專利名稱：激光鈉導(dǎo)星技術(shù)中的一種激光束光纖傳輸器件的制作方法
激光鈉導(dǎo)星技術(shù)中的一種激光束光纖傳輸器件技術(shù)領(lǐng)域-本發(fā)明屬于自適應(yīng)光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)激光鈉導(dǎo)星技術(shù)中光束傳輸領(lǐng)域，特別涉及一種激 光束從激光器到發(fā)射望遠(yuǎn)鏡的傳輸器件。
背景技術(shù)：
激光導(dǎo)引星技術(shù)為自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)在星體觀測和空間觀測方面的應(yīng)用提供了一個解決信標(biāo) 問題的方案。其原理是發(fā)射一束高功率、高光束質(zhì)量激光束到天空，利用該激光在平流層所產(chǎn) 生的后向瑞利散射或者在散逸層所產(chǎn)生的鈉共振熒光散射作為信標(biāo)。在此技術(shù)中有一個必然的 環(huán)節(jié)是把激光從激光器引導(dǎo)到望遠(yuǎn)鏡發(fā)射系統(tǒng)。激光器到望遠(yuǎn)鏡發(fā)射系統(tǒng)的距離取決于天文望 遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的布局， 一般來說主鏡的口徑越大，激光器到望遠(yuǎn)鏡發(fā)射系統(tǒng)的距離越大，當(dāng)前天文 望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)(如歐洲南方天文臺裝備的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng))中激光器到望遠(yuǎn)鏡發(fā)射系統(tǒng)的距離約為25 米。發(fā)射望遠(yuǎn)鏡的發(fā)射功率越高越有利于減輕望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)其它部件的性能要求；光束質(zhì)量M2 因子趨近于1 (光束質(zhì)量越好越有利于激光束經(jīng)發(fā)射望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)后在鈉層的聚焦從而產(chǎn)生滿足強(qiáng) 度要求的鈉信標(biāo))。把激光從激光器引導(dǎo)到望遠(yuǎn)鏡發(fā)射系統(tǒng)現(xiàn)有兩種方式，第一種方式是利用多 個反射鏡和透鏡在空氣中設(shè)計光路，從而使激光束到達(dá)望遠(yuǎn)鏡發(fā)射系統(tǒng)，第二種方式是利用光 纖把激光束傳輸?shù)酵h(yuǎn)鏡發(fā)射系統(tǒng)。使用光纖把激光束從激光器引導(dǎo)到望遠(yuǎn)鏡發(fā)射系統(tǒng)雖然避免了煩瑣的光學(xué)光路設(shè)計的同時 也具有一些優(yōu)點(diǎn)；但是同時需滿足兩方面的要求， 一是光纖輸出功率盡可能高，二是要求光纖 傳輸系統(tǒng)單模輸出以保證輸出光束具有高的光束質(zhì)量。在傳輸高功率激光時，受激布里淵散射 (SBS)效應(yīng)限制了光纖的功率傳輸能力，光纖的傳輸能力可由SBS閾值理論計算得出。鈉導(dǎo) 星技術(shù)中激光束的光纖傳輸經(jīng)歷了三個階段的探索。第一階段是利用普通單模光纖進(jìn)行傳輸， 最大的問題在于當(dāng)前在589nm波段的實用普通單模光纖的纖芯直徑約為4.5微米，這樣的一根長 度為25米，衰減系數(shù)為20dB的單模光纖的功率傳輸能力僅為0.3W。第二階段是利用大芯徑的 單模光子晶體光纖來實現(xiàn)光束的傳輸。當(dāng)前實用化最大芯徑單模光子晶體光纖的纖芯直徑約為 14.5微米，這樣一根長度為25米，衰減系數(shù)為20dB的單模光子晶體光纖的功率傳輸能力約為 3W。不管是釆用單一的普通單模光纖還是光子晶體單模光纖從功率上講都不能達(dá)到大口徑天文望遠(yuǎn)鏡自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中鈉導(dǎo)星技術(shù)的性能要求。