一种多模光纤耦合系统技术方案

一种多模光纤耦合系统，属于照明技术领域。系统包括激光光源、耦合透镜、多模光纤；所述耦合透镜设于所述激光光源和多模光纤之间，所述多模光纤其与所述耦合透镜连接的一端设有光纤准直器；所述耦合透镜的进光端和出光端中的至少一端具有自由曲面，所述进光端或出光端具有自由曲面时且具有至少一个自由曲面，使得激光光源发出的不同角度的光线经所述耦合透镜耦合进入所述多模光纤的光纤准直器；进入光纤准直器的光线耦合进入多模光纤并在纤芯中心轴处汇聚成一条焦线。本发明专利技术适用于远距离传输的大功率激光照明，利用耦合透镜和多模光纤的光纤准直器，提高了光纤耦合传输的功率上限，解决了对准精度要求高、封装成本高、耦合效率低的问题。

A Multimode Optical Fiber Coupling System

A multimode optical fiber coupling system belongs to the lighting technology field. The system comprises a laser source, a coupling lens and a multimode optical fiber; the coupling lens is arranged between the laser source and the multimode optical fiber, and the multimode optical fiber is connected with the coupling lens at one end by an optical fiber collimator; at least one end of the optical inlet and outlet of the coupling lens has a free-form surface, and the optical inlet or outlet has at least one free-form surface when the optical inlet or outlet has a free-form surface. A free-form surface enables light from different angles emitted by a laser source to be coupled into the fiber collimator of the multimode fiber through the coupling lens; light entering the fiber collimator is coupled into the multimode fiber and converges at the center axis of the core to form a focal line. The invention is suitable for long-distance transmission of high-power laser illumination. By using coupling lens and multi-mode optical fiber collimator, the upper power limit of optical fiber coupling transmission is raised, and the problems of high alignment accuracy, high packaging cost and low coupling efficiency are solved.

