一种发散角连续可调的光纤准直器

1.本发明涉及空间激光通信领域，具体涉及一种发散角连续可调的光纤准直器。


背景技术：

2.空间激光通信凭借其通信速率高、通信容量大、保密性高、抗干扰和抗截获能力强等优点，已经应用在了卫星、舰船、飞行器、地面等多种场合，并展现出了广阔的发展前景。
3.典型的激光通信系统为保证链路稳定，信号光的发散角在设计时往往需要适当扩大以应对通信链路条件改变带来的光束劣化。这就使得在通信链路条件良好的情况下，存在着较大的链路冗余，而在链路损耗较大时又往往导致接收光功率不够。如果能根据链路情况适当调整光束发散角，便可以在保证链路通信条件较好的情况下减小信号光束发散角，使接收端光功率增大，提高通信速率；在通信条件较差的情况下(如平台振动较大或大气湍流较强等)，可适当增大发散角，以保证激光通信端机稳定工作。
4.比较成熟的改变光纤准直器发散角的方法是采用调焦镜组或者在准直器前加入放大倍率可调的扩束系统。这二者在调整过程中需要电机与导轨配合工作，改变镜片之间的间隔，从而改变出射光束发散角。但是镜片在移动过程中由于电机和导轨的精度有限，往往存在角度偏移，使出射光束指向发生改变，经过测试，偏移角度往往达到毫弧度级别。这将严重破坏收发光路的平行度，减小接收视场可用范围，严重时无法建立通信链路，导致通信失败。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种发散角连续可调的光纤准直器，解决了传统调焦镜组或倍率可变扩束镜系统在改变发散角过程中，其出射光束角度偏移较大，收发平行度影响大的问题。
6.本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
7.一种发散角连续可调的光纤准直器，该准直器包括：光纤头、机械壳体、定光楔、动光楔、一维位移台、准直透镜组和调节筒；所述光纤头、定光楔、动光楔、一维位移台和调节筒设置在所述机械壳体内，所述准直透镜组固定在所述调节筒内；所述光纤头发出激光，经过所述定光楔和动光楔后，由所述准直透镜组准直出射；所述动光楔设置在所述一维位移台上，带动所述动光楔沿着所述定光楔斜面方向移动，改变光楔总体的厚度，从而改变出射激光束的发散角；通过调节所述调节筒使所述准直透镜组沿光轴往复运动，改变所述准直透镜组与所述光纤头的距离。
8.优选的，所述调节筒外均布螺纹，与所述机械壳体螺纹连接。
9.优选的，还包括承载支架，所述动光楔设置在承载支架上，所述承载支架固定在所述一维位移台上。
10.优选的，所述定光楔和动光楔的斜面平行设置，其它面平行或者垂直设置。
11.优选的，所述定光楔和动光楔斜面投影的宽度相同。
12.优选的，所述定光楔和动光楔的材料为玻璃，并且可替换。
13.优选的，所述光纤头位于光轴处。
14.优选的，所述准直透镜组包括同轴设置的第一透镜、第二透镜和第三透镜。
15.本发明的有益效果是：本发明的双光楔中，定光楔位置固定，通过平移动光楔，改变双光楔相对位置，其等效光学平板的厚度发生变化，改变高斯光束通过区域的等效光学平板厚度，使通过其高斯光束的abcd矩阵参数发生变化，在变化过程中，相比于传统结构，极大减小了出射光束的角度偏移，高斯光束出射方向变化极小(微弧度级)，在保证激光通信系统收发光路平行度的前提下，满足了激光通信系统对通信光发散角连续可调的需求。同时，准直透镜采用消色差设计，满足装调和通信阶段对不同波段的需求。发散角的连续可调，在变发散角的过程中光束不中断，同时保持了低指向误差。可以通过选用不同的材料和楔角的双光楔，实现不同范围的发散角连续变换。本专利提及的光纤准直器所能达到的最小发散角为262.95μrad，最大发散角为2.0618mrad，通过更改准直透镜组的光学参数，其发散角调整范围可以根据实际需求进行个性化设计，满足了激光通信系统工作各个阶段的需求。其结构简单，可靠性高，适合广泛应用在空间激光通信系统中，提高了系统的适用性，拓宽了激光通信的应用场景。装调方便，成本低，对位移台的移动精度要求不高，有利于大面积推广应用。
