专利名称：用于监控随机偏振光的功率的组件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光学系统，尤其是涉及一种配置成监控并测量随机偏振光的功率的光学组件。
背景技术：
沿着高功率激光器系统传播的光信号可在宽范围内变化。传播信号的不稳定性不利地影响激光器系统所执行的任务和系统部件的功能。为了监控光信号的功率的变化，光纤激光器系统设置有下面讨论的功率监控组件。图I示出包括尾纤式线性偏振隔离器12的功率监控组件10，尾纤式线性偏振隔离器12配置成支持分别在输入尾纤式光纤14和输出尾纤式光纤16之间的光信号Ii的传播L隔离器芯体18设置有具有板形分束器22的抽头耦合器监控器20，板形分束器22可 操作来扩散掉耦合到光电探测器24、26中的一小部分光信号，用于进一步的测量。组件10已成功地用于线性偏振光的功率读取。然而，由于下面的原因，很多已知的光学应用(包括光纤激光器系统)使用可能影响监控器20的功率读数的随机偏振光来操作。当光穿过物质传播时，光会遭受功率损耗。功率损耗的促成因素之一是偏振。当光信号穿过至少部分地透明的材料时，信号的光功率由于空间偏振交互作用而在选择的方向上减小。换句话说，光的能量在相对于彼此正交的两个偏振状态“P”和“s”之间被划分。偏振状态指光能在这两个模式之间的分配。在这两个偏振模式之间的损耗的差异表不器件的偏振相关损耗(F1DL)。基于上述内容，具有随机偏振光的光纤激光器系统的特征因此可以是例如入射在组件20的板形分束器22上的光的相应“p”和“s”偏振状态的不同的反射系数(Rp，Rs)。作为结果，抽出的光束的功率根据入射光的偏振来波动。目的在于提供具有涂层的板形分束器22的努力是不成功的，该板形分束器22可通过使Rp和Rs以期望的精度彼此匹配来补救随机偏振光的影响。后者可通过在一范围内监控光的当前器件的技术限制来解释，在该范围内，反射系数R不超过I %部分。只有当反射系数R为大约20%时，Rp和Rs之间的上述关系才可被始终满足。但20%将构成功率的不能接受地高的损耗。图2示出功率监控组件的可选配置。该组件配置为光纤抽头或光纤耦合器28。由光纤引导的一部分光耦合到光纤32中，光纤32将所述一部分光递送到光电探测器34。这样的功率监控组件在不超过大约IOW的低功率时是有效的。图3示出配置成探测沿着波导40的长度散射(瑞利散射)的功率的功率监控组件36的又一配置。在波导40的芯体中的散射光由光电二极管42探测。然而，瑞利信号可能相当弱，因此需要复杂的探测器。此外，将直射和回射信号彼此分离可能很难。因此，需要一种光学装置，其接收一部分随机偏振信号光并能够光学地处理该部分，使得射出该装置的光束的功率是偏振不敏感的。
发明内容
所公开的光学装置允许通过所公开的组件有效地满足上文所述的需要，该组件包括主第一分束器、另一第二分束器和探测器装置。分束器配置成使得在第一分束器的部分反射的第一表面上的入射平面与在第二分束器的反射的第二表面上的入射平面大致上彼此正交。如本领域的普通技术人员已知的，入射平面由入射在表面上的光束以及入射光束射到该表面的点处的法线确定。所公开的配置因此允许入射在探测器装置上的输出光经历两次随后的反射-从第一分束器和随后从第二分束器。因此，入射在第一表面上从第一表面反射的例如处于偏振状态“P”中的光进一步以偏振状态“S”从第二表面反射。另一方面，入射在第一板形分束器上并从第一板形分束器反射的处于偏振状态“S”中的光将经历以偏振状态“P”从第二板形分束器的反射。因此，入射在从第二表面接收光的光电探测器上的光是偏振不敏感的，不管偏振状态如何，在两次反射之后的总反射系数都等于Rs X Rp。因此，在两个偏振状态之间的功率波动不影响所提供的光电探测器的读数，当然，第一分束器配置有与第二分束器的相应系数Rs和Rp相同的反射系数Rs和Rp。
从附有附图的下面的具体描述中，本公开的上述和其它特征和优点将变得更显而易见，其中图I是已知的现有技术功率测量装置的一种配置；图2是已知的现有技术功率测量装置的另一种配置；图3是并入现有技术功率测量装置的又一种配置的高功率光纤激光器系统；图4是根据本公开配置的功率测量装置；以及图5是在图4的功率测量装置中利用的体光学器件的示意图。
