一种激光束双向收发的自适应光纤耦合或准直器控制系统

摘要

一种激光束双向收发的自适应光纤耦合或准直器控制系统，包括耦合或准直透镜、连接套筒、光纤端面定位器、第一光纤、三端口光纤环形器、第二光纤、第三光纤、激光器、光电探测器、控制平台和高压放大器；其中，光纤端面定位器又包括柔性十字梁、双压电晶片驱动器、减振材料、凸台和固定座。本发明能自适应地校正因大气湍流、机械震动、热畸变等因素导致的光束到达角度误差，同时根据光路的可逆性原理，也实现了出射准直光束的发射角度纠正。本发明在基于光纤的激光空间应用领域，如自由空间激光通信、激光精密定位、激光雷达等有着重要的应用前景。

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光束双向收发的自适应光纤耦合或准直器控制系统，可用于自由 空间激光通信、激光大气传输、激光精密定位、激光雷达等基于光纤的空间激光应用领 域。

背景技术

在基于光纤的空间激光系统中，如何提高空间光耦合效率、降低信噪比，是需要解 决的关键技术问题之一。事实上，由于大气湍流效应、机械平台震动以及热畸变的存在， 到达接收端的激光束会产生角度误差，极大地影响了光纤耦合效率。同时，大气湍流效 应、机械平台震动以及热畸变等因素也会使发射激光束产生角度误差，影响了激光发射 精度。因此，如何校正激光到达角度误差和激光发射角度误差是基于光纤的空间激光应 用技术中的一大难点。

中国专利申请【201110460843.6】“高效空间光-光纤动态耦合方法”提出利用PID 控制电路根据探测光信号的强弱动态控制液晶相位控制器的驱动电压，改变会聚光束的 相位，实现高效动态耦合，但该系统的控制精度不高，且液晶相位控制器的使用存在诸 多不便。2012年，H.Takenaka等通过控制高速倾斜反射镜，缓解大气湍流效应造成的 光束角度误差，实现了高耦合效率的星地间光通信（H.Takenaka,M.Toyoshima,and  Y.Takayama,“Experimental verification of fiber-coupling efficiency for  satellite-to-ground atmospheric laser downlinks,”Optics Express20, 15301-15308(2012)），但由于使用了倾斜反射镜，系统的结构较为复杂，动态特性较 差。2005年和2011年，美国陆军研究实验室的L.Beresnev等人（L.A.Beresnev,and  M.A.Vorontsov,“Design of adaptive fiber optics collimator for free-space  communication laser transceiver,”Proc.SPIE5895,58950R(2005)）和中国科 学院光电技术研究所的耿超等人（C.Geng,X.Li,X.Zhang,and C.Rao,“Coherent  beam combination of an optical array using adaptive fiber optics collimators,” Optics Communications284,5531-5536(2011)）分别独立研制了一种叫做自适应光 纤光源准直器(Adaptive fiber-optics collimator，AFOC)的器件，该器件可以在小角 度范围内自适应地精确控制出射准直光束的偏转角度。自适应光纤光源准直器、液晶相 位控制器和高速倾斜反射镜都能实现对激光束的偏转控制。与液晶相位控制器和高速倾 斜反射镜相比，自适应光纤光源准直器直接驱动光纤端面，运动惯性小，机械谐振频率 高，结构紧凑，有利于阵列化集成。根据光路的可逆性原理，自适应光纤光源准直器具 备了实现自适应光纤耦合的可能性。

综上，当前尚不具备一种自适应地实现激光束同步耦合与准直发射的技术，且现有 技术在控制精度、动态范围、系统结构等方面存在着各自的不足之处。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种激光束双向收发的自 适应光纤耦合或准直器控制系统，可以自适应地校正因大气湍流扰动、机械震动、热畸 变等因素导致的耦合光束到达角度误差和出射准直光束发射角度误差，实现对耦合光束 到达角度误差和准直光束发射角度误差的同步自适应校正，提高系统的激光耦合效率和 激光发射精度。

