一种光纤智能耦合系统及方法与流程

本发明属于光纤耦合技术领域，更具体地，涉及一种光纤智能耦合系统及方法。

背景技术：

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。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明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；本发明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，本发明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。

本发明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)是第m+1次迭代后控制参数的扰动电压；γ是增益系数；γδu^(m)是第m次系统性能指标测量值的变化量；δj^(m)是第m次迭代的扰动电压。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

本发明的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不同维度的位移组件相连；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；本发明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。

附图说明

图1为本发明实施例一种光纤智能耦合系统的结构示意图；

图2为本发明实施例一种光纤智能耦合系统柔性底座位置处沿着输出光纤方向观察的示意图；

图3为本发明实施例一种光纤智能耦合装置的耦合方法流程示意图；

图4为本发明实施例一种光纤智能耦合装置的耦合方法中随机并行梯度下降算法解算的基本过程示意图。

在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-输入光纤、2-输入端帽、3-插芯装置、4-光通道、5-柔性底座、6-输出端帽、7-输出光纤、8-包层光剥除器、9-光电传感器、10-控制组件、11-位移组件、111-第一位移测量、112-第二位移测量、113-第三位移测量。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

此外，术语“第一”、“第二”......仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”......的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“设有”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1和图2所示，本发明提供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，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，所述插芯装置3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，如此将输入光纤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及所述包层光剥除器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。本发明通过光电传感器9探测所述包层光剥除器8剥除激光的强度，将其传输给所述控制组件10，所述控制组件10根据控制算法做出解算，给所述位移组件11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。本发明无需现场熔接，体积小、光传输损耗低、抗扰动能力强，能够支持高功率激光传输，创造性高。

进一步地，如图1和图2所示，所述输入端帽2、所述光通道4、所述输出端帽6、所述柔性底座5均设于所述插芯装置3的内部；所述输入端帽2从所述插芯装置3的一端插入后通过胶水固定；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；所述柔性底座5设于所述插芯装置3远离所述输入端帽2的一端；所述输出端帽6从所述插芯装置3远离所述输入端帽2的另一端插入聚合物材料制成的柔性底座5中，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和所述输出端帽6相对的端面上均镀有增透膜，焦距f相等，呈微凸状，端帽长度均为f/n（n为端帽的折射率），所述输入端帽2和所述输出端帽6对通过的光束具有准直作用，通过对准输入端帽和输出端帽实现激光在光纤中的耦合。在本实例中；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机进行熔接；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。在本实施例中，激光功率为2000w（中心波长1064nm）；输入光纤1的纤芯直径20μm，包层直径为400μm；输入端帽2的长度为20mm，直径为5mm，折射率为1.45；输出光纤7的纤芯直径20μm，包层直径400μm；所述输入端帽2和所述输出端帽6的端面中心点距离58mm，两个端帽的端面焦距均为29mm。

进一步地，如图1和图2所示，所述输出光纤7设于所述输出端帽6的输出端；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；所述位移组件11设于所述输出端帽6的三个不同维度上，包括第一位移测量111、第二位移测量112、第三位移测量113，并全部位于所述插芯装置3的内部；所述位移组件11用于对所述输出端帽6进行定位跟踪；所述输出光纤7上与所述输出端帽6间隔500mm制作有一个水冷型的包层光剥除器8，通过对输出光纤7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。所述包层光剥除器8安置于输出光纤7上，内含光电传感器9，所述光电传感器9可将光信号转换为电信号；所述控制组件10接收到电信号后，根据控制算法将控制指令传输给所述位移组件11，通过所述位移组件11实现对所述输出端帽6位置的调整。所述包层光剥除器8能够剥除包层光功率范围为0~2000w，并且根据包层光功率大小，可以增加水冷装置；所述控制组件10所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；所述的位移组件包括压电陶瓷（pzt）、音圈电机或电动螺杆。

本发明提供的一种光纤智能耦合系统的工作原理：激光在输入光纤1中传输，从所述输入光纤1输入后经所述输入端帽2出射，经过所述光通道4耦合进入被所述柔性底座5包裹住的所述输出端帽6中，再进入所述输出光纤7传输到所述包层光剥除器8；通常激光从输入光纤耦合到输出光纤的过程中，若因振动、冲击、热胀冷缩等因素造成端帽的位移偏差，导致耦合效率下降，就会有更多的激光耦合进入输出光纤的包层；通过输出光纤上的包层光剥除器对输出光纤表面的腐蚀，并结合高折射率胶将输出光纤中的包层激光剥除出来；通过埋设在包层光剥除器8内的光电传感器探测其剥除激光的强度，作为评价函数发送给控制组件，控制组件根据算法解析出位移组件需要的控制信号，然后将控制指令输送给输出端帽上各个维度的位移组件，通过位移组件快速修正位移偏差，实现输出端帽与输入端帽高精度对准的闭环控制。

如图3所示，本发明的一种光纤智能耦合装置的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。

如图4所示，采用随机并行梯度下降算法结算时的基本过程如下：

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：测量上一步扰动后的评价函数j+^(m)；

s406：将随机扰动电压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11，进行第m+1次迭代；

s410：重复步骤第三步至第九步的操作过程，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)是第m+1次迭代后控制参数的扰动电压向量；γ是增益系数；γδu^(m)是第m次系统性能指标测量值的变化量；δj^(m)是第m次迭代的扰动电压。

当算法在ms量级时间内收敛后，光电传感器9所采集到的评价函数j稳定在最大值。此时，耦合效率达到最优化的效果，输出功率高达1990w。

本发明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；本发明体积小巧，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。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。