技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種激光束雙向收發(fā)的自適應(yīng)光纖耦合或準(zhǔn)直器控制系統(tǒng)，可用于自由空間激光通信、激光大氣傳輸、激光精密定位、激光雷達(dá)等基于光纖的空間激光應(yīng)用領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

在基于光纖的空間激光系統(tǒng)中，如何提高空間光耦合效率、降低信噪比，是需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。事實上，由于大氣湍流效應(yīng)、機(jī)械平臺震動以及熱畸變的存在，到達(dá)接收端的激光束會產(chǎn)生角度誤差，極大地影響了光纖耦合效率。同時，大氣湍流效應(yīng)、機(jī)械平臺震動以及熱畸變等因素也會使發(fā)射激光束產(chǎn)生角度誤差，影響了激光發(fā)射精度。因此，如何校正激光到達(dá)角度誤差和激光發(fā)射角度誤差是基于光纖的空間激光應(yīng)用技術(shù)中的一大難點。

中國專利申請【201110460843.6】“高效空間光-光纖動態(tài)耦合方法”提出利用PID控制電路根據(jù)探測光信號的強(qiáng)弱動態(tài)控制液晶相位控制器的驅(qū)動電壓，改變會聚光束的相位，實現(xiàn)高效動態(tài)耦合，但該系統(tǒng)的控制精度不高，且液晶相位控制器的使用存在諸多不便。2012年，H.Takenaka等通過控制高速傾斜反射鏡，緩解大氣湍流效應(yīng)造成的光束角度誤差，實現(xiàn)了高耦合效率的星地間光通信（H.Takenaka,M.Toyoshima,andY.Takayama,“Experimentalverificationoffiber-couplingefficiencyforsatellite-to-groundatmosphericlaserdownlinks,”O(jiān)pticsExpress20,15301-15308(2012)），但由于使用了傾斜反射鏡，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，動態(tài)特性較差。2005年和2011年，美國陸軍研究實驗室的L.Beresnev等人（L.A.Beresnev,andM.A.Vorontsov,“Designofadaptivefiberopticscollimatorforfree-spacecommunicationlasertransceiver,”Proc.SPIE5895,58950R(2005)）和中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所的耿超等人（C.Geng,X.Li,X.Zhang,andC.Rao,“Coherentbeamcombinationofanopticalarrayusingadaptivefiberopticscollimators,”O(jiān)pticsCommunications284,5531-5536(2011)）分別獨立研制了一種叫做自適應(yīng)光纖光源準(zhǔn)直器(Adaptivefiber-opticscollimator，AFOC)的器件，該器件可以在小角度范圍內(nèi)自適應(yīng)地精確控制出射準(zhǔn)直光束的偏轉(zhuǎn)角度。自適應(yīng)光纖光源準(zhǔn)直器、液晶相位控制器和高速傾斜反射鏡都能實現(xiàn)對激光束的偏轉(zhuǎn)控制。與液晶相位控制器和高速傾斜反射鏡相比，自適應(yīng)光纖光源準(zhǔn)直器直接驅(qū)動光纖端面，運動慣性小，機(jī)械諧振頻率高，結(jié)構(gòu)緊湊，有利于陣列化集成。根據(jù)光路的可逆性原理，自適應(yīng)光纖光源準(zhǔn)直器具備了實現(xiàn)自適應(yīng)光纖耦合的可能性。

