一种可调光纤准直系统的制作方法

本发明属于光电子领域，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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足，本发明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。

本发明的原理是：本发明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。

本发明提供的技术方案是：

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，本发明的有益效果是：

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，本发明提出的一种可调光纤准直系统采用单模光纤作为前端尾纤，采用渐变折射率棒透镜或渐变折射率光纤中的一种作为准直器件，在单模光纤或渐变折射率光纤的部分表面镀有气敏材料薄膜，在气体的作用下，所述气敏材料薄膜的膨胀通过剪应力对镀膜部分光纤进行拉伸，从而改变了在其中传输的光束的光程。与普通单模光纤或普通透镜不同，在渐变折射率光纤或渐变折射率棒透镜中，材料的折射率在径向上从内向外按照抛物线的规律递减。当光束耦合进渐变折射率光纤或渐变折射率棒透镜后，光束沿着正弦路径沿轴向传播：在正弦路径的波节处，光束达到其最大发散角，为入射光发散角；在正弦路径的波峰/波谷处，光束的发散角达到最小值。因此，可以通过调节所述气体的分压调节光束的光程，最终调节了出射光的发散角。

本发明的精度受很多因素的影响，比如膜厚，镀膜部分长度，氢气压的大小，以及氢气压的调节精度等。具体地，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。

本发明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。本发明具有如下优点：

(一)准直器的输出光束发散角可精确可调；

(二)无需精确装配；

(三)加入反馈回路后，可自适应克服平台抖动的影响。

附图说明

图1是本发明实施例一提供的可调光纤准直系统的结构图；

图2是一种典型的现有的光纤准直器的结构图；

图3是本发明实施例二提供的可调光纤准直系统的结构图；

图4是本发明实施例三提供的可调光纤准直系统的结构图；

图1～图4中，101—单模光纤，102—气体环境，103—气敏材料薄膜，104—气体，105—毛细管，106—单模光纤出射端端面，107—渐变折射率棒透镜/渐变折射率光纤的入射端端面，108—渐变折射率棒透镜，109—套管；306—第二毛细管，307—渐变折射率光纤。

图5是光束在渐变折射率光纤/渐变折射率棒中传播时的正弦路径图；

其中，500表示光束传播正弦路径的一个节距；501、502、503、504为渐变折射率光纤/渐变折射率棒中传播光束在任意横截面处可能的四种典型状态。若所述气敏材料薄膜镀于所述单模光纤表面，则当所述镀膜部分光纤长度发生变化时，单模光纤中光束所经历的折线路径光程发生变化，从而入射所述准直器件的光束的状态发生变化；若所述气敏材料薄膜镀于所述渐变折射率光纤表面，则当所述镀膜部分光纤长度发生变化时，渐变折射率光纤中光束所经历的正弦路径光程发生变化，从而渐变折射率光纤中光束正弦路径包含的波节数发生变化。两种情况均会造成光束在准直器件出射端面所处的状态发生变化：出射端面处于501状态时，激光从波节位置出射，输出发散角最大，与输入发散角相同；出射端面处于502状态时，激光从波峰/波谷处出射，输出发散角最小；输出端面处于503和504状态时，是介于501和502之间的状态，503状态表示出射光为发散光，504表示出射光为会聚光。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例进一步描述本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。

本发明提出一种新型的精确可调的光纤准直系统，其主要特点包括：本光纤准直系统输出光发散角精确可调；本系统对于准直器件的长度和装配没有严格要求；本系统的调节精度可根据要求在纳米量级上下进行自由设计；通过将光束数据信息反馈到调节执行系统可实现高度准直光的输出。

本发明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，还包括渐准直器件(为渐变折射率棒或渐变折射率光纤中的一种)；所述单模光纤作为光纤准直系统的前端尾纤，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，所述单模光纤或所述渐变折射率光纤的镀膜部分置于所述气体环境内；所述单模光纤的出射端用毛细管夹持，并与所述渐变折射率棒透镜或所述渐变折射率光纤固持于一个套管内。

所述准直器件的渐变折射率棒透镜或者渐变折射率光纤的入射端面相对于其横截面倾斜；倾斜角度一般为8°，或者可选0°～16°范围内的任何角度。

上述可调光纤准直系统中，进一步地，所述气体环境为氢气环境。所述气敏材料薄膜具体为氢敏材料薄膜。

更进一步地，所述气体环境中氢气分压可调。更进一步地，所述氢敏材料薄膜具体为钯合金薄膜。

上述可调光纤准直系统工作时，气敏材料薄膜在气体环境中与气体发生化学反应，发生形变并通过剪应力将形变传递给单模光纤或渐变折射率光纤。具体说来，气敏材料敏感的是气体的含量，气敏材料的形变量与气体的压强有关。因此，通过调节气体的分压可改变镀膜部分单模光纤或渐变折射率光纤的形变量。另外，气敏材料薄膜的形变量还与薄膜的厚度和长度有关。通过设计气敏材料薄膜的厚度和长度，可以设计出所需灵敏度下的气敏材料薄膜，进而得到相应灵敏度的可调光纤准直系统。

