一种椭圆光纤准直器的制作方法

1.本发明涉及光学设备技术领域，具体为一种椭圆光纤准直器。


背景技术：

2.由于激光具有能量集中、方向性、单色性好的特点，目前被广泛应用在激光测距、空间光学等各个领域。但由于激光器出射的激光存在一定的发散角，且出射光斑都很小，不满足远距离传输对激光准直度的要求，且对于一些应用场景，如大气探测激光雷达、激光干涉仪等，出射光斑需远大于激光器光斑，所以需要对激光光束进行扩束准直。常见的准直镜均为圆形，对检测方形物体是存在结构的臃肿及能量的浪费，且激光器与准直器是分开的2个独立单元，耦合在一起不是很方便，对周围的环境要求较高。
3.公开号cn101408645a的中国专利于2009年4月15日公开了一种椭圆光斑光纤准直器，该专利申请设计了一种准直透镜(即带柱面的g-lens或c-lens)，使准直器的出射光束的光斑变为椭圆形，其在g-lens或c-lens的入射或出射端面上加工柱面，通过光纤与带有柱面的g-lens或c-lens耦合而构成，然而，该专利申请需要在透镜的微小端面上加工曲率精确可控且中心轴与微透镜光轴垂直相交的柱面，其实现依赖于微透镜端面上的柱面加工，制作工艺难度高。
4.公开号cn102183822a的中国专利于2011年9月14日公开了一种椭圆光斑光纤准直器，由光纤头、平面光波导转换器、准直微透镜三部分依次耦合构成；其中，平面光波导转换器通过过渡波导实现波导在宽度或厚度方向上的展宽或压缩，从单模光纤输出的圆形模场光斑，耦合进入平面光波导转换器，经过过渡波导传输后转换为椭圆模场光斑，然后再经过准直微透镜形成椭圆光斑准直光束。该专利申请输出的椭圆光斑的长短轴尺寸难以确定，且多次耦合导致光路较为复杂。


技术实现要素：

5.为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种椭圆光纤准直器，其结构简单、占用空间小，且对应用环境要求较低，适用范围广。
6.本发明是通过以下技术方案予以实现的：
7.一种椭圆光纤准直器，包括壳体和在所述壳体内依次设置的第一扩束组件及第二扩束组件，所述第一扩束组件的光路上设有可调波片组件，所述可调波片组件用于调节出射光的偏振态；所述壳体靠近第一扩束组件的一端设有光纤法兰盘，所述光纤法兰盘与激光器的入射光纤连接；所述激光器发射的光经由入射光纤传输至第一扩束组件进行一次扩束，得到满足短轴要求的圆形光斑，在一次扩束过程中通过可调波片组件调节出射光偏振态，调节后的出射光经由第二扩束组件进行二次扩束，得到满足长轴要求的椭圆光斑。
8.上述技术方案中，激光器通过入射光纤连接至光纤法兰盘，无需激光器的出射口对准准直器，突破了准直器与激光器必须同轴的限制，提高了使用便利性；并且，光纤法兰盘与壳体可拆卸连接，便于光纤损坏后实现快速更换。
9.上述技术方案中，通过第一扩束组件实现激光光束的一次扩束，使出射光斑的尺寸满足目标椭圆光斑的短轴要求，然后通过第二扩束组件实现二次扩束，使出射光斑为椭圆光斑且椭圆光斑的长轴满足目标椭圆光斑的长轴要求，最后输出满足预设长轴及短轴要求的椭圆光斑；在一次扩束过程中，通过可调波片组件调节出射光的偏振态，使最终出射的椭圆光斑为圆偏光。
10.进一步地，所述可调波片组件可设置于第一扩束组件与光纤法兰盘之间、第一扩束组件内或第一扩束组件与第二扩束组件之间，但是考虑到一次扩束对短轴尺寸的的要求以及准直器的小型化尺寸要求，优选将可调波片组件设置在第一扩束组件内，既能实现出射光偏振态的调节，又能满足尺寸要求。
11.作为进一步的技术方案，所述光纤法兰盘的中心位置设有螺纹连接件，用于连接激光器的入射光纤；所述螺纹连接件上开设有键槽，用于固定入射光纤的方向；所述螺纹连接件的中央设有陶瓷插芯，用于入射光纤定位。所述光纤法兰盘与激光器的入射光纤直接连接即可实现光纤同轴定位，无需再进行激光器与准直器的同轴定位，降低了对使用环境的要求，扩大了适用范围。
12.所述光纤法兰盘的四周设有多个螺钉安装孔，通过这些螺钉安装孔将光纤法兰盘固定于准直器的壳体上。当光纤法兰盘连接的光纤出现损坏时，可快速拆卸光纤法兰盘进行更换，便于后期维护。