綜上，當(dāng)前尚不具備一種自適應(yīng)地實現(xiàn)激光束同步耦合與準(zhǔn)直發(fā)射的技術(shù)，且現(xiàn)有技術(shù)在控制精度、動態(tài)范圍、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等方面存在著各自的不足之處。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種激光束雙向收發(fā)的自適應(yīng)光纖耦合或準(zhǔn)直器控制系統(tǒng)，可以自適應(yīng)地校正因大氣湍流擾動、機(jī)械震動、熱畸變等因素導(dǎo)致的耦合光束到達(dá)角度誤差和出射準(zhǔn)直光束發(fā)射角度誤差，實現(xiàn)對耦合光束到達(dá)角度誤差和準(zhǔn)直光束發(fā)射角度誤差的同步自適應(yīng)校正，提高系統(tǒng)的激光耦合效率和激光發(fā)射精度。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種激光束雙向收發(fā)的自適應(yīng)光纖耦合或準(zhǔn)直器控制系統(tǒng)，包括耦合或準(zhǔn)直透鏡、連接套筒、光纖端面定位器、第一光纖、三端口光纖環(huán)形器、第二光纖、第三光纖、激光器、光電探測器、控制平臺和高壓放大器。其中，光纖端面定位器又包括柔性十字梁、雙壓電晶片驅(qū)動器、減振材料、凸臺和固定座，兩對雙壓電晶片驅(qū)動器的一端連接在固定座的四周，另一端與柔性十字梁連接，柔性十字梁的中心設(shè)有中心孔，第一光纖依次穿過固定座、凸臺后固定于柔性十字梁的中心孔內(nèi)。耦合或準(zhǔn)直透鏡內(nèi)嵌于連接套筒的一端，光纖端面定位器固定于連接套筒的另一端，柔性十字梁處的光纖端面置于耦合或準(zhǔn)直透鏡的后焦點位置，光纖端面定位器經(jīng)第一光纖與三端口光纖環(huán)形器的雙向傳輸端口連接，三端口光纖環(huán)形器的單向輸入端口經(jīng)第二光纖與激光器連接，三端口光纖環(huán)形器單向輸出端口的出射激光發(fā)射至光電探測器。激光器發(fā)出的激光經(jīng)三端口光纖環(huán)形器傳輸至柔性十字梁處的光纖端面并從光纖端面出射，經(jīng)耦合或準(zhǔn)直透鏡后準(zhǔn)直輸出。到達(dá)自適應(yīng)光纖耦合或準(zhǔn)直器的激光束經(jīng)耦合或準(zhǔn)直透鏡聚焦后，會聚于柔性十字梁處光纖端面的纖芯上并耦合進(jìn)第一光纖內(nèi)，經(jīng)三端口光纖環(huán)形器后從第三光纖出射并被光電探測器接收，光電探測器獲得的光強(qiáng)電壓信號實時傳輸至控制平臺，控制平臺以耦合光能量作為性能評價指標(biāo)，利用控制算法產(chǎn)生控制信號經(jīng)高壓放大器放大后，驅(qū)動雙壓電晶片驅(qū)動器，改變?nèi)嵝允至禾幑饫w端面在耦合或準(zhǔn)直透鏡后焦平面上的位置，主動跟蹤會聚光束焦點，自適應(yīng)地校正了因大氣湍流、機(jī)械震動、熱畸變等因素導(dǎo)致的光束到達(dá)角度誤差，同時根據(jù)光路的可逆性原理，也實現(xiàn)了出射準(zhǔn)直光束的發(fā)射角度糾正。

所述的凸臺和減振材料用于改善光纖端面定位器的諧振特性，其中凸臺有多種結(jié)構(gòu)形式，包括階梯形、斜坡形、垂直形以及其他結(jié)構(gòu)形式；減振材料可以采用硅橡膠、粘彈性阻尼材料、樹脂類材料或其他材料。

所述的光纖可以是單模光纖、單模保偏光纖、大模場直徑雙包層光纖、多模光纖、光子晶體光纖或其他類型的光纖。

所述的柔性十字梁處光纖端面需做拋光研磨處理并鍍增透膜，在激光大功率發(fā)射/接收時，光纖端面可做8度角或其他角度研磨處理；在可靠性要求高的場合或激光大功率發(fā)射/接收場合，柔性十字梁處光纖頭可以內(nèi)嵌于陶瓷插芯、金屬插芯或其他插芯中，或熔接一段光纖帽。

