LD快轴准直透镜FAC
光电信息综合实验复习范围
实验8
1高斯光束的三个重要参数是什么？束腰半径的定义。
、 、 分别表示了高斯光束的光斑半径、等相面曲率半径、相位因子，是描述高斯光束的三个重要参数； 定义为场振幅减小到最大值的 的 值，称为腰斑，它是高斯光束光斑半径的最小值
2光斑半径随坐标的变化规律。
光斑半径 随坐标 按双曲线
规律而向外扩展，如图8-1所示
图8-1高斯光束以及相关参数的定义
3瑞利长度和远场发散角的定义。
在光学，特别是激光学中，我们设鞍腰部（如图中所示的最低处）为A，其横截面面积为a，沿光的传播方向，当横截面面积因为散射达到2a时，我们设此处为B，瑞利长度或者瑞利射程正是指从A到B的长度（即图中所示ZR)。相关参数是共轭焦距，b，其长度是两倍的瑞利长度。当光波按高斯模型传播的时候，瑞利长度则显得非常重要。
补：常用的光电探测器有光电管、光敏电阻、光电池和CCD探测器等
2泵浦耦合方式；端面泵浦耦合的方式；半导体泵浦固体激光器采用的泵浦方式。
主要有端面泵浦和侧面泵浦；直接耦合和间接耦合（组合透镜系统耦合、自聚焦透镜耦合、光纤耦合）；间接耦合（组合透镜系统耦合）
3课前预习题①半导体固体激光器的特点；②泵浦耦合方式有哪两种？③直接耦合和间接耦合方式的区别；④间接耦合常见的方式有哪几种？⑤本实验如何进行压缩和耦合的？
纵模特征：相邻纵模频率间隔相等；对应同一横模的一组纵模，它们强度的顶点构成了多普勒线型的轮廓线。
相邻纵模频率间隔和激光器的腔长成反比。即，腔越长，Δν纵越小，满足振荡条件的纵模个数越多；相反腔越短，Δν纵越大
4课后思考题
············
5共焦球面扫描干涉仪可以用来观测什么？其结构如何？（图6.2）
二极管激光器垂直阵列光束精密准直
ｂｒ ａ
散 角和高 耦合效 率 ， 要求 对快 轴方 向光束 进行 准直 。
为 了研究 Ｆ ＡＣ微透 镜 的准直性 能 ， 使用 光线 追迹法 描述 二 极管 激光 ｂ ｒ （ ａ 条 或称 二极 管激 光线 阵 ） 出射激 光经 过 微准 直 透 镜后 的效 果 ， 图 １ 如 所示 ，Ｄ表 示 ＤＬ出射 光束 沿快 轴方 向 的发 臼Ｌ
随 着 大 功 率 全 固态 激 光 器 （ Ｌ 和 光 纤 激 光 器 （ Ｌ 的 快 速 发 展 ， 极 管 激 光 器 （ Ｉ） 其 结 构 紧 凑 、 光 ＤＰ ） Ｆ ） 二 Ｄ 因 电
转 换效率 高 、 寿命 长 、 调制 和易 集成 等优点 被认 为是 最有 前景 的泵 浦激光 器口 ， 易 剖 在工 业加 工和 医疗 等领 域得
图 １ 光线 通 过 Ｆ ＡＣ透 镜 的 示 意 图
要 六轴精 密调 节装 置 。定义 Ｆ ＡＣ透 镜焦距 与 物距 的差 为 Ｆ ＡＣ透 镜 位置 误 差 （ 也称 位 置 容忍 偏差 ） 记 为 △ ， ｚ，
表示 为
△Ｚ 一± ０ ５ ／ ． Ａ ＮＡ。 （） １
式 中 ： 二极 管激光 波 长 ， ｍ； 为 ｎ ＮＡ 为数值 孔 径 。 由于 Ｆ ＡＣ微 透镜尺 寸 和焦距都 较 小 ， 调 节装 置 的 精度 要 求很 高 ， 对 假设 一８ ８ｎ ＮＡ一０ ８ ， ＡＣ透 ０ ｍ， ．０ Ｆ 镜长 １ ０ｍｍ， ＡＣ透镜 焦距 ＾ 一１０ ０／ Ｆ ｃ ０ ， ｍ。以下对 调节 装置 所需 理论 精度 进行 简要分 析 。
（ Ａ 微 透 镜 的 光 束 准 直 原 理 ， 析 了调 节 装 置 的精 度 要 求 及 透 镜 选 择 等 问题 。通 过 光 学 成 像 方 法 实 时 监 测 Ｆ Ｃ） 分 二 极 管 激 光 ｂ ｒ 的 近场 像 和远 场像 ， Ｆ Ｃ透 镜 分别 进 行 粗 调 节 和 细 调 节 ， 得 了 ２ ａ条 对 Ａ 获 Ｏ个 ｂ ｒ 连 续 输 出 ２ ａ条
光纤准直器原理
光纤准直器原理(3)光纤准直器原理一.模型光纤准直器通过透镜能实现将从发散角较大(束腰小)的光束转换为发散 角较小(束腰大)的光束，从而以较低损耗耦合进入其他光学器件。