实施例一：

如附图1所示，本实施例的可调光纤准直系统包括：单模光纤101，气体环境102，气敏材料薄膜103，气体104，渐变折射率棒透镜108。所述单模光纤101作为本发明的可调光纤准直系统的前端尾纤，部分表面镀有所述气敏材料薄膜103，镀膜部分所述单模光纤置于所述气体环境102内；所述单模光纤的出射端用毛细管105夹持，并与所述渐变折射率棒透镜108固持于一个套管109内。渐变折射率棒透镜108的入射端面107相对于其横截面倾斜。气体环境102是一个充满了气体104的密封容器，其中气体104的分压可调。实现气体104分压可调的方法主要有两种，分别是：1)通过调节容器的容积；2)通过注入/吸出气体调节气体含量。为了安全起见，气体104建议为混合气体；如有效气体为氢气，则气体104可为氢气和氮气的混合气体。

这里，所述气敏材料薄膜具体为氢敏材料薄膜，所述氢敏材料薄膜具体为钯合金薄膜，所述气体环境具体为氢气环境，所述氢气环境的氢气分压可调，所述渐变折射率棒透镜的长度为四分之一节距的奇数倍并可容忍毫米量级的误差。

图5是光束在渐变折射率光纤/渐变折射率棒中传播时的正弦路径图；其中，500表示光束传播正弦路径的一个节距；501、502、503、504为渐变折射率光纤/渐变折射率棒中传播光束在任意横截面处可能的四种典型状态。激光在所述单模光纤中沿着折线路径传播，而在所述渐变折射率棒透镜中沿着正弦曲线路径传播，如附图5所示。当所述镀膜部分单模光纤长度发生变化时，光束所经历的折线路径光程发生变化，光束在所述单模光纤末端端面出射的径向位置发生变化。对应地，光束在所述渐变折射率棒透镜入射端面的径向位置发生变化，造成光束在所述渐变折射率棒透镜中的正弦路径发生轴向位移，最终造成光束在出射端面所处的状态发生变化：出射端面处于501状态时，激光从波节位置出射，输出发散角最大；出射端面处于502状态时，激光从波峰/波谷处出射，输出发散角最小；输出端面处于503和504状态时，是介于501和502之间的状态，503状态表示出射光为发散光，504表示出射光为会聚光。

本实施例中，由于渐变折射率棒透镜的节距较长，因此并不存在激光从501位置出射的情况，出射光最大发散角与渐变折射率棒透镜的具体长度有关；当激光从502处出射，出射渐变折射率棒透镜的激光为准直光，此时发散角取最小值；503和504为激光传播路径上的一般位置，出射光发散角介于最大值和最小值之间。气体104与气敏材料薄膜103发生化学反应，气敏材料薄膜103产生形变，并通过气敏材料薄膜103与所述单模光纤101之间的剪应力，使得所述单模光纤101发生轴向形变将使得其中传播的激光光程发生改变，从而改变出射渐变折射率棒透镜端面处激光的会聚/发散状态；具体地，激光的会聚/发散状态在状态501、502、503、504之间变化。给定镀膜部分光纤长度、镀膜厚度，出射光的发散角与气体104的分压一一对应。

在本实施例中，若所述单模光纤采用常见的125μm芯径光纤，所述渐变折射率棒透镜的直径取3mm，对应的节距为P。则所述渐变折射率棒透镜的长度可取P/4±0.7mm范围，所述单模光纤与所述渐变折射率棒透镜之间的轴向装配误差允许在±0.7mm以内，所述可调光纤准直系统的输出光发散角可在0～0.06rad之间精密调节。

