一种可调光纤准直系统技术方案

本发明专利技术公布了一种可调光纤准直系统，包括单模光纤、气体环境、气敏材料薄膜，还包括准直器件；准直器件为渐变折射率棒透镜或渐变折射率光纤，其入射端面相对于横截面倾斜；在单模光纤的部分表面或渐变折射率光纤的部分表面镀有气敏材料薄膜；气体环境是一个充满气体的密封容器，将镀膜部分光纤置于气体环境内；气体与气敏材料薄膜发生化学反应，气敏材料薄膜与镀膜部分光纤表面之间的剪应力使得光纤发生轴向形变，从而使得激光光程发生改变，由此改变出射准直器件端面处激光的发散角。本发明专利技术可通过控制气体的分压调节气敏材料的形变量，从而使得出射光的发散角在最大发散角和最小发散角之间精密可调。

【技术实现步骤摘要】
一种可调光纤准直系统
本专利技术属于光电子领域，涉及光学、光电子学和机械学，尤其涉及一种对空间光传输系统中发射端光信号进行预准直的可调光纤准直系统。
技术介绍
在空间光传输过程中，光束的发散角直接影响系统的性能，一般地，必须对发射光的发散角进行压缩，压缩光束发散角的器件采用准直器。现有的空间光传输系统中，准直器主要有倒置望远镜准直器和光纤准直器。倒置望远镜准直器通常由两片凸透镜构成，第一片透镜的后焦点与第二片透镜的前焦点位置重合。光纤准直器主要由单模光纤和渐变折射率光纤/渐变折射率棒组成。对于包含渐变渐变折射率棒的光纤准直器，通常还会有插针和套管等部件用来固持单模光纤和渐变折射率棒。光纤准直器利用渐变折射率光纤/渐变折射率棒的自聚焦特性达到对激光进行准直的光学效果。其中，光纤准直器因具有灵活、方便等特点而备受关注。目前主要的光纤准直器分为两种：一种是主要由单模光纤和渐变折射率光纤组成，另一种是主要由单模光纤和渐变折射率棒组成。前一种在封装时已经将单模光纤和渐变折射率光纤熔接在一起，并通过热处理使得出射光的光学效果达到最佳。后一种在封装的过程是先将单模光纤插入插针中，并将插针与渐变折射率棒粘合在一起，然后调节单模光纤与渐变折射率棒的相对位置，待出射光光学效果最佳时将单模光纤与插针粘合。在现有的专利中，关于后一种的论述相对较多，其制作工艺也相对成熟；然而与前一种光纤准直器相比，其体积较大。最典型的光纤准直器由美国专利20050185887给出，其原理图如附图2所示。附图2所示的光纤准直器包括：单模光纤101，其末端夹持在毛细管105中；渐变折射率棒透镜108，与毛细管105一起封装在套管109中；渐变折射率棒透镜108将出射单模光纤101的光进行准直；渐变折射率棒透镜108的入射端面相对于其轴心略微倾斜，以减小反射的影响。利用光纤准直器对激光进行准直的关键在于：1)渐变折射率光纤/渐变折射率棒必须为某一固定长度，2)单模光纤出射光的焦点必须位于渐变折射率光纤/渐变折射率棒的焦平面上。前者对渐变折射率光纤/渐变折射率棒的生产提出了严格的要求，后者对于光纤准直器的封装提出了严格的要求；两个条件其中任何一个有误差都将导致光纤准直器的出射光不理想。但是，无论是上述哪种光纤准直器，在确定单模光纤和渐变折射率光纤/渐变折射率棒的相对位置时，均采用机械调节方法，容易引入偶然误差，一致性不好。现有的高精密设备中，位置精度大致在微米至亚微米量级。因此，上述光纤准直器的在制作过程中的调节精度也受限于微米至亚微米量级。因此，传统光纤准直器方案无法自由调整，实际使用极为不便。同时，在实际的空间光传输系统中，由于存在大气湍流和收发两端对准误差的影响，光束的发散角并不是越小越好；而是根据实时的湍流强度和对准误差，存在一个最优发散角，即空间光传输系统的最优光束发散角随信道状态的变化而变化。