第三階段為克服此困難，歐洲南方天文臺 采用大芯徑的單模光子晶體光纖和外部電光相位調(diào)制系統(tǒng)來實現(xiàn)光束的傳輸(W.Hackenberg, M.Zaehringer andA.Silber. SPIE，6272 62724D)，該傳輸方案引入了結(jié)構(gòu)復(fù)雜的外部電光相位調(diào)制 系統(tǒng)，整個傳輸系統(tǒng)比較復(fù)雜；另外該傳輸系統(tǒng)中所涉及的外部電光相位調(diào)制器和大芯徑單模 光子晶體光纖的成本比較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有傳輸方式的不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡單靈活、成 本低廉的滿足激光鈉導(dǎo)星技術(shù)中實現(xiàn)激光束從激光器到發(fā)射望遠(yuǎn)鏡傳輸要求的光纖傳輸器 件。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案激光鈉導(dǎo)星技術(shù)中的一種激光束光纖傳輸 器件，其特征在于該器件由圓柱形多模光纖采用熔拉法拉制成錐形后研磨成臺，它包括圓 柱形多模光纖部分和錐臺光纖部分，錐臺光纖部分直接在圓柱形多模光纖末端加工形成，圓柱 形多模光纖的另一端為激光束的輸入端，錐臺光纖的另一端為激光束的輸出端。所述的圓柱形多模光纖長度為激光器到發(fā)射望遠(yuǎn)鏡距離的1~1.2倍；錐臺光纖部分的粗端纖 芯半徑等于多模光纖的纖芯半徑，錐臺光纖細(xì)端處的纖芯半徑fl滿足光纖中激光束的單模傳輸條件M2.405入/2::NA式中，人為光纖中的傳輸激光波長；旭=(",2-"22盧為光纖的數(shù)值孔徑，"/和 分別表示 光纖纖芯和包層的折射率。所述的圓柱形多模光纖的纖芯半徑在2(^m~50pm之間。 所述傳輸器件的輸入輸出端端面平整拋光，并鍍有增透膜。工作原理激光鈉導(dǎo)星技術(shù)中，激光束從激光器到發(fā)射望遠(yuǎn)鏡的光纖傳輸有兩方面的要求， 一是要求能傳輸盡量高的光功率(即高傳輸效率)，二是要求光纖單模輸出以保證激光束的高光 束質(zhì)量。本發(fā)明中涉及的光纖傳輸器件包括兩部分圓柱形多模光纖和錐臺光纖。圓柱形多模 光纖用于功率傳輸，錐臺光纖用于保證光束的單模輸出。光纖傳輸器件的功率傳輸能力等于圓 柱形光纖的最大傳輸功率與錐臺光纖的功率轉(zhuǎn)換效率的積。圓柱形光纖的傳輸能力受限于光纖的受激布里淵散射閾值功率，光纖的最大傳輸功率P(T 近似可用下式計算式中，！^r[l-exp(-a丄)]/ a,其中，Z為光纖的長度；oc為光纖的吸收系數(shù)；gs為布里淵增益系數(shù)；4#為光纖有效截面積，近似等于光纖的纖芯面積。錐臺光纖的纖芯芯徑從起始端開始逐漸減小，結(jié)構(gòu)參數(shù)V-2wNAa,式中，入為光纖中的傳輸激光波長；= (",2 - 為光纖的數(shù)值孔徑，和&分別表示光纖纖芯和包層的折射率； r為錐臺半徑。在錐臺光纖起始端纖芯半徑最大，故其結(jié)構(gòu)參數(shù)值最大，因而其支持的模式數(shù)最 多，在錐臺光纖的末端即輸出端，其纖芯半徑最小，故其支持的模式數(shù)最少。當(dāng)錐臺光纖末端 纖芯減小到滿足光纖的單模條件時(結(jié)構(gòu)參數(shù)V52.405)，其端面輸出光以基模的形式輸出。Yang 等人(Y.YangandJonLeeetaI.， Optics Communications,2005,249:129-137.)的相關(guān)計算和實驗結(jié) 果表明，通過合理設(shè)計，錐臺光纖的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到90%以上?；谏鲜鲈恚稍O(shè)計參數(shù)合理的圓柱形光纖和錐臺光纖組成的光纖傳輸器件實現(xiàn)激光束 從激光器到發(fā)射望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的傳輸。