光纤耦合调节装置及其调节方法与流程

本发明涉及光纤领域，具体涉及一种光纤耦合调节装置及其调节方法。

背景技术：

精密光学仪器被广泛应用于精密测试计量、设备检测分析等诸多领域，其工作光源往往由激光器通过光纤提供。

光纤耦合器是高功率激光器的重要组成部分。它的功能是，改变光束直径和在光功率损失最小和以尽量小的光束数值孔径把激光输出光束耦合到光纤中。

光纤耦合器主要由耦合镜和光纤接头组成，激光通过耦合镜的聚焦作用汇聚到光纤接头上，再通过光纤输出。当激光汇聚的焦点打在光纤接头的中心时，此时耦合效率最高，此时通过光纤投射到光屏上的光斑应是功率密度均匀连续的圆形光斑。如果激光的焦点没有汇聚在光纤接头上，则会降低耦合效率，使出光光强下降；如果激光的焦点虽然汇聚到光纤接头上，但是没有打在光纤接头的中心，其通过光纤投射到光屏上的光斑则成因环形，功率密度不均匀，出光质量下降。而传统的六自由度光纤耦合调节装置往往采用手动调节，调试费力费时，尤其是在将空间光耦合进入纤芯直径只有几微米的单模光纤中非常困难，调试费力费时。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种光纤耦合调节装置及其调节方法，以解决上述现有技术中存在的问题。

为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，提供了一种光纤耦合调节装置，所述光纤耦合调节装置包括第一固定件、第二固定件以及多个压电陶瓷叠堆，所述多个压电陶瓷叠堆中的每一个压电陶瓷叠堆包括第一部分、第二部分和第三部分，所述第一部分、第二部分和第三部分在通电时分别沿相互垂直的三条轴线运动，所述第一固定件的中部设有安装光纤耦合器的第一安装孔，所述第二固定件的中部设有安装光纤的第二安装孔，所述多个压电陶瓷叠堆设置于所述第一固定件和所述第二固定件之间以驱动所述第一固件并进而驱动安装于所述第一安装孔内的光纤耦合器进行六个自由度的运动。

在一个实施例中，所述第一部分为d33模式压电陶瓷叠堆，所述第二部分和第三部分为d15模式的压电陶瓷叠堆。

在一个实施例中，所述第一固定件和所述第二固定件之间设置有弹性件，所述弹性件的两端分别连接所述第一固定件和所述第二固定件的相对的表面。

在一个实施例中，所述多个压电陶瓷叠堆环绕所述第一安装孔均匀布置。

在一个实施例中，所述光纤耦合调节装置包括三个压电陶瓷叠堆，所述三个压电陶瓷叠堆环绕所述第一安装孔均匀分布，且每相邻两个压电陶瓷叠堆之间设置一个弹性件。

在一个实施例中，所述第一固定件为圆盘件，所述圆盘件的圆心位置设置所述第一安装孔，所述第一安装孔的内径与所述光纤耦合器的外径配合，所述光纤耦合器固定安装于所述第一安装孔内。