在这里， 我们将从光纤中的出射光束认为是基模髙斯光束；光纤准直器基本模型如下：图1光纤准直器原理示意图其中，q ( (i=0,l,2,3)为高斯光束的q 参数，q 参数定义为:1 _ 1・兄°(z) R(z)'砂2(z)‘图1中，％ (l=0,l,2,3)分别表示光纤端面，透镜入射面，透镜出射面, 光束的束腰处的q 参数，而％|和％2分别表示透镜变换前后的束腰；/表示光纤 端面与透镜间隔，仏为准直器的设计工作距离。
二.理论分析根据ABCD 理论，高斯光束q 参数经透镜变换后,Aq { + B 山 _ Cq^+D ，(1)R (z)= Z + — f vv(z)= W o和出射而且，01=%+/, 02 =03 - J /2，^0 => 如=/^^ =西。
A A这样，我们可以得到经过透镜后的束腰大小：I~~AD-BC八、% = w0I j 一-~~卩，--------------- ⑷帖+ »+©)工作距离：,一。
⑷+B)(C7 + D)+AQ；2 “、'' (C/ + M+如，方程(5)是关于/的二次方程，为使得/有实根，方程(5)的判别式应该不小于零，从而我们可以得到：AD-BC- 2ACf}(6)■ 可、方程(6)表示准直器的工作距离有上限，就是一个最大工作距离/g=(AD-BC-2A0)/(CY)。
此时，我们得到：1 =人_卡。
分析：不论对于何种透镜，准直器的出射光斑和工作距离都取决于透镜的传输矩阵ABCD；对于给定的透镜，它们还跟入射光斑大小和光纤端面与透镜间的距离？有关，也就是说，对于给定的入射光束和给定的透镜，我们可以通过在透镜焦距附近改变/来实现不同的工作距离。
半导体激光阵列快轴准直特性
半导体激光阵列快轴准直特性潘飞;尧舜;贾冠男;李峙;高祥宇;彭娜;王智勇【期刊名称】《北京工业大学学报》【年(卷),期】2014(040)009【摘要】为解决大功率半导体激光阵列快轴准直镜装调缺乏定量研究的问题,利用光线传输矩阵法和CCD成像法,获得其准直后光束的指向和发散角.对比半导体远场特性分析仪测量准直后的残余发散角可知,利用光线传输矩阵法和CCD成像法测量角度,测量误差可以控制在13％以内,CCD成像法可作为调整半导体激光阵列准直的有效监测手段.同时,测试6个自由度上准直镜的位置对快轴准直的影响,分析各轴上准直镜位置的允许偏差量,为全自动装调快轴准直镜的算法优化提供了实验基础.结果表明:快轴准直镜装调对各轴运动精度要求不同,尤其对y轴运动精度要求最高.【总页数】4页(P1298-1301)【作者】潘飞;尧舜;贾冠男;李峙;高祥宇;彭娜;王智勇【作者单位】北京工业大学激光工程研究院,北京 100124;北京工业大学激光工程研究院,北京 100124;北京工业大学激光工程研究院,北京 100124;北京工业大学激光工程研究院,北京 100124;北京工业大学激光工程研究院,北京 100124;北京工业大学激光工程研究院,北京 100124;北京工业大学激光工程研究院,北京 100124【正文语种】中文【中图分类】TN248.4【相关文献】1.单管半导体激光器快轴准直轴向误差分析 [J], 陈晴;牛奔;杨盈莹;张玲;林学春;徐莉2.半导体激光列阵慢轴准直和聚焦特性 [J], 丁鹏;曹银花;祁俊峰;王晓薇;左铁钏3.采用组合透镜阵列准直半导体激光器线阵 [J], 樊桂花;吴健华;孙华燕;郭惠超;梁丹华4.光纤微透镜用于阵列半导体激光器快轴准直研究 [J], 高雪松;高春清;高明伟;李家泽;魏光辉5.半圆形半导体激光器阵列准直工艺方法研究 [J], 任浩;王伟;刘会民;徐会武;王晓燕;安振峰因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
双曲柱面C平面透镜的准直性能!-重庆师范大学学报
较高时， 应采用非球面透镜， 而在所有非球面折射系统中， 双曲面又是较为简单易于加工的一种。本文以光 线光学的理论为基础对激光束经过双曲柱面C平面透镜后的光强分布进行分析， 以便正确认识和使用这种方 法。
［E］ *! 双曲面准直原理 及透镜准直光路
