集成化摻鉺光纖放大自發輻射光源的製作方法

2024-03-10 11:51:15

本發明涉及一種自發輻射光源，尤其涉及一種集成化摻鉺光纖放大自發輻射光源。

背景技術：

摻鉺光纖放大自發輻射光源是一種現有的光源提供裝置，其原理是利用泵浦雷射對鉺離子的激勵作用使摻鉺光纖中的鉺離子從基態躍遷到上能級，形成粒子數反轉，從而使自發輻射光在摻鉺光纖中獲得放大，形成放大自發輻射光輸出；摻鉺光纖放大自發輻射光源在分布式光纖傳感、光纖陀螺、光纖電流傳感器等領域應用廣泛；

現有技術在實現前述的摻鉺光纖放大自發輻射光源時，通常採用分立光學元件構成，典型結構如圖1所示，其主要構成部分包括：具有光纖Bragg光柵穩頻的泵浦雷射器、波分復用器、摻鉺光纖、光纖隔離器、光譜整形濾光器和光纖反射鏡；這種現有的摻鉺光纖放大自發輻射光源存在以下缺點：1)分立元件數量較多、體積較大，光源裝置難以實現小型化；2)由於分立元件數量較多，光源裝置易受機械衝擊、振動影響，導致光源裝置性能劣化；3）由於分立元件較為離散，整個光源裝置的環境溫度不易控制，影響光源裝置性能。

技術實現要素：

針對背景技術中的問題，本發明提出了一種集成化摻鉺光纖放大自發輻射光源，其創新在於：所述集成化摻鉺光纖放大自發輻射光源由外殼、半導體雷射器晶片、熱沉、底座、半導體致冷器、準直透鏡、波分復用濾光片、聚焦透鏡、傳輸光纖、摻鉺光纖、光纖反射器、光隔離器、光譜整形濾光片、耦合透鏡、輸出光纖和反射片組成；

所述外殼的內腔形成安裝腔，安裝腔的側壁上設置多個引腳孔，多根引腳一一對應地套接在多個引腳孔中，引腳的內端位於安裝腔內，引腳的外端位於外殼外部，引腳中部與引腳孔固定連接；

所述半導體致冷器設置在安裝腔底部，半導體致冷器的下端面與安裝腔底面連接；

所述底座為板狀結構體，底座的下端面與半導體致冷器的上端面連接，底座的上端面形成安裝面；

所述熱沉的下端面與安裝面連接；

所述半導體雷射器晶片設置在熱沉的上端面上；所述準直透鏡設置在安裝面上靠近熱沉的位置處；所述半導體雷射器晶片的輸出端朝向準直透鏡，半導體雷射器晶片的輸出軸向與準直透鏡的光軸同軸，準直透鏡的光軸與安裝面平行；

所述波分復用濾光片設置在安裝面上，準直透鏡位於熱沉和波分復用濾光片之間，波分復用濾光片的端面所在平面與安裝面垂直，波分復用濾光片的端面所在平面與準直透鏡光軸的夾角為45度，準直透鏡的光軸從波分復用濾光片中穿過；所述波分復用濾光片能將從準直透鏡射來的光透射至聚焦透鏡；

所述聚焦透鏡設置在安裝面上靠近波分復用濾光片的位置處，波分復用濾光片位於聚焦透鏡和準直透鏡之間，聚焦透鏡的光軸與準直透鏡的光軸同軸；

所述外殼上設置有與傳輸光纖匹配的第一光纖連接管，傳輸光纖中部套接在第一光纖連接管內，傳輸光纖內端延伸至安裝面上靠近聚焦透鏡的位置處，傳輸光纖內端通過連接件與安裝面連接，傳輸光纖內端端面與聚焦透鏡耦合，傳輸光纖的外端位於外殼外部，傳輸光纖的外端與摻鉺光纖的一端連接，摻鉺光纖的另一端與光纖反射器光路連接；

所述準直透鏡和聚焦透鏡之間的光路記為第一光路，所述光隔離器設置在安裝面上靠近波分復用濾光片的位置處，光隔離器位於第一光路軸向的一側；所述波分復用濾光片能將從聚焦透鏡射來的光反射至光隔離器，從聚焦透鏡射向波分復用濾光片的光被波分復用濾光片反射後形成第一反射光，所述第一反射光能垂直地照射到光隔離器的輸入端面上，光隔離器的輸出軸向與第一反射光同軸；

