專利名稱：用于監(jiān)控隨機偏振光的功率的組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學系統(tǒng)，尤其是涉及一種配置成監(jiān)控并測量隨機偏振光的功率的光學組件。
背景技術(shù)：
沿著高功率激光器系統(tǒng)傳播的光信號可在寬范圍內(nèi)變化。傳播信號的不穩(wěn)定性不利地影響激光器系統(tǒng)所執(zhí)行的任務(wù)和系統(tǒng)部件的功能。為了監(jiān)控光信號的功率的變化，光纖激光器系統(tǒng)設(shè)置有下面討論的功率監(jiān)控組件。圖I示出包括尾纖式線性偏振隔離器12的功率監(jiān)控組件10，尾纖式線性偏振隔離器12配置成支持分別在輸入尾纖式光纖14和輸出尾纖式光纖16之間的光信號Ii的傳播L隔離器芯體18設(shè)置有具有板形分束器22的抽頭耦合器監(jiān)控器20，板形分束器22可 操作來擴散掉耦合到光電探測器24、26中的一小部分光信號，用于進一步的測量。組件10已成功地用于線性偏振光的功率讀取。然而，由于下面的原因，很多已知的光學應(yīng)用(包括光纖激光器系統(tǒng))使用可能影響監(jiān)控器20的功率讀數(shù)的隨機偏振光來操作。當光穿過物質(zhì)傳播時，光會遭受功率損耗。功率損耗的促成因素之一是偏振。當光信號穿過至少部分地透明的材料時，信號的光功率由于空間偏振交互作用而在選擇的方向上減小。換句話說，光的能量在相對于彼此正交的兩個偏振狀態(tài)“P”和“s”之間被劃分。偏振狀態(tài)指光能在這兩個模式之間的分配。在這兩個偏振模式之間的損耗的差異表不器件的偏振相關(guān)損耗(F1DL)?；谏鲜鰞?nèi)容，具有隨機偏振光的光纖激光器系統(tǒng)的特征因此可以是例如入射在組件20的板形分束器22上的光的相應(yīng)“p”和“s”偏振狀態(tài)的不同的反射系數(shù)(Rp，Rs)。作為結(jié)果，抽出的光束的功率根據(jù)入射光的偏振來波動。目的在于提供具有涂層的板形分束器22的努力是不成功的，該板形分束器22可通過使Rp和Rs以期望的精度彼此匹配來補救隨機偏振光的影響。后者可通過在一范圍內(nèi)監(jiān)控光的當前器件的技術(shù)限制來解釋，在該范圍內(nèi)，反射系數(shù)R不超過I %部分。只有當反射系數(shù)R為大約20%時，Rp和Rs之間的上述關(guān)系才可被始終滿足。但20%將構(gòu)成功率的不能接受地高的損耗。圖2示出功率監(jiān)控組件的可選配置。該組件配置為光纖抽頭或光纖耦合器28。由光纖引導的一部分光耦合到光纖32中，光纖32將所述一部分光遞送到光電探測器34。這樣的功率監(jiān)控組件在不超過大約IOW的低功率時是有效的。圖3示出配置成探測沿著波導40的長度散射(瑞利散射)的功率的功率監(jiān)控組件36的又一配置。在波導40的芯體中的散射光由光電二極管42探測。然而，瑞利信號可能相當弱，因此需要復雜的探測器。此外，將直射和回射信號彼此分離可能很難。因此，需要一種光學裝置，其接收一部分隨機偏振信號光并能夠光學地處理該部分，使得射出該裝置的光束的功率是偏振不敏感的。

發(fā)明內(nèi)容
所公開的光學裝置允許通過所公開的組件有效地滿足上文所述的需要，該組件包括主第一分束器、另一第二分束器和探測器裝置。分束器配置成使得在第一分束器的部分反射的第一表面上的入射平面與在第二分束器的反射的第二表面上的入射平面大致上彼此正交。如本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員已知的，入射平面由入射在表面上的光束以及入射光束射到該表面的點處的法線確定。所公開的配置因此允許入射在探測器裝置上的輸出光經(jīng)歷兩次隨后的反射-從第一分束器和隨后從第二分束器。因此，入射在第一表面上從第一表面反射的例如處于偏振狀態(tài)“P”中的光進一步以偏振狀態(tài)“S”從第二表面反射。另一方面，入射在第一板形分束器上并從第一板形分束器反射的處于偏振狀態(tài)“S”中的光將經(jīng)歷以偏振狀態(tài)“P”從第二板形分束器的反射。因此，入射在從第二表面接收光的光電探測器上的光是偏振不敏感的，不管偏振狀態(tài)如何，在兩次反射之后的總反射系數(shù)都等于Rs X Rp。因此，在兩個偏振狀態(tài)之間的功率波動不影響所提供的光電探測器的讀數(shù)，當然，第一分束器配置有與第二分束器的相應(yīng)系數(shù)Rs和Rp相同的反射系數(shù)Rs和Rp。