设曲面 3 是两种光学介质 （ 折射率分别为 (* ， (" ， 且 (* T (" ） 的分界面， 此面有一旋转对称轴 4 轴。一点 向 4 的正方向发出发散光束， 经过曲面 3 折射后， 得到平 光源位于折射率为 (* 的介质中 4 轴上的点 # 处， 行于 4 轴的准直光束， 如图 * 。根据等光程原理， 可推导出曲面 3 的方程为 （ ( V *） !# （ ! "）U (?,; " V *
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小型激光二极管面阵的柱透镜耦合系统
第36卷，增刊红外与激光工程2007年6月V bL36Suppl锄ent hl f hr ed and I。
aS e r E ngi ne er i ng Jun．2007小型激光二极管面阵的柱透镜耦合系统贾伟，姜畅，王莉，王飞(西北核技术研究所，陕西西安7100124)摘要：利用三维光线追迹的方法，对小型激光二极管面阵的柱透镜耦合系统进行数值模拟研究。
利用三个尺寸完全相同的柱透镜，将发光面积为10删n×8m m的激光二极管面阵输出的432w连续泵浦光耦合至①5m m泵浦区域内，在不考虑柱透镜衰减的前提下，在±5InI n的景深范围内，耦合效率超过96％，有利于激光介质对泵浦光吸收。
关键词：激光二极管面阵；柱透镜；耦合中图分类号：1N248文献标识码：A文章编号：1007—2276(2007)增(激光)．0171．03C oupl i ng s ys t em of cyl i ndr i cal l ens f or LD s t acl【sⅡAW|ei，JL蝌GCh锄g，删G Li，删G Fei(N of th眦st I I l s t it I I t c of N∞le缸础ol ogy，Ⅺ恤710024，Ch㈣A bst r act：W i t h t ll e hel p of num er i ca l aI l al ys i s of t l l ree—di m ens i on r ay仃；a c i ng，m e coupl i I唱syst em ofcyli n嘶cal1e ns f or sm al l—s i ze L D s t a c ks w a s st udi e d．ne432W C W pum p r adi a t i on O f m e10m m×8m m L D s t a ck w a s coup l ed i nt o a l l a r e a of①5l砌byⅡl I-ee cyl i n“cal l ens es of m e s锄e si z e．ne coupl i nge m ci e ncy beyond96％w嬲r e ac hed i n m e d印m of f i el d of±5m m，w i t hout consi der i I培of m e l os s of吐l ecyh ndr i cal l e ns，w l l i c h w oul d be V eD r hel pf ul f or abs or bi ng of t ll e puI np r adi at i on．K ey w or ds：L D s t ack；Cyhn衄cal l ens；C o upl i n gO引言目前，激光二极管(L D)及其阵列已成为固体激光器的主要泵浦源，特别是在高重频高功率固体激光领域，由于其在效率、寿命以及结构等方面的巨大优势，激光二极管泵浦已基本取代了传统的闪光灯泵浦。
第八章--激光准直技术
2、四象限PSD工作原理（平恒电桥法） 如图8-15所示，
图8-15 1、当四象限硅光电池中心和准直线同轴时，四块硅光电池 输出电压相同，电桥平衡。 2、若输出不平衡，测准直中心变化，根据其变化规律，可 判断其方向。
要求：四象限硅光电池光电特性完全一致，一般不易保 证 ， 其 差 值 多 达 20% ， 可 采 用 以 下 平 衡 电 阻 法 来 解 决 。 （图8-16）
中心光效的直径近似为：d0
2 4
n1
