光纤快轴准直透镜
用于远距离测速的光纤准直器研究
用于远距离测速的光纤准直器研究范源;吴慎将;李党娟【摘要】为了在空气炮内弹道测速中提高光纤准直器的工作距离,对光纤准直器结构进行改进,以实现远距离探测.列举了几种常见的准直透镜.从高斯光束原理以及可实现光学探测工作距离的角度出发,在C-LENS透镜原理基础上,提出了直径为16 mm的空气炮弹丸测速装置,并设计了长距离光纤准直器.在ZEMAX软件中对准直器进行仿真,利用优化函数求出透镜最大工作距离,并通过光束质量分析仪检测准直器性能指标.仿真结果进一步验证了准直器的可行性.通过在导轨上进行长距离返回光耦合效率试验,证明了该设计基本满足10～1500 mm的探测要求,为光纤准直器的长距离测量提供了技术参考.【期刊名称】《自动化仪表》【年(卷),期】2018(039)009【总页数】4页(P1-4)【关键词】光纤准直器;光束质量分析仪;传感器;透镜;高斯分布;ZEMAX软件仿真【作者】范源;吴慎将;李党娟【作者单位】西安工业大学光电工程学院,陕西西安 710021;西安工业大学光电工程学院,陕西西安 710021;西安工业大学光电工程学院,陕西西安 710021【正文语种】中文【中图分类】TH741;TP270 引言光纤器件被广泛应用于光通信、光纤传感。
在光纤通信及光纤器件生产领域中，光纤准直器作为光纤与光纤耦合的重要器件而备受关注[1-3]。
光纤准直器是光无源器件的一个重要组件，在光通信系统中得到普遍应用。
它是由单模尾纤和透镜组成的，具有插入损耗较低、回波损耗高、光束发散角小、轻巧易组装等特点[4]。
光纤准直器将光纤端部的发散光束平行出射，或者将平行光束汇聚入光纤，以提高光纤系统的耦合效率。
微球透镜具有焦距短、像差小的特点[5]。
当准直器的准直距离要求小于30 mm 时，C-LENS准直器和常用 G-LENS准直器性能接近。
而当准直距离要求大于50 mm时，C-LENS准直器的优势就变得更加突出[6]。
【快速入门】激光的聚焦和准直
【快速⼊门】激光的聚焦和准直激光是单波长的光源，具有良好的相⼲性能，在科研和⼯业等领域有着⼴泛的运⽤。
激光光学泛指⽤于激光内外光路中的光学元件和器件，例如,激光聚焦镜、反射镜、扩束镜、激光切割头。
为了让⼩伙伴们能直观地理解激光的聚焦和准直的概念，⼩编通过应⽤案例的形式为⼤家进⾏讲解。
应⽤1：准直光束的聚焦作为第⼀个案例，我们来看⼀个⾮常普遍的应⽤，把激光光束聚焦到⼀个很⼩的焦点上，如图⼀所⽰。
我们有⼀束激光，光束半径为y1，发散⾓为θ1，它通过⼀个焦距为f的透镜聚焦。
如图所⽰，我们有θ2= y1/f。
光学不变量定律（y2θ2 = y1θ1）告诉我们，聚焦光斑的半径和发散⾓的乘积是个常量，因此可以得到y2= θ1f。
图⼀让我们看⼀个具体的例⼦，使⽤⼀个LBK-5.9-10.3-ET1.9型号的平凸透镜对⼆氧化碳激光器的出射光束进⾏聚焦。
假设⼆氧化碳激光器的光束直径为3 mm，全发散⾓为6 mrad。
上述公式中的参数采⽤光束半径和半发散⾓，因此有y1= 1.5 mm 和θ1 = 3 mrad。
LBK-5.9-10.3-ET1.9的焦距为10.3 mm。
因此，聚焦后焦点的半径为y2= θ1f =30.3 µm，也就是光斑直径为60.6µm。
我们假定使⽤了完美⽆相差的透镜。
如需进⼀步减⼩焦点，我们必须使⽤短焦距的透镜或者⾸先对激光进⾏扩束。
若这两种办法都受限于系统设计⽆法改变，那么60.6 μm就是我们可以实现的最⼩聚焦光斑。
另外，光的衍射效应可能使实际的光斑更⼤⼀些，但在⽬前的讨论中我们不考虑波动光学的影响，只在⼏何光学的范畴中讨论。
应⽤2：点光源出射光的准直另⼀个⽐较常见的应⽤是对从很⼩的⼀个光源发出的光进⾏准直，如图⼆所⽰。
通常称这种光源为点光源。
