一种光纤智能耦合系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种光纤智能耦合系统及方法，该系统包括输入光纤和输出光纤，输入光纤和输出光纤的一端分别熔接有输入端帽和输出端帽，输入光纤和输出光纤之间设有插芯装置，其两端对应输入端帽和输出端帽开设插芯端孔，内设有光通道，输出光纤上设有包层光剥除器，包层光剥除器上设有光电传感器，输出端帽外周设有柔性底座，其与输出端帽之间设有位移组件，位移组件、输出端帽、柔性底座及光电传感器分别与控制组件通讯连接，通过光电传感器探测包层光剥除器剥除激光的强度将其传输给控制组件，控制组件处理信号并控制位移组件动作调整输出端帽位置，实现输入激光与输出激光准直；本发明专利技术无需现场熔接、体积小、光传输损耗低、抗扰动能力强。

【技术实现步骤摘要】
一种光纤智能耦合系统及方法
本专利技术属于光纤耦合
，更具体地，涉及一种光纤智能耦合系统及方法。
技术介绍
为了传输激光，常利用光纤可柔性弯曲的特点，将激光耦合至光纤中进行传输。当传输路径有变化时，经常需要对光纤进行熔接处理。熔接能够传输高功率激光的光纤需要较高的洁净条件和熔接工艺，并不能在非实验室条件下进行推广，无法满足即插即用的方便应用需求。由于端帽对输出光束具有准直作用，因此也可以通过将光纤末端熔接上端帽，再对准两个端帽，实现激光在光纤间的耦合。但在高功率应用中，端帽对准精度少许的偏差或扰动就会导致激光泄漏到输出光纤的包层中，使得传输损耗较大，甚至会造成耦合装置损毁。因此急需一种熔接方便、体积小、光传输损耗低、抗扰动能力强、成本低廉，能够实现端帽即插即用，实时进行耦合闭环控制，激光耦合效率高，系统稳定可靠，且能适用于高功率激光耦合传输的自动光纤耦合装置。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供一种光纤智能耦合系统，通过在输入光纤上设输入端帽，将输入端帽从插芯装置的一端插入并固定，在插芯装置的一端插入柔性底座，在柔性底座内插入输出端帽，使得输入端帽与输出端帽在插芯装置内间隔相对，在输出端帽上设不同维度的位移组件，在输出端帽上装输出光纤，在输出光纤上装包层光剥离器，在包层光剥离器上设光电传感器，在光电传感器的输出端连接控制组件，最后将控制组件与输出端帽上的位移组件相连；通过包层光剥除器对输出光纤表面进行腐蚀，并结合高折射率胶将输出光纤中的包层激光剥除出来，再通过光电传感器探测包层光剥除器剥除激光的强度，将其传输给控制组件，控制组件根据控制算法做出解算，给位移组件发送控制指令，调节所述输出端帽的位置，进而降低激光传输损耗；本专利技术通过对光纤的输入端帽和输出端帽进行自动高精度对准，大幅提高耦合效率和抗扰动能力，最终实现高功率光纤耦合；无需现场熔接，体积小、光传输损耗低、抗扰动能力强，成本低廉，能够实现端帽即插即用，实时进行耦合闭环控制，激光耦合效率高，系统稳定可靠；适用于高功率激光耦合传输，实用性高。为了实现上述目的，本专利技术的一个方面提供一种光纤智能耦合系统，一种光纤智能耦合系统，包括供激光传输的输入光纤和输出光纤，所述输入光纤一端熔接一个输入端帽，所述输出光纤的一端熔接一个输出端帽，且所述输入光纤与所述输入端帽的熔接点恰好位于所述输入端帽端面的焦点上，所述输出光纤与所述输出端帽的熔接点恰好位于所述输出端帽端面的焦点上；所述输入光纤和输出光纤之间设有插芯装置，其两端对应所述输入端帽和所述输出端帽开设插芯端孔，内设有光通道，所述输入端帽和输出端帽分别插入对应插芯端孔中，将输入光纤中的激光通过所述光通道准直并到输出光纤中；所述输出光纤上设有包层光剥除器,所述包层光剥除器上设有光电传感器，所述包层光剥除器用于剥除激光准直偏差后泄露到输出光纤的内包层的激光，通过所述光电传感器探测；所述输出端帽外周设有柔性底座，其与所述输出端帽之间设有位移组件，所述位移组件、输出端帽、柔性底座及光电传感器分别与控制组件通讯连接，所述光电传感器探测到由于激光准直偏差所导致的泄露激光后将信号传输至控制组件，该控制组件处理信号并控制所述位移组件动作调整输出端帽位置，实现输入激光与输出激光准直，将一根光纤内传输的激光稳定高效地耦合到另一根光纤。进一步地，所述插芯装置的半径需与所述输入端帽的半径相匹配，使得输入端帽插入所述插芯装置后大小合适能够实现自然紧固。进一步地，所述输入端帽和输出端帽的半径r范围为50μm~25mm，所述输入端帽和输出端帽的端面均镀有增透膜，所述增透膜的焦距f相等，所述输入端帽和所述输出端帽的长度均为f/n；其中，f为焦距，n为端帽的折射率。