本发明的技术解决方案是：一种激光束双向收发的自适应光纤耦合或准直器控制系 统，包括耦合或准直透镜、连接套筒、光纤端面定位器、第一光纤、三端口光纤环形器、 第二光纤、第三光纤、激光器、光电探测器、控制平台和高压放大器。其中，光纤端面 定位器又包括柔性十字梁、双压电晶片驱动器、减振材料、凸台和固定座，两对双压电 晶片驱动器的一端连接在固定座的四周，另一端与柔性十字梁连接，柔性十字梁的中心 设有中心孔，第一光纤依次穿过固定座、凸台后固定于柔性十字梁的中心孔内。耦合或 准直透镜内嵌于连接套筒的一端，光纤端面定位器固定于连接套筒的另一端，柔性十字 梁处的光纤端面置于耦合或准直透镜的后焦点位置，光纤端面定位器经第一光纤与三端 口光纤环形器的双向传输端口连接，三端口光纤环形器的单向输入端口经第二光纤与激 光器连接，三端口光纤环形器单向输出端口的出射激光发射至光电探测器。激光器发出 的激光经三端口光纤环形器传输至柔性十字梁处的光纤端面并从光纤端面出射，经耦合 或准直透镜后准直输出。到达自适应光纤耦合或准直器的激光束经耦合或准直透镜聚焦 后，会聚于柔性十字梁处光纤端面的纤芯上并耦合进第一光纤内，经三端口光纤环形器 后从第三光纤出射并被光电探测器接收，光电探测器获得的光强电压信号实时传输至控 制平台，控制平台以耦合光能量作为性能评价指标，利用控制算法产生控制信号经高压 放大器放大后，驱动双压电晶片驱动器，改变柔性十字梁处光纤端面在耦合或准直透镜 后焦平面上的位置，主动跟踪会聚光束焦点，自适应地校正了因大气湍流、机械震动、 热畸变等因素导致的光束到达角度误差，同时根据光路的可逆性原理，也实现了出射准 直光束的发射角度纠正。

所述的凸台和减振材料用于改善光纤端面定位器的谐振特性，其中凸台有多种结构 形式，包括阶梯形、斜坡形、垂直形以及其他结构形式；减振材料可以采用硅橡胶、粘 弹性阻尼材料、树脂类材料或其他材料。

所述的光纤可以是单模光纤、单模保偏光纤、大模场直径双包层光纤、多模光纤、 光子晶体光纤或其他类型的光纤。

所述的柔性十字梁处光纤端面需做抛光研磨处理并镀增透膜，在激光大功率发射/ 接收时，光纤端面可做8度角或其他角度研磨处理；在可靠性要求高的场合或激光大功 率发射/接收场合，柔性十字梁处光纤头可以内嵌于陶瓷插芯、金属插芯或其他插芯中， 或熔接一段光纤帽。

所述的激光器是一种带尾纤输出的激光器，可以是光纤激光器、半导体激光器或其 他激光器。

所述的控制算法控制以耦合光能量作为性能评价指标，可以采用随机并行梯度下降 算法（C.Geng,X.Li,X.Zhang,and C.Rao,“Coherent beam combination of an  optical array using adaptive fiber optics collimators,”Optics Communications 284,5531-5536(2011)）、爬山法（姜文汉等，“爬山法自适应光学波前校正系统，” 中国激光15，17-21（1986））等盲优化控制算法或其他优化控制算法。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）本发明实现了激光束的双向收发，并实现了对耦合光束到达角度误差和准直 光束发射角度误差的同步自适应校正，提高系统的激光耦合效率和激光发射精度。

（2）本发明采用了基于光纤端面定位器的光束角度误差校正机构，直接驱动光纤 端面，控制精度高，运动惯性小，机械谐振频率高，结构紧凑，有利于阵列化集成。

（3）本发明所述的光纤端面定位器中使用了基于凸台和减振材料的谐振特性改善 机构，提高了器件的谐振频率和系统的控制带宽。

（4）本发明基于三端口光纤环形器时，可以实现同波长激光束的双向收发；若用 光纤波分复用器替代三端口光纤环形器，则可以实现多种不同波长激光束的双向收发。

附图说明

图1为本发明自适应光纤耦合或准直器控制系统的结构图；

图2为光纤端面定位器的结构图。

具体实施方式

如图1、图2所示，为本发明自适应光纤耦合或准直器控制系统的结构图，包括耦合或 准直透镜1、连接套筒2、光纤端面定位器3、第一光纤41、三端口光纤环形器5、第二 光纤42、第三光纤43、激光器6、光电探测器7、算法控制平台8和高压放大器9。其 中，光纤端面定位器又包括柔性十字梁31、双压电晶片驱动器32、减振材料33、凸台 34和固定座35，两对双压电晶片驱动器32的一端连接在固定座35的四周，另一端与 柔性十字梁31连接，柔性十字梁31的中心设有中心孔，第一光纤41依次穿过固定座 35、凸台34后固定于柔性十字梁31的中心孔内。