所述反射片設置在安裝面上靠近光隔離器的位置處，光隔離器位於反射片和波分復用濾光片之間，光隔離器輸出的光被反射片反射後形成第二反射光；

所述耦合透鏡設置在安裝面上靠近反射片的位置處，第二反射光的軸向與耦合透鏡的光軸同軸，耦合透鏡的輸入面朝向反射片；

所述外殼上設置有與輸出光纖匹配的第二光纖連接管，輸出光纖中部套接在第二光纖連接管內，輸出光纖內端延伸至安裝面上靠近耦合透鏡的位置處，輸出光纖內端通過連接件與安裝面連接，輸出光纖內端端面與耦合透鏡耦合，輸出光纖的外端位於外殼外部，輸出光纖的外端形成集成化摻鉺光纖放大自發輻射光源的輸出端；

所述光譜整形濾光片的安裝方式在如下兩種方式中擇一採用：

方式一：光譜整形濾光片設置在安裝面上反射片和光隔離器之間的位置處，光隔離器的輸出光能垂直地照射在光譜整形濾光片上；

方式二：光譜整形濾光片設置在安裝面上反射片和耦合透鏡之間的位置處，第二反射光能垂直地照射在光譜整形濾光片上。

本發明產生放大自發輻射光的原理與現有技術完全相同，本發明與現有技術的不同之處在於，本發明通過精巧的結構設計，將各個元件集成在較小的空間內，從而使光源裝置的體積大幅縮減，在較小的空間內，多個元件的環境溫度可控性較高，通過半導體致冷器來統一控制，可有效提高裝置性能，另外，本發明中採用半導體雷射器晶片來替代光纖Bragg光柵泵浦雷射器，可有效抑制衝擊、振動對裝置的影響；

本發明的具體工作過程為：

半導體雷射器晶片用於提供泵浦雷射輸出，半導體雷射器晶片輸出的泵浦雷射經準直透鏡進行準直處理後照射在波分復用濾光片上，波分復用濾光片直接將泵浦雷射透射至聚焦透鏡上，聚焦透鏡將泵浦雷射聚焦並耦合至傳輸光纖內，泵浦雷射通過傳輸光纖進入摻鉺光纖內並激發出放大自發輻射光，放大自發輻射光通過光纖反射器反射後又反向傳輸至聚焦透鏡，放大自發輻射光在聚焦透鏡的作用下被還原為準直狀態並射向波分復用濾光片，由於放大自發輻射光的波長已不同於泵浦雷射波長，利用波分復用濾光片的選擇作用，放大自發輻射光就會被反射至光隔離器上，通過光隔離器的隔離作用，就能阻擋住後續光路中的反射光，使之不能回到摻鉺光纖中，從光隔離器輸出的光經光譜整形濾光片處理後照射到耦合透鏡上，由耦合透鏡將光耦合至輸出光纖內並形成放大自發輻射光輸出；反射片用於調整光傳輸方向，以使光譜整形濾光片、耦合透鏡和輸出光纖內端分布得更為集中，以便於裝置體積的縮減；熱沉和底座用於傳導熱量，半導體致冷器用於對底座上的各個元件進行控溫；外殼上的多根引腳用於將外部電氣線路引入殼體內，引腳內端再通過引線與相應元件連接；

從前述方案中不難看出，本發明中用於實現摻鉺光纖放大自發輻射光源的多個元件十分集中地分布在較小的區域範圍內，結構十分緊湊，相比於現有技術中採用分立光學元件的實現方式，整個光源裝置體積十分小巧，抗衝擊和振動的能力較強，並且由於多個元件十分集中，光源裝置工作溫度控制十分容易，且溫控效果較好，使光源裝置的性能可以進一步得到提高。

優選地，所述半導體雷射器晶片採用分布反饋式半導體雷射器晶片。

優選地，所述半導體雷射器晶片能產生峰值波長為975nm±5nm的窄光譜雷射。

優選地，所述準直透鏡、聚焦透鏡和耦合透鏡的表面均鍍有增透膜。

優選地，所述傳輸光纖和輸出光纖均採用單模光纖。

優選地，所述第一光纖連接管和第二光纖連接管位於外殼的同側。

本發明的有益技術效果是：提供了一種集成化摻鉺光纖放大自發輻射光源，該光源的體積小巧，抗衝擊和振動的能力較強，溫度控制效果較好。

附圖說明

圖1、現有的摻鉺光纖放大自發輻射光源原理示意圖；

圖2、本發明的結構示意圖；

圖3、本發明的結構頂視圖；

圖4、熱沉位置處的斷面結構示意圖；

圖中各個標記所對應的名稱分別為：外殼1、半導體雷射器晶片2、熱沉3、底座4、半導體致冷器5、準直透鏡6、波分復用濾光片7、聚焦透鏡8、傳輸光纖9、摻鉺光纖10、光纖反射器11、光隔離器12、光譜整形濾光片13、耦合透鏡14、輸出光纖15、反射片16。

