专利名称：激光束自动对中装置以及制造此装置的方法
技术领域：
本发明涉及一种特别是在单模光学纤维或多模光学纤维中，激光束移动或偏心后使其自动对中的装置。
本装置特别适用于移动或偏心大于或大致等于光学纤维横向尺寸的激光束。
本发明还涉及制造这种装置的方法。
背景技术：
已知的对中装置可以分为两类-静态装置，它允许激光束入射到纤维中的瞄准和对中的误差，以及-动态装置，它允许瞄准和对中的误差，并装有一套重新对中系统，通过使激光束偏离，或是通过使纤维取向，来使激光束相对于纤维入口重新对中。
静态装置主要使用表面的光散射体，更简单地称为“表面散射体”，也就是说，其表面能使入射激光束散射的装置，但是却不能得到用于入射进纤维中的足够的均匀性，这是因为-一方面，激光束的初始不均匀性只是部分地被校正，以及-另一方面，激光束的相干性。
这是因为，当表面散射物体被激光照明的时候，组成此物体的那些点使相干光散射，在围绕它们的整个空间生成菲涅耳类型的颗粒状(光斑)。
至于动态装置，它们的主要缺点是要求已经了解瞄准和偏心的误差，从而校正光学纤维相对于激光束的位置。
由于它们需要多个激光脉冲向最佳耦合位置汇聚，所以它们通常只适用于复现激光器(lasers récurrents)。
这类装置使用的电子器件属于CCD类型的传感器或四象限传感器，传感器所在的位置是光学纤维核心的像。
它们控制一个可移动的光学装置，这个装置必须对激光束瞄准的误差进行补偿，以便使纤维中的耦合最佳化。
这类装置的优点是能达到高的耦合比(大约50％)。然而，由于它们的复杂性，要求对温度变化和震动都灵敏的非常精确的对准，所以是很昂贵的。
这种限制是由于纤维核心的尺寸小以及角孔径小，这就要求光学装置具有较大的焦距，典型情况下大约20cm，其位置调整应该大约为1μm的数量级。
发明内容
本发明目的是克服上述缺点。
为此，使用了一种静态对中装置，它包含有体积光散射体，更简单说称作体积散射体，也就是说其体积，而不是表面，能够散射要对中入射激光束的装置。
具体地讲，本发明的目的是自动使光线引导装置中激光束对中的装置，此装置的特征是它包含有一个体积散射体，这个体积散射体包含有激光束的入口表面，它用来对此激光束进行散射并能自动地使它在光线引导装置中对中。
此光线引导装置可以是单模光学纤维或多模光学纤维。
按照本发明装置的一个优选实施例，体积散射体的厚度至少等于激光束波长的100倍。
体积散射体可以是由聚四氟乙烯制成的。
按照本发明装置的一个特殊实施例，体积散射体是圆柱形的。
体积散射体最好是包含有一个侧面，而且此装置还包含有围绕此侧面的光反射器。
按照本发明装置的第一优选实施例，此装置还包含有一个透镜，这个透镜放置在体积散射体的入口表面上，它用来在此入口表面上使激光束散焦。
按照第二优选实施例，体积散射体包含有一个侧面，此装置还包含有一个围绕此侧面的光反射器，它延长超出入口表面，引导激光束到这个入口表面。
按照第三优选实施例，本发明装置还包含有辅助光学纤维，它与体积散射体的入口表面光学耦合，引导激光束到这个入口表面。
本发明还涉及本发明装置的制造方法，在这个方法中，制作一根管状光线引导装置，然后使用此管状光线引导装置作为冲头(emporte-pièce)，用能散射光的材料制作体积散射体。
在参考附图，阅读了下面只是象征地给出的并不受限制的实施例之后，将更好的理解本发明。这些附图有-图1用简示说明了本发明中可以使用的体积散射体的一个例子；-图2是本发明装置的第一特殊实施例的简示剖面图；-图3是本发明装置的第二特殊实施例的简示剖面图；-图4是本发明装置的第三特殊实施例的简示剖面图；-图5是本发明装置的第四特殊实施例的简示剖面图；-图6A用简示说明了制造本发明装置的一个阶段；-图6B是本发明装置的一个简示剖面图；-图7简示说明了散射材料的一个体积元使光散射的情况；以及-图8表示了被散射的照明和减少了的入射照明随距离变化曲线。
