本發(fā)明涉及光波導(dǎo)的耦合，具體涉及一種自適應(yīng)光纖光束高效率耦合系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、在當(dāng)今高科技領(lǐng)域中，激光通信、光纖傳感、半導(dǎo)體等技術(shù)的快速發(fā)展，對激光系統(tǒng)中的光纖耦合效率提出了更高的要求。光纖耦合技術(shù)對于提升光通信的傳輸能力、提高光纖傳感的精度、推動光電集成的小型化及高性能化等方面，具有極其重要的作用。然而，耦合效率的提高面臨著多種技術(shù)挑戰(zhàn)，特別是在存在角度誤差、位置偏移和光學(xué)器件像差等多種誤差引發(fā)的傳輸損耗條件下，大幅降低了耦合效率，成為亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)難題。

2、現(xiàn)有技術(shù)中，針對這些問題提出了一些解決方案。例如，中國專利cn105406334a提出了通過空間光探測器檢測激光脈沖的反饋信號，利用電動調(diào)節(jié)架自動調(diào)節(jié)準(zhǔn)直聚焦模塊與光纖的同軸度，從而提高耦合效率。然而，該方法受限于電動調(diào)節(jié)架的自由度，難以解決由角度誤差和光學(xué)器件像差帶來的傳輸損耗。此外，耦合調(diào)節(jié)的范圍有限，不適用于較大角度誤差的情況。

3、中國專利cn115603167a則提出了一種基于積分球的功率檢測技術(shù)，通過調(diào)節(jié)準(zhǔn)直器夾具的位移和角度，達(dá)到耦合最佳狀態(tài)。雖然該方法在調(diào)節(jié)范圍和精度方面有所提升，但由于其系統(tǒng)復(fù)雜且成本較高，同時受夾具精度的影響較大，最終耦合效率的提升受限于夾具的精度，難以實現(xiàn)真正的最佳耦合效果。

4、另一種技術(shù)方案是中國專利cn102520557a中提出的液晶相位控制器調(diào)節(jié)會聚光束相位，以實現(xiàn)動態(tài)耦合。盡管這種方法提供了一定的動態(tài)調(diào)節(jié)能力，但液晶相位控制器的調(diào)節(jié)精度不高，難以有效補償光束損耗。此外，液晶相位控制器在使用過程中也存在操作不便的問題。

5、中國專利cn104503042a提出了采用快速反射鏡技術(shù)克服大氣湍流引起的光束漂移，并結(jié)合相位控制器對波前畸變進(jìn)行補償，從而在一定程度上提高了耦合效率。然而，該方法在應(yīng)對由角度誤差和位置誤差導(dǎo)致的耦合損耗方面適應(yīng)性較弱，優(yōu)化效果有限。

6、2016年高建秋利用快速反射鏡執(zhí)行激光章動法（參見：高建秋,孫建鋒,李佳蔚,等.基于激光章動的空間光到單模光纖的耦合方法[j].中國激光,2016,6(8):19-26.），將空間光耦合至單模光纖。以脫靶量的計算精度為反饋，控制系統(tǒng)自動進(jìn)行運動補償。但是這種方法能夠提升的耦合效率較小，并且對于較大范圍誤差的補償效果不佳。

7、基于這些現(xiàn)有技術(shù)背景，如何進(jìn)一步提升光纖耦合效率，尤其是在存在角度誤差、位置偏移的復(fù)雜條件下，仍然是需要重點攻克的難題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有光纖耦合技術(shù)在存在角度誤差、位置偏移和光學(xué)器件像差等多種誤差引發(fā)的傳輸損耗條件下，無法進(jìn)一步提升光纖耦合效率的不足之處，而提供一種自適應(yīng)光纖光束高效率耦合系統(tǒng)及方法。

2、為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處，本發(fā)明提供了如下技術(shù)解決方案：

3、一種自適應(yīng)光纖光束高效率耦合系統(tǒng)，其特殊之處在于：包括發(fā)射單元、接收單元、自適應(yīng)光束控制單元和光功率檢測單元；

4、所述發(fā)射單元包括發(fā)射光纖和第一準(zhǔn)直聚焦裝置；所述接收單元包括接收光纖和第二準(zhǔn)直聚焦裝置；

5、所述自適應(yīng)光束控制單元包括分光鏡、兩個楔形棱鏡、平面鏡、探測器、第一位移裝置、第二位移裝置、驅(qū)動裝置和控制器；所述驅(qū)動裝置、第一位移裝置、第二位移裝置的輸入端均連接所述控制器，驅(qū)動裝置輸出端分別連接兩個楔形棱鏡，第一位移裝置、第二位移裝置的輸出端分別連接所述平面鏡和接收光纖；