具体实施例方式现在将详细地参考所公开的功率监控装置和并入功率测量装置的光纤激光器系统。在任何可能的情况下，在附图和描述中使用相同或相似的附图标记来表示相同或相似的部件或步骤。附图是以简化的形式，且决不是按精确的比例。图4示出可在需要随机偏振光的功率测量的任何光学系统中利用的功率测量光学装置50。装置50包括第一分束器52、第二分束器54和探测组件56。当信号随机偏振光束Ii射到第一板形分束器52的部分反射表面58上时，所述光束的一部分(优选地但不是必需地不超过光束Ii的百分比)被反射，而所述光束的其余部分被透射。光Ii的反射部分Ir取决于入射光的入射角和偏振方向。如果探测组件56沿着测量光路定位成紧接着第一分束器52之后，则所测量的功率将会波动，这取决于入射光Ii并因此反射光Ir是否处于“s”或“P”偏振状态。因此，所公开的光学装置50通过并入配置有部分反射表面60的第二分束器54而消除了功率测量数据对光束Ii的偏振状态的依赖性。第一分束器52和第二分束器54分别相对于彼此定位成使得包括第一分束器52的表面58上的光Ii的第一入射平面大致上与第二分束器54的表面60上的反射光Ir的第二入射平面正交。第一入射平面由光Ii和射在第一分束器52的表面58上的点的光的法线N1确定，光Ii和法线N1之间限定第一入射角AOI115同样，第二入射平面由入射在表面60上的光Ir和法线N2确定，光Ir和法线N2之间限定第二入射角Α0Ι2。如光学领域的普通技术人员容易理解的，发明的装置50的最优选的配置包括在上面公开的平面之间的直角。然而，在平面之间的角可在大约85°和95°之间的范围内变化，而不关键性地影响期望的测量精度。初始随机偏振光Ii的偏振矢量包括两个正交分量El和E2,如普通技术人员所公知的。当从第一分束器52和第二分束器54被依次反射时，分量El和E2的特征可以是各自的全反射系数Rei和RE2。如果全反射系数Rei和Re2是相同的，即，Rei = Re2，则入射在探测组件56上的输出光束Io的功率是偏振不敏感的。这个要求由分束器52和54满足，每个分束器具有一对“P”偏振状态的系数Rp和“s”偏振光的系数RS，其中第一分束器52的系数Rp和Rs大致上等于第二分束器54的相应系数Rp和Rs。、
假定例如主光Ii的El分量具有“s”偏振状态，并因此通过来自第一分束器52的反射系数Rs表征。因为分束器52和54基本上具有统一的光学配置，因此入射在第一分束器52上并从第一分束器52反射的分量El的“s”偏振状态转变到具有相应的反射系数Rp的“P”偏振状态，作为分量El从第二分束器54反射的结果。因此，在探测组件56的输入端的全反射系数REl可被确定为RsxRp。当从第一分束器52反射的光Ii的E2分量进一步从分束器54弹回时，其“P”偏振状态旋转成“s”偏振状态。与系数Rei —样，全反射系数Re2也被确定为RsxRp。因此，在两个偏振状态之间的功率的波动不影响探测组件56的读数。当然，所公开的装置50可在向前和向后方向上测量光功率。回射光的测量将需要如虚线示出的与板形分束器54类似地配置的另一板形分束器54’以及探测组件56’。用于获得所公开的装置的偏振不敏感功率读数的基本条件包括下列各项两个分束器的一致的反射系数Rs和两个分束器的一致的反射系数Rp。原则上，这个条件足以实现所公开的概念。分束器52的表面58上的光Ii和第二分束器54的表面60上的光Ir的入射平面的大致正交性。理想地，在板形分束器52上的光Ii的入射角(AOI)和在第二板形分束器54上的光Ir的AOI的大致一致性；从技术上说，AOI可在一范围内变化，但优选地，AOI是45°。然而，AOI可以彼此根本不相等。为了防止穿过第一板形分束器52透射的光束Ii的相当大的功率损耗，板形分束器52和54各可覆盖有抗反射(AR)涂层62。涂层62优选地配置成使得反射光Ir和输出光Io各自分别衰减大约20-30dB。在大约40到60dB之间的范围内的总衰减可能对探测组件56的光电探测器的操作是有益的。例如，如果输入光Ii具有大约100W的功率，则上面提到的衰减范围允许光电探测器在线性状态中工作。装置50也可配置有可包括例如半波片或90°延迟器的偏振控制部件64。如光学领域的普通技术人员已知的，半波片配置成使一个偏振分量相对于另一偏振分量延迟波长的一半。90度延迟器将偏振旋转90度。换句话说，不管表面58和60相对于彼此的位置，部件64如果被光Ir射到都将一个偏振分量旋转成另一个偏振分量。此外,一般地,光学线路配置成使得光束在一个优选地水平的平面中传播。装置50如果没有配置板64，则提供光束在垂直和水平面中的传播，因此可被认为是三维配置。