13.作为进一步的技术方案，所述陶瓷插芯的中轴线与光纤法兰盘的中轴线相交于光纤安装端面，所述入射光纤的光纤头安装于陶瓷插芯上。这样设置可保证激光器的入射光纤插入光纤法兰盘即可实现同轴定位，操作方便且对使用环境要求较低。
14.作为进一步的技术方案，所述第一扩束组件、第二扩束组件均为透射式光学系统。
15.作为进一步的技术方案，所述第一扩束组件由至少两个透镜组成，所述第二扩束组件由至少两个柱面镜组成。第一扩束组件将光纤出射的光，快速放大为一个圆形的准直光斑，准直大小根据设计的短轴尺寸来决定。第二扩束组件将通过第一扩束组件的光再次单方向放大，达到设计的长轴尺寸要求。增加镜片数量，可以缩短系统的总长度。
16.作为进一步的技术方案，所述第一扩束组件由两个透镜组成，所述第二扩束组件由弯月柱面镜和平凸柱面镜组成，所述弯月柱面镜设置在靠近第一扩束镜的一侧。通过两个透镜实现激光光束的一次扩束，且通过两个透镜之间的距离调节使出射光斑满足目标椭圆光斑的短轴尺寸要求。通过两个柱面镜实现出射光束的二次扩束，且通过两个柱面镜之间的距离调节使出射光斑满足目标椭圆光斑的长轴尺寸要求。
17.作为进一步的技术方案，所述第一扩束组件的每一透镜及第二扩束组件的每一柱面镜均通过支架固定，各支架之间以及支架与光纤法兰盘之间均通过螺钉连接固定。各支架之间以及支架与光纤法兰盘之间均通过螺钉连接且可拆卸，从而便于整个准直器的组装和拆卸。当目标椭圆光斑的长轴和/或短轴的尺寸要求不同时，需要更换不同的透镜和/或柱面镜，则可通过拆卸各透镜、柱面镜之间的支架连接，再组装满足尺寸要求的透镜和柱面镜，实现输出椭圆光斑的长短轴的自由设定。
18.作为进一步的技术方案，所述第一扩束组件的两个透镜之间的距离可调，用于使一次扩束输出的圆形光斑的尺寸满足目标椭圆光斑的短轴要求；所述第二扩束组件的两个柱面镜之间的距离可调，用于使二次扩束输出的椭圆光斑的长轴满足目标椭圆光斑的长轴
要求。对于组装完成的准直器而言，透镜与透镜或柱面镜与柱面镜之间的距离是设计好的，但考虑到加工精度难以达到理想状态，因此可通过微调透镜与透镜或柱面镜与柱面镜之间距离来保证出射的椭圆光斑的长短轴精度要求。
19.作为进一步的技术方案，所述可调波片组件包括1/4波片，所述1/4波片能够实现360
°
旋转调节。所述可调波片组件包括波片支架，用于安装固定1/4波片，所述波片支架通过螺纹尾圈固定。
20.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
21.(1)本发明在准直器端部设置光纤法兰盘，激光器通过入射光纤连接至光纤法兰盘，无需激光器的出射口对准准直器，突破了准直器与激光器必须同轴的限制，提高了使用便利性；并且，光纤法兰盘与壳体可拆卸连接，便于光纤损坏后实现快速更换。
22.(2)本发明通过第一扩束组件实现激光光束的一次扩束，使出射光斑的尺寸满足目标椭圆光斑的短轴要求，然后通过第二扩束组件实现二次扩束，使出射光斑为椭圆光斑且椭圆光斑的长轴满足目标椭圆光斑的长轴要求，最后输出满足预设长轴及短轴要求的椭圆光斑；在一次扩束过程中，通过可调波片组件调节出射光的偏振态，使最终出射的椭圆光斑为圆偏光。
23.(3)本发明通过微调第一扩束组件内透镜之间的距离，以及微调第二扩束组件内柱面镜之间的距离来保证出射椭圆光斑的精度。
24.(4)本发明将各透镜、柱面镜分别固定于各自的支架上，再将支架之间通过螺钉连接，且支架与光纤法兰盘之间也通过螺钉连接，从而通过各支架之间的组装构成完整的准直器，便于装配及更换，当需要出射不同长短轴的椭圆光斑时，可通过快速拆卸并更换透镜和/或柱面镜来实现，进而以较低的制造成本扩大了适用范围。
附图说明
25.图1为根据本发明实施例的椭圆光纤准直器的结构示意图。
26.图2为根据本发明实施例的出射光斑示意图。
27.图3为根据本发明实施例的光纤法兰盘的结构示意图。
28.图4为根据本发明实施例0-6的详细剖视图。
29.图5为根据本发明实施例的光斑实际效果图。
30.图6为根据本发明实施例的柱面镜母线方向剖视图。