在一个实施例中，所述第二固定件为圆盘件，所述第二安装孔设置于所述圆盘件的圆心位置，且所述第二安装孔的内径大于光纤的外径。

在一个实施例中，所述弹性件为弹簧。

在一个实施例中，所述压电陶瓷叠堆通过导线与电源连接，所述导线的一端与电源连接，所述导线的另一端穿过所述第二安装孔与所述压电陶瓷叠堆连接。

在一个实施例中，所述第一固定件与所述第二固定件同心布置，使得所述第一安装孔与所述第二安装孔相互对准。

在一个实施例中，所述光纤耦合调节装置包括四个压电陶瓷叠堆，所述四个压电陶瓷叠堆环绕所述第一安装孔均匀分布，且每相邻两个压电陶瓷叠堆之间设置至少一个弹性件。

在一个实施例中，所述第一部分的极化方向为z轴方向，所述第二部分的极化方向为y轴方向，以及所述第三部分的极化方向为x轴方向，其中，所述x轴、y轴和z轴相互垂直。

根据本发明的另一方面，还提供了一种光纤耦合调节装置的调节方法，所述光纤耦合调节装置包括第一固定件和多个压电陶瓷叠堆，所述方法包括以下步骤：

步骤一：粗调第一固定件，使空间光照射到第一固定件的中心位置；

步骤二：分别对所述多个压电陶瓷叠堆施加一定电压，所述多个压电陶瓷叠堆在通电情况下沿着x、y或z方向运动，从而可实现所述第一固定件的六自由度的运动调节。

在一个实施例中，所述多个压电陶瓷叠堆包括极化方向相互垂直的第一部分、第二部分和第三部分，以及所述步骤二包括以下子步骤：

给所述多个压电陶瓷叠堆的第一部分呢额施加相同的z向电压，实现第一固定件沿z向的平移自由度的调节；

给所述多个压电陶瓷叠堆的第一部分施加不同的z向电压，实现第一固定件绕x轴的旋转自由度和绕y轴的旋转自由度的调节；或给所述多个压电陶瓷叠堆的第一部分施加相同的第一电压，第三部分施加相同的第二电压，第一电压满足u1＝krcosθ，第二电压满足u2＝krsinθ，使所述第一固定件沿z向移动rcosθ距离，沿y向移动rsinθ距离，从而实现所述第一固定件绕x轴的旋转自由度调节；或给所述多个压电陶瓷叠堆的第一部分施加相同的第一电压，第二部分施加相同的第二电压，第一电压满足u1＝krcosθ，第二电压满足u2＝krsinθ，使所述第一固定件沿z向移动rcosθ距离，沿x向移动rsinθ距离，从而实现所述第一固定件绕y轴的旋转自由度的调节；其中k为压电陶瓷施加电压与最终运动位移的比例系数，r为运动半径，θ为旋转角，θ取值为0到360；

给所述多个压电陶瓷叠堆的第二部分施加相同的z向电压，实现第一固定件沿x向的平移自由度的调节；

给所述多个压电陶瓷叠堆的第三部分施加相同的z向电压，实现第一固定件沿y向的平移自由度的调节；

给所述多个压电陶瓷叠堆的其中一部分的第二部分施加z向电压，另一部分的第三部分施加z向电压，实现第一固定件绕z向的旋转自由度的调节；或给所述多个压电陶瓷叠堆的第二部分施加相同的第一电压，第三部分施加相同的第二电压，第一电压满足u1＝krcosθ，第二电压满足u2＝krsinθ，使所述第一固定件沿x向移动rcosθ距离，沿y向移动rsinθ距离，从而实现第一固定件绕z向的旋转自由度的调节，其中k为压电陶瓷施加电压与最终运动位移的比例系数，r为运动半径，θ为旋转角，θ取值为0到360。

本发明创造性地将压电陶瓷叠堆应用到六自由度光纤耦合调节装置上，解决了传统上的光纤耦合调节装置调节精度不足以及容易超调等的问题，使得光纤耦合调节装置可以实现全自动操作。

附图说明

图1是本发明的光纤耦合调节装置的主视图，其中为设置弹性件和第二固定件；

图2是图1的光纤耦合调节装置的右视图；

图3是图1的光纤耦合调节装置的俯视图；

图4是光纤耦合调节装置的主视图，包括弹性件和第二固定件；

图5是图4的光纤耦合调节装置的右视图；

图6是光纤耦合调节装置的俯视图；

图7是其中一个压电陶瓷叠堆的结构示意图，其示出压电陶瓷叠堆的一种构成方式；

图8是本发明另一实施例的光纤耦合调节装置的示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。

在下文的描述中，出于说明各种公开的实施例的目的阐述了某些具体细节以提供对各种公开实施例的透彻理解。但是，相关领域技术人员将认识到可在无这些具体细节中的一个或多个细节的情况下来实践实施例。在其它情形下，与本申请相关联的熟知的装置、结构和技术可能并未详细地示出或描述从而避免不必要地混淆实施例的描述。

在整个说明书中对“一个实施例”或“一实施例”的提及表示结合实施例所描述的特定特点、结构或特征包括于至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个位置“在一个实施例中”或“在一实施例”中的出现无需全都指相同实施例。另外，特定特点、结构或特征可在一个或多个实施例中以任何方式组合。

在以下描述中，为了清楚展示本发明的结构及工作方式，将借助诸多方向性词语进行描述，但是应当将“前”、“后”、“左”、“右”、“外”、“内”、“向外”、“向内”、“上”、“下”等词语理解为方便用语，而不应当理解为限定性词语。