偏振控制部件64的并入使得第二板形分束器54定位成在例如与光束的其余部分相同的水平面中按规定路线发送输出光束Io0参考图5，装置50可具有配置成使反射光束Ir和Io分别更进一步地衰减的另外的部件。配置之一可包括负球面体光学器件66。装置50的又一配置可具有光扩散板68。功率衰减体部件当然定位成紧邻探测组件56的光电探测器70。所公开的装置50可制造为光学系统的单独部件或一体部件。例如，光学系统可配置为尾纤式隔离器，其包括装入45°光延迟器的壳体、法拉第旋转器、输出偏振器、以及输入和输出准直器。换句话说，装置50可并入高度概略地示出的隔离器120中 。如光学领域的普通技术人员已知的，配置成处理随机偏振光的隔离器120基于可操作以将两个正交偏振分成两个光束并进一步组合所述光束的结构。参考图6，有利地，装置50被并入隔离器中，而该隔离器又是高功率光纤激光器(HPFL)系统200的部件。系统200可具有无限的配置，因此图6所示的配置是示例性光纤激光器系统的示意图。系统200可具有一个或多个级联。优选地，级联202各分别配置有增益块，所述增益块包括有源光纤204，即，掺杂有稀土或过渡金属的离子的光纤，以及输入无源光纤206和输出无源光纤208。有源光纤204的相对端的每一个被熔合到无源光纤。优选地但不是必需地，有源光纤204具有能够在期望波长处支持基模的多模芯体。为了提供光从一个光纤到另一光纤的基本上无损耗的耦合，所有光纤都具有允许有源光纤和每个无源光纤之间的相当大的模匹配的几何结构。具有装置50的隔离器可位于随后的级联之间和/或沿着系统200的输出端。对技术人员显而易见的是，可在当前公开的高功率激光器系统中进行各种修改和变更。因此，旨在在所附权利要求及其等效形式的范围内，本公开涵盖了本公开的修改和变更。
权利要求
1.一种用于测量随机偏振光束的功率的装置，包括 间隔开的第一分束器和第二分束器，所述第一分束器和所述第二分束器被配置成依次反射所述随机偏振光束的一部分，使得从所述第二分束器反射的输出光束具有与入射在所述第一分束器上的所述随机偏振光束的偏振状态无关的功率；以及 光学组件，其操作以探测所述输出光束并测量所述输出光束的与所述随机偏振光束的功率成比例的功率。
2.如权利要求I所述的装置，其中所述第一分束器和所述第二分束器相对于彼此定位成使得在所述第一分束器的部分反射的第一表面上的包括所述随机偏振光束的入射平面基本上与在所述第二分束器的部分反射的第二表面上的从所述第一表面反射的部分光的入射平面正交。
3.如权利要求2所述的装置，其中所述反射表面定位成使得所述随机偏振光束在所述第一分束器上的入射角(AOI)基本上等于所述随机偏振光束的从所述第一分束器反射并入射在所述第二分束器上的一部分的AOI。
4.如权利要求2所述的装置，其中所述反射表面定位成使得所述随机偏振光束在所述第一分束器上的入射角(AOI)不同于所述随机偏振光束的从所述第一分束器反射并入射在所述第二分束器上的一部分的AOI。
5.如权利要求2所述的装置，其中所述第一分束器和所述第二分束器各配置有反射系数Rs和Rp，其中所述Rs是具有正交于所述入射平面的矢量E的“s”偏振状态的反射系数，而所述Rp是具有位于所述入射平面中的矢量E的“p”偏振状态的反射系数，对于给定的入射角(AOI)，所述第一分束器的所述Rs和Rp与所述第二分束器的相应Rs和Rp基本上相同。
6.如权利要求5所述的装置，其中所产生的所述输出光束的反射系数等于RsxRp，而不管所述随机偏振光是处于所述“S”偏振装置或“P”偏振状态。
.6.如权利要求2所述的装置，其中各个所述第一分束器和第二分束器的反射表面每一个被抗反射涂层覆盖，所述抗反射涂层被配置成最小化要被监控的所述随机偏振光束的衰减。
7.如权利要求I所述的装置，还包括位于所述第二分束器和用于探测并测量所述输出光束的光学组件之间的体光学器件，所述体光学器件配置成削弱所述输出光束的功率，并简化所述光学组件的探测器在经两次反射的部分光的路径中的定位，所述探测器选自由负球面透镜和光散射器件所组成的组。
8.如权利要求6所述的装置，其中所述抗反射涂层配置成使得经两次反射的部分光被衰减，使得用于测量所述光功率的所述光学组件在线性状态中操作。
9.如权利要求I所述的装置，还包括 另一第二板，其与所述第一分束器光通信，从而接收在与穿过所述第一分束器透射的所述随机偏振光束的方向相反的方向上传播的随机偏振回射光束，以及 另一光学组件，其设置成接收并测量与耦合到所述第一分束器中的所述回射光束的偏振状态无关的回射光束的功率。