具體實施方式

一種集成化摻鉺光纖放大自發輻射光源，其創新在於：所述集成化摻鉺光纖放大自發輻射光源由外殼1、半導體雷射器晶片2、熱沉3、底座4、半導體致冷器5、準直透鏡6、波分復用濾光片7、聚焦透鏡8、傳輸光纖9、摻鉺光纖10、光纖反射器11、光隔離器12、光譜整形濾光片13、耦合透鏡14、輸出光纖15和反射片16組成；

所述外殼1的內腔形成安裝腔，安裝腔的側壁上設置多個引腳孔，多根引腳一一對應地套接在多個引腳孔中，引腳的內端位於安裝腔內，引腳的外端位於外殼1外部，引腳中部與引腳孔固定連接；

所述半導體致冷器5設置在安裝腔底部，半導體致冷器5的下端面與安裝腔底面連接；

所述底座4為板狀結構體，底座4的下端面與半導體致冷器5的上端面連接，底座4的上端面形成安裝面；

所述熱沉3的下端面與安裝面連接；

所述半導體雷射器晶片2設置在熱沉3的上端面上；所述準直透鏡6設置在安裝面上靠近熱沉3的位置處；所述半導體雷射器晶片2的輸出端朝向準直透鏡6，半導體雷射器晶片2的輸出軸向與準直透鏡6的光軸同軸，準直透鏡6的光軸與安裝面平行；

所述波分復用濾光片7設置在安裝面上，準直透鏡6位於熱沉3和波分復用濾光片7之間，波分復用濾光片7的端面所在平面與安裝面垂直，波分復用濾光片7的端面所在平面與準直透鏡6光軸的夾角為45度，準直透鏡6的光軸從波分復用濾光片7中穿過；所述波分復用濾光片7能將從準直透鏡6射來的光透射至聚焦透鏡8；

所述聚焦透鏡8設置在安裝面上靠近波分復用濾光片7的位置處，波分復用濾光片7位於聚焦透鏡8和準直透鏡6之間，聚焦透鏡8的光軸與準直透鏡6的光軸同軸；

所述外殼1上設置有與傳輸光纖9匹配的第一光纖連接管，傳輸光纖9中部套接在第一光纖連接管內，傳輸光纖9內端延伸至安裝面上靠近聚焦透鏡8的位置處，傳輸光纖9內端通過連接件與安裝面連接，傳輸光纖9內端端面與聚焦透鏡8耦合，傳輸光纖9的外端位於外殼1外部，傳輸光纖9的外端與摻鉺光纖10的一端連接，摻鉺光纖10的另一端與光纖反射器11光路連接；

所述準直透鏡6和聚焦透鏡8之間的光路記為第一光路，所述光隔離器12設置在安裝面上靠近波分復用濾光片7的位置處，光隔離器12位於第一光路軸向的一側；所述波分復用濾光片7能將從聚焦透鏡8射來的光反射至光隔離器12，從聚焦透鏡8射向波分復用濾光片7的光被波分復用濾光片7反射後形成第一反射光，所述第一反射光能垂直地照射到光隔離器12的輸入端面上，光隔離器12的輸出軸向與第一反射光同軸；

所述反射片16設置在安裝面上靠近光隔離器12的位置處，光隔離器12位於反射片16和波分復用濾光片7之間，光隔離器12輸出的光被反射片16反射後形成第二反射光；

所述耦合透鏡14設置在安裝面上靠近反射片16的位置處，第二反射光的軸向與耦合透鏡14的光軸同軸，耦合透鏡14的輸入面朝向反射片16；

所述外殼1上設置有與輸出光纖15匹配的第二光纖連接管，輸出光纖15中部套接在第二光纖連接管內，輸出光纖15內端延伸至安裝面上靠近耦合透鏡14的位置處，輸出光纖15內端通過連接件與安裝面連接，輸出光纖15內端端面與耦合透鏡14耦合，輸出光纖15的外端位於外殼1外部，輸出光纖15的外端形成集成化摻鉺光纖放大自發輻射光源的輸出端；

所述光譜整形濾光片13的安裝方式在如下兩種方式中擇一採用：

方式一：光譜整形濾光片13設置在安裝面上反射片16和光隔離器12之間的位置處，光隔離器12的輸出光能垂直地照射在光譜整形濾光片13上；

方式二：光譜整形濾光片13設置在安裝面上反射片16和耦合透鏡14之間的位置處，第二反射光能垂直地照射在光譜整形濾光片13上。

進一步地，所述半導體雷射器晶片2採用分布反饋式半導體雷射器晶片。

進一步地，所述半導體雷射器晶片2能產生峰值波長為975nm±5nm的窄光譜雷射。

進一步地，所述準直透鏡6、聚焦透鏡8和耦合透鏡14的表面均鍍有增透膜。

進一步地，所述傳輸光纖9和輸出光纖15均採用單模光纖。

進一步地，所述第一光纖連接管和第二光纖連接管位於外殼1的同側。