基于柔性鉸鏈的自適應(yīng)光纖準(zhǔn)直器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于柔性鉸鏈的自適應(yīng)光纖準(zhǔn)直器。將可連接光纖端帽固定在端帽持具上，利用柔性鉸鏈將持端帽具同準(zhǔn)直器底座連接起來。壓電陶瓷一端緊貼端帽持具，另一端同準(zhǔn)直器底座銜接，最后將光纖端帽輸出端放置在準(zhǔn)直透鏡的焦點(diǎn)位置。利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，通過改變壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電壓實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖激光傾斜像差的快速高精度控制。
【專利說明】基于柔性鉸鏈的自適應(yīng)光纖準(zhǔn)直器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種光纖準(zhǔn)直器結(jié)構(gòu)，尤其是一種基于柔性鉸鏈的自適應(yīng)光纖準(zhǔn)直器。
【背景技術(shù)】
[0002]光束的傾斜控制對(duì)于穩(wěn)定光束軸向位置十分重要，在天文觀測(cè)、激光通信、激光雷達(dá)、光電跟瞄以及陣列光束相干合成等方面具有重要意義。特別在光纖激光陣列光束合成系統(tǒng)中，通過對(duì)光纖出射光束的傾斜控制可實(shí)現(xiàn)多光束共靶瞄準(zhǔn)。共靶瞄準(zhǔn)對(duì)光纖激光陣列光束的相干性控制起著至關(guān)重要的作用。在相應(yīng)的光學(xué)系統(tǒng)中，需要能使光束受控地產(chǎn)生快速、小角度變化的器件。傳統(tǒng)校正光束傾斜的方法是使用高速傾斜鏡和自適應(yīng)光纖光源準(zhǔn)直器(AF0C)。高速傾斜鏡的機(jī)械諧振頻率相對(duì)較低，在對(duì)控制帶寬要求較高的情況下不易實(shí)現(xiàn)。美國(guó)陸軍實(shí)驗(yàn)室的L.Beresnev等人于2005年率先研制成功自適應(yīng)光纖光源準(zhǔn)直器，并將其應(yīng)用于陣列光束的相干合成實(shí)驗(yàn)，得到很好驗(yàn)證[L.A.Beresnevand M.A.Vorontsov, "Design of adaptive fiber optics collimator for free-spacecommunication laser transceiver，" Proc.SPIE 5895，58950R，58950R-7(2005)]。國(guó)內(nèi)中科院光電技術(shù)研究所耿超等人在該結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)，并應(yīng)用于多光束合成中，也取得了很好的實(shí)驗(yàn)效果[Geng Chao, "Experimental investigation on coherentbeam comnbination of a three-element fiber array based on target-1n—the—looptechnique, 〃 Acta Phys.Sin.Vol.61, N0.3 (2012) 034024]。目前世界上僅有此兩家單位研制成功自適應(yīng)光纖光源準(zhǔn)直器，但基本結(jié)構(gòu)一致，其原理均是通過直接控制光纖尖端在準(zhǔn)直透鏡焦平面的位置達(dá)到控制出射光束傾斜像差的效果。此種結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)光纖光源準(zhǔn)直器由于驅(qū)動(dòng)器出力很小(通常小于10N)，僅可驅(qū)動(dòng)單根光纖，而光纖激光輸出端面是尺寸僅為幾十微米的纖芯，這就使得該自適應(yīng)光纖準(zhǔn)直器在承受高功率時(shí)輸出端功率密度極高(目前最高報(bào)道的僅為百瓦級(jí))[Chao Geng and Baoyin Zhao, 〃1.5kW Incoherent BeamCombining of Four Fiber Lasers Using Adaptive Fiber-Optics Collimators, 〃 IEEEPHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL.25, N0.13, JULY I, 2013]，因而很難實(shí)現(xiàn)更高功率(如kW級(jí))光纖激光輸出。