进一步地，所述输入光纤、所述输入端帽、所述输出端帽以及所述输出光纤的中心在一条直线上；所述输入光纤和所述输入端帽之间、所述输出光纤和所述输出端帽之间均各自通过熔接联结在一起。进一步地，所述输入光纤和所述输出光纤的纤芯直径范围为1~180μm；所述输入光纤和所述输出光纤的内包层直径范围为10~2500μm。进一步地，所述包层光剥除器设于所述输出光纤的输出端；所述包层光剥除器能够剥除包层光功率范围为0~2000W。进一步地，所述控制组件采用的算法包括随机并行梯度下降算法、单抖动法、多抖动法、遗传算法或模拟退火算法。进一步地，所述的位移组件包括压电陶瓷、音圈电机或电动螺杆。本专利技术的另一个方面提供一种光纤智能耦合方法，包括如下步骤：S100：首先在输入光纤和输出光纤上各熔接一个端帽，使得输入光纤与输入端帽的熔接点和输出光纤与输出端帽的熔接点恰好位于对应端帽端面的焦点上；并将输入端帽和输出端帽分别插入插芯装置对应的插芯端孔，使得从输入光纤输出的激光最终耦合并准直进入输出光纤；S200：通过包层光剥除器剥除从输入光纤耦合到输出光纤的过程中端帽位移发生偏差泄露到输出光纤内包层内的激光，并通过光电传感器探测包层光剥除器剥除激光的强度，并作为评价函数发送给控制组件；S300：控制组件根据算法解析出位移组件需要的控制信号，然后输送给输出端帽上各个维度的位移组件，并快速修正位移偏差，进而实现高精度输出端帽与输入端帽对准的闭环控制；S400：所述控制组件根据算法对所述控制信号进行迭代，当算法优化到极值时，所述光纤智能耦合装置达到了稳定状态，光电传感器所采集到的评价函数稳定在最大值，耦合效率达到最优化的效果，即实现了输出端帽与输入端帽对准的自动对准。进一步地，步骤S300或步骤S400中的所述算法为随机并行梯度下降算法时，其解算过程包括如下步骤：S401：首先在控制组件上随机设置一个初始控制电压u(0)={u1,u2,u3}(0)，分别输出到输出端帽上3个维度的位移组件上；S402：然后通过光电传感器采集到的信息快速计算出初始评价函数J(m)；S403：再生成随机扰动电压δu(m)={δu1,δu2,δu3}(m)并保存；S404：将扰动电压δu(m)与控制电压u(m)输出到3个维度的位移组件上；S405：测量上一步扰动后得到的评价函数J+(m)；S406：将S403中的随机扰动电压δu(m)取反，并与控制电压u(m)累加后输出至位移组件上；S407：获取上一步扰动后的评价函数J-(m)；S408：计算上述两次评价函数的变化量ΔJ(m)=J+(m)-J-(m)；S409：按照公式u(m+1)=u(m)+γδu(m)ΔJ(m)更新控制电压输出至位移组件，进行第m+1次迭代；S410：重复步骤S403至步骤S409，继续进行电压控制，直至系统稳定；其中，u(0)={u1,u2,u3}(0)是初始控制参数的扰动电压向量；δu(m)={δu1,δu2,δu3}(m)是第m次迭代后控制参数的扰动电压向量；u(m)是第m次迭代后控制参数的扰动电压；u(m+1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光纤智能耦合系统，包括供激光传输的输入光纤（1）和输出光纤（7），其特征在于：/n所述输入光纤（1）一端熔接一个输入端帽（2），所述输出光纤（7）的一端熔接一个输出端帽（6），且所述输入光纤（1）与所述输入端帽（2）的熔接点恰好位于所述输入端帽（2）端面的焦点上，所述输出光纤（7）与所述输出端帽（6）的熔接点恰好位于所述输出端帽（6）端面的焦点上；/n所述输入光纤（1）和输出光纤（7）之间设有插芯装置（3），其两端对应所述输入端帽（2）和所述输出端帽（6）开设插芯端孔，内设有光通道（4），所述输入端帽（2）和输出端帽（6）分别插入对应插芯端孔中，将输入光纤（1）中的激光通过所述光通道（4）准直并到输出光纤（7）中；/n所述输出光纤（7）上设有包层光剥除器（8），所述包层光剥除器（8）上设有光电传感器（9），所述包层光剥除器（8）用于剥除激光准直偏差后泄露到输出光纤的内包层的激光，通过所述光电传感器（9）探测；/n所述输出端帽（6）外周设有柔性底座（5），其与所述输出端帽（6）之间设有位移组件（11），所述位移组件（11）、输出端帽（6）、柔性底座（5）及光电传感器（9）分别与控制组件（10）通讯连接，所述光电传感器（9）探测到由于激光准直偏差所导致的泄露激光后将信号传输至控制组件（10），该控制组件（10）处理信号并控制所述位移组件（11）动作调整输出端帽（6）位置，实现输入激光与输出激光准直，将一根光纤内传输的激光稳定高效地耦合到另一根光纤。/n...