31.图中：1、第一透镜；2、第二透镜；3、第一柱面镜；4、第二柱面镜；5、1/4波片组件；6、入射光纤；7、激光器；9、环形零件；1-1、第一透镜支架；1-2、尾圈；2-1、第二透镜支架；2-2、尾圈；3-1、第一柱面镜支架；3-2、尾圈；4-1、第二柱面镜支架；4-2、调节螺钉；5-1、波片支架；5-2、尾圈；6-1、陶瓷插芯；8-1、定位销；9-1、连接件；10-1、插芯槽；10-2、螺钉安装孔；10-3、外螺纹；10-4、键槽；10-5、光纤安装端面；10-6、陶瓷插芯中轴线；10-7、光纤法兰盘的中轴线。
具体实施方式
32.以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述发实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本
领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
33.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。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所述特征。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。
34.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”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，也可以是电连接或可以相互通讯；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。
35.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
36.如图1所示，本发明提供一种椭圆光纤准直器，包括壳体和在所述壳体内依次设置的第一扩束组件及第二扩束组件，所述第一扩束组件的光路上设有可调波片组件，所述可调波片组件用于调节出射光的偏振态；所述壳体靠近第一扩束组件的一端设有光纤法兰盘，所述光纤法兰盘与激光器的入射光纤连接；所述激光器发射的光经由入射光纤传输至第一扩束组件进行一次扩束，得到满足短轴要求的圆形光斑，在一次扩束过程中通过可调波片组件调节出射光偏振态，调节后的出射光经由第二扩束组件进行二次扩束，得到满足长轴要求的椭圆光斑。
37.本发明通过第一扩束组件实现激光光束的一次扩束，使出射光斑的尺寸满足目标椭圆光斑的短轴要求，然后通过第二扩束组件实现二次扩束，使出射光斑为椭圆光斑且椭圆光斑的长轴满足目标椭圆光斑的长轴要求，最后输出满足预设长轴及短轴要求的椭圆光斑；在一次扩束过程中，通过可调波片组件调节出射光的偏振态，使最终出射的椭圆光斑为圆偏光。
38.如图1所示，激光器通过入射光纤连接至光纤法兰盘，无需激光器的出射口对准准直器，突破了准直器与激光器必须同轴的限制，提高了使用便利性。
39.其中，第一扩束组件由第一透镜和第二透镜组成，第一透镜、第二透镜将入射光纤传入的光进行放大准直，使经由第一扩束组件后的出射光斑满足短轴要求。第一透镜、第二透镜分别安装于对应的支架中，且利用各自的尾圈锁紧，支架与支架之间通过螺钉连接。
40.在第一透镜的支架尾端设置有一段定位槽，用于保证第一扩束组件和第二扩束组
件处于同轴状态，如图6中的支架尾端，有一截插入在第二透镜的支架当中，通过配合定位同轴。
41.将第一透镜的支架的剖切线与第二透镜的支架的剖切线设置为互相垂直。第二透镜的支架与第一柱面镜的支架利用2个定位销保证同轴，由于第一柱面镜的支架和第二柱面镜的支架是装配的柱面镜，故只保证柱面镜的母线与2个定位销的连线重合即可，第二柱面镜的支架是装入在第一柱面镜的支架内部，是利用零件的内外壁同轴。
42.第一透镜和第二透镜之间设有1/4波片组件，该1/4波片组件为360
°
旋转可调，用于调节出射光使其达到圆偏光的目的。1/4波片组件安装在波片支架中，且通过螺纹尾圈固定。