本发明总体上涉及一种光纤耦合调节装置100，包括第一固定件10、第二固定件20以及多个压电陶瓷叠堆30，多个压电陶瓷叠堆30中的每一个压电陶瓷叠堆包括第一部分30a、第二部分30b和第三部分30c，三个部分的极化方向互相垂直，因而第一部分30a、第二部分30b和第三部分30c在通电时分别沿相互垂直的三条轴线(即三维坐标中的x轴、y轴和z轴)运动，第一固定件10的中部设有安装光纤耦合器的第一安装孔11，第二固定件的中部设有安装光纤的第二安装孔21，多个压电陶瓷叠堆30设置于第一固定件10和第二固定件20之间以驱动第一固件10并进而驱动安装于第一安装孔11内的光纤耦合器40进行六个自由度的运动。例如，将垂直于第一固定件的安装表面的方向定义为z轴方向，将平行于第一固定件的安装表面上的相互垂直的两条轴线定义为x轴和y轴方向，则通过调节多个压电陶瓷叠堆的每一个压电陶瓷叠堆的三个部分的电流方向以及大小，可以实现第一固定件带动光纤耦合器绕x轴、y轴、z轴的旋转运动以及垂直于x轴、y轴、z轴的直线运动。因此，本发明创造性地将压电陶瓷叠堆应用到光纤耦合调节装置上，解决了传统上的光纤耦合调节装置调节精度不足以及容易超调等的问题，使得光纤耦合调节装置可以实现全自动操作。

下面参照图1-8对本发明的实施例进行详细说明。

图1是本发明的光纤耦合调节装置100的主视图，其中未设置弹性件和第二固定件，图2是图1的光纤耦合调节装置100的右视图，图3是图1的光纤耦合调节装置100的俯视图。图4是光纤耦合调节装置100的主视图，包括弹性件和第二固定件，图5是图4的光纤耦合调节装置100的右视图，图6是光纤耦合调节装置100的俯视图。图7是其中一个压电陶瓷叠堆的结构示意图，其示出压电陶瓷叠堆的一种形成方式。

如图1-6所示，光纤耦合调节装置100包括第一固定件10、第二固定件20以及多个压电陶瓷叠堆30，多个压电陶瓷叠堆30中的每一个压电陶瓷叠堆包括第一部分30a、第二部分30b和第三部分30c，第一部分30a、第二部分30b和第三部分30c的极化方向互相垂直，在通电时分别沿相互垂直的三条轴线(即三维坐标中的x轴、y轴和z轴)运动，第一固定件10的中部设有安装光纤耦合器的第一安装孔11，第二固定件的中部设有安装光纤的第二安装孔21，多个压电陶瓷叠堆30设置于第一固定件10和第二固定件20之间以驱动第一固件10并进而驱动安装于第一安装孔11内的光纤耦合器40进行六个自由度的运动。

在图1所示的实施例中，多个压电陶瓷叠堆30包括第一压电陶瓷叠堆31、第二压电陶瓷叠堆32以及第三压电陶瓷叠堆33。具体地，第一压电陶瓷叠堆31、第二压电陶瓷叠堆32以及第三压电陶瓷叠堆33环绕第一安装孔11固定在第一固定件10上。

在一个实施例中，第一压电陶瓷叠堆31、第二压电陶瓷叠堆32以及第三压电陶瓷叠堆33环绕第一安装孔11均匀布置。

光纤耦合器40安装于第一安装孔11内，并在一端(图2所示的右端)连接光纤50，光从光纤耦合器40的另一端(图2所示的左端)进入并通过光纤50传播。光纤耦合器40的作用是将空间光耦合进入光纤进行传输，本发明的光纤耦合调节装置解决的是调节光纤耦合器40的六个自由度的问题，使得从光纤传递的光满足要求。

下面参照图7描述图1-6的多个压电陶瓷叠堆30的一种示意构成方式。如图7所示，本发明的多个压电陶瓷叠堆30中的任意一个压电陶瓷叠堆(第一组压电陶瓷叠堆31、第二组压电陶瓷叠堆32或第三组压电陶瓷叠堆33)从上往下分别由第一部分30a、第二部分30b以及第三部分30c构成。第一部分30a为d33模式的压电陶瓷叠堆，其极化方向为沿图7中所示的坐标轴z轴方向，工作电压方向为沿图7中所示的坐标轴z轴方向，以及运动方向为沿图7中所示的坐标轴z轴方向。第二部分30b为d15模式的压电陶瓷叠堆，其极化方向为沿图7中所示的坐标轴y轴方向，其工作电压方向沿为图7中所示的坐标轴z轴方向，以及其运动方向为图7中所示的坐标轴x轴方向。第三部分30c为d15模式的压电陶瓷叠堆，其极化方向为沿图7中所示的坐标轴x轴方向，其工作电压方向为沿图7中所示的坐标轴z轴方向，以及其运动方向为沿图7中所示的坐标轴y轴方向。因此，本发明的压电陶瓷叠堆30整体上沿3个方向均可运动，其中第一部分30a负责z方向运动，第二部分30b负责x向运动，第三部分30c负责y向运动。

