本發(fā)明涉及空芯光纖模式耦合，具體涉及一種用于空芯光纖基模激發(fā)的激光模式耦合系統(tǒng)，尤其涉及一種用于空芯光纖基模激發(fā)的具有消色差特性的激光模式耦合系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、原子干涉儀通過(guò)激光囚禁原子得到冷原子團(tuán)作為敏感單元，可以實(shí)現(xiàn)高精度、高靈敏度且無(wú)機(jī)械磨損的加速度矢量測(cè)量。針對(duì)動(dòng)態(tài)環(huán)境下的矢量測(cè)量需求，空芯光纖與原子干涉儀相結(jié)合發(fā)展出一種新型的光纖導(dǎo)引式原子干涉儀?？招竟饫w能夠?qū)⒐鈭?chǎng)限制在纖芯中實(shí)現(xiàn)低損耗、長(zhǎng)距離傳輸，被導(dǎo)引進(jìn)光纖的原子在光纖徑向受到偶極光場(chǎng)約束而抑制其擴(kuò)散，并且在光纖軸向方向被長(zhǎng)距離導(dǎo)引，實(shí)現(xiàn)干涉儀在光纖軸向方向的物理量測(cè)量。在動(dòng)態(tài)環(huán)境下，光纖導(dǎo)引式原子干涉儀能夠有效減小非測(cè)量方向上原子相對(duì)光場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)幅度，展現(xiàn)了其在精密測(cè)量和量子傳感領(lǐng)域的巨大前景。

2、光纖導(dǎo)引式原子干涉儀需要使用遠(yuǎn)紅失諧的激光對(duì)原子進(jìn)行徑向約束，實(shí)現(xiàn)原子的軸向?qū)б?。?7rb原子的d2線為例，其共振光波長(zhǎng)為780nm，而通常使用的導(dǎo)引光波長(zhǎng)為1064nm，這就要求空芯光纖需要同時(shí)實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)波段的激光的基模傳輸。

3、由于空芯光纖的基模模場(chǎng)直徑對(duì)波長(zhǎng)不敏感，為了保證不同波長(zhǎng)的激光能夠同時(shí)耦合進(jìn)空芯光纖中，現(xiàn)有方案通常采用多個(gè)獨(dú)立的模場(chǎng)匹配器對(duì)不同波長(zhǎng)的激光分別進(jìn)行模場(chǎng)直徑變換，實(shí)現(xiàn)入射光場(chǎng)的模場(chǎng)直徑與空芯光纖的基模直徑匹配。這種獨(dú)立耦合的方案大幅增加了模式耦合的系統(tǒng)復(fù)雜度和調(diào)試難度，難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)光場(chǎng)的高效率基模激發(fā)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、鑒于上述問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種用于空芯光纖基模激發(fā)的消色差激光模式耦合系統(tǒng)，本發(fā)明利用光子晶體光纖作為模式匹配器，對(duì)不同波長(zhǎng)的激光進(jìn)行模式匹配，同時(shí)保證其偏振態(tài)不變，再將輸出后的激光進(jìn)行耦合進(jìn)入空芯光纖中；并且，選用消色差的光纖準(zhǔn)直器以及消色差透鏡，減少透鏡對(duì)不同波長(zhǎng)激光的焦移影響，使不同波長(zhǎng)的激光進(jìn)入空芯光纖中以基模進(jìn)行傳輸，有利于各個(gè)波長(zhǎng)激光實(shí)現(xiàn)良好的基模激發(fā)，并且保持同心的空間分布。

2、本發(fā)明提供了一種用于空芯光纖基模激發(fā)的消色差激光模式耦合系統(tǒng)，其特征在于，包括第一光纖準(zhǔn)直器3、光子晶體光纖4、第二光纖準(zhǔn)直器5和第一透鏡6、空芯光纖7、第二透鏡8和ccd相機(jī)9；

3、所述光子晶體光纖4分別連接所述第一光纖準(zhǔn)直器3和第二光纖準(zhǔn)直器5；所述第二光纖準(zhǔn)直器5和空芯光纖7之間設(shè)置第一透鏡6；所述空芯光纖7和所述ccd相機(jī)9之間設(shè)置第二透鏡8；