從附有附圖的下面的具體描述中，本公開的上述和其它特征和優(yōu)點將變得更顯而易見，其中圖I是已知的現(xiàn)有技術(shù)功率測量裝置的一種配置；圖2是已知的現(xiàn)有技術(shù)功率測量裝置的另一種配置；圖3是并入現(xiàn)有技術(shù)功率測量裝置的又一種配置的高功率光纖激光器系統(tǒng)；圖4是根據(jù)本公開配置的功率測量裝置；以及圖5是在圖4的功率測量裝置中利用的體光學器件的示意圖。
具體實施例方式現(xiàn)在將詳細地參考所公開的功率監(jiān)控裝置和并入功率測量裝置的光纖激光器系統(tǒng)。在任何可能的情況下，在附圖和描述中使用相同或相似的附圖標記來表示相同或相似的部件或步驟。附圖是以簡化的形式，且決不是按精確的比例。圖4示出可在需要隨機偏振光的功率測量的任何光學系統(tǒng)中利用的功率測量光學裝置50。裝置50包括第一分束器52、第二分束器54和探測組件56。當信號隨機偏振光束Ii射到第一板形分束器52的部分反射表面58上時，所述光束的一部分(優(yōu)選地但不是必需地不超過光束Ii的百分比)被反射，而所述光束的其余部分被透射。光Ii的反射部分Ir取決于入射光的入射角和偏振方向。如果探測組件56沿著測量光路定位成緊接著第一分束器52之后，則所測量的功率將會波動，這取決于入射光Ii并因此反射光Ir是否處于“s”或“P”偏振狀態(tài)。因此，所公開的光學裝置50通過并入配置有部分反射表面60的第二分束器54而消除了功率測量數(shù)據(jù)對光束Ii的偏振狀態(tài)的依賴性。第一分束器52和第二分束器54分別相對于彼此定位成使得包括第一分束器52的表面58上的光Ii的第一入射平面大致上與第二分束器54的表面60上的反射光Ir的第二入射平面正交。第一入射平面由光Ii和射在第一分束器52的表面58上的點的光的法線N1確定，光Ii和法線N1之間限定第一入射角AOI115同樣，第二入射平面由入射在表面60上的光Ir和法線N2確定，光Ir和法線N2之間限定第二入射角Α0Ι2。如光學領(lǐng)域的普通技術(shù)人員容易理解的，發(fā)明的裝置50的最優(yōu)選的配置包括在上面公開的平面之間的直角。然而，在平面之間的角可在大約85°和95°之間的范圍內(nèi)變化，而不關(guān)鍵性地影響期望的測量精度。初始隨機偏振光Ii的偏振矢量包括兩個正交分量El和E2,如普通技術(shù)人員所公知的。當從第一分束器52和第二分束器54被依次反射時，分量El和E2的特征可以是各自的全反射系數(shù)Rei和RE2。如果全反射系數(shù)Rei和Re2是相同的，即，Rei = Re2，則入射在探測組件56上的輸出光束Io的功率是偏振不敏感的。這個要求由分束器52和54滿足，每個分束器具有一對“P”偏振狀態(tài)的系數(shù)Rp和“s”偏振光的系數(shù)RS，其中第一分束器52的系數(shù)Rp和Rs大致上等于第二分束器54的相應(yīng)系數(shù)Rp和Rs。、