因此，在实际的空间光传输系统应用中，光束的发散角需要实时精确可调。综上所述，附图2所代表的现有的光纤准直器，其输出光发散角是固定的，并且需要精确装配，在实际应用中存在许多困难。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的不足，本专利技术提供一种对空间光传输系统中发射端光信号进行预准直的可调光纤准直系统，采用在单模光纤或者渐变折射率光纤的表面镀有气敏材料薄膜，通过控制气体的分压调节气敏材料的形变量，从而使得出射光的发散角在最大发散角和最小发散角之间精密可调。本专利技术的原理是：本专利技术提供的可调光纤准直系统包括单模光纤、气体环境、气敏材料薄膜，还包括准直器件(准直器件为渐变折射率棒或渐变折射率光纤中的一种)；在单模光纤的部分表面或渐变折射率光纤的部分表面镀有气敏材料薄膜，镀膜部分置于气体环境内；气体环境是一个充满了所述气体的密封容器，其中所述气体的分压可调。气体环境中的气体与气敏材料薄膜发生化学反应生成化合物，使得气敏材料薄膜产生形变，并通过与单模光纤或渐变折射率光纤之间的剪应力使得单模光纤或渐变折射率光纤发生轴向形变，使得其中传播的激光光程发生改变，从而改变出射准直器件端面处激光的发散角。所述气体与气敏材料薄膜之间的化学反应是可逆的，因此准直器件端面处出射光的发散角可反复调节。本专利技术提供的技术方案是：一种可调光纤准直系统，包括单模光纤、气体环境、气敏材料薄膜，还包括准直器件；所述单模光纤作为所述可调光纤准直系统的前端尾纤；所述单模光纤的出射端与所述准直器件的入射端相连接；所述准直器件为渐变折射率棒透镜或者渐变折射率光纤中的一种；所述准直器件的入射端面相对于横截面倾斜；倾斜角度一般为8°，或者可选0°～16°范围内的任何角度；当所述准直器件为渐变折射率棒透镜时，在所述单模光纤的部分表面镀有所述气敏材料薄膜；当所述准直器件为渐变折射率光纤时，在所述单模光纤的部分表面或所述渐变折射率光纤的部分表面镀有所述气敏材料薄膜；所述气体环境是一个充满所述气体的密封容器，将镀有所述气敏材料薄膜的镀膜部分置于所述气体环境内；所述气体环境中的气体与所述气敏材料薄膜发生化学反应生成化合物，使得所述气敏材料薄膜产生形变；所述气敏材料薄膜与镀有所述气敏材料薄膜的光纤的部分表面之间的剪应力使得光纤发生轴向形变，从而使得激光光程发生改变，由此改变出射准直器件端面处激光的发散角。针对上述可调光纤准直系统，进一步地，所述气体环境中的气体具体为氢气或氢气与其他性质较稳定的气体的混合气体；所述气敏材料薄膜具体为氢敏材料薄膜；优选地，所述氢敏材料薄膜具体为钯合金薄膜。针对上述可调光纤准直系统，进一步地，所述气体环境内的气体的分压是可调的；所述气体环境内的气体分压的调节方法包括：调节所述气体环境的容积和通过注入或吸出所述气体中的一种或两种。针对上述可调光纤准直系统，进一步地，当所述准直器件为渐变折射率棒透镜时，其长度通常在四分之一节距的奇数倍的基础上有毫米量级的误差容忍；当所述准直器件为渐变折射率光纤时，其长度是任意的。针对上述可调光纤准直系统，进一步地，所述单模光纤的出射端用毛细管夹持，并与所述准直器件固持于一个套管内。针对上述可调光纤准直系统，进一步地，所述单模光纤出射端端面与所述准直器件的入射端端面相连接，所述连接方式为采用光纤连接器连接、胶合连接或熔接中的一种。针对上述可调光纤准直系统，进一步地，当所述准直器件为渐变折射率棒时，准直器件与单模光纤之间的轴向装配误差限制在毫米量级以内即可；当所述准直器件为渐变折射率光纤时，准直器件与单模光纤之间的轴向装配误差无限制。