阅读说明：本技术 一种非接触式高效光能量传输方法 (Non-contact high-efficiency light energy transmission method ) 是由 王泰升 张红鑫 史成勇 于 2020-12-24 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种非接触式高效光能量传输方法,属于光电技术领域。解决传统光纤耦合方法像差难以控制,成像不清,耦合效率低的技术问题。本发明方法为发射光纤发射的光通过非球面光学系统的一片非球面透镜以平行光的形式传递至非球面光学系统的另一片非球面透镜,再汇聚至接收光纤端面,完成光能量的传输；非球面光学系统与光纤定位装置采用光机一体无热化设计,使得在高温工作时,焦距、工作距离不变,从而确保耦合效率不下降和光纤能量的稳定传输,保证光能量的高效传输。同时采用两体独立的无接触设计,镜体之间以平行光配合,对配合精度无要求,使得两体之间的装配距离误差对耦合效率无影响,从而降低装配难度,进而可以提高光能量传输效率。(The invention relates to a non-contact high-efficiency light energy transmission method, belonging to the technical field of photoelectricity. The technical problems of difficulty in controlling aberration, unclear imaging and low coupling efficiency of the traditional optical fiber coupling method are solved. The method of the invention is that the light emitted by the emitting optical fiber is transmitted to another aspheric lens of the aspheric optical system in the form of parallel light through one aspheric lens of the aspheric optical system and then converged to the end surface of the receiving optical fiber to complete the transmission of light energy; the aspheric optical system and the optical fiber positioning device adopt an optical-mechanical integrated athermalization design, so that the focal length and the working distance are unchanged during high-temperature work, the coupling efficiency is not reduced, the stable transmission of optical fiber energy is ensured, and the efficient transmission of light energy is ensured. Meanwhile, the non-contact design with two independent bodies is adopted, the lens bodies are matched with parallel light, the matching precision is not required, and the assembly distance error between the two bodies has no influence on the coupling efficiency, so that the assembly difficulty is reduced, and the light energy transmission efficiency can be improved.)

一种非接触式高效光能量传输方法

技术领域

本发明属于光电技术领域，具体涉及一种非接触式高效光能量传输方法。

背景技术

光纤耦合方法是传输光能量的方法，光纤耦合器是光纤与光纤，光纤与光学系统之间进行连接的器件，利用光纤耦合器可以将光束与光纤对接起来，以使光能量最大限度地耦合到接收光纤，提高整个光纤系统的光能量传输效率，这对于激光传导、信息传输等光电系统来说具有重要的意义。

传统的光纤耦合方法存在以下不足之处，该方法所用的绝大多数耦合器：(1)采用球面系统设计，耦合效率理论上可以达到92％。但由于诸多因素的影响，会出现光束聚焦效果不好，像差和光束变形增大，成像不清等现象，最终导致耦合效率降低。(2)未进行无热化设计，所谓的无热化设计就是指在系统设计时，利用光学材料和机械材料不同的热特性，使得系统在温度升高或降低时相互补偿相，以保证光学系统在一个较大的温度范围内保持稳定的像面位置和稳定的像质。因此缺少无热化设计就不能在温度变化时始终保持良好的工作特性，就会导致耦合器效率下降。(3)传统耦合器由于工艺制作与成本费用的控制，通常采用单体结构，这种结构对系统装配的误差，以及用户的操作误差非常敏感，极易出现操作失误或效率下降的情况。

发明内容

本发明要解决传统光纤耦合方法像差难以控制，成像不清，耦合效率低的的技术问题，提供一种非接触式高效光能量传输方法。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：

本发明提供一种非接触式高效光能量传输方法，包括以下步骤：

发射光纤发射的光通过非球面光学系统的一片非球面透镜以平行光的形式传递至非球面光学系统的另一片非球面透镜，再汇聚至接收光纤端面，完成光能量的传输；

所述发射光纤和接收光纤通过光纤定位装置的光纤插拔通道分别定位于所述非球面光学系统的两个焦点处；

所述非球面光学系统与光纤定位装置采用光机一体无热化设计，使得在高温条件下光能量传输时，焦距、工作距离不变，从而确保耦合效率不下降和光纤能量的稳定传输，进而保证光能量的高效传输。