目前大功率光纖激光輸出端通常采用光纖端帽。光纖端帽是熔接在光纖尾端的石英晶體塊，由于光纖端帽的尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光纖纖芯，因而使得光纖激光輸出端面的功率密度大大降低，更易承受高功率光纖激光輸出。然而傳統(tǒng)自適應(yīng)光纖準(zhǔn)直器由于驅(qū)動(dòng)器出力小，無(wú)法推動(dòng)大質(zhì)量的光纖端帽，因而無(wú)法應(yīng)用于大功率光纖激光系統(tǒng)。因此設(shè)計(jì)一種控制光纖端帽的新型自適應(yīng)光纖準(zhǔn)直器結(jié)構(gòu)成為了當(dāng)前高功率下光纖激光傾斜控制領(lǐng)域亟待解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是:提供一種基于柔性鉸鏈的新型自適應(yīng)光纖準(zhǔn)直器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。該結(jié)構(gòu)控制原理簡(jiǎn)單，控制精度高，出力大，可控制大功率輸出的光纖端帽，與光纖放大器可實(shí)現(xiàn)自由裝卸。
[0004]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:
基于柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)和壓電陶瓷高精度控制技術(shù)，通過調(diào)節(jié)光纖端帽在準(zhǔn)直透鏡焦平面的位置實(shí)現(xiàn)對(duì)出射光束的傾斜控制。
[0005]其特點(diǎn)在于:利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，通過改變壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電壓實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖激光傾斜像差的快速高精度控制。基于出力大的考慮，應(yīng)選用疊堆型壓電陶瓷，其采用多片壓電陶瓷片粘結(jié)共燒而成，可以承受很大的壓力，剛度大，出力可達(dá)幾千牛頓。將可連接光纖端帽固定在持具底座上，利用柔性鉸鏈將持具底座同準(zhǔn)直器底座連接起來。柔性鉸鏈作為一種小體積、無(wú)機(jī)械摩擦、無(wú)間隙、導(dǎo)向精度高和運(yùn)動(dòng)靈敏度高的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，是新型自適應(yīng)光纖準(zhǔn)直器的良好選擇?；谌嵝糟q鏈的自適應(yīng)光纖準(zhǔn)直器可根據(jù)不同需求設(shè)計(jì)不同結(jié)構(gòu)，可分別滿足一維及二維的小角度和大角度傾斜控制，如圖1-圖6所示。
[0006]本發(fā)明的基于柔性鉸鏈的自適應(yīng)光纖準(zhǔn)直器，包括準(zhǔn)直器底座1、端帽持具2、光纖端帽3、柔性鉸鏈4、壓電陶瓷5、準(zhǔn)直透鏡6，其中光纖端帽3與端帽持具2固定，端帽持具2與準(zhǔn)直器底座I用柔性鉸鏈4緊密連接，壓電陶瓷5 —端緊貼端帽持具2，另一端同準(zhǔn)直器底座I銜接，最后將光纖端帽3輸出端放置在準(zhǔn)直透鏡6的焦點(diǎn)位置。
[0007]具體調(diào)節(jié)過程為:光纖端帽3與端帽持具2用四個(gè)螺釘固定，壓電陶瓷5 —端緊貼端帽持具2，另一端同準(zhǔn)直器底座I利用螺釘銜接，將裝配好的準(zhǔn)直器底座I放在準(zhǔn)直透鏡
6的焦平面附近，將裝配好的準(zhǔn)直器底座連接上帶有激光輸出的光纖端帽3，通過精密調(diào)節(jié)將光纖端帽輸出端調(diào)節(jié)在準(zhǔn)直透鏡6的焦點(diǎn)位置。