但是现实中没有绝对意义上的点光源，任何光源都有⼀定的尺⼨，需要在计算中加以考虑。
图⼆中的点光源半径为y1，最⼤发射⾓度为θ1。
如果⽤⼀个焦距为f的透镜对出射光进⾏准直，那么得到的准直光束的半径为y2= θ1f，发散⾓为θ2 = y1/f。
固体激光原理与技术综合实验
固体激光原理与技术综合实验半导体泵浦固体激光器（Diode-Pumped solid-state Laser，DPL），是以激光二极管（LD）代替闪光灯泵浦固体激光介质的固体激光器，具有效率高、体积小、寿命长等一系列优点，在光通信、激光雷达、激光医学、激光加工等方面有巨大应用前景，是未来固体激光器的发展方向。
本实验的目的是了解并掌握半导体泵浦固体激光器的工作原理、构成和调试技术，以及调Q、倍频等激光技术的原理和应用。
实验一半导体泵浦光源特性测量实验【实验目的】1．掌握半导体泵浦激光器的原理2．掌握半导体泵浦激光器的使用方法【实验仪器】半导体泵浦激光器、激光功率计、机械调整部件【实验原理】上世纪80年代起，生长半导体激光器（LD）技术得到了蓬勃发展，使得LD的功率和效率有了极大的提高，也极大地促进了DPSL技术的发展。
与闪光灯泵浦的固体激光器相比，DPSL的效率大大提高，体积大大减小。
在使用中，由于泵浦源LD的光束发散角较大，为使其聚焦在增益介质上，必须对泵浦光束进行光束变换（耦合）。
泵浦耦合方式主要有端面泵浦和侧面泵浦两种，其中端面泵浦方式适用于中小功率固体激光器，具有体积小、结构简单、空间模式匹配好等优点。
侧面泵浦方式主要应用于大功率激光器。
本实验采用端面泵浦方式。
端面泵浦耦合通常有直接耦合和间接耦合两种方式，如下：（图1）直接耦合：将半导体激光器的发光面紧贴增益介质，使泵浦光束在尚未发散开之前便被增益介质吸收，泵浦源和增益介质之间无光学系统，这种耦合方式称为直接耦合方式。
直接耦合方式结构紧凑，但是在实际应用中较难实现，并且容易对LD造成损伤。
间接耦合：指先将半导体激光器输出的光束进行准直、整形，再进行端面泵浦。
本实验采用间接耦合方式，间接耦合常见的方法有三种，如下：a 组合透镜系统耦合：用球面透镜组合或者柱面透镜组合进行耦合。
b 自聚焦透镜耦合：由自聚焦透镜取代组合透镜进行耦合，优点是结构简单，准直光斑的大小取决于自聚焦透镜的数值孔径。
二极管激光器快轴光束准直
ｗ ｓｄ ｓ ｂ ｄｉ ｉ ｐ ｐｒ ａ ｄｔ ａａ ｅ ｒ ｃ ｏｅ ｏ ｅｉｅａ ｄａｊｓ ｎｓｏ ｎ ｒ ｎ ｙｅ ． ａ ｅｃ ｅ ｔ ｓ ａｅ， ｈ ｐ ｍ ｔ ｓ ｈ ｓｎｆｒｄ ｖ ｄ ｔ ｔ ｆ ｅ ｓ ｅａ ａ ｚｄ ｉ ｒ ｎ ｈ ｎ ｅ ｒ ｅ ｃ ｎ ｕ ｍｅ ｌ ｗｅ ｌ
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Ａｂｓｒ ｃ ：Ｔｈ ｕ ｐ ｔｂ ａ ｏ ｉ ｄ ａ ｅ ｅｔｃ ｌ ｓａ ｋ ｈ ｓ ｔｅ ｃ ａ ａ ｔｒｓ ｃ ｆ ｓ ａｌ ｄｖ ｒ ｅ ｃ ｎ ｌ ｔａ ｔ ｅ ｏ ｔ ｕ ｅ ｍ ｆ ｄ ｏ ｅ ｌｓ ｒ ｖ ｒｉａ ｔｃ ａ ｈ ｈ ｒ ｃｅ ｔ ｓ ｏ ｍ ｌ ｉｅ ｇ ｎ ｅ ａ ｇ ｅ ｉｉ
郭林辉 ， 高松 信 ， 吕文强 ， 武德 勇 ， 唐 淳 （ 国工程 物理研 究院 应 用 电子 学研 究所 ， 中 四川 绵 阳 ６ １ ０ ） ２ ９０
摘 要 ： 二极 管激光 器 泵 浦模 块输 出光束发 散 角小 、 向精 度 高 ， 其 中的快 轴 准直（ＡＣ 微 透镜 装 指 但 Ｆ ） 调 工 艺不 能满足 大功 率模 块 的应 用要 求 ， 对 此 问题 ， 针 分析 了快轴 准直微 透镜 的光束 准 直原 理 ， 简述
ZEMAX在多模光纤准直器设计中的应用