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比所具有的優(yōu)點(diǎn)1、 本發(fā)明中涉及的錐臺光纖的細(xì)端纖芯半徑滿足光纖的單模條件，所以傳輸器件以基模形 式輸出激光束，具有接近衍射極限的光束質(zhì)量；2、 本發(fā)明中涉及的光纖傳輸器件的傳輸能力取決于錐臺光纖參數(shù)，在保證錐臺光纖有較高 功率轉(zhuǎn)換效率的前提下盡可能增大多模光纖的芯徑可以獲得較高的傳輸能力，滿足鈉導(dǎo)星技術(shù) 中對光功率的要求；3、 本發(fā)明中涉及的關(guān)健元件為錐臺光纖，相對于當(dāng)前光纖傳輸方案中附加的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成 本極高的外部電光相位調(diào)制器和大芯徑單模光子晶體光纖而言，本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單靈活，成 本極低的優(yōu)點(diǎn)；4、 本發(fā)明中涉及的多模光纖相對歐洲南方天文臺傳輸方案中的光子晶體單模光纖而言，纖 芯芯徑較大，因此在實現(xiàn)激光束到光纖的耦合時，對準(zhǔn)精度要求低，難度較小。


圖1為本發(fā)明的光纖傳輸器件在激光鈉導(dǎo)星技術(shù)中實現(xiàn)激光束從激光器到發(fā)射望遠(yuǎn)鏡的 應(yīng)用示意圖；圖2為典型錐臺光纖的顯微鏡像；圖1中1、鈉導(dǎo)星技術(shù)中所用的激光器，2、耦合透鏡、3、耦合調(diào)節(jié)裝置，4、包括圓柱 形光纖和錐臺光纖的光纖傳輸器件，5、準(zhǔn)直透鏡，6發(fā)射望遠(yuǎn)鏡。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖及具體實施方式
詳細(xì)介紹本發(fā)明。圖1為采用本發(fā)明的光纖傳輸器件在激光鈉導(dǎo)星技術(shù)中實現(xiàn)激光束從激光器到發(fā)射望遠(yuǎn)鏡的應(yīng)用示意圖；如圖1所示，激光束從激光器1發(fā)射進(jìn)入耦合透鏡2，經(jīng)過耦合調(diào)節(jié)裝置3 的調(diào)節(jié)，按照需求入射到傳輸器件4的輸入端面，然后從傳輸器件4的輸出端面出射，經(jīng)準(zhǔn)直 透鏡5到達(dá)發(fā)射望遠(yuǎn)鏡6。下面詳細(xì)介紹本實施例中的光纖傳輸器件4。1、光纖傳輸器件的結(jié)構(gòu)激光鈉導(dǎo)星技術(shù)中，激光束從激光器1到發(fā)射望遠(yuǎn)鏡6的光纖傳輸有兩方面的要求， 一是 要求能傳輸盡量高的光功率(即高傳輸效率)，二是要求光纖單模輸出以保證激光束的高光束質(zhì) 量；本發(fā)明涉及激光鈉導(dǎo)星技術(shù)中的一種激光束光纖傳輸器件，該器件由圓柱形多模光纖末端 采用熔拉法拉制成錐形后研磨成臺，它包括圓柱形多模光纖部分和錐臺光纖部分；如圖2所 示；錐臺光纖部分直接在圓柱形多模光纖末端加工形成，其中圓柱形多模光纖保證傳輸較高激 光功率，錐臺光纖保證傳輸系統(tǒng)輸出激光束的光束質(zhì)量接近衍射極限。圓柱形多模光纖長度為激光器到發(fā)射望遠(yuǎn)鏡距離的1 ~ 1.2倍；圓柱形多模光纖的纖芯半徑在 2(^m 5(^m之間，錐臺光纖的粗端纖芯半徑等于圓柱形多模光纖的纖芯半徑，錐臺的細(xì)端處的 纖芯半徑o滿足光纖中激光束的單模傳輸條件式中，X為光纖中的傳輸激光波長；層-(W-^)力為光纖的數(shù)值孔徑， 和&分別表示 光纖纖芯和包層的折射率。該光纖傳輸器件的功率傳輸能力等于圓柱形光纖的最大傳輸功率與錐臺光纖的功率轉(zhuǎn)換效 率的積。2、 圓柱形多模光纖的參數(shù)選擇在本實施例中圓柱形多模光纖的纖芯半徑選取為25微米，長度為25米，衰減系數(shù)為20dB， 數(shù)值孔徑為0.11。