【技术实现步骤摘要】
一种多模光纤耦合系统
本专利技术涉及照明
，尤其涉及一种用于照明的多模光纤耦合系统。
技术介绍
目前，光纤通信技术在通讯
已经基本成熟，而将光纤导光应用于照明是光纤导光技术的新发展方向。光纤导光照明是一种光电分离的导光照明方式，光纤导光照明输出端没有任何电气设备，因此在具有火险、爆炸性气体的场所，它也是一个安全的光源。现有光纤导光照明在一些小功率的装饰照明、信号灯和内窥镜中得到较多的应用，而在大功率照明领域尚存在诸多困难使得难以大规模推广。现有应用于导光照明的耦合透镜系统包括LED光源、塑料光纤、耦合透镜。LED光源发光角度大，其发出的光线靠近主光轴的部分经由耦合透镜（一般为简单的凸透镜）稍作汇聚之后透射在光纤端面上，满足数值孔径的光线耦合进入光纤，并以全反射形式传播。该耦合透镜系统存在以下技术问题：1、LED光源发光面积大（平方毫米量级），发散角度大（180°*90°），单位空间角的能量密度低；塑料光纤直径1~5mm，相比于LED光源，光纤直径小；一般的耦合透镜实际管控的角度很小。为此，LED光源发出的光线，主要是靠近主光轴的部分光线可被耦合进入光纤。若满足LED光源发光特点，提高耦合效率，需要加大光纤直径，而光纤成本会随直径增大而呈倍数增长。2、一般的耦合透镜其表面大多呈球面状，球面透镜可将不同角度的光线汇聚成一个焦点，使能量单点集中于光纤，单点能量过高导致光纤易烧熔。加之塑料光纤的材质耐温特性比较差，塑料光纤更易烧熔。3、塑料光纤端面处理很难，一旦端面角度偏差或表面光滑度不够，会导致端面上造成大量的光纤散射，耦合效率低。4、塑料光纤的传输损耗太大，进口光纤在150Db/km左右，而国产光纤在250Db/km左右，光在光纤中无法高传输效率且低成本地近距离传输，也无法远距离传输，更别提在远距离传输时同时满足高传输效率和低成本。技术专利CN205137223公开了一种激光无电照明系统，并具体公开了系统包括蓝光LD、耦合镜、聚焦镜、光纤耦合头、光纤。蓝光LD发出的激光有一定发散角，需要耦合透进行收束准直，而后将准直后的激光束利用聚焦镜汇聚到光纤耦合头内，通过光纤耦合头耦合进光纤中。该系统虽然采用蓝光LD解决了LED光源发光特点所造成的问题，但是该系统仍存在以下问题：首先，该系统所用透镜采用球面镜及传统的凸透镜，对半导体激光器出光发散角有较高要求，对于异形激光光源需要增加透镜才能达到所需效果，因而只能针对进行过一次封装准直过的激光从激光二极管使用；而经过一次封装准直过的激光二极管存在实际出光电光转换效率低的缺陷；另外，光线经过球面镜汇聚为一个焦点，导致光纤上能量分散不均匀而降低了光纤耦合传输的功率上限。其次，该系统需要极高的光源、透镜、光纤主轴的对准精度，封装成本高。然后，所述系统采用的光纤直径较大，光纤成本高，工程施工要求高；并且光纤断电耦合损耗较大，若线路中出现多处断点则需要重新铺设整条线路，维护成本较高。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术存在的问题，提出了一种耦合效率高、可靠性高、传输效率高，且适于远距离传输的多模光纤耦合系统。本专利技术是通过以下技术方案得以实现的：本专利技术一种多模光纤耦合系统，包括激光光源、耦合透镜、多模光纤；所述耦合透镜设于所述激光光源和所述多模光纤之间，所述多模光纤其与所述耦合透镜连接的一端设有光纤准直器；所述耦合透镜的进光端和出光端中的至少一端具有自由曲面，所述进光端或所述出光端具有自由曲面时且具有至少一个自由曲面，使得激光光源发出的不同角度的光线经所述耦合透镜耦合进入所述多模光纤的光纤准直器；进入所述光纤准直器的光线耦合进入多模光纤并在纤芯中心轴处汇聚成一条焦线。作为优选，所述耦合透镜是由至少一个自由曲面和至少一个辅助面构成的单个耦合透镜。作为优选，所述耦合透镜满足非成像光学方法和下述方程组设计而成：其中为一种异型光源的配光曲线，表示光源发光面半球的空间角参数，为目标的能量分布，确定了目标点在空间中的位置，表示光学算符，分别表示折射率和自由曲面。表示目标能量分布与光源配光曲线之间的映射关系，满足主光轴对准重合关系和能量守恒关系的约束；根据异型方向映射关系，选择非成像光学中ODE、剪裁法、流线法、SMS方法中的一种求异型特征曲线；自由曲面按照异型特征曲线根据张量积方法构造生成。作为优选，所述激光光源为半导体激光器或光纤激光器。作为优选，激光光源光型为快慢轴异型光型。作为优选，所述多模光纤为纤芯直径50um、62.5um、100um中的一种光纤。作为优选，所述多模光纤折射率为阶跃型或梯度型。作为优选，所述光纤准直器为带有C-lens或G-lens聚焦透镜的光纤准直器。作为优选，所述激光光源，所述耦合透镜与所述光纤准直器在沿中心光轴对准后通过夹具固定连接封装。本专利技术具有以下有益效果：本专利技术一种多模光纤耦合系统，利用激光光源替代LED光源，解决了LED光源发光特点造成的耦合效率低的问题；利用具有自由曲面结构的耦合透镜和光纤准直器将光源发出的光均匀成焦线方式汇聚于光纤上，避免光纤内能量分布不均而降低光纤耦合传输的功率上限；利用光纤准直器降低系统的对准精度要求，并利用多模光纤更好地提高光纤可靠性。本专利技术系统适用于远距离传输的大功率导光照明，解决了现有耦合系统对准精度高，封装成本高、维护成本高的问题，提高了耦合效率。附图说明图1为本专利技术一种多模光纤耦合系统的结构示意图；图2为本专利技术一种多模光纤耦合系统的封装结构示意图。具体实施方式以下是本专利技术的具体实施例并结合附图，对本专利技术的技术方案作进一步的描述，但本专利技术并不限于这些实施例。图1示出了本专利技术一种多模光纤耦合系统，系统包括激光光源1、耦合透镜2、多模光纤4。所述耦合透镜2设于所述激光光源1和所述多模光纤4之间。所述激光光源1、所述耦合透镜2、所述多模光纤4通过光路连接。所述多模光纤4连接所述耦合透镜2的一端设有光纤准直器3。所述激光光源发出的不同角度的光线经耦合透镜2耦合进入多模光纤4的光纤准直器3。所述光纤准直器3将进入所述光纤准直器3的光线耦合进入多模光纤4。激光光源发出的不同角度的光线经所述耦合透镜耦合进入所述多模光纤的光纤准直器，进入所述光纤准直器的光线耦合进入多模光纤并在纤芯中心轴处汇聚成一条焦线。所述激光光源1可以为半导体激光器或光纤激光器。所述激光光源光型为快慢轴异型光型。激光光源发光面积很小（100平方微米量级），发散角度小（快轴30°~60°，慢轴6°~15°），能量密度大。相比于LED光源，激光光源发出的光能有效被耦合进入光纤，耦合效率高。所述耦合透镜2的进光端和出光端中的至少一端具有自由曲面，当所述进光端和出光端中的任意一端具有自由曲面时，且具有至少一个自由曲面。图1、2示出了进光端21和出光端22分别具有一个自由曲面，图中仅为示例说明，并不限于此种情况。也可包括，进光端具有一个自由曲面，出光端为平面；或者反之；还包括进光端或出光端具有一个以上自由曲面等情况。该耦合透镜设计流程如下：其中为一种异型光源的配光曲线，表示光源发光面半球的空间角参数，为目标的能量分布，确定了目标点在空间中的位置，表示光学算符，分别表示折射率和自由曲面。表示目标能量分布与光源配光曲线之间的映射关系，满足主光轴对准重合关系和能本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多模光纤耦合系统，其特征在于，包括激光光源、耦合透镜、多模光纤；所述耦合透镜设于所述激光光源和所述多模光纤之间，所述多模光纤其与所述耦合透镜连接的一端设有光纤准直器；所述耦合透镜的进光端和出光端中的至少一端具有自由曲面，所述进光端或出光端具有自由曲面时且具有至少一个自由曲面，使得激光光源发出的不同角度的光线经所述耦合透镜耦合进入所述多模光纤的光纤准直器；进入所述光纤准直器的光线耦合进入多模光纤并在纤芯中心轴处汇聚成一条焦线。