6、所述發(fā)射光纖用于發(fā)射光束，光束經(jīng)過第一準(zhǔn)直聚焦裝置后被分光鏡分為反射光和透射光；

7、所述反射光進(jìn)入探測器，探測器用于檢測反射光的光斑形狀和能量，并輸出至控制器；

8、所述透射光依次經(jīng)過兩個楔形棱鏡，被平面鏡折射至第二準(zhǔn)直聚焦裝置，然后經(jīng)過接收光纖進(jìn)入光功率檢測單元，光功率檢測單元用于檢測其入射光的光束功率，并輸出至控制器；

9、所述控制器用于根據(jù)反射光的光斑形狀和能量分析得到反射光相對于探測器中心的偏移量和傾斜角度，判斷光功率檢測單元入射光的光束功率是否滿足預(yù)設(shè)要求，根據(jù)偏移量和傾斜角度控制驅(qū)動裝置調(diào)節(jié)兩個楔形棱鏡旋轉(zhuǎn)角度來調(diào)節(jié)光束方向，根據(jù)偏移量和傾斜角度通過第一位移裝置改變平面鏡的俯仰角度來調(diào)節(jié)折射后的光束位置，以及通過第二位移裝置移動接收光纖來改變接收光纖與第二準(zhǔn)直聚焦裝置之間的距離。

10、進(jìn)一步地，所述驅(qū)動裝置采用齒輪齒條運動結(jié)構(gòu)，齒輪齒條運動結(jié)構(gòu)包括驅(qū)動器、兩個齒條和兩個零背隙齒輪；所述驅(qū)動器輸入端連接所述控制器，輸出端分別連接兩個齒條，兩個齒條分別與兩個零背隙齒輪嚙合，兩個零背隙齒輪分別連接兩個楔形棱鏡旋轉(zhuǎn)軸；

11、所述兩個楔形棱鏡的楔形面相對設(shè)置，且一個楔形面的高點與另一個楔形面的低點相對。

12、進(jìn)一步地，所述發(fā)射單元還包括陶瓷套管，所述發(fā)射光纖和第一準(zhǔn)直聚焦裝置均設(shè)置在陶瓷套管內(nèi)，所述發(fā)射光纖與陶瓷套管內(nèi)壁之間設(shè)置有陶瓷插芯；

13、所述接收單元還包括陶瓷套管，所述接收光纖和第二準(zhǔn)直聚焦裝置均設(shè)置在陶瓷套管內(nèi)，所述接收光纖與陶瓷套管內(nèi)壁之間設(shè)置有陶瓷插芯。

14、進(jìn)一步地，所述透射光能量與反射光能量之比大于等于9。

15、進(jìn)一步地，所述第一位移裝置、第二位移裝置均采用壓電陶瓷微位移傳感器；所述第一準(zhǔn)直聚焦裝置、第二準(zhǔn)直聚焦裝置均采用漸變折射率透鏡；

16、所述探測器采用四象限探測器；所述光功率檢測單元采用光功率計。

17、同時，本發(fā)明還提供一種自適應(yīng)光纖光束高效率耦合方法，其特殊之處在于，采用上述一種自適應(yīng)光纖光束高效率耦合系統(tǒng)，包括如下步驟：

18、步驟1、將分光鏡沿順時針翻轉(zhuǎn)90°后，由接收光纖發(fā)射測試光束，測試光束依次經(jīng)過第二準(zhǔn)直聚焦裝置、平面鏡、兩個楔形棱鏡后，被分光鏡分為測試反射光和測試透射光，所述測試反射光進(jìn)入探測器，調(diào)整探測器與接收單元的相對位置，將反射光中心與探測器中心重合時接收單元的位置，作為接收單元的初始位置；然后將分光鏡復(fù)位；