假定例如主光Ii的El分量具有“s”偏振狀態(tài)，并因此通過來自第一分束器52的反射系數(shù)Rs表征。因為分束器52和54基本上具有統(tǒng)一的光學配置，因此入射在第一分束器52上并從第一分束器52反射的分量El的“s”偏振狀態(tài)轉(zhuǎn)變到具有相應(yīng)的反射系數(shù)Rp的“P”偏振狀態(tài)，作為分量El從第二分束器54反射的結(jié)果。因此，在探測組件56的輸入端的全反射系數(shù)REl可被確定為RsxRp。當從第一分束器52反射的光Ii的E2分量進一步從分束器54彈回時，其“P”偏振狀態(tài)旋轉(zhuǎn)成“s”偏振狀態(tài)。與系數(shù)Rei —樣，全反射系數(shù)Re2也被確定為RsxRp。因此，在兩個偏振狀態(tài)之間的功率的波動不影響探測組件56的讀數(shù)。當然，所公開的裝置50可在向前和向后方向上測量光功率?；厣涔獾臏y量將需要如虛線示出的與板形分束器54類似地配置的另一板形分束器54’以及探測組件56’。用于獲得所公開的裝置的偏振不敏感功率讀數(shù)的基本條件包括下列各項兩個分束器的一致的反射系數(shù)Rs和兩個分束器的一致的反射系數(shù)Rp。原則上，這個條件足以實現(xiàn)所公開的概念。分束器52的表面58上的光Ii和第二分束器54的表面60上的光Ir的入射平面的大致正交性。理想地，在板形分束器52上的光Ii的入射角(AOI)和在第二板形分束器54上的光Ir的AOI的大致一致性；從技術(shù)上說，AOI可在一范圍內(nèi)變化，但優(yōu)選地，AOI是45°。然而，AOI可以彼此根本不相等。為了防止穿過第一板形分束器52透射的光束Ii的相當大的功率損耗，板形分束器52和54各可覆蓋有抗反射(AR)涂層62。涂層62優(yōu)選地配置成使得反射光Ir和輸出光Io各自分別衰減大約20-30dB。在大約40到60dB之間的范圍內(nèi)的總衰減可能對探測組件56的光電探測器的操作是有益的。例如，如果輸入光Ii具有大約100W的功率，則上面提到的衰減范圍允許光電探測器在線性狀態(tài)中工作。裝置50也可配置有可包括例如半波片或90°延遲器的偏振控制部件64。如光學領(lǐng)域的普通技術(shù)人員已知的，半波片配置成使一個偏振分量相對于另一偏振分量延遲波長的一半。90度延遲器將偏振旋轉(zhuǎn)90度。換句話說，不管表面58和60相對于彼此的位置，部件64如果被光Ir射到都將一個偏振分量旋轉(zhuǎn)成另一個偏振分量。此外,一般地,光學線路配置成使得光束在一個優(yōu)選地水平的平面中傳播。裝置50如果沒有配置板64，則提供光束在垂直和水平面中的傳播，因此可被認為是三維配置。偏振控制部件64的并入使得第二板形分束器54定位成在例如與光束的其余部分相同的水平面中按規(guī)定路線發(fā)送輸出光束Io0參考圖5，裝置50可具有配置成使反射光束Ir和Io分別更進一步地衰減的另外的部件。配置之一可包括負球面體光學器件66。裝置50的又一配置可具有光擴散板68。功率衰減體部件當然定位成緊鄰探測組件56的光電探測器70。所公開的裝置50可制造為光學系統(tǒng)的單獨部件或一體部件。例如，光學系統(tǒng)可配置為尾纖式隔離器，其包括裝入45°光延遲器的殼體、法拉第旋轉(zhuǎn)器、輸出偏振器、以及輸入和輸出準直器。換句話說，裝置50可并入高度概略地示出的隔離器120中 。如光學領(lǐng)域的普通技術(shù)人員已知的，配置成處理隨機偏振光的隔離器120基于可操作以將兩個正交偏振分成兩個光束并進一步組合所述光束的結(jié)構(gòu)。參考圖6，有利地，裝置50被并入隔離器中，而該隔離器又是高功率光纖激光器(HPFL)系統(tǒng)200的部件。系統(tǒng)200可具有無限的配置，因此圖6所示的配置是示例性光纖激光器系統(tǒng)的示意圖。系統(tǒng)200可具有一個或多個級聯(lián)。優(yōu)選地，級聯(lián)202各分別配置有增益塊，所述增益塊包括有源光纖204，即，摻雜有稀土或過渡金屬的離子的光纖，以及輸入無源光纖206和輸出無源光纖208。有源光纖204的相對端的每一個被熔合到無源光纖。優(yōu)選地但不是必需地，有源光纖204具有能夠在期望波長處支持基模的多模芯體。為了提供光從一個光纖到另一光纖的基本上無損耗的耦合，所有光纖都具有允許有源光纖和每個無源光纖之間的相當大的模匹配的幾何結(jié)構(gòu)。具有裝置50的隔離器可位于隨后的級聯(lián)之間和/或沿著系統(tǒng)200的輸出端。對技術(shù)人員顯而易見的是，可在當前公開的高功率激光器系統(tǒng)中進行各種修改和變更。因此，旨在在所附權(quán)利要求及其等效形式的范圍內(nèi)，本公開涵蓋了本公開的修改和變更。