3、 錐臺光纖的參數(shù)選擇在本實施例中，錐臺光纖直接在多模光纖末端加工形成，錐臺光纖的粗端纖芯半徑為25微 米，等于多模光纖的纖芯半徑，錐臺細(xì)端的纖芯半徑為2.05微米，滿足光纖的單模條件(傳輸 激光波長為589nm時)，錐臺光纖的輸入輸出端面平整拋光，并鍍589nm增透膜。4、 激光束到光纖傳輸器件的耦合鈉導(dǎo)星技術(shù)中使用的激光器波長為589mn，激光束到光纖傳輸器件的耦合采用單透鏡耦合， 耦合透鏡2的焦距為165mm，耦合調(diào)節(jié)裝置3為手動調(diào)節(jié)靈敏度約為1微米的五維光纖調(diào)整架； 耦合時，通過細(xì)調(diào)耦合調(diào)節(jié)裝置3使光纖傳輸器件4的輸入端面位于耦合透鏡2的焦面上以獲W2.405W27tNA得最大的耦合效率。理論和實驗表明，光纖傳輸器件的耦合效率能達(dá)到95%以上。采用圖1所述的裝置，采用本發(fā)明的光纖傳輸器件實現(xiàn)激光束1從激光器到發(fā)射望遠(yuǎn)鏡6 的光纖傳輸；裝置中光纖傳輸器件4的圓柱形多模光纖和錐臺光纖合適尺寸的選擇，不僅保證 高傳輸效率，而且在輸出端以基模(TEMoo模)形式輸出激光束，具有接近衍射極限的光束質(zhì) 量；本實施例中光纖傳輸器件4的最大理論傳輸能力約為29W，無論功率上還是光束質(zhì)量上都 滿足鈉導(dǎo)星技術(shù)對激光束的要求。
權(quán)利要求
1. 激光鈉導(dǎo)星技術(shù)中的一種激光束光纖傳輸器件，其特征在于該器件由圓柱形多模光纖采用熔拉法拉制成錐形后研磨成臺，它包括圓柱形多模光纖部分和錐臺光纖部分，錐臺光纖部分直接在圓柱形多模光纖末端加工形成，圓柱形多模光纖的另一端為激光束的輸入端，錐臺光纖的另一端為激光束的輸出端。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光鈉導(dǎo)星技術(shù)中的一種激光束光纖傳輸器件，其特征在于 圓柱形多模光纖長度為激光器到發(fā)射望遠(yuǎn)鏡距離的l - 1.2倍；錐臺光纖部分的粗端纖芯半徑等于多模光纖的纖芯半徑，錐臺光纖細(xì)端處的纖芯半徑a滿足光纖中激光束的單模傳輸條件式中，人為光纖中的傳輸激光波長；M4 = (W-<)/2為光纖的數(shù)值孔徑，"/和 分別表示光纖纖芯和包層的折射率。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的激光鈉導(dǎo)星技術(shù)中的一種激光束光纖傳輸器件，其特征在于 圓柱形多模光纖的纖芯半徑在2(^m 50nm之間。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述激光的鈉導(dǎo)星技術(shù)中的一種激光束光纖傳輸器件，其特征在于-光纖傳輸器件的輸入輸出端端面平整拋光，并鍍有增透膜。a^2.405人/2nNA
全文摘要
激光鈉導(dǎo)星技術(shù)中的一種激光束光纖傳輸器件，其特征在于該器件由圓柱形多模光纖采用熔拉法拉制成錐形后研磨成臺，它包括圓柱形多模光纖部分和錐臺光纖部分，錐臺光纖部分直接在圓柱形多模光纖末端加工形成，圓柱形多模光纖的另一端為激光束的輸入端，錐臺光纖的另一端為激光束的輸出端，圓柱形多模光纖長度等于激光器到發(fā)射望遠(yuǎn)鏡距離的1至1.2倍；錐臺光纖的粗端纖芯半徑等于圓柱形多模光纖的纖芯半徑，錐臺光纖細(xì)端處的纖芯半徑滿足光纖傳輸激光的單模條件。本光纖傳輸器件具有結(jié)構(gòu)簡單靈活，成本低，輸出光束質(zhì)量接近衍射極限并同時能有效克服光纖傳輸中的非線性散射等效應(yīng)以達(dá)到傳輸較高激光功率的目的等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號G02B1/10GK101271176SQ200810103048
公開日2008年9月24日 申請日期2008年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月31日
發(fā)明者李斌成, 肖志剛 申請人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所