例，设θ=0.01rad，R=5mm，n=1.5，λ=0.6328×10-3mm
则 Zma xn R 10.5 50.0 110m 00 m
d02.4 1.05.6 132 01 .080 13 0.1mm
§8-2 位相测量型激光准直系统
如图8-11所示：
图8-11
部分资料从网络收集整 理而来，供大家参考，
感谢您的关注！
J0
r
位相 振幅
其 r2 中 x2y2 ， 22k2, k2
如果光波为高斯光束则：
E2ejzJ0rex p r20 2
当上二式中时：
E1 ejz ——平面波
E2 expr202ejz ——一般高斯光束
从Bessel-Gaussian光束的表达式可以看出，
其振幅 J0arexpr202 只与X、Y有关，而与Z无关，
Df d
其产生零阶Bessel-Gaussian光束的条件为：
Δd<<2λF（F为透镜的F数：
F
1 D
f
f D
）
例：设d=φ2.5mm，fˊ=305mm，D=φ7mm
则 Zma x7 2.350585m 4m
此时产生零级Bessel-Gaussian光束的条件为：
光纤准直器
原理——示意图
近高斯光束
束腰半径小 发散角大
腰斑较大 发散角小
Fiber Pigtail 光纤尾纤
折射率径向变 Grin Lens Glass Sleeve 化示意图 （1/4透镜） 玻璃套管
种类首页
种类——综述
• C-Lens光纤准直器: Cylindrical-Lens,球端面透镜技术准直 器 • G-Lens光纤准直器: Grin Lens,斜端面折射率径向渐变技术 准直器
工艺首页
工艺——Lens组装
制作工艺 Lens组装
UV胶
玻璃管
Lens
Epoxy环氧树脂
工艺——Pigtail组装
斜面对齐 对齐后作标记
工艺——Holder套管组装
Lens Holder
工艺——组装说明 ➢准直器装配工艺I
1. 将透镜与玻璃管固定好
2. 如图搭建光路，将玻璃管固定在调节架上，反射镜置于透镜前面Zw/2位置，用夹子夹住尾 纤前后移动，直至损耗最小，将毛细管与玻璃管固定。
光纤准直器
目录
原理 种类 参数指标 工艺
原理首页
原理
光纤准直器的基本原理是，将光纤端面置于准直透 镜的焦点处， 使光束得到准直，然后在焦点附近轻微 调节光纤端面位置，得 到所需工作距离，因此准直器 的工作距离与光纤头和透镜的间距相关。 光纤准直器 的作用是将光纤输出的束腰半径较小而发散角较大 的 近似高斯光束转化为腰斑较大而发散角较小的光束， 以增加 对轴向间距的容查从而提高光纤与光纤之间的 耦合效率，这样 可使两准直器之间保持较长的距离， 可以插入光学元件以实现 器件性能。如下图所示；
C-Lens 可通过增大端面曲率半径来增加工作距离，比GLens 改变参数相对容易，长工作距离应用中具有优势，而 在普通应用中，也因其成本优势受到欢迎。只是在Filter 型 WDM 中，需要在透镜的端面粘贴滤波片，Grin-Lens端面为 平面易于贴片。
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1
LD快轴准直透镜FAC: 从初级像差设计到ZEMAX建模
以某公司的LD快轴准直透镜为例说明其光学设计主要步骤，所用的方法为初级像差设计+zemax
建模. 初级像差方法的技术细节，可参考任一光设经典书籍。zemax建模仅涵盖性能评估+优化+
应用，制造分析如公差+出图在此不予讨论。
希望对各位有所帮助。(zemax版本为2005)
图中所选为感兴趣的LD快轴准直透镜，设计步骤：先是用倒描光路方法进行初级像差设计和
zemax序列模式建模及优化， 然后是zemax非序列模式应用举例。
1， 已知参数：
• 平凸柱面镜：非球面面型
• Wave=808nm
• NA=0.5， EFL=0.9mm， BFL=0.09mm，W=1.5mm， H=1.5mm
• N-LaF21, n=1.77584@808nm
• LD快轴发散角FWHM=35°
• HB/XB级别质量：准直光束85%/90%能量角度θ=+/-1mrad (+/-0.0573°).