權(quán)利要求
1.一種用于測量隨機偏振光束的功率的裝置，包括 間隔開的第一分束器和第二分束器，所述第一分束器和所述第二分束器被配置成依次反射所述隨機偏振光束的一部分，使得從所述第二分束器反射的輸出光束具有與入射在所述第一分束器上的所述隨機偏振光束的偏振狀態(tài)無關(guān)的功率；以及 光學組件，其操作以探測所述輸出光束并測量所述輸出光束的與所述隨機偏振光束的功率成比例的功率。
2.如權(quán)利要求I所述的裝置，其中所述第一分束器和所述第二分束器相對于彼此定位成使得在所述第一分束器的部分反射的第一表面上的包括所述隨機偏振光束的入射平面基本上與在所述第二分束器的部分反射的第二表面上的從所述第一表面反射的部分光的入射平面正交。
3.如權(quán)利要求2所述的裝置，其中所述反射表面定位成使得所述隨機偏振光束在所述第一分束器上的入射角(AOI)基本上等于所述隨機偏振光束的從所述第一分束器反射并入射在所述第二分束器上的一部分的AOI。
4.如權(quán)利要求2所述的裝置，其中所述反射表面定位成使得所述隨機偏振光束在所述第一分束器上的入射角(AOI)不同于所述隨機偏振光束的從所述第一分束器反射并入射在所述第二分束器上的一部分的AOI。
5.如權(quán)利要求2所述的裝置，其中所述第一分束器和所述第二分束器各配置有反射系數(shù)Rs和Rp，其中所述Rs是具有正交于所述入射平面的矢量E的“s”偏振狀態(tài)的反射系數(shù)，而所述Rp是具有位于所述入射平面中的矢量E的“p”偏振狀態(tài)的反射系數(shù)，對于給定的入射角(AOI)，所述第一分束器的所述Rs和Rp與所述第二分束器的相應(yīng)Rs和Rp基本上相同。
6.如權(quán)利要求5所述的裝置，其中所產(chǎn)生的所述輸出光束的反射系數(shù)等于RsxRp，而不管所述隨機偏振光是處于所述“S”偏振裝置或“P”偏振狀態(tài)。
.6.如權(quán)利要求2所述的裝置，其中各個所述第一分束器和第二分束器的反射表面每一個被抗反射涂層覆蓋，所述抗反射涂層被配置成最小化要被監(jiān)控的所述隨機偏振光束的衰減。
7.如權(quán)利要求I所述的裝置，還包括位于所述第二分束器和用于探測并測量所述輸出光束的光學組件之間的體光學器件，所述體光學器件配置成削弱所述輸出光束的功率，并簡化所述光學組件的探測器在經(jīng)兩次反射的部分光的路徑中的定位，所述探測器選自由負球面透鏡和光散射器件所組成的組。
8.如權(quán)利要求6所述的裝置，其中所述抗反射涂層配置成使得經(jīng)兩次反射的部分光被衰減，使得用于測量所述光功率的所述光學組件在線性狀態(tài)中操作。
9.如權(quán)利要求I所述的裝置，還包括 另一第二板，其與所述第一分束器光通信，從而接收在與穿過所述第一分束器透射的所述隨機偏振光束的方向相反的方向上傳播的隨機偏振回射光束，以及 另一光學組件，其設(shè)置成接收并測量與耦合到所述第一分束器中的所述回射光束的偏振狀態(tài)無關(guān)的回射光束的功率。
10.如權(quán)利要求I所述的裝置，還包括在所述第一分束器和所述第二分束器之間的偏振控制部件，所述偏振控制部件選自半波片和90°延遲器所組成的組。
11.一種尾纖式光隔離器，包括 隔離器芯體，其被向前傳播的隨機偏振光束沿著光路穿過；以及 功率測量裝置，其沿著所述芯體的第二段定位并包括 間隔開的第一分束器和第二分束器，所述第一分束器和所述第二分束器配置成依次反射所述隨機偏振光束的一部分，使得從所述第二分束器反射的輸出光束具有與入射在所述第一分束器上的所述隨機偏振光束的偏振狀態(tài)無關(guān)的功率；以及 光學組件，其能夠操作以探測所述輸出光束并測量所述輸出光束的與所述隨機偏振光束的功率成比例的功率。
