基于柔性鉸鏈的自適應光纖準直器的制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種基于柔性鉸鏈的自適應光纖準直器。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，另一端同準直器底座銜接，最后將光纖端帽輸出端放置在準直透鏡的焦點位置。利用壓電陶瓷的逆壓電效應，通過改變壓電陶瓷驅動電壓實現對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光纖準直器
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種光纖準直器結構，尤其是一種基于柔性鉸鏈的自適應光纖準直器。
【背景技術】
[0002]光束的傾斜控制對于穩定光束軸向位置十分重要，在天文觀測、激光通信、激光雷達、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中，通過對光纖出射光束的傾斜控制可實現多光束共靶瞄準。共靶瞄準對光纖激光陣列光束的相干性控制起著至關重要的作用。在相應的光學系統中，需要能使光束受控地產生快速、小角度變化的器件。傳統校正光束傾斜的方法是使用高速傾斜鏡和自適應光纖光源準直器(AF0C)。高速傾斜鏡的機械諧振頻率相對較低，在對控制帶寬要求較高的情況下不易實現。美國陸軍實驗室的L.Beresnev等人于2005年率先研制成功自適應光纖光源準直器，并將其應用于陣列光束的相干合成實驗，得到很好驗證[L.A.Beresnevand M.A.Vorontsov, "Design of adaptive fiber optics collimator for free-spacecommunication laser transceiver，" Proc.SPIE 5895，58950R，58950R-7(2005)]。國內中科院光電技術研究所耿超等人在該結構的基礎上進一步改進，并應用于多光束合成中，也取得了很好的實驗效果[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光纖光源準直器，但基本結構一致，其原理均是通過直接控制光纖尖端在準直透鏡焦平面的位置達到控制出射光束傾斜像差的效果。此種結構的自適應光纖光源準直器由于驅動器出力很小(通常小于10N)，僅可驅動單根光纖，而光纖激光輸出端面是尺寸僅為幾十微米的纖芯，這就使得該自適應光纖準直器在承受高功率時輸出端功率密度極高(目前最高報道的僅為百瓦級)[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]，因而很難實現更高功率(如kW級)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遠大于光纖纖芯，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。然而傳統自適應光纖準直器由于驅動器出力小，無法推動大質量的光纖端帽，因而無法應用于大功率光纖激光系統。因此設計一種控制光纖端帽的新型自適應光纖準直器結構成為了當前高功率下光纖激光傾斜控制領域亟待解決的問題。
【發明內容】
[0003]本發明要解決的技術問題是:提供一種基于柔性鉸鏈的新型自適應光纖準直器的結構設計方法。該結構控制原理簡單，控制精度高，出力大，可控制大功率輸出的光纖端帽，與光纖放大器可實現自由裝卸。
[0004]本發明的技術解決方案是:
基于柔性鉸鏈結構和壓電陶瓷高精度控制技術，通過調節光纖端帽在準直透鏡焦平面的位置實現對出射光束的傾斜控制。
[0005]其特點在于:利用壓電陶瓷的逆壓電效應，通過改變壓電陶瓷驅動電壓實現對光纖激光傾斜像差的快速高精度控制。基于出力大的考慮，應選用疊堆型壓電陶瓷，其采用多片壓電陶瓷片粘結共燒而成，可以承受很大的壓力，剛度大，出力可達幾千牛頓。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直器底座連接起來。柔性鉸鏈作為一種小體積、無機械摩擦、無間隙、導向精度高和運動靈敏度高的傳動結構，是新型自適應光纖準直器的良好選擇。基于柔性鉸鏈的自適應光纖準直器可根據不同需求設計不同結構，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]本發明的基于柔性鉸鏈的自適應光纖準直器，包括準直器底座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，另一端同準直器底座I銜接，最后將光纖端帽3輸出端放置在準直透鏡6的焦點位置。
[0007]具體調節過程為:光纖端帽3與端帽持具2用四個螺釘固定，壓電陶瓷5 —端緊貼端帽持具2，另一端同準直器底座I利用螺釘銜接，將裝配好的準直器底座I放在準直透鏡
6的焦平面附近，將裝配好的準直器底座連接上帶有激光輸出的光纖端帽3，通過精密調節將光纖端帽輸出端調節在準直透鏡6的焦點位置。
[0008]本發明的自適應光纖準直器另一種結構可實現大角度傾斜控制，包括準直器底座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與準直器底座I用柔性鉸鏈4緊密連接，同時與杠桿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)的另一端同準直器底座I銜接，最后將光纖端帽3輸出端放置在準直透鏡6的焦點位置；支撐桿G作為杠桿H的支點插入杠桿H內，并確保支撐桿G和杠桿H緊密結合。
