一种不同波长多光路激光合成和传输装置及其使用方法

摘要

本发明公开了一种不同波长多光路激光合成和传输装置及其使用方法，其装置包括多个激光整形耦合入纤装置，每个激光整形耦合入纤装置分别通过输入光纤与熔融拉锥合束器连通，熔融拉锥合束器通过输出光纤与激光整形出纤装置连通。其使用方法包括以下步骤：（i）第一次使用时，对激光器输出激光束进行准直并耦合入纤；（ⅱ）对熔融拉锥合束器输出的激光光束进行整形；（ⅲ）再次使用时，对激光束的准直进行微调。本发明组成简单、方便调节、灵活性高、重复性好、传输效率高。

权利要求

1.一种不同波长多光路激光合成和传输装置，其特征在于：包括多个激光整形耦合入纤装置(1)，每个激光整形耦合入纤装置(1)分别通过输入光纤(2)与熔融拉锥合束器(3)连通，熔融拉锥合束器(3)通过输出光纤(4)与激光整形出纤装置(5)连通，所述的输入光纤(2)入射端置于入射光纤夹持架(9)上，使输入光纤(2)的端口置于输入聚焦透镜(8)的焦点处,所述的输出光纤(4)的输出端位于激光整形出纤装置(5)中的输出光纤夹持架(11)上，输出光纤夹持架(11)位于短焦透镜(12)的前焦点位置，所述的激光整形耦合入纤装置(1)包括在底座(20)上从左至右彼此相互间隔一定距离分别设置有Ⅰ号光阑(6)、输入整形透镜组(7)、输入聚焦透镜(8)、入射光纤夹持架(9)和Ⅱ号光阑(10)，所述的激光整形出纤装置(5)包括在底座(20)上从左至右彼此相互间隔一定距离分别设置有输出光纤夹持架(11)、短焦透镜(12)、输出整形透镜组(13)和输出聚焦透镜(14)。

2.根据权利要求1所述的一种不同波长多光路激光合成和传输装置，其特征在于：所述的输入整形透镜组(7)由两只透镜(19)组成，所述的输出整形透镜组(13)由两只透镜(19)组成。

3.根据权利要求1所述的一种不同波长多光路激光合成和传输装置，其特征在于：所述的激光整形耦合入纤装置(1)中的各元件和激光整形出纤装置(5)中的各元件中心分别处于各自的同一中心线上。

4.用权利要求1所述的一种不同波长多光路激光合成和传输装置，其使用方法，包括以下步骤：

(i)第一次使用时，对激光器(15)输出激光束进行准直

调节激光全反镜(16)的调节钮使激光束通过准直好的Ⅰ号光阑(6)和Ⅱ号光阑(10)的通光孔径，令Ⅰ号光阑(6)、Ⅱ号光阑(10)的孔径中心与光束中心同轴，则激光束就成为准直光束，在Ⅰ号光阑(6)后加入输入整形透镜组(7)用以调整激光光束光斑大小，调整后的光束经输入聚焦透镜(8)聚焦，焦斑位于输入光纤(2)端面上，仔细调节入射光纤夹持架(9)上的调节钮以及输入聚焦透镜(8)的调节钮，使聚焦光束耦合进入输入光纤(2)，在输出光纤(4)的输出端后加激光功率计监测，在调节激光入纤过程中需要从低功率开始，逐步提高功率，直至达到传输效率最大；

(ⅱ)对经熔融拉锥合束器(3)合成并通过输出光纤(4)输出的激光光束进行整形经过熔融拉锥合束器(3)合成并通过输出光纤(4)输出的激光在输出端成为类似点光源的发散光源，应用中需要把发散光源整形成为平行光束或聚焦光束，输出激光经短焦透镜(12)后成为平行光，输出聚焦透镜(14)对光束进行聚焦，使光束焦点落于光与原子相互作用的区域内；

(ⅲ)再次使用时，对激光束的准直进行微调

因为每次激光器的关闭和开启都会有一些微小的差异，因此，再次使用不同波长多光路激光合成和传输装置，需要对激光束的准直进行微调，保证光束的位置和准直,此时只需微调激光全反镜(16)的调节钮，使光束打到Ⅰ号光阑(6)的通光孔径处使光束中心与通光孔径中心重合即可。

