《量子電子學報》 2020年第三期封面文章:
Huang Yuan, Ma Xiaoyu, Rao Changhui. Research of fiber coupling system based on compound
parabolic concentrator[J]. Chinese Journal of Quantum Electronics, 2020, 37(3): 309-313.
近年來,光纖激光器因抽運效率高、散熱好、輸出光束質(zhì)量高、結(jié)構(gòu)簡單、體積小等優(yōu)點,在工業(yè)和軍事國防等領域的應用愈發(fā)廣泛。
將多個小功率半導體激光器的輸出光進行合束之后作為抽運光耦合進有源摻雜光纖,光纖激光器可以生成高功率激光。為保證輸出光束質(zhì)量,有源摻雜光纖的纖芯一般較細,合束光很難聚焦到其芯部,因此需要一個高效率耦合系統(tǒng)。
常用的耦合系統(tǒng)采用分離透鏡耦合法,即通過分離光學元件構(gòu)建出共軸、準直與聚焦耦合系統(tǒng)實現(xiàn)輸入和輸出光纖之間高效耦合,一般會使用一些具有特殊形狀、較高加工精度的支承件來固定各種光學元器件,成本相對較高且尺寸較大。此外,透鏡有像差,壓縮后的光束若想發(fā)散角小,其尺寸就會大;若想尺寸小,其發(fā)散角必然大,耦合效率就會受到限制。
為了解決使用雙透鏡組來進行耦合時因像差而導致的抽運光與摻雜光纖的耦合效率受限、耦合系統(tǒng)的尺寸較大且較復雜等問題,來自中國科學院光電技術研究所的研究人員提出利用復合拋物面聚光器作為耦合系統(tǒng)的方法。相關研究結(jié)果發(fā)表于《量子電子學報》2020年第三期,并被選為封面文章。
研究人員將傳統(tǒng)耦合系統(tǒng)中的雙透鏡組合用基于非成像光學的復合拋物面聚光器(以下簡稱CPC)代替,經(jīng)過CPC耦合系統(tǒng)之后,抽運光束的尺寸大大降低到與有源摻雜光纖的纖芯尺寸相匹配,并且能量大部分集中在有源摻雜光纖的數(shù)值孔徑角度范圍內(nèi),可以提高耦合效率。

CPC聚光的原理是:當光線從0°到某一最大角度范圍內(nèi)進入CPC時,所有以最大角度入射的光線會被CPC的反射內(nèi)壁反射最多一次后,從CPC出射口的邊緣射出,那么以小于最大角度入射的光線都會被反射或者直射到出射口內(nèi),從而實現(xiàn)壓縮光束尺寸的目的。

通過仿真分析,復合拋物面聚光器可以將雙透鏡組的耦合效率提高大約15%。此外,由于復合拋物面聚光器入射口徑較大,簡化了光束對接,可以有較大的裝調(diào)公差,減少調(diào)整時間,降低成本。
課題組介紹
中國科學院光電技術研究所饒長輝研究員帶領的先進光學儀器研究團隊是中科院自適應光學重點實驗室的四大科研團隊之一,主要從事光學、機械、電子等方面的前沿技術研究、裝調(diào)、算法設計、試驗示范以及產(chǎn)業(yè)化推廣工作。目前設有5個研究方向:高精度波前檢測、光子雷達、超分辨力光學成像、醫(yī)學光學和太陽能綜合利用?!皥F隊”由“中科院科技進步一等獎”、“國家科技進步三等獎”、“中國科學院杰出成就獎”獲得者饒學軍研究員牽頭,承擔國家科技計劃、國家專項計劃、國家自然基金、中科院前沿計劃以及省部級等科研課題30余項,發(fā)表學術論文50余篇(SCI收錄超過20篇),申請專利100余項(獲得授權(quán)超過70項),獲得省部級以上獎勵10余項。團隊立足于全國光電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,與重慶綠色智能研究院、國家天文臺、云南天文臺、上海技術物理研究所、電子科技大學、國防科技大學等國內(nèi)單位開展了廣泛的科研合作。此外,團隊積極開展國際科研合作與交流,先后與美國的耶魯大學、智利的智利大學以及中科院南美天文中心(智利)建立了良好的合作關系。