[0009]具體調節過程為:光纖端帽3與端帽持具2用四個螺釘固定，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，另一端同準直器底座I利用螺釘銜接，將裝配好的準直器底座I放在準直透鏡6的焦平面附近，將裝配好的準直器底座連接上帶有激光輸出的光纖端帽，通過精密調節將光纖端帽輸出端調節在準直透鏡6的焦點位置。
[0010]所述的準直器底座I由硬質材料加工而成,結構牢固穩定；
所述的端帽持具2由輕型硬質金屬合金加工而成，重量小，結構堅固；
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、簧片型結構，形狀可以為Z型片或S型片，其應具有受力小位移大且彈性好的特點；
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；
所述的準直透鏡6為一般準直透鏡，材料無特殊要求；
所述的支撐桿G主要應用在大角度傾斜控制系統中，用來提供杠桿的支點，應采用剛度極大的材料；所述的杠桿H用來放大位移，應采用不易發生形變的剛度大的材料。
[0011]本發明實現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光纖準直器底座上，以二維大角度傾斜控制的自適應光纖準直器為例，如圖7-8所示，調整輸出激光端位于準直透鏡焦點位置，且保證光纖激光輸出端面位于透鏡的焦平面上。通過調節施加在壓電陶瓷上的電壓，產生相應的位移變化量，通過杠桿傳動結構，將位移放大，進而推動光纖端帽在準直透鏡焦平面的相位方向上產生較大位移，光纖端帽的位置改變會使得出射激光經準直透鏡后
產生一傾斜角度為涔(％)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:
【權利要求】
1.基于柔性鉸鏈的自適應光纖準直器，包括準直器底座(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)，另一端同準直器底座(1)銜接，最后將光纖端帽(3)輸出端放置在準直透鏡(6)的焦點位置； 調節過程為:光纖端帽(3)與端帽持具(2)用四個螺釘固定，壓電陶瓷(5) —端緊貼端帽持具(2)，另一端同準直器底座(1)利用螺釘銜接，將裝配好的準直器底座(1)放在準直透鏡(6)的焦平面附近，將準直器底座連接上帶有激光輸出的光纖端帽(3)，通過精密調節將光纖端帽輸出端調節在準直透鏡(6)的焦點位置。
2.根據權利要求1所述的基于柔性鉸鏈的自適應光纖準直器，其特征在于，另一種結構可實現大角度傾斜控制，包括準直器底座(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)與準直器底座(1)用柔性鉸鏈(4)緊密連接，同時與杠桿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)的另一端同準直器底座(1)銜接，最后將光纖端帽(3)輸出端放置在準直透鏡(6)的焦點位置，支撐桿G作為杠桿H的支點插入杠桿H內； 調節過程為:光纖端帽(3)與端帽持具(2)用四個螺釘固定，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)，另一端同準直器底座(1)利用螺釘銜接，將裝配好的準直器底座(1)放在準直透鏡(6)的焦平面附近，將裝配好的準直器底座連接上帶有激光輸出的光纖端帽，通過精密調節將光纖端帽輸出端調節在準直透鏡(6)的焦點位置。`
3.根據權利要求1或2所述的基于柔性鉸鏈的自適應光纖準直器，其特征在于，所述的準直器底座(1)由硬質材料加工而成。
4.根據權利要求1或2所述的基于柔性鉸鏈的自適應光纖準直器，其特征在于，所述的端帽持具(2)由輕型硬質金屬合金加工而成。
5.根據權利要求1或2所述的基于柔性鉸鏈的自適應光纖準直器，其特征在于，所述的光纖端帽(3)為高功率光纖端帽。
6.根據權利要求1或2所述的基于柔性鉸鏈的自適應光纖準直器，其特征在于，所述的柔性鉸鏈(4)采用直梁型或簧片型結構，形狀為Z型片或S型片。
7.根據權利要求1或2所述的基于柔性鉸鏈的自適應光纖準直器，其特征在于，所述的壓電陶瓷(5)采用疊堆型壓電陶瓷。
8.根據權利要求2所述的基于柔性鉸鏈的自適應光纖準直器，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.根據權利要求2所述的基于柔性鉸鏈的自適應光纖準直器，其特征在于，光纖輸出激光傾斜控制的過程如下: 調整輸出激光端位于準直透鏡焦點位置，且保證光纖激光輸出端面位于透鏡的焦平面上，調節施加在壓電陶瓷上的電壓，產生相應的位移變化量，通過杠桿傳動，將位移放大，進而推動光纖端帽在準直透鏡焦平面的相位方向上產生位移，光纖端帽的位置改變使得出射激光經準直透鏡后產生一傾斜角度為矜(％)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直透鏡焦平面的兩垂直方向上的位移。
【文檔編號】G02B6/32GK103823275SQ201410115959
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年3月26日 優先權日:2014年3月26日
【發明者】支冬, 馬閻星, 司磊, 王小林, 周樸, 劉磊, 許曉軍, 陳金寶, 劉澤金 申請人:中國人民解放軍國防科學技術大學