4、所述第一光纖準(zhǔn)直器3和第二光纖準(zhǔn)直器5對(duì)稱設(shè)置；所述第一透鏡6和第二透鏡8對(duì)稱設(shè)置。

5、所述第一光纖準(zhǔn)直器3和第二光纖準(zhǔn)直器5均為消色差光纖準(zhǔn)直器；

6、所述第一透鏡6和第二透鏡8均為消色差透鏡。

7、所述光子晶體光纖包括光纖端一；所述第一光纖準(zhǔn)直器3用于將導(dǎo)引激光和共振激光聚焦到光纖端面一，進(jìn)行第一次光纖耦合；所述導(dǎo)引激光和共振激光均為準(zhǔn)直光；

8、所述第二光纖準(zhǔn)直器5用于將光子晶體光纖4中傳輸?shù)膶?dǎo)引激光和共振激光第一次準(zhǔn)直后輸出；獲得第一次準(zhǔn)直后的導(dǎo)引激光和共振激光。

9、所述第一透鏡6用于將從第一次準(zhǔn)直后的導(dǎo)引激光和共振激光聚焦到空芯光纖7端面，進(jìn)行第二次光纖耦合；

10、所述第二透鏡8用于將空芯光纖7中第二次光纖耦合的的導(dǎo)引激光與共振激光第二次準(zhǔn)直輸出，通過(guò)調(diào)節(jié)第二次光纖耦合使導(dǎo)引激光和共振激光的輸出模式均為基模；得到基模導(dǎo)引激光和基模共振激光；

11、所述基模導(dǎo)引激光和基模共振激光的光強(qiáng)分布包括具有同心的高斯分布；

12、示例性的，在將第二次光纖耦合調(diào)節(jié)到合適條件后，基模導(dǎo)引激光和基模共振激光的光強(qiáng)分布都是高斯分布，并且這兩個(gè)高斯分布是同心的；

13、當(dāng)所述基模導(dǎo)引激光和基模共振激光的光強(qiáng)分布為同心的高斯分布時(shí)，說(shuō)明調(diào)節(jié)效果達(dá)到最優(yōu)。

14、所述第一透鏡6包括小曲率半徑面一6-1和大曲率半徑面一6-2；

15、所述小曲率半徑面一6-1面向第二光纖準(zhǔn)直器；所述大曲率半徑面一6-2面向空芯光纖7；

16、所述第二透鏡包括小曲率半徑面二8-1和大曲率半徑面二8-2；所述小曲率半徑面二8-1面向ccd相機(jī)9；所述大曲率半徑面二8-2面向空芯光纖7。

17、所述第一光纖準(zhǔn)直器3和第二光纖準(zhǔn)直器5內(nèi)分別設(shè)置第三透鏡10和第四透鏡11；

18、所述第三透鏡10和第四透鏡11均為消色差透鏡。

19、所述第三透鏡10包括小曲率半徑面三10-1和大曲率半徑面三10-2；所述小曲率半徑面三10-1面向?qū)бす夂凸舱窦す廨斎氲囊粋?cè)；所述大曲率半徑面三10-2面向光子晶體光纖4一側(cè)。

20、所述第四透鏡11包括小曲率半徑面四11-1和大曲率半徑面四11-2；

21、所述小曲率半徑面四11-1面向第一透鏡6一側(cè)；所述大曲率半徑面四11-2面向光子晶體光纖4一側(cè)。

22、所述空芯光纖7為裸纖；所述光子晶體光纖4的封裝方式為跳線封裝。

23、所述第一次準(zhǔn)直后的導(dǎo)引激光1的光斑直徑的表達(dá)式為：

24、

25、其中，d1為第一次準(zhǔn)直后的導(dǎo)引激光的光斑直徑，f1為第一透鏡對(duì)第一次準(zhǔn)直后的導(dǎo)引激光的焦距，λ1為導(dǎo)引激光的激光波長(zhǎng)；mfd為光子晶體光纖4的模場(chǎng)直徑，由于其對(duì)波長(zhǎng)不敏感，因此為常數(shù)。

26、同理，所述第一次準(zhǔn)直后的共振激光2的光斑直徑的表達(dá)式為：

27、

28、其中，d2為第一次準(zhǔn)直后的共振激光的光斑直徑，f2為第一透鏡對(duì)第一次準(zhǔn)直后的共振激光的焦距，λ2為共振激光的激光波長(zhǎng)；mfd為光子晶體光纖4的模場(chǎng)直徑，由于其對(duì)波長(zhǎng)不敏感，因此為常數(shù)。