43.如图6，1/4波片安装在支架中，支架穿过环形零件，再与连接件9-1通过螺纹连接在一起(实现波片绕着环形零件能够360
°
旋转)，环形零件的外端再与第一透镜的支架连接，第二透镜的支架上方开了一个斜口观察窗，用于拨动调节旋转。
44.经由第一扩束组件一次扩束后的光入射到第二扩束组件，第二扩束组件由第一柱面镜和第二柱面镜组成，利用柱面镜的成像功能，将经过第一扩束组件的光进行单方向放大，使出射光斑的长轴满足预设要求。
45.第一柱面镜、第二柱面镜分别安装于对应的支架中，且第一柱面镜利用尾圈锁紧，第二柱面镜利用紫光胶固定在支架上。由于第二柱面镜的尺寸较大，避免尾圈锁紧方式造成误差，影响准直性能。
46.作为一种实施方式，准直器出射椭圆光斑的短轴要求在15mm，长轴要求在70mm。
47.作为一种实施方式，所述第二扩束组件由弯月柱面镜和平凸柱面镜组成，所述弯月柱面镜设置在靠近第一扩束镜的一侧。通过两个透镜实现激光光束的一次扩束，且通过两个透镜之间的距离调节使出射光斑满足目标椭圆光斑的短轴尺寸要求。通过两个柱面镜实现出射光束的二次扩束，且通过两个柱面镜之间的距离调节使出射光斑满足目标椭圆光斑的长轴尺寸要求。
48.进一步地，所述可调波片组件可设置于第一扩束组件与光纤法兰盘之间、第一扩束组件内或第一扩束组件与第二扩束组件之间，但是考虑到一次扩束对短轴尺寸的的要求以及准直器的小型化尺寸要求，优选将可调波片组件设置在第一扩束组件内，既能实现出射光偏振态的调节，又能满足尺寸要求。
49.如图3所示，所述光纤法兰盘的中心位置设有螺纹连接件，用于连接激光器的入射光纤；所述螺纹连接件上开设有键槽，用于固定入射光纤的方向；所述螺纹连接件的中央设有与光纤的陶瓷插芯相适配的插芯槽，用于入射光纤定位，该插芯槽是陶瓷材质的。所述光纤法兰盘与激光器的入射光纤直接连接即可实现光纤同轴定位，无需再进行激光器与准直器的同轴定位，降低了对使用环境的要求，扩大了适用范围。
50.优选地，本发明选用apc型号的光纤，其自带一个8度的楔角，如图4所示，光纤法兰盘也特地的开了与之相匹配的楔角，同时光纤法兰盘的中轴线与陶瓷插芯中轴线相交于光纤安装端面，光纤头安装在陶瓷插芯当中，以保证同轴定位的作用。
51.所述光纤法兰盘的四周设有多个螺钉安装孔，通过这些螺钉安装孔将光纤法兰盘固定于准直器的壳体上。当光纤法兰盘连接的光纤出现损坏时，可快速拆卸光纤法兰盘进行更换，便于后期维护。
52.所述第一扩束组件的每一透镜及第二扩束组件的每一柱面镜均通过支架固定，各支架之间以及支架与光纤法兰盘之间均通过螺钉连接固定。各支架之间以及支架与光纤法兰盘之间均通过螺钉连接且可拆卸，从而便于整个准直器的组装和拆卸。当目标椭圆光斑的长轴和/或短轴的尺寸要求不同时，需要更换不同的透镜和/或柱面镜，则可通过拆卸各透镜、柱面镜之间的支架连接，再组装满足尺寸要求的透镜和柱面镜，实现输出椭圆光斑的长短轴的自由设定。
53.所述第一扩束组件的两个透镜之间的距离可调，用于使一次扩束输出的圆形光斑的尺寸满足目标椭圆光斑的短轴要求；所述第二扩束组件的两个柱面镜之间的距离可调，用于使二次扩束输出的椭圆光斑的长轴满足目标椭圆光斑的长轴要求。第二柱面镜支架上设有调节螺钉，用于调节第一柱面镜与第二柱面镜之间的距离。对于组装完成的准直器而言，透镜与透镜或柱面镜与柱面镜之间的距离是设计好的，但考虑到加工精度难以达到理想状态，因此可通过微调透镜与透镜或柱面镜与柱面镜之间距离来保证出射的椭圆光斑的长短轴精度要求。
54.如图2所示为最终通过第一扩束组件和第二扩束组件的光斑形态。其椭圆光束，有效的减少了准直器短轴的尺寸，提高了激光器的综合利用效率。
55.本发明将激光器和准直器隔开作为两个独立的部件，突破空间的限制，后续的准直器可任意摆放。激光器和准直器两个部件之间通过入射光纤与光纤法兰盘连接为一个整体，密封性能好，对外部环境要求较低。
56.本发明提供的椭圆光斑在用于检测方形物时，无需进行两个方向的口径扩大，有效减少了一个方向的口径尺寸，提高激光器的利用效率。
57.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案。