【技术特征摘要】
1.一种光纤智能耦合系统，包括供激光传输的输入光纤（1）和输出光纤（7），其特征在于：
所述输入光纤（1）一端熔接一个输入端帽（2），所述输出光纤（7）的一端熔接一个输出端帽（6），且所述输入光纤（1）与所述输入端帽（2）的熔接点恰好位于所述输入端帽（2）端面的焦点上，所述输出光纤（7）与所述输出端帽（6）的熔接点恰好位于所述输出端帽（6）端面的焦点上；
所述输入光纤（1）和输出光纤（7）之间设有插芯装置（3），其两端对应所述输入端帽（2）和所述输出端帽（6）开设插芯端孔，内设有光通道（4），所述输入端帽（2）和输出端帽（6）分别插入对应插芯端孔中，将输入光纤（1）中的激光通过所述光通道（4）准直并到输出光纤（7）中；
所述输出光纤（7）上设有包层光剥除器（8），所述包层光剥除器（8）上设有光电传感器（9），所述包层光剥除器（8）用于剥除激光准直偏差后泄露到输出光纤的内包层的激光，通过所述光电传感器（9）探测；
所述输出端帽（6）外周设有柔性底座（5），其与所述输出端帽（6）之间设有位移组件（11），所述位移组件（11）、输出端帽（6）、柔性底座（5）及光电传感器（9）分别与控制组件（10）通讯连接，所述光电传感器（9）探测到由于激光准直偏差所导致的泄露激光后将信号传输至控制组件（10），该控制组件（10）处理信号并控制所述位移组件（11）动作调整输出端帽（6）位置，实现输入激光与输出激光准直，将一根光纤内传输的激光稳定高效地耦合到另一根光纤。


2.根据权利要求1所述的一种光纤智能耦合系统，其特征在于：所述插芯装置（3）的半径需与所述输入端帽（2）的半径相匹配，使得输入端帽（2）插入所述插芯装置（3）后大小合适能够实现自然紧固。


3.根据权利要求2所述的一种光纤智能耦合系统，其特征在于：所述输入端帽（2）和输出端帽（6）的半径r范围为50μm~25mm，所述输入端帽（2）和输出端帽（6）的端面均镀有增透膜，所述增透膜的焦距f相等，所述输入端帽（2）和所述输出端帽（6）的长度均为f/n；
其中，f为焦距，n为端帽的折射率。


4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种光纤智能耦合系统，其特征在于：所述输入光纤（1）、所述输入端帽（2）、所述输出端帽（6）以及所述输出光纤（7）的中心在一条直线上；
所述输入光纤（1）和所述输入端帽（2）之间、所述输出光纤（7）和所述输出端帽（6）之间均各自通过熔接联结在一起。


5.根据权利要求1-3中任一项所述的一种光纤智能耦合系统，其特征在于：所述输入光纤（1）和所述输出光纤（7）的纤芯直径范围为1~180μm；
所述输入光纤（1）和所述输出光纤（7）的内包层直径范围为10~2500μm。


6.根据权利要求1-3中任一项所述的一种光纤智能耦合系统，其特征在于：所述包层光剥除器（8）设于所述输出光纤（7）的输出端；
所述包层光剥除器（8）能够剥除包层光功率范围为0~2000W。


7.根据权利要求1-3中任一项所述的一种光纤...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘厚康，杨笛，武春风，李强，姜永亮，宋祥，戴玉芬，雷敏，杨雨，郑爱虎，
申请(专利权)人：武汉光谷航天三江激光产业技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北;42