19、步驟2、由發(fā)射光纖發(fā)出光束，利用探測器檢測反射光的光斑形狀和能量，輸出至控制器，控制器分析得到反射光相對于探測器中心的偏移量和傾斜角度；

20、同時，由光功率檢測單元檢測其入射光的光束功率，并輸出至控制器；

21、步驟3、由控制器判斷步驟2得到的光束功率是否滿足預(yù)設(shè)要求，若是，則執(zhí)行步驟6，否則執(zhí)行步驟4；

22、步驟4、由控制器根據(jù)步驟2得到的偏移量和傾斜角度，控制驅(qū)動裝置調(diào)節(jié)兩個楔形棱鏡旋轉(zhuǎn)角度來調(diào)節(jié)光束方向，同時由光功率檢測單元檢測其入射光的光束功率，確定光束功率最大時光束方向，且保持該方向，然后執(zhí)行步驟5；

23、步驟5、由控制器根據(jù)步驟2得到的偏移量和傾斜角度，通過第一位移裝置改變平面鏡的俯仰角度來調(diào)節(jié)折射后的光束位置，同時由光功率檢測單元檢測其入射光的光束功率，確定光束功率最大時光束的位置，且保持該位置，然后返回步驟3；

24、步驟6、由控制器通過第二位移裝置移動接收光纖來改變接收光纖與第二準(zhǔn)直聚焦裝置之間的距離，確定光束功率最大時的距離，且保持該距離，完成自適應(yīng)光纖光束高效率耦合。

25、進(jìn)一步地，所述步驟4具體為：

26、步驟4.1、控制驅(qū)動裝置同時調(diào)節(jié)兩個楔形棱鏡旋轉(zhuǎn)角度，同時由光功率檢測單元檢測其入射光的光束功率，確定光束功率最大時光束方向，且保持該方向；

27、步驟4.2、控制驅(qū)動裝置調(diào)節(jié)其中一個楔形棱鏡旋轉(zhuǎn)角度，同時由光功率檢測單元檢測其入射光的光束功率，確定光束功率最大時光束方向，且保持該方向；

28、步驟4.3、控制驅(qū)動裝置調(diào)節(jié)另一個楔形棱鏡旋轉(zhuǎn)角度，同時由光功率檢測單元檢測其入射光的光束功率，確定光束功率最大時光束方向，且保持該方向。

29、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

30、（1）本發(fā)明一種自適應(yīng)光纖光束高效率耦合系統(tǒng)，包括發(fā)射單元、接收單元、自適應(yīng)光束控制單元和光功率檢測單元；不同于僅僅通過光束強度監(jiān)測下的光束耦合系統(tǒng)，本發(fā)明是通過自適應(yīng)光束控制單元補償徑向、軸向、角度等多個自由度引起的耦合損耗，不僅具有更高的耦合效率，還具備更強的適應(yīng)性和穩(wěn)定性，適合于光通信、光纖傳感等需要高精度耦合的應(yīng)用場景。

31、（2）本發(fā)明利用探測器（四象限探測器）檢測和定量分析光束能量、光斑偏移量和傾斜角度，進(jìn)而分解出徑向誤差、軸向誤差和角度誤差，為后續(xù)的光束耦合補償提供了全面、細(xì)致的分析數(shù)據(jù)，大大提高自適應(yīng)光束控制單元的穩(wěn)定性和精確度。

32、（3）本發(fā)明采用零背隙齒輪組成的齒輪齒條運動機構(gòu)改變兩個楔形棱鏡旋轉(zhuǎn)角度，實現(xiàn)對入射光束的掃描（當(dāng)一對楔形棱鏡繞著特定的軸旋轉(zhuǎn)時，由于楔形棱鏡相對光束的角度在不斷變化，這種變化導(dǎo)致光束的折射角按照一定的規(guī)律改變，從而使光束在空間中的出射方向發(fā)生改變；光束掃描的角度與楔形棱鏡的楔角、折射率以及旋轉(zhuǎn)角度等參數(shù)有關(guān)；通過精確控制這些參數(shù)，可以實現(xiàn)對激光光束在二維平面或者三維空間內(nèi)的精確掃描），補償角度誤差引起的傳輸損耗，從而提高光束傳輸?shù)姆€(wěn)定性和效率，確保光學(xué)系統(tǒng)的整體性能。

33、（4）本發(fā)明采用第一位移裝置（壓電陶瓷微位移傳感器）控制平面反射鏡的轉(zhuǎn)動角度，實現(xiàn)對光束徑向位置的平移從而補償光束徑向誤差。

34、（5）本發(fā)明采用第二位移裝置（壓電陶瓷微位移傳感器）控制接收光纖與第二準(zhǔn)直聚焦裝置間的距離，補償由于光學(xué)器件像差引起的傳輸損耗和軸向誤差，找到光纖耦合的最佳位置，最大化提升光束傳輸效率。