【技术特征摘要】
2018.08.29 CN 20181099216641.一种多模光纤耦合系统，其特征在于，包括激光光源、耦合透镜、多模光纤；所述耦合透镜设于所述激光光源和所述多模光纤之间，所述多模光纤其与所述耦合透镜连接的一端设有光纤准直器；所述耦合透镜的进光端和出光端中的至少一端具有自由曲面，所述进光端或出光端具有自由曲面时且具有至少一个自由曲面，使得激光光源发出的不同角度的光线经所述耦合透镜耦合进入所述多模光纤的光纤准直器；进入所述光纤准直器的光线耦合进入多模光纤并在纤芯中心轴处汇聚成一条焦线。2.根据权利要求1所述的一种多模光纤耦合系统，其特征在于，所述耦合透镜是由至少一个自由曲面和至少一个辅助面构成的单个耦合透镜。3.根据权利要求2所述的一种多模光纤耦合系统，其特征在于，所述耦合透镜满足非成像光学方法和下述方程组设计而成：其中为一种异型光源的配光曲线，表示光源发光面半球的空间角参数，为目标的能量分布，确定了目标点在空间中的位置，表示光学算符，分别表示折射率和自...

【专利技术属性】
技术研发人员：张航，陆建东，刘锐，马佩服，戚蓉蓉，符建，陈利春，韩薇，
申请(专利权)人：浙江光塔节能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33