说明书

一种不同波长多光路激光合成和传输装置及其使用方法

技术领域

[0001] 本发明属于一种激光合成传输装置，具体涉及一种不同波长多光路激光合成和传输装置及其使用方法。

背景技术

[0002] 在激光应用研究领域，有时需要将多束不同波长的激光合成一束，同时作用于研究对象，如研究某种原子的激发光谱，或是某种原子的激发电离路径等。这就要求几束光合成度高，激光在近场和远场都能很好地重合在一起。同时，因为研究过程中利用的是激光的能量，所以合成后传输过程中损耗要小，为了保证实验数据的可靠性，还要求合成传输系统具有一定的稳定性和可重复性。

[0003] 不同波长激光的合成及传输技术的发展有很长的历史，但都属于空间光束合成技术，如平板玻璃法、透镜法、滤光片法、特殊晶体法、镀膜法、小角度合成法等等，这些传统方法都存在一些缺点，归结为：（i）合成区域小，只在作用点处重合，作用区域小，或合成区域交叠不完全，合成度低；（ⅱ）合成波长数受到限制，有些方法从原理上就不适合多光路的合成；（ⅲ）对合成的波长有一定的要求，不适合波长相近的光合成；（ⅳ）空间合束系统复杂，稳定性差，损耗大，成本高，调节困难等。而光谱研究或激发电离研究所涉及波长范围大，也常常用到波长相近的多光路合成，同时要求光束的合成度高，光束与作用区的重叠度高，系统的稳定性好，以保障质谱研究的实验重复性和数据可靠性。

[0004] 目前，现有技术的激光合束及传输装置及使用方法还存在合束系统庞大、复杂、调节困难、灵活性低、重复性差、传输效率低等一系列问题。

发明内容

[0005] 本发明为解决现有技术中存在的技术问题而提出，其目的是提供一种体积小，便于调节，灵活性和传输效率高的不同波长多光路激光合成和传输装置及其使用方法。

[0006] 本发明的技术方案是：光纤合成和传输装置及其使用方法，包括多个激光整形耦合入纤装置，每个激光整形耦合入纤装置分别通过输入光纤与熔融拉锥合束器连通，熔融拉锥合束器通过输出光纤与激光整形出纤装置连通，所述的激光整形耦合入纤装置包括在同一底座上从左至右彼此相互间隔一定距离分别设置有Ⅰ号光阑、输入整形透镜组、输入聚焦透镜、入射光纤夹持架和Ⅱ号光阑，所述的激光整形出纤装置包括在同一底座上从左至右彼此相互间隔一定距离分别设置有输出光纤夹持架、短焦透镜、输出整形透镜组和输出聚焦透镜。

[0007] 所述的输入整形透镜组由两只透镜组成，所述的输出整形透镜组由两只透镜组成。

[0008] 所述的输入光纤置于入射光纤夹持架上，使输入光纤的端口置于输入聚焦透镜的焦点处,所述的输出光纤的输出端位于激光整形出纤装置中的短焦透镜的前焦点位置。

[0009] 所述的耦合入纤装置或出纤装置中的各元件中心分别处于各自的同一中心线上。

[0010] 所述的一种不同波长多光路激光合成和传输装置，其使用方法，包括以下步骤：

[0011] （i）第一次使用时，对激光器输出激光束进行准直

[0012] 调节激光全反镜的调节钮使激光束通过准直好的Ⅰ号光阑和Ⅱ号光阑的通光孔径，令Ⅰ号光阑、Ⅱ号光阑的孔径中心与光束中心同轴，则激光束就成为准直光束，在Ⅰ号光阑后加入输入整形透镜组用以调整激光光束光斑大小，调整后的光束经输入聚焦透镜聚焦，焦斑位于入射光纤端面上，仔细调节入射光纤夹持架上的调节钮以及输入聚焦透镜的调节钮，使聚焦光束耦合进入输入光纤，在输出光纤的输出端后加激光功率计监测，在调节激光入纤过程中需要从低功率开始，逐步提高功率，直至达到传输效率最大；

[0013] （ⅱ）对经熔融拉锥合束器合成并通过输出光纤输出的激光光束进行整形[0014] 经过熔融拉锥合束器合成并通过输出光纤输出的激光在输出端成为类似点光源的发散光源，应用中需要把发散光源整形成为平行光束或聚焦光束，输出激光经短焦透镜后成为平行光，输出聚焦透镜对光束进行聚焦，使光束焦点落于光与原子相互作用的区域内；