所述的激光器是一種帶尾纖輸出的激光器，可以是光纖激光器、半導(dǎo)體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為性能評價指標(biāo)，可以采用隨機(jī)并行梯度下降算法（C.Geng,X.Li,X.Zhang,andC.Rao,“Coherentbeamcombinationofanopticalarrayusingadaptivefiberopticscollimators,”O(jiān)pticsCommunications284,5531-5536(2011)）、爬山法（姜文漢等，“爬山法自適應(yīng)光學(xué)波前校正系統(tǒng)，”中國激光15，17-21（1986））等盲優(yōu)化控制算法或其他優(yōu)化控制算法。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于：

（1）本發(fā)明實現(xiàn)了激光束的雙向收發(fā)，并實現(xiàn)了對耦合光束到達(dá)角度誤差和準(zhǔn)直光束發(fā)射角度誤差的同步自適應(yīng)校正，提高系統(tǒng)的激光耦合效率和激光發(fā)射精度。

（2）本發(fā)明采用了基于光纖端面定位器的光束角度誤差校正機(jī)構(gòu)，直接驅(qū)動光纖端面，控制精度高，運動慣性小，機(jī)械諧振頻率高，結(jié)構(gòu)緊湊，有利于陣列化集成。

（3）本發(fā)明所述的光纖端面定位器中使用了基于凸臺和減振材料的諧振特性改善機(jī)構(gòu)，提高了器件的諧振頻率和系統(tǒng)的控制帶寬。

（4）本發(fā)明基于三端口光纖環(huán)形器時，可以實現(xiàn)同波長激光束的雙向收發(fā)；若用光纖波分復(fù)用器替代三端口光纖環(huán)形器，則可以實現(xiàn)多種不同波長激光束的雙向收發(fā)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明自適應(yīng)光纖耦合或準(zhǔn)直器控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；

圖2為光纖端面定位器的結(jié)構(gòu)圖。

具體實施方式

如圖1、圖2所示，為本發(fā)明自適應(yīng)光纖耦合或準(zhǔn)直器控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，包括耦合或準(zhǔn)直透鏡1、連接套筒2、光纖端面定位器3、第一光纖41、三端口光纖環(huán)形器5、第二光纖42、第三光纖43、激光器6、光電探測器7、算法控制平臺8和高壓放大器9。其中，光纖端面定位器又包括柔性十字梁31、雙壓電晶片驅(qū)動器32、減振材料33、凸臺34和固定座35，兩對雙壓電晶片驅(qū)動器32的一端連接在固定座35的四周，另一端與柔性十字梁31連接，柔性十字梁31的中心設(shè)有中心孔，第一光纖41依次穿過固定座35、凸臺34后固定于柔性十字梁31的中心孔內(nèi)。

如圖1、圖2所示，耦合或準(zhǔn)直透鏡1內(nèi)嵌于連接套筒2的一端，光纖端面定位器3固定于連接套筒2的另一端，柔性十字梁31處的光纖端面置于耦合或準(zhǔn)直透鏡1的后焦點位置，光纖端面定位器3經(jīng)第一光纖41與三端口光纖環(huán)形器5A端口，即是雙向傳輸端口連接，三端口光纖環(huán)形器5B端口，即是單向輸入端口經(jīng)第二光纖42與激光器6連接，三端口光纖環(huán)形器5C端口，即是單向輸出端口的出射激光發(fā)射至光電探測器7。