29、因此所述第一次準(zhǔn)直后的導(dǎo)引激光與共振激光的光斑直徑的關(guān)系的表達(dá)為：

30、

31、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明至少具有現(xiàn)如下有益效果：

32、(1)本發(fā)明采用的光子晶體光纖能夠保證不同波長(zhǎng)激光具有近乎相同的模場(chǎng)直徑，實(shí)現(xiàn)無(wú)盡單模傳輸，為不同波長(zhǎng)激光耦合至空芯光纖實(shí)現(xiàn)模場(chǎng)直徑匹配；

33、(2)本發(fā)明采用消色差透鏡，對(duì)不同波長(zhǎng)激光的焦移變化小，有利于減小光纖耦合、擴(kuò)束準(zhǔn)直等受激光波長(zhǎng)的影響；

34、(3)本發(fā)明通過(guò)光子晶體光纖、消色差光纖準(zhǔn)直器以及消色差透鏡組合成為一套消色差的激光模式匹配器，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)多個(gè)波長(zhǎng)的激光耦合，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)復(fù)雜度，降低調(diào)試難度，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

技術(shù)特征：

1.一種用于空芯光纖基模激發(fā)的消色差激光模式耦合系統(tǒng)，其特征在于，包括第一光纖準(zhǔn)直器(3)、光子晶體光纖(4)、第二光纖準(zhǔn)直器(5)、第一透鏡(6)、空芯光纖(7)、第二透鏡(8)和ccd相機(jī)(9)；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的消色差激光模式耦合系統(tǒng)，其特征在于，所述第一光纖準(zhǔn)直器(3)和第二光纖準(zhǔn)直器(5)均為消色差光纖準(zhǔn)直器；

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的消色差激光模式耦合系統(tǒng)，其特征在于，

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的消色差激光模式耦合系統(tǒng)，其特征在于，

5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的消色差激光模式耦合系統(tǒng)，其特征在于，

6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的消色差激光模式耦合系統(tǒng)，其特征在于，所述第一光纖準(zhǔn)直器(3)和第二光纖準(zhǔn)直器(5)內(nèi)分別設(shè)置第三透鏡(10)和第四透鏡(11)；

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的消色差激光模式耦合系統(tǒng)，其特征在于，所述第三透鏡(10)包括小曲率半徑面三(10-1)和大曲率半徑面三(10-2)；所述小曲率半徑面三(10-1)面向?qū)бす夂凸舱窦す廨斎氲囊粋?cè)；所述大曲率半徑面三(10-2)面向光子晶體光纖(4)一側(cè)。

8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的消色差激光模式耦合系統(tǒng)，其特征在于，所述第四透鏡(11)包括小曲率半徑面四(11-1)和大曲率半徑面四(11-2)；

9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的消色差激光模式耦合系統(tǒng)，其特征在于，所述空芯光纖(7)為裸纖；所述光子晶體光纖(4)的封裝方式為跳線封裝。

10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的消色差激光模式耦合系統(tǒng)，其特征在于，

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種用于空芯光纖基模激發(fā)的消色差激光模式耦合系統(tǒng)，屬于空芯光纖模式耦合技術(shù)領(lǐng)域，包括第一光纖準(zhǔn)直器、光子晶體光纖、第二光纖準(zhǔn)直器、第一透鏡、空芯光纖、第二透鏡和CCD相機(jī)，利用光子晶體光纖作為模式匹配器，對(duì)不同波長(zhǎng)的激光進(jìn)行模式匹配，同時(shí)保證其偏振態(tài)不變，再將輸出后的激光進(jìn)行耦合進(jìn)入空芯光纖中；并且，選用消色差的光纖準(zhǔn)直器以及消色差透鏡，減少透鏡對(duì)不同波長(zhǎng)激光的焦移影響，使不同波長(zhǎng)的激光進(jìn)入空芯光纖中以基模進(jìn)行傳輸。

技術(shù)研發(fā)人員：李瑋,韓睿,宋凝芳,徐小斌,宋一桐,高乘春,戴誠(chéng)
受保護(hù)的技術(shù)使用者：天目山實(shí)驗(yàn)室
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/23