优选实施方式正如上面看到的，本发明装置能够纠正发明前已知工艺的缺点，一方面是因为它是静态的，另一方面是因为它使用体积散射体。在这种情况下，它能够减少激光束的相干性，因此减少所产生的光斑使用非均匀性对于光束尺寸来说较小的介质，多次散射在光束不同点之间导致随机的相位关系，使空间相干性变坏。
为了得到正确的均匀性，体积散射体是由适宜的材料制成的。这种材料的选择与光散射系数和吸收系数有关，光散射系数必须尽可能大，而吸收系数必须尽可能小。
在这方面，请参看本说明书的结尾，那里给出了辐射传输理论。
像聚四氟乙烯材料，也即Teflon(注册商标)材料，就很好地适宜于可见和近红外光谱的激光束。
还发现，假如脉冲的持续时间不小于10-11s，而且光束的相干性不破坏散射体出口处光束的均匀性的话，那么由于去关联(décorrélées)的光斑图形的重合，本发明装置并不使脉冲激光光束暂时的形状变坏。
此外还使用了体积散射体；这意味着此散射体的长度L或厚度和要对中的入射激光束F(图1)的波长相比是很大的。散射体的厚度最好是至少等于波长的100倍。
体积散射体是圆柱形的而且其长度是均匀性和期望的总传输的函数是有好处的。
这在图1中用图解法进行了说明，在这个图中表示了本发明的装置，它包含有体积散射体2，用Teflon(注册商标)制作，圆柱形，长度为L。
激光束F对焦在散射体2的形成入口表面的一端4上。在散射体的入口表面4相对的出口处，激光以球面波S的形式被散射。
此外，通过把体积散射体放置在反射波导中，散射体2出口处的均匀性和总传输都得到了增加。
这在图2中简示说明，在这个图中表示了插入金属管状反射器6中的散射体2，反射器因而围绕着散射体2的侧面8。
反射器6或波导使到达侧面8的激光反射，因而对散射体2中的激光进行引导。
一个经验公式，也就是说实验验证了的公式，允许简单地进行总传输的计算，并根据待纠正的移动瞄准点的情况来确定对中装置的尺寸。
这个公式给出装有金属波导的装置的传输T，公式如下T=e-rszρasin2α4A]]>在这个公式中-A是金属波导的截面(以m2为单位)，-a是光学纤维的截面(以m2为单位)，它与散射体耦合在一起，其中的激光束是要对中的。
-α是纤维的数值孔径角，-z是光线引导装置长度(以m为单位)，-ρ是使光散射的粒子密度(每m3的数目)，以及-σ是有效散射截面(以m2为单位)。
为了增加自动对中装置对通量的稳定性(tenue au flux)，最好向反射光线引导装置添加辅助设备。
这是因为，如果激光束对焦在散射体的入口表面上，那么就可能损坏它。
按照第一个可能性，为了减少变坏的危险，在散射体前面添加微透镜，使散射体入口表面上的激光束散焦，也就是说使激光束不是对焦在这个入口表面上。
这在图3中进行进行说明，在这个图中表示了贴着散射体2的入口表面4放置了一个微透镜10。这个微透镜10能够使散射体表面4上的入射激光束12散焦，散射体和微透镜10是共轴的。
在图3的例子中，微透镜的直径等于散射体2的直径。
按照第二个可能性，通过朝着散射体的前面延长波导，激光束被引导直到散射体，光束的几何学范围由于其散射体处的表面增加而增加，这同样减少了使散射体变坏的危险性。
这在图4中进行了说明，在这个图中表示了一个管状反射器14，它围绕着圆柱形散射体2，并且超出散射体的入口表面4。
在图6A的描述中，解释了在同样长度的管状反射器中制造图2中散射体2的方法。
在一个较长的管状反射器中，可以以同样的方法得到图4中的散射体，然后朝着反射器的与引进散射材料的那个侧面相反的侧面推动散射体。
按照第三个可能性，为了增加自动对中装置对通量的稳定性，在体积散射体的前面添加了大直径的光学纤维。
这在图5中进行了说明。在这个例子中，给图4中的装置添加了光学纤维片段16，纤维片段的核心和包层(gaine)分别用标号18和20标出。核心18和散射体2是共轴的。
片段16的直径近似等于散射体2的直径，它放置在波导14的伸出入口表面4外面的那部分中。这个入口表面与纤维片段16相接触。
纤维片段16因而在散射体之前接受激光束12，这就能避免散射体中的热点。
