空間光束耦合系統(tǒng)及其閉環(huán)控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及激光技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種主動式空間光束耦合系統(tǒng)及其閉環(huán)控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]超快激光微加工利用新型“光能源”與材料作用無沖擊力、無熱效應(yīng)、超精細(xì)的高效冷加工機(jī)理，具有無接觸、熱影響小、高能量聚焦、易于操作、高柔性、高效率、高質(zhì)量、節(jié)能環(huán)保等突出優(yōu)點(diǎn)，扮演了一個創(chuàng)新尖兵的角色，代表了先進(jìn)制造業(yè)的發(fā)展方向，引領(lǐng)制造技術(shù)進(jìn)入激光制造的新時代。高能量超快飛秒激光器以其獨(dú)特的脈沖持續(xù)時間短、峰值功率高等優(yōu)越性能開創(chuàng)了材料的超精細(xì)、無熱損傷和3D空間加工和處理的新領(lǐng)域。
[0003]在基于啁啾脈沖放大技術(shù)的高能量飛秒激光器研發(fā)中，由于光子晶體光纖具有模場面積大、栗浦吸收效率高、放大增益高、激光損傷閾值高，并且具有保偏輸出特性和近衍射極限的光束質(zhì)量輸出，是理想的超短脈沖放大增益介質(zhì)。光纖預(yù)放大系統(tǒng)輸出的激光一般采用透鏡空間耦合進(jìn)入光子晶體光纖放大器，為了獲得最大的增益以及良好的光束質(zhì)量，需要對棒狀光子晶體光纖進(jìn)行最佳的耦合，盡量保證信號光通過棒狀光纖的纖芯傳輸，耦合系統(tǒng)一般采用光學(xué)調(diào)整架手動調(diào)節(jié)聚焦鏡，將信號光能量盡量集中到棒狀光纖的纖芯中，并在光子晶體輸出端通過CCD觀察信號光的能量是否大部分都集中在纖芯中。但是，由于采用手動調(diào)節(jié)，存在調(diào)節(jié)精度低、調(diào)節(jié)過程難度大、無法實(shí)現(xiàn)精密自動化調(diào)節(jié)等缺陷，并且環(huán)境適應(yīng)性差，即當(dāng)激光器外界環(huán)境溫度、濕度變化或運(yùn)輸引起微量機(jī)械振動時，耦合系統(tǒng)便要重新進(jìn)行人工校準(zhǔn)調(diào)節(jié)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]有鑒于此，為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷和問題，本發(fā)明提供一種空間光束耦合系統(tǒng)及其閉環(huán)控制方法。
[0005]—種空間光束親合系統(tǒng)，其包括準(zhǔn)直聚焦模塊、電動調(diào)整架3、棒狀光子晶體光纖
4、凸透鏡5、第一雙色鏡6、第二雙色鏡7、栗浦源8、成像透鏡9、孔徑光闌10、第一空間光探測器11及第二空間光探測器15 ;
[0006]所述準(zhǔn)直聚焦模塊設(shè)置于所述電動調(diào)整架3上，且和所述棒狀光子晶體光纖4、凸透鏡5、所述第一雙色鏡6及所述第二雙色鏡7同軸依次設(shè)置，所述第一雙色鏡6和所述第二雙色鏡7均對信號光高反、對栗浦光高透；
[0007]所述第二雙色鏡7、所述成像透鏡9、所述孔徑光闌10及所述第一空間光探測器11設(shè)置于入射信號光探測光路；
[0008]所述第一雙色鏡6及所述第二空間光探測器15設(shè)置于放大信號光探測光路；
[0009]入射信號光經(jīng)所述準(zhǔn)直聚焦模塊準(zhǔn)直聚焦耦合進(jìn)入所述棒狀光子晶體光纖4，所述栗浦源8發(fā)射的栗浦光依次透射過所述第二雙色鏡7和所述第一雙色鏡6，經(jīng)凸透鏡5聚焦后加入所述棒狀光子晶體光纖4的包層中對入射信號光進(jìn)行放大；