如图1、图2所示，耦合或准直透镜1内嵌于连接套筒2的一端，光纤端面定位器3 固定于连接套筒2的另一端，柔性十字梁31处的光纤端面置于耦合或准直透镜1的后 焦点位置，光纤端面定位器3经第一光纤41与三端口光纤环形器5A端口，即是双向传 输端口连接，三端口光纤环形器5B端口，即是单向输入端口经第二光纤42与激光器6 连接，三端口光纤环形器5C端口，即是单向输出端口的出射激光发射至光电探测器7。

如图1、图2所示。激光器6发出的激光经三端口光纤环形器5传输至柔性十字梁 31处的光纤端面并从光纤端面出射，经耦合或准直透镜1后准直输出。到达自适应光纤 耦合或准直器的激光束经耦合或准直透镜1聚焦后，会聚于柔性十字梁31处光纤端面 的纤芯上并耦合进第一光纤41内，经三端口光纤环形器5后从第三光纤43出射并被光 电探测器7接收，光电探测器7获得的光强电压信号实时传输至控制平台8，控制平台 8以耦合光能量作为性能评价指标，利用算法产生控制信号经高压放大器9放大后，驱 动双压电晶片驱动器32，改变柔性十字梁31处光纤端面在耦合或准直透镜1后焦平面 上的位置，主动跟踪会聚光束焦点，自适应地校正了因大气湍流、机械震动、热畸变等 因素导致的光束到达角度误差，同时根据光路的可逆性原理，也实现了出射准直光束的 发射角度纠正。

实施例

按图1、图2的结构设计了一种激光束双向收发的自适应光纤耦合或准直器控制系 统。基于模场匹配理论，光纤耦合效率在耦合参数β=1.13时取得最大值81.45%（P. Winzer,and W.Leeb,“Fiber coupling efficiency for random light and its  applications to ladar,”Optics Letters23,986-988(1998)）。其中，耦合参数 与耦合或准直透镜1的通光口径、光纤模场半径成正比，与耦合或准直透镜的焦距、激 光波长成反比。据此，本发明实施例中，第一光纤41、第二光纤42和第三光纤43采用 单模保偏光纤，光纤模场半径为5μm，传输激光的波长为1064nm；耦合或准直透镜1 的通光口径为18mm、焦距为120mm。此时，相应的耦合参数β为1.13。

连接套筒2、光纤端面定位器固定座35、凸台34的材料为LY12硬铝，柔性十字梁 31选用钛合金材料，凸台34的结构形式为阶梯形，减振材料33选用硅橡胶，三端口光 纤环形器5由上海瀚宇光纤通信技术公司研制，型号：PMCIR-06-1-2-C-0.5，激光器6 为1064nm窄线宽单模保偏光纤激光器。光纤端面定位器3尾端光纤与三端口光纤环形 器5A端口，即是双向传输端口连接，激光器6尾纤与三端口光纤环形器5B端口，即是 单向输入端口连接，三端口光纤环形器5C端口，即是单向输出端口的出射激光发射至 光电探测器7。控制平台8中的控制算法采用随机并行梯度下降算法，参见C.Geng,X. Li,X.Zhang,and C.Rao,“Coherent beam combination of an optical array using  adaptive fiber optics collimators,”Optics Communications284,5531-5536 (2011)；或爬山法（姜文汉等，“爬山法自适应光学波前校正系统，”中国激光15， 17-21（1986））等盲优化控制算法。

至此，本发明完成了对一种激光束双向收发的自适应光纤耦合或准直器控制系统的 详细描述。

本发明能自适应地校正因大气湍流、机械震动、热畸变等因素导致的光束到达角度 误差，同时根据光路的可逆性原理，也实现了出射准直光束的发射角度纠正。本发明在 基于光纤的激光空间应用领域，如自由空间激光通信、激光精密定位、激光雷达等有着 重要的应用前景。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。