12.如權(quán)利要求11所述的光隔離器，還包括偏振控制部件，所述偏振控制部件位于所述第一分束器和第二分束器之間并選自半波片或90°延遲器。
13.如權(quán)利要求11所述的光隔離器，其中所述第一分束器和所述第二分束器相對于彼此定位成使得在所述第一分束器的部分反射的第一表面上的包括所述隨機偏振光束的入射平面基本上與在所述第二分束器的部分反射的第二表面上的從所述第一表面反射的所述部分光的入射平面正交。
14.如權(quán)利要求13所述的光隔離器，其中所述第一表面和所述第二表面定位成使得在所述第一分束器上的所述隨機偏振光束的入射角(AOI)基本上等于從所述第一分束器反射并入射在所述第二分束器上的所述部分隨機偏振光束的AOI。
15.如權(quán)利要求13所述的光隔離器，其中所述第一表面和所述第二表面定位成使得在所述第一分束器上的所述隨機偏振光束的入射角(AOI)不同于從所述第一分束器反射并入射在所述第二分束器上的所述部分隨機偏振光束的AOI。
16.如權(quán)利要求13所述的光隔離器，其中所述第一分束器和所述第二分束器各配置有反射系數(shù)Rs和Rp，其中所述Rs是正交于所述入射平面(POI)的“s”偏振狀態(tài)的反射系數(shù)，而所述Rp是位于所述POI中的“P”偏振狀態(tài)的反射系數(shù)，對于選定的AOI，所述第一分束器的所述Rs和Rp基本上與所述第二分束器的相應(yīng)Rs和Rp相同。
17.如權(quán)利要求13所述的光隔離器，其中各個所述第一分束器和第二分束器的反射表面每一個被抗反射涂層覆蓋，所述抗反射涂層配置被成最小化在工作波長處的所述隨機偏振光束的衰減。
18.如權(quán)利要求11所述的光隔離器，還包括光衰減部件，所述光衰減部件位于所述第二分束器之間，并選自由負球面體光學器件和光散射板68所組成的組。
19.一種高功率光纖激光器系統(tǒng)，包括 至少一個放大級聯(lián)，其操作以放大沿著路徑傳播的隨機偏振輸入光束；以及 用于測量放大的所述隨機偏振光束的功率的裝置，所述裝置與所述放大級聯(lián)光通信，所述裝置包括 間隔開的第一分束器和第二分束器，所述第一分束器和所述第二分束器配置成依次反射所述隨機偏振光的一部分，使得從所述第二分束器反射的輸出光束具有與入射在所述第一分束器上的所述隨機偏振光的偏振狀態(tài)無關(guān)的功率；以及 光學組件，其能夠操作以探測所述輸出光束并測量所述輸出光束的與所述隨機偏振光的功率成比例的功率。
20.如權(quán)利要求19所述的HPEL，其中從所述第一分束器反射的所述輸入光束的一部分在基本上與所述輸入光束在所述第一分束器上的入射平面正交的入射平面中延伸，所述第一分束器和所述第二分束器各配置有反射系數(shù)Rs和Rp，其中所述Rs是具有正交于所述入射平面的矢量E的“s”偏振狀態(tài)的反射系數(shù)，而所述Rp是具有位于所述入射平面中的所述矢量E的“p”偏振狀態(tài)的反射系數(shù)，對于給定的入射角(AOI)，所述第一分束器的所述Rs和Rp基本上與所述第二分束器的相應(yīng)Rs和Rp相同，使得所述輸出光束所產(chǎn)生的反射系數(shù)等于RsxRp，而不管所述隨機偏振光是處于所述“s”偏振狀態(tài)或“P”偏振 狀態(tài)。
全文摘要
一種用于測量隨機偏振光束的功率的裝置配置有間隔開的第一分束器和第二分束器，所述第一分束器和所述第二分束器具有相應(yīng)的反射表面，所述反射表面彼此面對并配置成依次反射入射在所述第一分束器上的隨機偏振光束的一部分。所述分束器的尺寸被形成為并成形為使得從所述第二分束器反射的輸出光束具有與所述隨機偏振光束的偏振狀態(tài)無關(guān)的功率。
文檔編號G01J1/04GK102667426SQ201080047054
公開日2012年9月12日 申請日期2010年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月19日
發(fā)明者弗拉基米爾·祖耶夫, 艾萊克伊·馬米恩 申請人:Ipg光子公司