[0008]本發(fā)明的自適應(yīng)光纖準(zhǔn)直器另一種結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)大角度傾斜控制，包括準(zhǔn)直器底座1、端帽持具2、光纖端帽3、柔性鉸鏈4、壓電陶瓷5、準(zhǔn)直透鏡6、支撐桿G、杠桿H，其中光纖端帽3與端帽持具2固定，端帽持具2與準(zhǔn)直器底座I用柔性鉸鏈4緊密連接，同時(shí)與杠桿H 一端貼合緊密，壓電陶瓷5 —端緊貼杠桿H另一端，壓電陶瓷(5)的另一端同準(zhǔn)直器底座I銜接，最后將光纖端帽3輸出端放置在準(zhǔn)直透鏡6的焦點(diǎn)位置；支撐桿G作為杠桿H的支點(diǎn)插入杠桿H內(nèi)，并確保支撐桿G和杠桿H緊密結(jié)合。
[0009]具體調(diào)節(jié)過程為:光纖端帽3與端帽持具2用四個(gè)螺釘固定，端帽持具2與杠桿H貼合緊密且保證接觸面光滑，壓電陶瓷5 —端緊貼杠桿H，另一端同準(zhǔn)直器底座I利用螺釘銜接，將裝配好的準(zhǔn)直器底座I放在準(zhǔn)直透鏡6的焦平面附近，將裝配好的準(zhǔn)直器底座連接上帶有激光輸出的光纖端帽，通過精密調(diào)節(jié)將光纖端帽輸出端調(diào)節(jié)在準(zhǔn)直透鏡6的焦點(diǎn)位置。
[0010]所述的準(zhǔn)直器底座I由硬質(zhì)材料加工而成,結(jié)構(gòu)牢固穩(wěn)定；
所述的端帽持具2由輕型硬質(zhì)金屬合金加工而成，重量小，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固；
所述的光纖端帽3為高功率光纖端帽；
所述的柔性鉸鏈4可以采用直梁型、簧片型結(jié)構(gòu)，形狀可以為Z型片或S型片，其應(yīng)具有受力小位移大且彈性好的特點(diǎn)；
所述的壓電陶瓷5采用疊堆型壓電陶瓷，出力大，諧振頻率高；
所述的準(zhǔn)直透鏡6為一般準(zhǔn)直透鏡，材料無(wú)特殊要求；
所述的支撐桿G主要應(yīng)用在大角度傾斜控制系統(tǒng)中，用來提供杠桿的支點(diǎn)，應(yīng)采用剛度極大的材料；所述的杠桿H用來放大位移，應(yīng)采用不易發(fā)生形變的剛度大的材料。
[0011]本發(fā)明實(shí)現(xiàn)光纖輸出激光傾斜控制的過程如下:
將帶有光纖激光輸出的光纖端帽利用螺紋連接到自適應(yīng)光纖準(zhǔn)直器底座上，以二維大角度傾斜控制的自適應(yīng)光纖準(zhǔn)直器為例，如圖7-8所示，調(diào)整輸出激光端位于準(zhǔn)直透鏡焦點(diǎn)位置，且保證光纖激光輸出端面位于透鏡的焦平面上。通過調(diào)節(jié)施加在壓電陶瓷上的電壓，產(chǎn)生相應(yīng)的位移變化量，通過杠桿傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，將位移放大，進(jìn)而推動(dòng)光纖端帽在準(zhǔn)直透鏡焦平面的相位方向上產(chǎn)生較大位移，光纖端帽的位置改變會(huì)使得出射激光經(jīng)準(zhǔn)直透鏡后
產(chǎn)生一傾斜角度為涔(％)的傾斜像差。其中咨(?)為出射光束在兩垂直方向上的傾斜
角度，滿足下式:
【權(quán)利要求】
1.基于柔性鉸鏈的自適應(yīng)光纖準(zhǔn)直器，包括準(zhǔn)直器底座(1)、端帽持具(2)、光纖端帽(3)、柔性鉸鏈(4)、壓電陶瓷(5)、準(zhǔn)直透鏡(6)，其特征在于，光纖端帽(3)與端帽持具(2)固定，端帽持具(2)與準(zhǔn)直器底座(1)用柔性鉸鏈(4)緊密連接，壓電陶瓷(5)—端緊貼端帽持具(2)，另一端同準(zhǔn)直器底座(1)銜接，最后將光纖端帽(3)輸出端放置在準(zhǔn)直透鏡(6)的焦點(diǎn)位置； 調(diào)節(jié)過程為:光纖端帽(3)與端帽持具(2)用四個(gè)螺釘固定，壓電陶瓷(5) —端緊貼端帽持具(2)，另一端同準(zhǔn)直器底座(1)利用螺釘銜接，將裝配好的準(zhǔn)直器底座(1)放在準(zhǔn)直透鏡(6)的焦平面附近，將準(zhǔn)直器底座連接上帶有激光輸出的光纖端帽(3)，通過精密調(diào)節(jié)將光纖端帽輸出端調(diào)節(jié)在準(zhǔn)直透鏡(6)的焦點(diǎn)位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于柔性鉸鏈的自適應(yīng)光纖準(zhǔn)直器，其特