在上述技术方案中，所述非球面透镜为膨胀系数极小的石英玻璃，所述光纤定位装置为金属材料。

在上述技术方案中，所述非球面光学系统的两个非球面焦点处分别设置有光纤限位卡口，分别限定发射光纤和接收光纤的插入深度，保证各光纤的端面定位于非球面焦点处。

在上述技术方案中，所述光纤定位装置设有兼容标准光纤接头的光纤外部端口。

在上述技术方案中，所述非球面光学系统与光纤定位装置还可以设置在系统外壳内部。

在上述技术方案中，所述系统外壳为金属材料。

在上述技术方案中，所述系统外壳上设置有光纤插口。

本发明的有益效果是：

本发明的非接触式高效光能量传输方法，通过引入两个非球面透镜控制光学像差，其中一片非球面透镜将发射光纤的光以平行光的形式传递至另一片非球面透镜，再汇聚至接收光纤端面。两个非球面透镜之间、光纤与非球面镜之间均无接触，并以平行光配合，无需进行精密装调。该方法采用非球面光学系统控制像差，以此来改进聚焦光斑的质量，达到提高耦合效率的目的；引入光机一体无热化设计，使得在高温工作时，焦距、工作距离不变，从而确保耦合效率不下降；同时采用两体独立的无接触设计，镜体之间以平行光配合，对配合精度无要求，使得两体之间的装配距离误差对耦合效率无影响，从而降低装配难度，进而可以提高光能量传输效率。对激光传导、信息传输等光电系统来说具有重要的意义。

附图说明

下面结合附图和

具体实施方式

对本发明作进一步详细说明。

图1是非接触式高效光能量传输方法的光学设计图；

图2是非接触式高效光能量传输方法的非球面光学系统和光纤定位装置的整体结构图；

图3是非接触式高效光能量传输方法的系统外壳结构图；

图4是非接触式高效光能量传输方法的光纤定位装置剖面图。

图中的附图标记表示为：

1-非球面光学系统，2-光纤定位装置，3-系统外壳，4-光纤插口，5-光纤限位卡口，6-光纤插拔通道，7-光纤外部端口，8-发射光纤，9-接收光纤。

具体实施方式

本发明的发明思想为：为了解决传统光纤耦合方法像差难以控制，成像不清，耦合效率低的的技术问题，本发明提供一种非接触式高效光能量传输方法，该方法首先引入非球面设计，利用非球面透镜有效控制像差，以此来改进聚焦光斑的质量，达到提高耦合效率的目的；其次引入光机一体无热化设计，将光学材料和机械结构的热性能统一考虑，使得在高温工作时，焦距、工作距离不变，从而确保耦合效率不下降；同时采用两体独立的无接触设计，镜体之间以平行光配合，对配合精度无要求，使得两体之间的装配距离误差对耦合效率无影响，从而降低装配难度，进而可以提高光能量传输效率。

结合图1-4具体说明本发明提供的一种非接触式高效光能量传输方法，包括以下步骤：

发射光纤8发射的光通过非球面光学系统1的一片非球面透镜以平行光的形式传递至非球面光学系统1的另一片非球面透镜，再汇聚至接收光纤9端面，完成光能量的传输；

所述发射光纤8和接收光纤9通过光纤定位装置2的光纤插拔通道6分别定位于所述非球面光学系统1的两个焦点处；

所述非球面光学系统1与光纤定位装置2采用光机一体无热化设计，使得在高温工作时，焦距、工作距离不变，从而确保耦合效率不下降和光纤能量的稳定传输，进而保证光能量的高效传输。

本发明的非接触式高效光能量传输方法中，所述非球面光学系统1是指采用两片非球面透镜，其中一片非球面透镜将发射光纤8的光以平行光的形式传递至另一片非球面透镜，再汇聚至接收光纤9端面。两个非球面透镜之间、光纤与非球面镜之间均无接触，并以平行光配合，无需进行精密装调。

本发明的非接触式高效光能量传输方法中，所述光纤定位装置2是采用插拔式结构设计，整体为金属结构，结构内设计有光纤插拔通道6，并在非球面光学系统1的非球面焦点处分别设计发射光纤8和接收光纤9的光纤限位卡口5，限定光纤插入深度，保证发射光纤8和接收光纤9端面定位于非球面焦点处。同时所述光纤定位装置2设有光纤外部端口7，所述光纤外部端口7兼容标准光纤接头，无需对光纤端口进行特殊处理。

本发明的非接触式高效光能量传输方法中，所述光纤定位装置2和非球面光学系统1采用光机一体无热化设计，将光学材料和机械结构的热性能统一考虑，采用膨胀系数极小的石英玻璃作为非球面透镜材料，同时系统外壳3采用全金属结构，保证良好的散热效果，使得耦合器在高温工作时，焦距、工作距离不变，从而确保耦合效率不下降和光纤能量的稳定传输，进而保证光能量的高效传输。

本发明的非接触式高效光能量传输方法中，所述光纤定位装置2和非球面光学系统1可以设置在一个密闭空间内的外部结构系统外壳3内，系统外壳3一般采用金属材料。为了保证系统良好的散热效果，系统外壳3与光纤定位装置2通过物理贴合的方式紧密接触，保证热量快速传导，同时系统外壳3外部留有外接螺孔，方便与其他外部设备连接。系统外壳3除了留有光纤插口4以外，其他部分完全封闭，避免外部光线进入系统，影响耦合效率，进而影响光能量传输效率。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。