反射光线引导装置6最好可以用作冲头，以便由能变形的散射材料来制作散射体(如果此光线引导装置是由足够硬的材料组成的话)。
这通过图6A中的例子用图解法进行了说明，在这个图中表示了管形光线引导装置6，例如是钢制的，它牢固地固定在钢制薄板22上，因而形成了此钢板22的突出物。
正如在图6B中所能看到的一样，钢板22是借助于这个突出物嵌入支座24中，并通过螺丝固定到这个支座上，这象征性地由点画线26表示。
支座24包含有一个螺纹部分28，光纤连接器30可以拧在其上面。因而能在光学上把散射体2连接到设置在此连接器30上的光学纤维32上，钢板22和支座24为此目的而适当地打上了孔。
尤其是，正如在图6B中所看到的一样，钢板22的钻孔使得散射体2坐落在图4所示类型的一个反射器中，而不是在图2所示类型的光线引导装置中。
由于这个体积散射体2，图6B中的装置能够把激光束12对中到光学纤维32上。
为了制作此装置，使用能变形散射材料的薄板34，例如Teflon薄板(注册商标)，钢制的薄板22铺设得贴着薄板34(图6A)。
图6A中由管形光线引导装置6形成的突出物穿入材料中，一部分材料穿入管形光线引导装置中，形成散射体2。
然后用一适当的切割工具36把这样形成的散射体与剩余的材料分离开来。
为了使波长1064nm的激光束对中心，作为象征性的而不是限制的，使用了Teflon散射体(注册商标)和抛光的钢制金属波导，此Teflon散射体的长度(厚度)等于750μm，这几乎是激光束波长的700倍，而此抛光的钢制金属波导则在激光束到达一侧超出散射体0.3mm。
本发明不局限于在光学纤维(单模或多模)中使激光束对中。
它也适用于在其他光线引导装置，例如平面光线引导装置中使激光束对中。
下面我们来讲述辐射传输理论，也就是说由光散射体进行的传输。
在直线传播的情况下，穿过体积元厚度dz时，亮度L(以W/m2/sr为单位)的变化dL是这样的dLdz=-(α+β)L]]>
这里α是吸收系数(以m-1为单位)，β是散射系数(以m-1为单位)。
在散射粒子的情况下，为其定义有效散射截面σs，吸收截面σa和消光截面σt＝σa+σs(以m2为单位)，在r点在 方向，在长度ds(参见图7)的圆柱形体积元上，入射亮度I(r， )同样地表示如下dI(r,s→)ds=ρσtI(r,s→)]]>这里ρ是粒子的体密度，在沿着方向 的吸收和散射项上，必须添加来自所有方向 的所有散射和吸收。它们用下面定义的粒子散射相位函数ρ 来表示14π∫4πρ(s→,s→′)dω=W0=σsσt]]>这里W0是单个粒子的反射率，dω是立体角元。
与长度为ds的体积元在方向 的发射相应，还必须添加上一个项(以W/m3/sr为单位)，这个项表示为ε(r， )。
把所有这些贡献积分起来，就得到传输方程dI(r,s→)ds=-ρσtI(r,s→)+ρσt4π∫4πρ(s→,s→′)I(r,s→′)dω′+ϵ(r,s→).]]>把点r处沿方向 的总亮度I分解成两项，它们相应于减少了的入射亮度Iri和被散射的亮度Id。得到了下面两个方程dIri(r,s→)ds=-ρσtIri(r,s→)]]>dId(r,s→)ds=-ρσtId(r,s→)=ρσt4π∫4πρ(s→,s→′)Id(r,s→′)dω′+ϵ(r,s→)+ϵri(r,s→)]]>其中ϵri(r,s→)=ρσt4π∫4πρ(s→,s→′)In(r,s→′)dω′]]>由此推导出点r处的照明Ud和通量矢量Fd
Ud(r)=14π∫4πI(r,s→)dω]]>和Fd(r,s→)=14π∫4πI(r,s→)s→dω]]>在一准直光束或高斯光束到达平面样品上的情况下，可以在所有点计算被散射的照明Ud(r)。为此，必须引进满足传播方程和满足长度为d的平面样品的边界条件的格林函数G(r，r′)▿2G(r,r′)-κd2G(r,r′)=-δ(r,r′)]]>G(r,r′)-h∂∂zG(r,r′)=0---z=0]]>G(r,r′)+h∂∂zG(r,r′)=0---z=d]]>在这些方程式中，h＝2ρσtr/3而且Kd＝3ρσtrρσa其中σtr＝σa+σs(1-μ)，这里μ是平均散射角的余弦。