10.如权利要求I所述的装置，还包括在所述第一分束器和所述第二分束器之间的偏振控制部件，所述偏振控制部件选自半波片和90°延迟器所组成的组。
11.一种尾纤式光隔离器，包括 隔离器芯体，其被向前传播的随机偏振光束沿着光路穿过；以及 功率测量装置，其沿着所述芯体的第二段定位并包括 间隔开的第一分束器和第二分束器，所述第一分束器和所述第二分束器配置成依次反射所述随机偏振光束的一部分，使得从所述第二分束器反射的输出光束具有与入射在所述第一分束器上的所述随机偏振光束的偏振状态无关的功率；以及 光学组件，其能够操作以探测所述输出光束并测量所述输出光束的与所述随机偏振光束的功率成比例的功率。
12.如权利要求11所述的光隔离器，还包括偏振控制部件，所述偏振控制部件位于所述第一分束器和第二分束器之间并选自半波片或90°延迟器。
13.如权利要求11所述的光隔离器，其中所述第一分束器和所述第二分束器相对于彼此定位成使得在所述第一分束器的部分反射的第一表面上的包括所述随机偏振光束的入射平面基本上与在所述第二分束器的部分反射的第二表面上的从所述第一表面反射的所述部分光的入射平面正交。
14.如权利要求13所述的光隔离器，其中所述第一表面和所述第二表面定位成使得在所述第一分束器上的所述随机偏振光束的入射角(AOI)基本上等于从所述第一分束器反射并入射在所述第二分束器上的所述部分随机偏振光束的AOI。
15.如权利要求13所述的光隔离器，其中所述第一表面和所述第二表面定位成使得在所述第一分束器上的所述随机偏振光束的入射角(AOI)不同于从所述第一分束器反射并入射在所述第二分束器上的所述部分随机偏振光束的AOI。
16.如权利要求13所述的光隔离器，其中所述第一分束器和所述第二分束器各配置有反射系数Rs和Rp，其中所述Rs是正交于所述入射平面(POI)的“s”偏振状态的反射系数，而所述Rp是位于所述POI中的“P”偏振状态的反射系数，对于选定的AOI，所述第一分束器的所述Rs和Rp基本上与所述第二分束器的相应Rs和Rp相同。
17.如权利要求13所述的光隔离器，其中各个所述第一分束器和第二分束器的反射表面每一个被抗反射涂层覆盖，所述抗反射涂层配置被成最小化在工作波长处的所述随机偏振光束的衰减。
18.如权利要求11所述的光隔离器，还包括光衰减部件，所述光衰减部件位于所述第二分束器之间，并选自由负球面体光学器件和光散射板68所组成的组。
19.一种高功率光纤激光器系统，包括 至少一个放大级联，其操作以放大沿着路径传播的随机偏振输入光束；以及 用于测量放大的所述随机偏振光束的功率的装置，所述装置与所述放大级联光通信，所述装置包括 间隔开的第一分束器和第二分束器，所述第一分束器和所述第二分束器配置成依次反射所述随机偏振光的一部分，使得从所述第二分束器反射的输出光束具有与入射在所述第一分束器上的所述随机偏振光的偏振状态无关的功率；以及 光学组件，其能够操作以探测所述输出光束并测量所述输出光束的与所述随机偏振光的功率成比例的功率。
20.如权利要求19所述的HPEL，其中从所述第一分束器反射的所述输入光束的一部分在基本上与所述输入光束在所述第一分束器上的入射平面正交的入射平面中延伸，所述第一分束器和所述第二分束器各配置有反射系数Rs和Rp，其中所述Rs是具有正交于所述入射平面的矢量E的“s”偏振状态的反射系数，而所述Rp是具有位于所述入射平面中的所述矢量E的“p”偏振状态的反射系数，对于给定的入射角(AOI)，所述第一分束器的所述Rs和Rp基本上与所述第二分束器的相应Rs和Rp相同，使得所述输出光束所产生的反射系数等于RsxRp，而不管所述随机偏振光是处于所述“s”偏振状态或“P”偏振 状态。
全文摘要
一种用于测量随机偏振光束的功率的装置配置有间隔开的第一分束器和第二分束器，所述第一分束器和所述第二分束器具有相应的反射表面，所述反射表面彼此面对并配置成依次反射入射在所述第一分束器上的随机偏振光束的一部分。所述分束器的尺寸被形成为并成形为使得从所述第二分束器反射的输出光束具有与所述随机偏振光束的偏振状态无关的功率。
文档编号G01J1/04GK102667426SQ201080047054
公开日2012年9月12日 申请日期2010年10月18日 优先权日2009年10月19日
发明者弗拉基米尔·祖耶夫, 艾莱克伊·马米恩 申请人:Ipg光子公司