[0015] （ⅲ）再次使用时，对激光束的准直进行微调

[0016] 因为每次激光器的关闭和开启都会有一些微小的差异，因此，再次使用熔融拉锥光纤合束系统时，需要对激光束的准直进行微调，保证光束的位置和准直,此时只需微调激光全反镜的调节钮，使光束打到Ⅰ号光阑的通光孔径处使光束中心与通光孔径中心重合即可。

[0017] 本发明的有益效果

[0018] （i）本发明利用熔融拉锥技术进行多束不同波长的激光的合束，使得合束技术不受波长的限制，扩大了合束技术的应用范围。（ⅱ）利用熔融拉锥技术进行多束激光的合束，使得合束光束不再受空间的限制，同时减少了大量光学器件的使用，提高了系统的稳定性，同时增加了系统的安全性。（ⅲ）光阑的使用，可减少激光光束周围杂散光对光纤端面的威胁，延长光纤使用寿命，同时使光束精准定位，简化操作的同时，提高了系统的可重复性。（ⅳ）耦合入纤装置和耦合出纤装置中的透镜可根据不同的光束质量和作用要求进行更换，使得系统更加灵活，可应用于不同的激光系统中。（ⅴ）本发明结构简单、易于模块化，系统操作简单，更加灵活方便。

附图说明

[0019] 图1 是本发明的整体装置组成示意图；

[0020] 图2 是本发明的激光整形耦合入纤装置示意图；

[0021] 图3 是本发明的激光整形出纤装置示意图；

[0022] 图4 是本发明的应用连接示意图。

[0023] 其中：

[0024] 1 激光整形耦合入纤装置 2 输入光纤

[0025] 3 熔融拉锥合束器 4 输出光纤

[0026] 5 激光整形出纤装置 6 Ⅰ号光阑

[0027] 7 输入整形透镜组 8 输入聚焦透镜

[0028] 9 入射光纤夹持架 10 Ⅱ号光阑

[0029] 11 输出光纤夹持架 12 短焦透镜

[0030] 13 输出整形透镜组 14 输出聚焦透镜

[0031] 15 激光器 16 激光全反镜

[0032] 17 原子蒸气炉 18 光与原子作用区

[0033] 19透镜 20 底座

[0034] 21 挡板。

具体实施方式

[0035] 下面，参照附图和实施例对本发明一种不同波长多光路激光合成和传输装置及其使用方法进行详细说明：

[0036] 如图1～3所示，一种不同波长多光路激光合成和传输装置，包括多个激光整形耦合入纤装置1，本实施例为四个，每个激光整形耦合入纤装置1分别通过输入光纤2与熔融拉锥合束器3连通，熔融拉锥合束器3通过输出光纤4与激光整形出纤装置5连通。

[0037] 其中，激光整形耦合入纤装置1包括在同一底座20上从左至右彼此相互间隔一定距离分别设置有Ⅰ号光阑6、输入整形透镜组7、输入聚焦透镜8、入射光纤夹持架9和Ⅱ号光阑10，输入整形透镜组7由两只透镜19组成。

[0038] 其中，激光整形出纤装置5包括在同一底座20上从左至右彼此相互间隔一定距离分别设置有输出光纤夹持架11、短焦透镜12、输出整形透镜组13和输出聚焦透镜14，输出整形透镜组13由两只透镜19组成。

[0039] 输入光纤2置于入射光纤夹持架9上，使输入光纤2的端口置于输入聚焦透镜8的焦点处。输出光纤4的输出端位于激光整形出纤装置5中的短焦透镜12的前焦点位置。

[0040] 激光整形耦合入纤装置1中的各元件和出激光整形出纤装置5中的各元件中心分别处于各自的同一中心线上。

[0041] 如图4所示，当本发明在使用时，其连接关系是：在激光整形耦合入纤装置1输入端分别接入多个输出不同波长的激光器15，本实施例为三个，在激光器15与激光整形耦合ο入纤装置1之间的每个激光器的输出光路上分别设置有两个互相平行、并与水平成45 角的激光全反镜16，并在激光全反镜16与激光整形耦合入纤装置1之间设置挡板21。在激光整形出纤装置5的输出端整形后的激化束再经输出聚焦透镜14聚焦进入原子蒸汽炉17中的光与原子作用区18，输出聚焦透镜14的焦点位于光与原子作用区18。