因此点r处被散射的照明表示如下Ud(r)=∫VG(r,r′)Q(r′)dV′+∫sG(r,r′)Q1(r′)2πhds′]]>其中Q(r→)=Q(r,θ,z)=3ρσtrP0πW2exp(-ρσtz)exp(-2r2W2)]]>这里各向同性散射的Q1( )是零，dv是样品的体积，P0是激光束的入射功率，而W激光束的1/e2半径。
通过使用修正的贝塞尔函数，可以用分析法表示被散射的照明Ud，并可以对不同值的ρ，σt和样品厚度来计算它。
对三种样品厚度(0.5mm，1mm和2mm)进行了各种模拟，给出了Ud和Uri(减少了的入射照明)的变化是粒子密度和有效消光截面的函数。
所使用激光的功率是1mW，数值孔径是0.11。
图8表示了Ud和Uri作为z的函数的变化曲线。
减少了的入射照明Uri作为exp(-ρσtz)和激光束尺寸的函数而减少，而被散射的照明Ud则首先作为z的函数增加，然后再减少。
利用所选定的与进入激光束相关的这个构型，乘积ρσtz必须大约为10，Ud才大约为Uri数量级。
通过简单的考虑就可以发现这个值的数量级。减少了的入射照明以下列形式减少Uri(z)=K1×exp(-rst2)q2z2]]>这里K1是一个比例常数，θ是材料中激光束的1/e2处的孔径角，考虑到在半径z的球面上照明是常数，由于能量守恒，我们可以写出被散射照明的下列式子4πz2Ud(z)＝K2×(1-exp(-ρσtz))这里K2是一个比例常数。当Ud等于Uri时，exp(-ρσtz)与 相差不是很大，因此ρσtz与7差别不是很大。
又一次获得了如上所述的数量级。
权利要求
1.自动对中光线引导装置(32)中激光束的装置，这个装置的特征是它包含有一个体积散射体(2)，此体积散射体又包含有激光束的入口表面，并用来对激光束进行散射并在光线引导装置中自动地使其对中。
2.自动对中单模或多模光学纤维(32)中的激光束的装置，这个装置的特征是它包含有一个体积散射体(2)，这个散射体又包含有一个激光束的入口表面，并用来对此激光束进行散射并在光学纤维中自动地使其对中。
3.按照权利要求1或2所述的装置，其特征在于体积散射体(2)的厚度(L)至少等于激光束波长的100倍。
4.按照权利要求1到3中的任何一项所述的装置，其特征在于体积散射体(2)是用聚四氟乙烯制成的。
5.按照权利要求1到4中的任何一项所述的装置，其特征在于体积散射体(2)是圆柱形的。
6.按照权利要求1到5中的任何一项所述的装置，其特征在于体积散射体(2)包含有一侧面，此装置还包含有围绕此侧面的光反射器(6，14)。
7.按照权利要求1到6中的任何一项所述的装置，它还包含有放置在体积散射体(2)的入口表面上的透镜(10)，它能使入口表面上的激光束散焦。
8.按照权利要求1到5中的任何一项所述的装置，其特征在于体积散射体(2)包含有一侧面，此装置还包含有围绕这个侧面的光反射器(14)，此装置延长超过入口表面，引导激光束直到此入口表面。
9.按照权利要求1到6和8中的任何一项所述的装置，它还包含有辅助光学纤维(16)，此光学纤维在光学上与体积散射体(2)的入口表面耦合在一起，引导激光束直到此入口表面。
10.按照权利要求1到5中的任何一项所述装置的制造方法，其特征在于制造了管状光线引导装置(6)，使用管状光线引导装置作为冲头，用能使光散射的材料(34)制成体积散射体(2)。
全文摘要
激光束的自动对中装置及此装置的制造方法。此装置包含有一个体积散射体(2)，用来使激光束散射并自动地使其在光线引导装置(32)中，例如在单模或多模光学纤维中，对中。为了制造此装置，制作管状的光线引导装置(6)，然后使用此光线引导装置作为冲头，用散射材料制作体积散射体。
文档编号G02B6/32GK1666127SQ03815188
公开日2005年9月7日 申请日期2003年6月25日 优先权日2002年6月27日
发明者P·勒克莱尔, J·加西亚 申请人:法国原子能委员会