摘要 利用 Ｚ ＥＭＡ Ｘ 软件进行多模光纤准直器的设 计 。 在 Ｚ ＥＭＡ Ｘ 开发环境下建立多模光纤准直器光路系统的 理论模型 ， 通过人工优化的方法 ， 设计并制作了可调 焦 的 多 模 光 纤 准 直 器 ， 仿 真 结 果 与 实 际 结 果 相 一 致， 证实了利 分析了各 种 因 素 对 光 纤 准 直 器 耦 合 用Ｚ ＥＭＡ Ｘ 进行多模光纤准直器设计的可行性和准确性 。 利用所建立的模型 ， 效率和准直度的影响 。 关键词 光纤光学 ；多模光纤 ； Ｚ ＥＭＡ Ｘ 软件 ；耦合效率 ；准直度 中图分类号 Ｏ ： ／ ４ ３ ７． ４ 文献标识码 Ａ 犱 狅 犻 １ ０． ３ ７ ８ ８ 犔 犗 犘 ４ ８． ０ １ ０ ６ ０ ５
狕＝
犽 ＝－１ 为抛物面 ， 犽 ＝ ０ 为球面 ， 犽 ＞ １ 为扁圆 。 －１ 为双曲面 ， －１ ＜ 犽 ＜ ０ 为椭圆 ， ５］ 在非球面透镜的应用中 ， 平面 （ 或凸面 ） 双曲面透镜可以将无限远目标聚焦成无像差的光 斑 ［ 。 利用这
可以运用平面 （ 或凸面 ） 双曲面透镜对半导体激光器的快轴进行准直 ， 如图 １ 所示 。 个特性 ，
２， ３］ 高光纤系统的耦合效率 ［ 。 光纤准直器通常主要由准直系 统和光纤两 部分组成 。 光纤 准 直 器 根 据 光 纤 的
不同可以分为单模光纤准直器和多模光纤准直器 。 其中 ， 多 模光纤 准直 器由于其 耦 合 效 率 高 而 被 广 泛 应 用 在传能方面 。 本文从实用的角度出发阐述 Ｚ 通过建模来验证 ＥＭＡＸ 在光 无 源 器 件 多 模 光 纤 准 直 器 设 计 中 的 应 用 ， Ｚ ＥＭＡ Ｘ 在多模光纤准直器设计中的可行性 。
准直器 耦合
准直器耦合1. 概述准直器是一种用于将光束聚焦或调整光束方向的光学元件。
而耦合则是指光束在不同光学元件之间的传输和能量损失。
本文将介绍准直器的原理、种类以及准直器在光学系统中的耦合问题。
2. 准直器的原理准直器是通过改变光束传播方向或调整光束的焦距来实现光束准直的光学元件。
它可以将光束从一个视场传输到另一个视场，并调整光束的大小和形状。
准直器主要通过折射、反射或干涉等光学效应来实现对光束的调节。
3. 准直器的种类根据光学元件的不同结构和工作原理，准直器可以分为以下几种类型：3.1 透镜准直器透镜准直器通过透镜的折射效应来改变光束的传播方向和焦距。
常见的透镜准直器有正透镜和负透镜。
正透镜可以将光束聚焦，而负透镜则可以将光束发散。
3.2 反射准直器反射准直器利用反射的原理来改变光束的方向和焦距。
常见的反射准直器有平面反射镜、曲面反射镜和光纤端面。
3.3 干涉准直器干涉准直器利用光的干涉效应来改变光束的传播方向和焦距。
常见的干涉准直器有Michelson干涉仪和Sagnac干涉仪等。
4. 准直器的耦合问题在光学系统中，准直器的正确耦合非常关键，它直接影响光束的质量和效果。
以下是几个常见的准直器耦合问题：4.1 光束偏心光束偏心是指光束与准直器轴线不重合的现象。
光束偏心会导致光束在传输过程中发生散射或发散，从而影响光束的聚焦效果和能量传输。
4.2 准直器位置误差准直器的位置误差是指准直器与光学系统其他元件之间的偏差。
位置误差可能会引起光束的偏移、散射或发散，从而使光束无法正确地传输和聚焦。
4.3 准直器的色差准直器的色差是指不同波长的光束在准直器中经过折射或反射时发生的不同折射效应。
色差会导致光束的聚焦点发生偏移，从而影响光束的传输和聚焦。
5. 如何解决准直器的耦合问题为了解决准直器的耦合问题，可以采取以下几个方法：5.1 精确校准准直器的位置通过精确校准准直器的位置，确保准直器与光学系统其他元件之间的对齐和重合。
zemax在多模光纤准直器设计中的应用
zemax在多模光纤准直器设计中的应用
Zemax是一款广泛应用于光学设计的软件，它可以对多模光纤准直器进行设计和仿真。
