专利名称：一种用于高功率激光测试系统的光纤耦合方法
技术领域：
本发明属于高功率激光测试技术领域，具体涉及一种用于高功率激光测试系统的光纤耦合方法。
背景技术：
目前，光纤的耦合多采用在激光与光纤之间加入一个导光锥或透镜等耦合器件的 方法，用于稳定输出激光的耦合取样，如名称为《高功率激光注入光纤耦合装置》的中国实 用新型专利(专利号ZL200720078801)公开了一种稳定输出的高功率激光注入光纤的耦 合装置。但在高功率激光测试系统中，由于高功率激光束经多个光学元器件传递，经过长距 离传输后存在较大的指向性漂移和横向偏移，使上述实用新型专利中的光纤耦合装置的应 用范围受到限制。
发明内容
为了克服现有光纤耦合方法无法用于有一定指向性漂移和横向偏移的高功率激 光耦合的不足，本发明提供一种用于高功率激光测试系统的光纤耦合方法。本发明的用于高功率激光测试系统的光纤耦合方法，包括如下内容被测高功率 平行激光束依次经过衰减器、第一透镜、第二透镜、光纤接收端面后进入光纤；第一透镜与 第二透镜构成望远缩束系统，第一透镜表面经第二透镜成像到光纤接收端面；光纤接收端 面位于第一透镜和第二透镜组成的望远缩束系统的光轴上，并与该光轴垂直。所述的光纤耦合方法还包括如下内容从第二透镜出射的被测高功率平行激光束 的最大指向性漂移量小于光纤的接收孔径角；第二透镜的有效通光口径要大于该镜面被测 高功率平行激光束的最大横向偏移量与被测高功率平行激光束的光束口径之和。本发明的光纤耦合方法通过光学望远缩束系统与光学成像系统的结合将具有大 指向性漂移、大横向偏移的激光束稳定耦合到光纤，该方法简单易行，操作方便，特别适用 于高功率激光脉冲时间波形的测试。
图1是本发明的用于高功率激光测试系统的光纤耦合方法的原理示意图。图1中，1.衰减器2.第一透镜3.第二透镜4.光纤接收端面5.光纤
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述，但不应以此限制本发明的 保护范围。图1中，F表示第一透镜2和第二透镜3的共同焦点，1表示物距，即第一透镜 2到第二透镜3的距离，1 ‘表示像距，即光纤接收端面4到第二透镜3的距离，表示第一 透镜2的焦距，f2表示第二透镜3的焦距，α ’表示被测高功率激光束的最大指向性漂移量，α表示光纤5的接收孔径角，δ表示被测高功率激光束的最大横向偏移量，δ ’表示经 第二透镜3输出的被测高功率激光束的最大横向偏移量。图中45度剖面线区域表示实际 激光束经过的区域；无剖面线区域表示被测高功率激光束的指向性漂移范围，135度剖面 线区域表示在该范围内的会聚光能进入光纤。被测高功率平行激光束依次经过衰减器1、第 一透镜2、第二透镜3、光纤接收端面4后进入光纤5 ；第一透镜2与第二透镜3构成望远缩 束系统，第一透镜2表面经第二透镜3成像到光纤接收端面4 ；光纤接收端面4位于第一透 镜2和第二透镜3组成的望远缩束系统的光轴上，并与该光轴垂直；从第二透镜3出射的被 测高功率平行激光束的最大指向性漂移量小于光纤的接收孔径角；第二透镜3的有效通光 口径大于该镜面被测高功率平行激光束的最大横向偏移量与被测高功率平行激光束的光 束口径之和。本发明的技术解决方案基于以下原理以被测高功率平行激光束口径为D = 50mm，最大指向性漂移量为α ‘= 士0.002rad，最大横向偏移量为δ = 2mm，经衰减器后的激光功率为10MW，第一透镜2焦距 为= 250mm，所使用的光纤5的数值孔径NA = 0. 12为例加以说明。1.首先，根据被测高功率平行激光束经第二透镜3后的最大指向性漂移量Y小于 光纤5的接收孔径角α确定第二透镜3的焦距f2 ；因为第一透镜2与第二透镜3构成望远缩束系统，第一透镜2表面经第二透镜3成 像到光纤接收端面4，所以第一透镜2到第二透镜3的距离——也就是物距1——等于第一 透镜2焦距与第二透镜3焦距f2之和1 = f\+f2。根据透镜成像公式1/1+1/1 ‘ = 1/ f2,光纤接收端面4到第二透镜3的距离——也就是像距——Γ = f2 (f\+f2) Zf1,因此成像 系统的角放大率为β =1/1' =f/f2。被测高功率平行激光束经第二透镜3后的最大指 向性漂移量Y等于入射时的最大指向性漂移量α ‘与角放大率β的乘积γ = α ‘ X β =α ‘ fyf2,由于所使用的光纤5的接收孔径角为α = arcsin NA ^ 0. 12rad，根据被测 高功率平行激光束经第二透镜3后的最大指向性漂移量γ小于光纤5的接收孔径角α， 即 α ‘ fVf2 ( α，得到第二透镜 3 焦距 f2 ^ α ‘ α = 0. 002radX 250mm/0. 12rad =