具体实施步骤如下：

第一步：粗调第一固定件10，使空间光照射到第一固定件的中心位置。

第二步：

分别对三组压电陶瓷叠堆施加一定电压，压电陶瓷叠堆在通电情况下沿着x、y或z方向运动。具体地，给三组压电陶瓷叠堆的第一部分施加相同的z向电压时，三组压电陶瓷叠堆的z向位移相同，即可实现第一固定件10沿z向的平移自由度的调节；

给第一压电陶瓷叠堆31的第一部分与另外两组压电陶瓷叠堆32、33的第一部分施加不同的z向电压时，可实现第一固定件10绕x轴的旋转自由度的调节；或给三组压电陶瓷叠堆的第一部分施加相同的第一电压，第三部分施加相同的第二电压，第一电压满足u1＝krcosθ，第二电压满足u2＝krsinθ，使第一固定件10沿z向移动rcosθ距离，沿y向移动rsinθ距离，则最终可实现第一固定件10绕x轴的旋转自由度运动，其中k为压电陶瓷施加电压与最终运动位移的比例系数，r为运动半径，θ为旋转角，θ取值为0到360；

给三组压电陶瓷叠堆分别施加不同的z向电压时，并且使得三组电压满足一定的关系时可实现第一固定件10绕y向的旋转自由度的调节，例如给第三压电陶瓷叠堆33的第一部分与另外两组压电陶瓷叠堆31、32的第一部分施加不同的z向电压时，可实现第一固定件10绕y轴的旋转自由度的调节；或给三组压电陶瓷叠堆的第一部分施加相同的第一电压，第二部分施加相同的第二电压，第一电压满足u1＝krcosθ，第二电压满足u2＝krsinθ，使第一固定件10沿z向移动rcosθ距离，沿x向移动rsinθ距离，则最终可实现第一固定件10绕y轴的旋转自由度运动，其中k为压电陶瓷施加电压与最终运动位移的比例系数，r为运动半径，θ为旋转角，θ取值为0到360；

给三组压电陶瓷叠堆的第二部分分别施加相同的z向电压时，可实现第一固定件10沿x向的平移自由度的调节；

给三组压电陶瓷叠堆的第三部分分别施加相同的z向电压时，可实现第一固定件10沿y向的平移自由度的调节；

给三组压电陶瓷叠堆中的其中一组的第二部分和另外两组的第三部分施加相同的z向电压，或给三组压电陶瓷叠堆中的其中两组的第二部分和另外一组的第三部分施加相同的z向电压，可实现第一固定件10绕z向的旋转自由度的调节；或给三组压电陶瓷叠堆的第二部分施加相同的第一电压，第三部分施加相同的第二电压，第一电压满足u1＝krcosθ，第二电压满足u2＝krsinθ，使第一固定件10沿x向移动rcosθ距离，沿y向移动rsinθ距离，则最终可实现第一固定件10绕z轴的旋转自由度调节，其中k为压电陶瓷施加电压与最终运动位移的比例系数，r为运动半径，θ为旋转角，θ取值为0到360。

如图4-6所示，第一固定件10和第二固定件20之间设置有弹性件60，弹性件60的两端分别连接第一固定件10和第二固定件20的相对的表面。当第一固定件10运动时，第二固定件20与第一固定件10起到固定压电陶瓷叠堆的作用。

在一个实施例中，三个压电陶瓷叠堆31、32、33环绕第一安装孔11均匀分布，且每相邻两个压电陶瓷叠堆之间设置一个弹性件60。

在一个实施例中，第一固定件10为圆盘件，圆盘件的圆心位置设置第一安装孔11，第一安装孔11的内径与光纤耦合器40的外径配合，使得光纤耦合器固40定安装于第一安装孔11内。

第二固定件20为圆盘件，第二安装孔21设置于第二圆盘件的圆心位置，且第二安装孔21的内径大于光纤50的外径。

在一个实施例中，弹性件60为弹簧。

第一压电陶瓷叠堆31、第二压电陶瓷叠堆32和第三压电陶瓷叠堆33通过导线(图未视)与电源连接，导线的一端与电源连接，导线的另一端穿过第二安装孔21与第一压电陶瓷叠堆31、第二压电陶瓷叠堆32和第三压电陶瓷叠堆33连接。