[0010]入射信號光經(jīng)所述棒狀光子晶體光纖4放大后，經(jīng)凸透鏡5準(zhǔn)直后被所述第一雙色鏡6和所述第二雙色鏡7反射，其中，經(jīng)所述第一雙色鏡6反射的放大信號光通過所述第二空間光探測器15實(shí)時監(jiān)測，獲得經(jīng)過所述棒狀光子晶體光纖4的纖芯與包層傳輸?shù)姆糯笮盘柟獾拿}沖峰值能量，并反饋至所述電動調(diào)整架3，對所述準(zhǔn)直聚焦模塊的信號光入射位置進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)；經(jīng)所述第二雙色鏡7反射的放大信號光依次經(jīng)所述成像透鏡9、所述孔徑光闌10在成像面通過所述第一空間光探測器11采集，獲得脈沖峰值能量，并反饋至所述電動調(diào)整架3，對所述準(zhǔn)直聚焦模塊的信號光入射位置與同軸度進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)。
[0011 ] 本發(fā)明一較佳實(shí)施方式中，所述準(zhǔn)直聚焦模塊包括柱狀鏡筒及同軸設(shè)置于所述柱狀鏡筒內(nèi)的準(zhǔn)直透鏡1和聚焦透鏡2。
[0012]本發(fā)明一較佳實(shí)施方式中，所述準(zhǔn)直聚焦模塊固定于所述電動調(diào)整架3，且和所述棒狀光子晶體光纖4位于同一安裝高度。
[0013]本發(fā)明一較佳實(shí)施方式中，還包括第一全反鏡12、光學(xué)隔離器13和第二全反鏡14，所述第一全反鏡12、所述光學(xué)隔離器13和所述第二全反鏡14依次順序設(shè)置于所述第一雙色鏡6和所述第二空間光探測器15之間。
[0014]本發(fā)明一較佳實(shí)施方式中，所述栗浦源8采用高功率LD后向抽運(yùn)，抽運(yùn)光的中心波長為976nm。
[0015]本發(fā)明一較佳實(shí)施方式中，所述成像透鏡9為凸透鏡。
[0016]本發(fā)明一較佳實(shí)施方式中，所述電動調(diào)整架3包括調(diào)整架X軸和調(diào)整架Y軸。
[0017]本發(fā)明一較佳實(shí)施方式中，所述第一雙色鏡6和所述第二雙色鏡7沿垂直于光軸方向相互對稱。
[0018]所述空間光束耦合系統(tǒng)中，入射信號光經(jīng)過固定在電動調(diào)整架3的準(zhǔn)直聚焦模塊的準(zhǔn)直聚焦，耦合進(jìn)入棒狀光子晶體光纖4，其中電動調(diào)整架3與棒狀光子晶體光纖4在機(jī)械安裝上處于同一高度，通過反饋信號調(diào)節(jié)準(zhǔn)直聚焦模塊的信號光入射位置與同軸度，使得信號光以最佳狀態(tài)耦合進(jìn)入棒狀光子晶體光纖4，即保證信號光的大部分能量處在棒狀光子晶體光纖4的纖芯中。通過纖芯的信號光在棒狀光子晶體光纖4中被放大，放大之后的信號光經(jīng)過凸透鏡5和第一雙色鏡6及第二雙色鏡7 ;第一雙色鏡6及第二雙色鏡7對信號光高反，對栗浦光高透。本發(fā)明采用后向栗浦，栗浦源8發(fā)射的栗浦光透過第一雙色鏡6及第二雙色鏡7，通過凸透鏡5耦合到棒狀光子晶體光纖4的內(nèi)包層中，且抽運(yùn)光在內(nèi)包層中被高效吸收，為纖芯中的信號光提供放大增益。經(jīng)第一個雙色，6反射出的放大信號光經(jīng)第一全反鏡12轉(zhuǎn)折光路后經(jīng)過光學(xué)隔離器13進(jìn)行光路隔離與保護(hù)，隔離輸出光經(jīng)第二全反鏡14后進(jìn)入后級壓縮光路，第二全反鏡14反射出來的信號光通過第二空間光探測器15對經(jīng)過棒狀光子晶體光纖4的放大信號光的脈沖峰值能量進(jìn)行實(shí)時檢測，并將該峰值能量值作為反饋量傳遞給電動調(diào)整架3，對準(zhǔn)直聚焦模塊的信號光入射位置進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)。經(jīng)第二個雙色鏡7反射出的放大信號光經(jīng)成像透鏡9與孔徑光闌10后，在成像面進(jìn)入第一空間光探測器11，通過調(diào)整孔徑光闌10的孔徑可采集到經(jīng)過棒狀光子晶體光纖4的纖芯中的信號光，經(jīng)過采集放大信號光的脈沖峰值能量，從而對棒狀光子晶體光纖4的纖芯的模場分布進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，并將該峰值能量作為反饋量傳遞給電動調(diào)整架3對準(zhǔn)直聚焦模塊的信號光入射位置與同軸度進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)。
