡1004的工作距離處。
在所有器件安裝完畢之后，打開半導(dǎo)體激光器溫控器1001和2μm高靈敏度激光功率計1007的電源，此時可以通過邊觀察2μm高靈敏度激光功率計1007的讀數(shù)，邊精細調(diào)節(jié)2μm半導(dǎo)體激光器1003和梯度折射率透鏡1004的位置光系，尋找最大耦合效率的數(shù)值和位置。
需要說明的是，在測試之前要先標(biāo)定和記錄2μm半導(dǎo)體激光器1003輸出功率隨工作電流的變化關(guān)系，這樣在找到2μm高靈敏度激光功率計1007最大讀數(shù)位置時，就能夠計算2μm單模光纖準(zhǔn)直器的最大耦合效率。
最后需要強調(diào)的是，所設(shè)計的一套單模光纖準(zhǔn)直器通過測試標(biāo)定了耦合效率的有效值，測試結(jié)果表明，自聚焦透鏡優(yōu)化設(shè)計結(jié)果是可行和可靠的，這對下一步2μm單模光纖準(zhǔn)直器封裝及產(chǎn)品化有重要的指導(dǎo)意義，為2μm相干激光多普勒測風(fēng)雷達的小型化研制奠定了基礎(chǔ)。
當(dāng)然，根據(jù)實際應(yīng)用中的需要，本發(fā)明的2μm單模光纖準(zhǔn)直器還可以用于光纖激光器和固體激光器的耦合，由于兩種激光器輸出激光的光束質(zhì)量非常好，所以兩種激光器的耦合效率將會比大發(fā)散角的半導(dǎo)體激光器的耦合效率更高，用ZEMAX軟件優(yōu)化后可知兩種激光器耦合效率一般都在80％以上。最后應(yīng)說明的是，以上各附圖中的實施例僅用以說明本發(fā)明的單模光纖準(zhǔn)直器的結(jié)構(gòu)和技術(shù)方案，但非限制。盡管參照實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對本發(fā)明的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.一種2μm半導(dǎo)體激光器高效率耦合的2μm單模光纖準(zhǔn)直器，其特征在于該2μm半導(dǎo)體激光器高效率耦合的2μm單模光纖準(zhǔn)直器包括2μm半導(dǎo)體測試光源和高耦合效率單模光纖準(zhǔn)直器，還包括光纖連接器和高靈敏度2μm激光功率計，所述高耦合效率單模光纖準(zhǔn)直器包括梯度折射率透鏡、玻璃套管、金屬套管、光纖插針和單模光纖尾纖。其中，單模光纖尾纖穿入并固定在插針中心，將插針表面進行拋光處理后，將梯度折射率透鏡和光纖插針一起放入玻璃套管中實現(xiàn)對準(zhǔn)，同時金屬套管將套在玻璃套管外面，起到保護作用。所述梯度折射率透鏡和光纖插針端面采用斜面、球形連接，接觸端的中央部分保持球面，端面的其它部分加工成斜面，使端面與光纖軸線的夾角小于90°，這樣可以增加接觸面積，使光耦合更加緊密。當(dāng)端面與光纖軸線夾角為8°時，插入損耗小于0.5dB，斜面拋光后反射損耗可達68dB，極好地隔離了后向散射光對激光器影響。同時，插針的外組件采用金屬或非金屬的材料制作，插針與梯度折射率透鏡接觸的斜面必須進行研磨處理，另一端通常采用彎曲限制構(gòu)件來支撐光纖或光纖軟纜以釋放應(yīng)力。所使用的2μm梯度折射率透鏡焦距為1.3mm，長度為7.7mm，半徑為1.8mm，聚焦常數(shù)為0.2mm-1，耦合效率為26.8％。2μm半導(dǎo)體測試光源在溫度控制器的作用下發(fā)射激光，在激光光軸方向放置2μm單模光纖準(zhǔn)直器對發(fā)射的激光進行耦合，2μm單模光纖準(zhǔn)直器輸出端通過光纖連接器與2μm激光功率計連接，因此，耦合到2μm光纖線芯中的激光功率可以通過2μm激光功率計觀察讀數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的2μm單模光纖準(zhǔn)直器系統(tǒng)，其特征在于，所述梯度折射率透鏡由透明材料制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的2μm單模光纖準(zhǔn)直器系統(tǒng)，其特征在于，所述透明材料包括硅、氧化物玻璃。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的2μm單模光纖準(zhǔn)直器系統(tǒng)，其特征在于，所述梯度折射率透鏡的入射端面形狀為球面、平面、橢球面、錐面和楔形面。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的2μm單模光纖準(zhǔn)直器系統(tǒng)，其特征在于，所述梯度折射率透鏡的兩端面鍍有增加測試光源發(fā)射光束透射效率的增透膜。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的2μm單模光纖準(zhǔn)直器系統(tǒng)，其特征在于，所述玻璃套管由特殊材料制成的兩半合成的、緊固的圓筒形構(gòu)件。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的2μm單模光纖準(zhǔn)直器系統(tǒng)，其特征在于，所述特殊材料包括K9玻璃、融石英、陶瓷、透明塑料。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的2μm單模光纖準(zhǔn)直器系統(tǒng)，其特征在于，所述金屬套管由金屬材料制成。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的2μm單模光纖準(zhǔn)直器系統(tǒng)，其特征在于，所述金屬材料包括金、銅、鋁、鋼等。
全文摘要
一種用于2μm半導(dǎo)體激光器高效率耦合的2μm單模光纖準(zhǔn)直器系統(tǒng)，根據(jù)自聚焦透鏡的傳光原理，針對于1/4節(jié)距的自聚焦透鏡，對所設(shè)計的2μm單模光纖耦合器進行了優(yōu)化設(shè)計。其系統(tǒng)由2μm測試光源、高耦合效率單模光纖準(zhǔn)直器、光纖連接器和2μm高靈敏度激光功率計構(gòu)成，此器件同時可用于平行光光纖耦合，滿足了2μm相干激光多普勒測風(fēng)雷達接收系統(tǒng)對回波進行光纖耦合的要求，可以實現(xiàn)接收系統(tǒng)的全光纖化和小型化，成功地解決了光軸對準(zhǔn)調(diào)節(jié)困難和占據(jù)空間大的缺陷，本發(fā)明具有耦合效率高、可操作性強和重復(fù)性好的特點，且兼?zhèn)湎鄬Τ杀镜?，易于實現(xiàn)的優(yōu)勢，在激光器到光纖耦合領(lǐng)域具有很高的實用價值。
文檔編號H01S5/06GK101826700SQ200910217408
公開日2010年9月8日 申請日期2009年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月24日
發(fā)明者王春暉, 李彥超 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)