在一个实施例中，第一固定件10与第二固定件20同心布置，使得第一安装孔11与第二安装孔21相互对准。

图8是本发明另一实施例的光纤耦合调节装置200的示意图。

下面参照图8描述本发明的另一实施例。本实施例与前一实施例的区别在于压电陶瓷叠堆的组数。如图8所示，光纤耦合调节装置200包括四组压电陶瓷叠堆，分别为第一压电陶瓷叠堆81、第二压电陶瓷叠堆82、第三压电陶瓷叠堆83以及第四压电陶瓷叠堆84，四组压电陶瓷叠堆环绕第一安装孔11固定在第一固定件10上。四组压电陶瓷叠堆中的每一压电陶瓷叠堆均与图7所示的压电陶瓷叠堆30完全相同，即都包括第一部分、第二部分和第三部分，第一部分、第二部分和第三部分的极化方向相互垂直，在通电时分别沿相互垂直的三条轴线(即三维坐标中的x轴、y轴和z轴)运动。在图8所示的布置中，定义第一压电陶瓷叠堆81和第二压电陶瓷叠堆82之间的连线以及第三压电陶瓷叠堆和第四压电陶瓷叠堆之间的连线与坐标轴y轴平行，第一压电陶瓷叠堆81和第四压电陶瓷叠堆84之间的连线与第二压电陶瓷叠堆82和第三压电陶瓷叠堆83之间的连线与坐标轴x轴平行。

在一个实施例中，四组压电陶瓷叠堆环绕第一安装孔11均匀布置。

具体实施步骤如下：

第一步：粗调第一固定件10，使空间光照射到第一固定件的中心位置。

第二步：分别对四组压电陶瓷叠堆施加一定电压，压电陶瓷叠堆在通电情况下沿第一固定件10的法线方向运动(即图1中垂直于第一固定件10的表面的方向运动)。

具体地，给四组压电陶瓷叠堆的第一部分施加相同的z向电压时，四组压电陶瓷叠堆的z向位移相同，即可实现第一固定件10沿z向的平移自由度的调节；

给四组压电陶瓷叠堆中的其中相邻两组(例如第一压电陶瓷叠堆81和第四压电套叠叠堆84)的第一部分与另外两组压电陶瓷叠堆(例如第二压电陶瓷叠堆82和第三压电套叠叠堆83)的第一部分施加不同的z向电压时，可实现第一固定件10绕x轴的旋转自由度的调节；

给四组压电陶瓷叠堆中的另外相邻两组(例如第一压电陶瓷叠堆81和第二压电套叠叠堆82)的第一部分与另外两组压电陶瓷叠堆(例如第三压电陶瓷叠堆83和第四压电陶瓷叠堆84)的第一部分分别施加不同的z向电压时，可实现第一固定件10绕y向的旋转自由度的调节；

给四组压电陶瓷叠堆的第二部分分别施加相同的z向电压时，可实现第一固定件10沿x向的平移自由度的调节；

给四组压电陶瓷叠堆的第三部分分别施加相同的z向电压时，可实现第一固定件10沿y向的平移自由度的调节；

将四组压电陶瓷叠堆分为两大组(例如一大组包括第一压电陶瓷叠堆81和第二压电陶瓷叠堆82，另一大组包括第三压电陶瓷叠堆83和第四压电陶瓷叠堆84)，其中一大组(例如第一压电陶瓷叠堆81和第二压电陶瓷叠堆82)的第二部分施加z向电压，另一大组(例如第三压电陶瓷叠堆83和第四压电陶瓷叠堆84)的第三部分施加z向电压，可实现第一固定件10绕z向的旋转自由度的调节，从而可实现第一固定件10的六自由度的运动调节。

在一个实施例中，四个压电陶瓷叠堆80环绕第一安装孔11均匀分布，且每相邻两个压电陶瓷叠堆80之间设置至少一个弹性件。

本发明的第一固定件和第二固定件的形状不局限于圆形，压电陶瓷叠堆的横截面同样不局限于方形，具体实施例不再详述。

本发明创造性地将压电陶瓷叠堆应用到光纤耦合调节装置上，解决了传统上的光纤耦合调节装置调节精度不足以及容易超调等的问题，使得光纤耦合调节装置可以实现全自动操作。

以上已详细描述了本发明的较佳实施例，但应理解到，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改。这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。