4.2mm，角放大率为β = ,/ 2 ( 250/4. 2 ^ 59. 5。为了提高光纤5的能量接收率，要求成 像系统有大的角放大率，本例中选取第二透镜3焦距f2 = 5mm，实际角放大率β = f/f2 = 250/5 = 50。2.根据第二透镜3的有效通光口径d大于该处光束的最大横向偏移量与该处光束 口径之和来确定第二透镜3的有效通光口径；被测高功率平行激光束经第一透镜2传递到第二透镜3，光束指向性漂移引起该 处光束的横向平移量为IXtga ‘ Ia' ！ ^ f ！ a ‘ = 250mm X 0. 002 = 0. 5mm ；被测光 束本身横向偏移引起该处的光束横向平移量为δ ‘ = δ/β = 2mm/50 = 0.04mm，可忽略 不计；第二透镜3处的光束口径为50mm/50 = 1mm。根据第二透镜3的有效通光口径大于 该处光束的最大横向偏移量与该处光束口径之和，得第二透镜3的有效通光口径取值范围 为d彡2X0. 5mm+Imm = 2_。本例中选取第二透镜3有效通光口径d = 3_。根据以上分析，选取的第二透镜3焦距为f2 = 5mm，有效通光口径为d = 3mm，第 一透镜2到第二透镜3的距离为1 = 255mm,光纤接收端面4到第二透镜3的距离为1丨=
5.1mm，光纤接收端面4处的光束口径为1mm。
这样，当被测高功率平行激光束最大指向性漂移量为2mrad时，经第二透镜3出 射的光束最大指向性漂移量约为3°，小于光纤孔径角α ^0. 12rad = 6.8° ；当被测高 功率平行激光束最大横向偏移量为2mm时，光纤接收端面4处的激光束最大横向偏移量为 0. 04mm，光纤5处在激光束口径区域内，激光能耦合进光纤；在光纤接收端面4的功率密度 约为IOMW/(Imm)2 = 109W/cm2，小于光纤5的损伤阈值(约为li^W/cm2)，不会损伤光纤。因此，采用透镜成像技术可以克服光束的指向性漂移问题，采用望远缩束系统可 以克服光束的横向偏移，从而达到高功率平行激光束稳定耦合进光纤的目的。衰减器1采用镀减反膜的透射镜、吸收玻璃中的一种，配有不同衰减倍率的衰减 器，各衰减器均可独立在光路中进出切换；第一透镜2、第二透镜3采用光学透明材料制作； 所述透镜镜架均可横、纵向调节；光纤5放置在四维调节架上，可横、纵向以及角度调节。
权利要求
一种用于高功率激光测试系统的光纤耦合方法，其特征是所述的光纤耦合方法包括如下内容被测高功率平行激光束依次经过衰减器(1)、第一透镜(2)、第二透镜(3)、光纤接收端面(4)后进入光纤(5)；第一透镜(2)与第二透镜(3)构成望远缩束系统，第一透镜(2)表面经第二透镜(3)成像到光纤接收端面(4)；光纤接收端面(4)位于第一透镜(2)和第二透镜(3)组成的望远缩束系统的光轴上，并与该光轴垂直。
2.根据权利要求1所述的用于高功率激光测试系统的光纤耦合方法，其特征是所述的 光纤耦合方法还包括如下内容从第二透镜(3)出射的被测高功率平行激光束的最大指向 性漂移量小于光纤的接收孔径角；第二透镜(3)的有效通光口径大于该镜面被测高功率平 行激光束的最大横向偏移量与被测高功率平行激光束的光束口径之和。
全文摘要
本发明提供了一种用于高功率激光测试系统的光纤耦合方法。被测高功率平行激光束依次经过衰减器、第一透镜、第二透镜、光纤接收端面后进入光纤；第一透镜与第二透镜构成望远缩束系统，第一透镜表面经第二透镜成像到光纤接收端面；光纤接收端面位于第一透镜和第二透镜组成的望远缩束系统的光轴上，并与该光轴垂直。本发明的光纤耦合方法通过光学望远缩束系统与光学成像系统的结合将具有大指向性漂移、大横向偏移的激光束稳定耦合到光纤，本发明的光纤耦合方法简单易行，操作方便，特别适用于高功率激光脉冲时间波形的测试。
文档编号G02B6/26GK101819298SQ20091021530
公开日2010年9月1日 申请日期2009年12月22日 优先权日2009年12月22日
发明者傅学军, 刘华, 唐军, 夏彦文, 孙志红, 彭志涛, 徐隆波 申请人:中国工程物理研究院激光聚变研究中心