针对上述可调光纤准直系统，可通过改变镀膜部分的膜厚度、镀膜部分长度、气体(氢气)气压的大小以及气体(氢气)气压的调节精度等，来调节系统精度。进一步地，镀膜光纤长度的调节灵敏度与镀膜部分光纤长度成正比，与镀膜厚度近似成正比，与氢气压的平方根成反比，与氢气压的调节精度成正比；而系统准直倍率调节灵敏度与镀膜光纤长度调节灵敏度成复杂的正弦关系。更进一步地，系统准直倍率调节精度则与系统准直倍率调节灵敏度成负相关关系：灵敏度越高则精度越低，灵敏度越低则精度越高。表1中的几组数值可直观地说明各参数与系统调节精度的关系。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：现有的光纤准直器，其输出光发散角是固定的，并且需要精确制作和装配，在实际应用中存在许多困难。为此，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可调光纤准直系统，包括单模光纤、气体环境和气敏材料薄膜，还包括准直器件；所述单模光纤作为所述可调光纤准直系统的前端尾纤；所述单模光纤的出射端与所述准直器件的入射端相连接；所述准直器件为渐变折射率棒透镜或者渐变折射率光纤中的一种；所述准直器件的入射端面相对于横截面倾斜；当所述准直器件为渐变折射率棒透镜时，在所述单模光纤的部分表面镀有所述气敏材料薄膜；当所述准直器件为渐变折射率光纤时，在所述单模光纤的部分表面或所述渐变折射率光纤的部分表面镀有所述气敏材料薄膜；所述气体环境是一个充满气体的密封容器，将镀有所述气敏材料薄膜的镀膜部分光纤置于所述气体环境内；所述气体环境中的气体与所述气敏材料薄膜发生化学反应生成化合物，使得所述气敏材料薄膜产生形变；所述气敏材料薄膜与镀有所述气敏材料薄膜的光纤的部分表面之间的剪应力使得光纤发生轴向形变，从而使得激光光束的光程发生改变，由此改变准直器件的出射光的发散角。

【技术特征摘要】
1.一种可调光纤准直系统，包括单模光纤、气体环境和气敏材料薄膜，还包括准直器件；所述单模光纤作为所述可调光纤准直系统的前端尾纤；所述单模光纤的出射端与所述准直器件的入射端相连接；所述准直器件为渐变折射率棒透镜或者渐变折射率光纤中的一种；所述准直器件的入射端面相对于横截面倾斜；当所述准直器件为渐变折射率棒透镜时，在所述单模光纤的部分表面镀有所述气敏材料薄膜；当所述准直器件为渐变折射率光纤时，在所述单模光纤的部分表面或所述渐变折射率光纤的部分表面镀有所述气敏材料薄膜；所述气体环境是一个充满气体的密封容器，将镀有所述气敏材料薄膜的镀膜部分光纤置于所述气体环境内；所述气体环境中的气体与所述气敏材料薄膜发生化学反应生成化合物，使得所述气敏材料薄膜产生形变；所述气敏材料薄膜与镀有所述气敏材料薄膜的光纤的部分表面之间的剪应力使得光纤发生轴向形变，从而使得激光光束的光程发生改变，由此改变准直器件的出射光的发散角。2.如权利要求1所述可调光纤准直系统，其特征是，所述气体环境中的气体具体为氢气或氢气与氮气的混合气体；所述气敏材料薄膜具体为氢敏材料薄膜。3.如权利要求2所述可调光纤准直系统，其特征是，所述氢敏材料薄膜具体为钯合金薄膜。4.如权利要求1所述可调光纤准直系统，其特征是，所述气体环境内的气体的分压是可调的，通过调节所述气体的分压调节所述激光光束...

【专利技术属性】
技术研发人员：党安红，丁圣利，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京;11