附图说明
16.图1本发明一种发散角连续可调的光纤准直器装置示意图。
17.图2本发明光楔对使用过程中的移动示意图。
18.图3本发明高斯光经双光楔后传输到透镜前表面参数示意图。
19.图4本发明光楔对具体尺寸参数图。
20.图5本发明出射光发散角随光楔对厚度的变化曲线图。
21.图中：1、光纤头，2、机械壳体，3、承载支架，4、定光楔，5、动光楔，6、一维位移台，7、第一透镜，8、第二透镜，9、第三透镜，10、调节筒。
具体实施方式
22.以下结合附图1和具体实施方式对本发明提出的一种发散角连续可调的光纤准直器做进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
23.如图1所示，本发明提供一种出射光发散角连续可调的自适应调整机构，包括光纤头1、机械壳体2、承载支架3、定光楔4、动光楔5、一维位移台6、准直透镜组、调节筒10。所述光纤头1为单模光纤尾纤，要求其端面平滑无污染。所述机械壳体2负责固定所述定光楔4和一维位移台6，其中定光楔4通过固定螺丝固定在机械壳体2预留的方孔中，所述准直透镜组
固定在所述调节筒10内，所述调节筒10通过螺纹与机械壳体2连接。机械壳体2上与调节筒10连接的螺纹长度足够长，可以通过旋转调节筒10来改变准直透镜组与光纤头1间的距离，以准直出射光束。在机械壳体2的筒壁上留有供所述承载支架3进出的方孔，其大小可以容纳所述一维位移台6，使承载支架3携带动光楔5沿的定光楔4斜面方向自由进出一维位移台6。承载支架3通过胶粘的方式将所述动光楔5固定在上面，其中动光楔5的斜面与承载支架3的长边平行。
24.使用过程中，如图2和图3所示，带有通信信号的光经尾纤的光纤头1出射，出射的高斯光经过定光楔4、动光楔5的调节后进入准直透镜组；该准直透镜组可将来自定光楔4和动光楔5的光进行准直，准直后的高斯光将出射并用于激光通信。
25.调节出射光发散角通过控制定光楔4和动光楔5所组成的光楔对的厚度实现，具体步骤为：控制承载支架在一维位移台6沿定光楔4的斜面方向前进，并保持定光楔4和动光楔5间的两个斜面平行，定光楔4和动光楔5的厚度将随着承载支架3的移动而变化，忽略两个光楔间的微小缝隙，且两个光楔间的微小缝隙之间的距离保持不变，此时光楔对变化的厚度随承载支架3移动距离变化的公式为
26.δd＝d
l
×
sinα
27.其中δd为光楔对变化的厚度，d
l
为承载支架3的移动距离，α为光楔的楔角。
28.此时经过双光楔后的出射高斯光传播到透镜前表面的abcd矩阵为
[0029][0030]
各参数所代表的物理意义如图3所示，其中b为光纤头1端面到光楔对的距离，l为光纤头1端面距准直透镜组的距离。d为忽略光楔间缝隙后光楔对的厚度，n为所用光楔对在1550nm下的折射率。此时相当于光纤头1沿光轴向前移动了(l-d/n)的距离。
[0031]
在本优选例中，如图1所述，所述定光楔4和动光楔5斜面投影的宽度相同。所用的定光楔4和动光楔5所使用的材料为成都光明公司的h-fk95n玻璃，其在1550nm波长下的折射率为1.4291441，楔角为5
°
，其具体尺寸参数如图4所示。
[0032]
本优选例中所述准直透镜组的参数如下表1所示。准直透镜组进行632.8nm、1550nm消色差设计，满足了装调和通信过程中对不同波段的需求。
[0033]
表1准直透镜组的参数
[0034][0035]
在本优选例中，光纤头1所发出的高斯光的束腰在光纤头1的端面上，其束腰半径
大小为5μm，则经过透镜组后的出射高斯光的发散角将发生变化，发散角随光楔对厚度/机构移动距离的变化曲线如图5所示，可见随着光楔对厚度的变化，出射光发散角近似呈线性变化，所能达到的最小发散角为262.95μrad，最大发散角为2.0618mrad。