征在于，另一種結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)大角度傾斜控制，包括準(zhǔn)直器底座(1)、端帽持具(2)、光纖端帽(3)、柔性鉸鏈(4)、壓電陶瓷(5)、準(zhǔn)直透鏡(6)、支撐桿(G)、杠桿(H)，其中光纖端帽(3)與端帽持具(2)固定，端帽持具(2)與準(zhǔn)直器底座(1)用柔性鉸鏈(4)緊密連接，同時(shí)與杠桿H—端貼合緊密，壓電陶瓷(5)—端緊貼杠桿H另一端，壓電陶瓷(5)的另一端同準(zhǔn)直器底座(1)銜接，最后將光纖端帽(3)輸出端放置在準(zhǔn)直透鏡(6)的焦點(diǎn)位置，支撐桿G作為杠桿H的支點(diǎn)插入杠桿H內(nèi)； 調(diào)節(jié)過程為:光纖端帽(3)與端帽持具(2)用四個(gè)螺釘固定，端帽持具(2)與杠桿H貼合緊密且保證接觸面光滑，壓電陶瓷(5)—端緊貼杠桿(H)，另一端同準(zhǔn)直器底座(1)利用螺釘銜接，將裝配好的準(zhǔn)直器底座(1)放在準(zhǔn)直透鏡(6)的焦平面附近，將裝配好的準(zhǔn)直器底座連接上帶有激光輸出的光纖端帽，通過精密調(diào)節(jié)將光纖端帽輸出端調(diào)節(jié)在準(zhǔn)直透鏡(6)的焦點(diǎn)位置。`
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于柔性鉸鏈的自適應(yīng)光纖準(zhǔn)直器，其特征在于，所述的準(zhǔn)直器底座(1)由硬質(zhì)材料加工而成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于柔性鉸鏈的自適應(yīng)光纖準(zhǔn)直器，其特征在于，所述的端帽持具(2)由輕型硬質(zhì)金屬合金加工而成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于柔性鉸鏈的自適應(yīng)光纖準(zhǔn)直器，其特征在于，所述的光纖端帽(3)為高功率光纖端帽。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于柔性鉸鏈的自適應(yīng)光纖準(zhǔn)直器，其特征在于，所述的柔性鉸鏈(4)采用直梁型或簧片型結(jié)構(gòu)，形狀為Z型片或S型片。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于柔性鉸鏈的自適應(yīng)光纖準(zhǔn)直器，其特征在于，所述的壓電陶瓷(5)采用疊堆型壓電陶瓷。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于柔性鉸鏈的自適應(yīng)光纖準(zhǔn)直器，其特征在于，所述的支撐桿G和杠桿H采用剛度大的材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于柔性鉸鏈的自適應(yīng)光纖準(zhǔn)直器，其特征在于，光纖輸出激光傾斜控制的過程如下: 調(diào)整輸出激光端位于準(zhǔn)直透鏡焦點(diǎn)位置，且保證光纖激光輸出端面位于透鏡的焦平面上，調(diào)節(jié)施加在壓電陶瓷上的電壓，產(chǎn)生相應(yīng)的位移變化量，通過杠桿傳動(dòng)，將位移放大，進(jìn)而推動(dòng)光纖端帽在準(zhǔn)直透鏡焦平面的相位方向上產(chǎn)生位移，光纖端帽的位置改變使得出射激光經(jīng)準(zhǔn)直透鏡后產(chǎn)生一傾斜角度為矜(％)的傾斜像差，其中艿(％)為出射光束在兩垂直方向上的傾斜角度，滿足下式:
φX> = mxtmi(Δx/f)≈ Δx/f
φY = arctan(ΔY/f) ≈ Δy / f 式中Δχ 分別為光纖端帽在準(zhǔn)直透鏡焦平面的兩垂直方向上的位移。
【文檔編號(hào)】G02B6/32GK103823275SQ201410115959
【公開日】2014年5月28日 申請(qǐng)日期:2014年3月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月26日
【發(fā)明者】支冬, 馬閻星, 司磊, 王小林, 周樸, 劉磊, 許曉軍, 陳金寶, 劉澤金 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)