实施例二：

如附图3所示，实施例二中，可调光纤准直系统包括：单模光纤101、气体环境102、气敏材料薄膜103、气体104、渐变折射率光纤307。所述单模光纤101作为本发明的可调光纤准直系统的前端尾纤，部分表面镀有所述气敏材料薄膜103，镀膜部分所述单模光纤置于所述气体环境102内；所述单模光纤的出射端用毛细管105夹持，所述渐变折射率光纤入射端用毛细管306夹持，并且所述毛细管105和第二毛细管306一同固持于一个套管109内。所述单模光纤101和所述渐变折射率光纤307的此种连接方式实际上是利用光纤连接器进行连接，其他的连接方案如胶合、熔接等连接方式实现的本发明也在保护范围之内。气体环境102是一个充满了气体104的密封容器，其中气体104的分压可调。其原理与操作方法与实施例一所采用方式相同。

在本实施例中，若所述单模光纤和所述渐变折射率光纤采用常见的125μm芯径光纤，则所述渐变折射率光纤的长度是任意的，所述可调光纤准直系统的输出光发散角可在0与输入发散角之间精密调节。

实施例三：

如附图4所示，本实施例提供的可调光纤准直系统包括：单模光纤101、气体环境102、气敏材料薄膜103、气体104、渐变折射率光纤307。所述单模光纤101作为本发明的可调光纤准直系统的前端尾纤，所述渐变折射率光纤部分表面镀有所述气敏材料薄膜103，镀膜部分所述渐变折射率光纤置于所述气体环境102内；所述单模光纤的出射端用毛细管105夹持，所述渐变折射率光纤入射端用毛细管306夹持，并且所述毛细管105和第二毛细管306一同固持于一个套管109内。

图5是光束在渐变折射率光纤/渐变折射率棒中传播时的正弦路径图；其中，500表示光束传播正弦路径的一个节距，501、502、503、504为渐变折射率光纤/渐变折射率棒的出射光可能的四种典型状态。激光在所述单模光纤中沿着折线路径传播，在所述渐变折射率棒透镜中沿着正弦曲线路径传播，如附图5所示。当所述镀膜部分光纤长度发生变化时，光束所经历的波节数发生变化，对应地，出射端面所处的状态发生变化：出射端面处于501状态时，激光从波节位置出射，输出发散角最大，与输入发散角相同；出射端面处于502状态时，激光从波峰/波谷处出射，输出发散角最小；输出端面处于503和504状态时，是介于501和502之间的状态，503状态表示出射光为发散光，504表示出射光为会聚光。

本实施例中，当激光从501处出射，出射渐变折射率光纤的激光为发散光，且其反向会聚点在所述渐变折射率光纤的出射端面上，此时出射光发散角取最大值；当激光从502处出射，出射渐变折射率光纤的激光为准直光，此时发散角取最小值；503和504为激光传播路径上的一般位置，出射光发散角介于最大值和最小值之间。气体104与气敏材料薄膜103发生化学反应，气敏材料薄膜103产生形变，并通过气敏材料薄膜103与所述渐变折射率光纤之间的剪应力，使得所述渐变折射率光纤发生轴向形变将使得其中传播的激光光程发生改变，进而改变了其中传播的光束的正弦路径的波节数，从而改变出射渐变折射率光纤端面处激光的会聚/发散状态；具体地，激光的会聚/发散状态在状态501、502、503、504之间变化。给定镀膜部分光纤长度、镀膜厚度，出射光的发散角与气体104的分压一一对应。

如上所述，通过设计氢敏材料薄膜的厚度和长度，可以设计出所需灵敏度下的氢敏材料薄膜，进而得到相应灵敏度的可调光纤准直系统。具体可通过改变镀膜部分的膜厚度、镀膜部分长度、氢气压的大小以及氢气压的调节精度等，来调节系统精度。具体地，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。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实施例三中各参数与系统调节精度的关系。

表1是本发明实施例三提供的系统调节精度的相关数值；其中，d为镀膜光纤纤芯直径，δ为纤芯轴线处与边缘处的折射率差，L为镀膜部分光纤长度(量纲：m)，h为镀膜厚度(量纲：m)，Ph为氢气压(量纲：Patm，一个标准大气压)，ΔPh为氢气压调节精度(量纲同氢气压)，k为镀膜光纤长度调节灵敏度(量纲：m)，K为系统准直倍率调节灵敏度(无量纲)。

表1本发明实施例三提供的系统调节精度的相关数值

之所以给出实施例三的精度数值，是因为在实施例三的情况下，数学表达式更为简洁明了、方便计算。实际上，实施例一比实施例三有着更高的精度，而实施例二的精度则与实施例三相仿。如果需要更高精度，可将氢敏材料薄膜设计得更短，或者分段置于独立的几个氢气环境中来获得。

另外，将所述单模光纤101与渐变折射率光纤307改用一根连续的渐变折射率光纤，其实质将与所述系统相同，该变形在本发明的保护范围内。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。