[0042] 本发明的使用方法，包括以下步骤：

[0043] （i）第一次使用时，对激光器15输出激光束进行准直

[0044] 调节激光全反镜16的调节钮使激光束通过两个相距一定距离的准直好的Ⅰ号光阑6和Ⅱ号光阑10的通光孔径，令Ⅰ号光阑6、Ⅱ号光阑10的孔径中心与光束中心同轴，则激光束就成为准直光束。经Ⅰ号光阑6后的输入整形透镜组7调整激光光束光斑大小，调整后的光束经输入聚焦透镜8聚焦，焦距根据光束质量和光纤参数选择，使聚焦后的光束满足光纤的耦合入射要求确定。将三根输入光纤2分别置于各自的入射光纤夹持架9上，输入光纤2的端口置于聚焦透镜8的焦点处，仔细调节光纤夹持架9上的调节钮（上下、左右、前后三维平动调节）以及输入聚焦透镜8的调节钮（上下、左右的转动调节），使聚焦光束耦合进入输入光纤2，并在输出光纤4的输出端后用激光功率计进行监测，在调节激光入纤过程中需要从低功率开始，逐步提高功率，在每个功率水平上都调节直到传输效率最大。

[0045] （ⅱ）对经熔融拉锥合束器3合成并通过输出光纤4输出的激光光束进行整形[0046] 经过熔融拉锥合束器3输出的激光在输出端成为类似点光源的发散光源，为满足光与原子相互作用的功率密度要求，需要把发散光源整形成为平行光束或聚焦光束。将输出光纤4的输出端夹持于输出光纤夹持架11上，其后加入短焦透镜12，使输出光纤4的输出端面位于短焦透镜12的前焦点处，则输出激光经短焦透镜12后成为平行光，在短焦透镜12后加入整形透镜组13进行扩束或缩束，然后根据实验对光斑的要求，在整形透镜组13后加入聚焦透镜14对光束进行聚焦，使得光束焦点落于光与原子相互作用的区域内。

[0047] （ⅲ）再次使用时，对激光束的准直进行微调

[0048] 因为每次激光器的关闭和开启都会有一些微小的差异，因此，再次使用熔融拉锥光纤合束系统时，需要对激光束的准直进行微调，保证光束的位置和准直。此时只需微调激光全反镜16的调节钮，使光束打到Ⅰ号光阑6的通光孔径处使光束中心与通光孔径中心重合即可，无需再对后面的透镜和光纤进行调节。

[0049] 本发明的工作过程：

[0050] 三台由不同染料作为工作介质的染料激光器15，输出三种不同波长的激光，优化激光器功率后，用激光全反镜16搭建好外光路，并调节激光全反镜16，使光束准直。在激光全反镜16后，在激光整形耦合入纤装置1前放一挡板，平移挡板使激光从挡板的边沿漏出几十毫瓦激光，在Ⅰ号光阑6后加入输入整形透镜组7来调整激光光束光斑大小，调整后的光束经输入聚焦透镜8聚焦，用功率计分别测量激光进入光纤前和经合束光纤合束后输出的功率，在功率计的监测下，仔细调节入射光纤夹持架9上的调节钮（上下、左右、前后三维平动调节）以及输入聚焦透镜8的调节钮（上下、左右的转动调节），使聚焦光束耦合进入输入光纤2并经熔融拉锥合束器3以及输出光纤4输出后，传输效率达到最大，然后慢慢把挡板拉开一些，使漏出的光更强一些，继续在功率计的监测下，重复对入射光纤夹持架9和输入聚焦透镜8的调节来优化耦合输入效率，使得光纤合束效率在这一功率下达到最大，继续拉动挡板，重复优化步骤，直到激光光束全部能量以最大效率耦合入纤为止。然后依次分别完成另外两台染料激光器的激光耦合进入光纤合束器。

[0051] 当三束激光全部耦合进入熔融拉锥合束器3后，将熔融拉锥合束系统的输出光纤4的输出端固定于输出光纤夹持架11上，使光束进入激光整形出纤装置5，输出光纤4的输出端位于出纤装置5中的短焦透镜12的前焦点位置，微调输出光纤夹持架11的前后，使得激光经短焦透镜12后成为平行光，进入输出整形透镜组13，按照应用要求，对激光束进行扩束或缩束整形，整形后的激光束再经输出聚焦透镜14聚焦进入原子蒸气炉17中的光与原子作用区18，输出聚焦透镜14的焦点位于光与原子作用区18，完成光与原子的相互作用实验。

[0052] 本发明结构简单、易于模块化，系统操作简单、更加灵活方便，合束效率一般可达80%以上。