如圖1、圖2所示。激光器6發(fā)出的激光經(jīng)三端口光纖環(huán)形器5傳輸至柔性十字梁31處的光纖端面并從光纖端面出射，經(jīng)耦合或準(zhǔn)直透鏡1后準(zhǔn)直輸出。到達(dá)自適應(yīng)光纖耦合或準(zhǔn)直器的激光束經(jīng)耦合或準(zhǔn)直透鏡1聚焦后，會聚于柔性十字梁31處光纖端面的纖芯上并耦合進(jìn)第一光纖41內(nèi)，經(jīng)三端口光纖環(huán)形器5后從第三光纖43出射并被光電探測器7接收，光電探測器7獲得的光強(qiáng)電壓信號實時傳輸至控制平臺8，控制平臺8以耦合光能量作為性能評價指標(biāo)，利用算法產(chǎn)生控制信號經(jīng)高壓放大器9放大后，驅(qū)動雙壓電晶片驅(qū)動器32，改變?nèi)嵝允至?1處光纖端面在耦合或準(zhǔn)直透鏡1后焦平面上的位置，主動跟蹤會聚光束焦點，自適應(yīng)地校正了因大氣湍流、機(jī)械震動、熱畸變等因素導(dǎo)致的光束到達(dá)角度誤差，同時根據(jù)光路的可逆性原理，也實現(xiàn)了出射準(zhǔn)直光束的發(fā)射角度糾正。

實施例

按圖1、圖2的結(jié)構(gòu)設(shè)計了一種激光束雙向收發(fā)的自適應(yīng)光纖耦合或準(zhǔn)直器控制系統(tǒng)。基于模場匹配理論，光纖耦合效率在耦合參數(shù)β=1.13時取得最大值81.45%（P.Winzer,andW.Leeb,“Fibercouplingefficiencyforrandomlightanditsapplicationstoladar,”O(jiān)pticsLetters23,986-988(1998)）。其中，耦合參數(shù)與耦合或準(zhǔn)直透鏡1的通光口徑、光纖模場半徑成正比，與耦合或準(zhǔn)直透鏡的焦距、激光波長成反比。據(jù)此，本發(fā)明實施例中，第一光纖41、第二光纖42和第三光纖43采用單模保偏光纖，光纖模場半徑為5μm，傳輸激光的波長為1064nm；耦合或準(zhǔn)直透鏡1的通光口徑為18mm、焦距為120mm。此時，相應(yīng)的耦合參數(shù)β為1.13。

連接套筒2、光纖端面定位器固定座35、凸臺34的材料為LY12硬鋁，柔性十字梁31選用鈦合金材料，凸臺34的結(jié)構(gòu)形式為階梯形，減振材料33選用硅橡膠，三端口光纖環(huán)形器5由上海瀚宇光纖通信技術(shù)公司研制，型號：PMCIR-06-1-2-C-0.5，激光器6為1064nm窄線寬單模保偏光纖激光器。光纖端面定位器3尾端光纖與三端口光纖環(huán)形器5A端口，即是雙向傳輸端口連接，激光器6尾纖與三端口光纖環(huán)形器5B端口，即是單向輸入端口連接，三端口光纖環(huán)形器5C端口，即是單向輸出端口的出射激光發(fā)射至光電探測器7。控制平臺8中的控制算法采用隨機(jī)并行梯度下降算法，參見C.Geng,X.Li,X.Zhang,andC.Rao,“Coherentbeamcombinationofanopticalarrayusingadaptivefiberopticscollimators,”O(jiān)pticsCommunications284,5531-5536(2011)；或爬山法（姜文漢等，“爬山法自適應(yīng)光學(xué)波前校正系統(tǒng)，”中國激光15，17-21（1986））等盲優(yōu)化控制算法。

至此，本發(fā)明完成了對一種激光束雙向收發(fā)的自適應(yīng)光纖耦合或準(zhǔn)直器控制系統(tǒng)的詳細(xì)描述。

本發(fā)明能自適應(yīng)地校正因大氣湍流、機(jī)械震動、熱畸變等因素導(dǎo)致的光束到達(dá)角度誤差，同時根據(jù)光路的可逆性原理，也實現(xiàn)了出射準(zhǔn)直光束的發(fā)射角度糾正。本發(fā)明在基于光纖的激光空間應(yīng)用領(lǐng)域，如自由空間激光通信、激光精密定位、激光雷達(dá)等有著重要的應(yīng)用前景。

本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。