2
2， 高斯光学计算：
• LD 1/e^2发散角=35°*0.85=29.75°=0.52rad, 束腰直径=2*0.808/(3.1416*0.52)=1um;
视场角0.06°，典型大口径小视场光学系统，轴上球差是主要的像差.
• 焦面弥散斑最大允许直径：δ= EFL*2θ=1.8um ------系统性能评估目标；
• 凸面曲率半径R1=(n-1)*EFL=0.6983mm, 厚度d=1.5 mm------系统初始结构参数；
• BFL=EFL-d/n=0.055.
• NA=0.5, F#=1, h1=0.45, u1=0.5,
h2=h1-d*u1/n=0.45-1.5*0.5/1.77584=0.028, 可见h2非常小.
3， 初级像差设计:
• 整体透镜可视为一凸平薄透镜 + 厚度d1.5 mm玻璃平板的组合；
• 如考虑到凸面面型为球面, 透镜的球差系数S=S1+S2
S1=h1*P为平凸薄透镜球差系数, S2=-(n^2-1)/n^3*d*u1^4为玻璃平板球差系数. 透镜弯
曲Q=-1, 所以P=1.21, S1=0.068, S2=-0.036, S=0.032.
如若用非球面来校正轴上球差, 则可计算凸面的一阶非球面系数conic:
conic=-e^2=S*R1^3/((1-n)*h1^4)=-0.3424
• 综上, 可得到该快轴准直透镜的系统参数及初始结构参数:
F#=1, Wave=808nm, FOV=0
面1: R0.698, d1.5, n1.77584, conic=-0.3424
面2: R0, d0.055
3
4， Zemax序列模式建模评估及优化:
• Zemax序列模式中输入以上数据, 将第一面设成球面, 计算初级球差系数为0.31997,
与初级像差分析结果附和. 点列图RMS约27um.
• 将第一面conic设为-0.3424, 计算初级球差系数为-0.000001. 其点列图RMS约0.6um,
已经满足小于系统衍射限及焦面弥散斑 最大允许直径的设计要求.
• 将第一面R, conic设为变量, EFFL及6x6wavefront RMS设为评价函数进行优化。下
图是优化的结果之一, 初级球差系数为-0.000492. 其点列图RMS约0.24um. 负的初
级球差用以补偿高级球差, 有兴趣的朋友可以自己分析琢磨.
可以看出, 就设计该LD-FAC而言, Zemax这一典型现代光设软件优化结果与用传统
初级像差方法设计的初始结构之间的差别是很小的。
4
5， Zemax非序列模式LD_FAC应用举例:
• 典型LD 参数: ARRAY 19X1, 间隔0.5mm, Wave=808nm, LD快轴发散角FWHM=35°, LD
慢轴发散角FWHM=11°, 1百万条光线.
• FAC: biconic, Ry2=0.69815, d1.5, n1.77584, Ky2=-0.34757, 高1.5, 长12, AR膜I=0.98;
• 准直光束~92%能量角度θ=+/-0.04°.
6， 各位的反馈将对技术交流起非常大的作用, 期待论坛中的同好得到更优化的结果. 如需要以
上zemax文件,请告知.
MANG2004, 201005