多模光纤准直器可以将光束从光纤的一个端口输送到另一个端口，保持光波的相位一致性。
在准直器的设计中，需要考虑光学元件的表面精度、光路长度、折射率分布等因素。
使用Zemax进行仿真可以分析准直器的成像质量、光束大小、光功率损耗等参数，并进行优化设计。
此外，Zemax还提供了多种优化算法，能够使得准直器的性能达到最优。
综上所述，Zemax在多模光纤准直器设计中起着重要的作用，可以有效提高准直器的成像质量和光功率传输效率。
激光准直计算及准直透镜选型
为您的激光二极管选择准直透镜
由于我们的中红外激光器具有高发散特性，因此需要使用准直光学元件。
非球面透镜不会引入球差，常用于所需光束直径在1 - 5毫米的应用。
下方给出的简单例子说明了在针对给定应用选择正确透镜时应考虑的关键规格。
举例：
所用激光二极管：L780P010
所需准直光束直径：Ø3毫米（主轴）
L780P010激光二极管的规格表明其典型水平和垂直方向上的发散角分别为10°和30°。
因此，当光束传播时，将会出现椭圆形的光束。
为了在准直过程中尽量收集光线，因此在计算时应选用其中较大的发散角（即，在该情况下选用30°发散角）。
如果您希望将这种椭圆形的光束转换为圆形光束，我们建议使用变形棱镜对，它可以只在一个轴方向对光束进行扩束。
LD = 激光二极管
Ø = 光束直径
Θ = 发散角
根据上述信息，获得所需光束直径的透镜焦距可以由下式计算：
根据上述信息，这时就可以开始选择合适的准直透镜。
Thorlabs公司提供大量非球面透镜供用户选择。
对于上述情况，最理想的透镜是焦距在5.6毫米附近的-B增透膜模压玻璃非球面透镜。
C170TME-B（易安装）或352170-B
（未安装）非球面透镜的焦距为6.16毫米，通过它们可以得到直径为3.3毫米的准直光束（主轴）。
下一步，检查激光二极管的数值孔径（NA）是否会小于透镜，如果小于透镜，激光二极管发出的光束将会被透镜遮挡：:
0.30 = NA Lens > NA Diode ~ sin(15) = 0.26。
大口径光纤准直器
大口径光纤准直器
Schafter kirchhoff大口径光纤准直器，使用波段覆盖紫外-可见-红外波段，镀有增透膜的镜片保证透过率>99.5%，带有聚焦/倾斜调整部件的准直器，可以将机械轴和光轴进行二次对准操作，实现精密的光束准直操作。
通过光纤准直器，可见将光纤的发散光束处理为实现平行光输出。
或者将自由空间的光束，耦合进多模/单模光纤中。
·焦距20-200mm
·光束出射口径从3.6-36mm
·通光口径Max48mm
·高斯光束轮廓
·内置倾斜调整，用于对准机械轴和光轴
·焦距可调
内部镜片都进行了镀膜处理，提高了透过率，降低了反射。
除此之外，还可以在该光纤准直器内部集成1/4波片，可以将线偏振光转换成圆偏振光
大口径光纤准直器。
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快轴准直柱面透镜
福津光电技术有限公司开发生产的63um芯径的快轴准直透镜主要应用于单个芯片激光器产品中。
根据光学设计需要，由于单芯片半导体激光器发射的激光在平行和垂直方向上带有发散角，因此在耦合入光纤之前需要光学准直，否则耦合效率很低，且容易烧坏光纤。
快轴准直透镜尺寸很小但对透镜的焦距，色散和非球面精度要求很高，所以单个透镜成本一直居高不下，但是使用福津开发的光纤柱面透镜可以很好解决成本问题。
图1.半导体激光器光纤耦合示意图
光纤柱面透镜使用不同直径的玻璃光纤（高纯度，无掺杂，单纤芯无包层，高折射率光学玻璃棒）柱面镀抗反膜，一般需要把多根一定长度的玻璃光纤平行固定在夹具上，然后装载到镀膜机上，进行柱面镀膜后再将单根玻璃光纤分割成小段供单个产品使用。
图2.光纤准直透镜63um（福津光电）图3.半导体激光准直。