[0019]通過上述雙閉環(huán)控制對準(zhǔn)直聚焦模塊的信號光入射位置與同軸度進(jìn)行主動自動化調(diào)整，使進(jìn)入棒狀光子晶體光纖4的信號光達(dá)到最佳耦合狀態(tài)，提高了耦合效率與環(huán)境適用性。
[0020]本發(fā)明還提供一種空間光束耦合系統(tǒng)的閉環(huán)控制方法，其包括如下步驟:
[0021]S101、關(guān)閉栗浦源8，利用電動調(diào)整架3調(diào)節(jié)準(zhǔn)直聚焦模塊，將入射信號光集中到棒狀光子晶體光纖4的纖芯中；
[0022]S103、通過成像透鏡9、調(diào)節(jié)孔徑光闌10過濾棒狀光子晶體光纖4的包層中的入射信號光，在成像透鏡9的成像面呈現(xiàn)出棒狀光子晶體光纖4的端面像，通過第一空間光探測器11實(shí)時監(jiān)測棒狀光子晶體光纖4的纖芯中入射信號光的脈沖峰值能量，作為反饋值傳遞給電動調(diào)整架3的驅(qū)動控制模塊，調(diào)節(jié)準(zhǔn)直聚焦模塊使入射信號光與棒狀光子晶體光纖4的纖芯精密同軸，并調(diào)節(jié)入射信號光的位置使入射信號光集中于棒狀光子晶體光纖4的纖芯中；
[0023]S105、開啟栗浦源8，在棒狀光子晶體光纖4的包層中加入栗浦光對入射信號光進(jìn)行放大；
[0024]S107、通過第二空間光探測器15對棒狀光子晶體光纖4的纖芯和包層中的放大信號光進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，將放大信號光的峰值能量作為反饋量傳遞給電動調(diào)整架3的驅(qū)動控制模塊，調(diào)節(jié)準(zhǔn)直聚焦模塊的入射位置。
[0025]相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提供的空間光束耦合系統(tǒng)通過電動調(diào)整架3使準(zhǔn)直聚焦模塊(即耦合系統(tǒng))的入射信號光與棒狀光子晶體光纖4精確同軸并使信號光的入射位置處于準(zhǔn)直聚焦模塊的束腰位置，使得信號光的空間耦合效率達(dá)到最佳狀態(tài)。
[0026]本發(fā)明提供的空間光束耦合系統(tǒng)的閉環(huán)控制方法通過監(jiān)測進(jìn)入棒狀光子晶體光纖4的纖芯中的放大信號光的脈沖峰值能量，反饋給電動調(diào)整架3的驅(qū)動控制模塊實(shí)現(xiàn)自動化閉環(huán)調(diào)節(jié)。
[0027]所述空間光束耦合系統(tǒng)不僅提高了空間光耦合的調(diào)節(jié)精度與耦合效率，并且當(dāng)環(huán)境出現(xiàn)溫度波動、機(jī)械振動等情況時，所述空間光束耦合系統(tǒng)可進(jìn)行主動閉環(huán)控制，對準(zhǔn)直聚焦模塊進(jìn)行微調(diào)，避免了復(fù)雜的人工校準(zhǔn)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與環(huán)境適應(yīng)性，并且易于維護(hù)和零件更換。
【附圖說明】
[0028]圖1為本發(fā)明第一實(shí)施例提供的空間光束耦合系統(tǒng)的光路示意圖；
[0029]圖2為本發(fā)明第二實(shí)施例提供的空間光束耦合系統(tǒng)的光路示意圖；
[0030]圖3為本發(fā)明第三實(shí)施例提供的空間光束耦合系統(tǒng)的閉環(huán)控制方法