自聚焦透镜准直设计

丝量堡麦旦座文章编号：１６７１—１０４１（２００９）０３－００８３－０２曰丝墼童煎旦自聚焦透镜准直设计刁健，李洪祚，宋涛（长春理工大学光电工程学院，长春１３００２２）摘要：在激光外调制时。使用的是３・３・２０ｍｍ的调制晶体。为了使由光纤发出的激光通过调制晶体。本文根据高斯光束的基本性质以及自聚焦透镜的传输特性．利用计算机模拟的方法。设计了能满足调制要求的自聚焦透镜。关键词：自聚焦透镜；高斯光束；准直中图分类号：＇ｒＮ２５６文献标识码：ＢＴｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆａｌｉｇｎｍｅｎｔ研ｔｈＧＲＩＮＤＩＡＯＪｉａｎ，ＬＩＨｏｎｇ－ＺＵＯ，ＳＯＮＧＴａｏｌＣｏｌｌｅｇｅｏｆＯｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ。ＣｈａｎｇｃｈｕｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆｓｃｉ蚰∞ａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ。Ｃｌｍｕｇｃｈｕｎ１３００２２－ａｌｉｍ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ｌｎｔｈｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｏｆｌａｓｅｒｏｕｔｓｉｄｅ。ｕｓｉｎｇａ３・３・２０ｍｍｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｃｒｙｓｔａｌ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｂｅｉｓｓｕｅｄｂｙｔｈｅｆｉｂｅｒ－ｏｐｔｉｃｌａｓｅｒｍｏｄ－ｕＩａ６０ｎｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｃｒｙｓｔａｌ．ｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｉｎａｃｃｏｒｄａｎｃｅｗｉｔｈｔｈｅｂａｓｉｃｎａｔｕｒｅｏｆｔｈｅＧａｕｓｓｉａｎｂｅａｍａｓｗｅｌＩａｓｔｈｅＧＲＩＮＬｅｎｓｏｆｔｈｅｔｒａｎｓ－ｍｉｓｓｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ。ｔｈｅｕｓｅｏｆｃｏｍｐｕｔｅｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ。ｄｅｓｉｇｎｅｄｔｏｍｅｅｔｔｈｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｔｈｅＧＲＩＮＬｅｎｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＧＲＩＮ；ｇａｕｓｓｉａｎｂｅａｍ；ａｌｉｇｎｍｅｎｔ激光具有高亮度、良好的单色性，相干性及方向性，所以激光应用已经遍及工业、军事、通信、医学和科学研究等诸多领域‘１‘２１。自聚焦透镜是一种梯度折射率透镜，是指其内部的折射率分布沿径向逐渐减小的柱状透镜。由于梯度折射率透镜具有端面准直、耦合和成像特性，加上它圆柱状小巧的外形特点，可以在多种不同的微型光学系统中使用更加方便。并在集成光学领域如微型光学系统、医用光学仪器、光学复印机、传真机、扫描仪等设备有着广泛的应用。梯度折射率透镜是光通讯无源器件中必不叮少的基础元器件。应用于要求聚焦和准直功能的各种场合，被分别使用在光耦合器、准直器、光隔离器、光开关、激光器等方面¨“。ｌ高斯光束和自聚焦透镜理论高斯光束在自由空间传播距离ｚ后，变换矩阵为哺】：Ｍ。（：；）（－）自聚焦透镜的折射率为‘７１：ｎ２（ｒ）＝瑶（１一Ａｒ２）（２）式中，ｎ０是透镜的轴线折射率，历被称为聚焦常数。自聚焦透镜对高斯光束的变换公式为：肘：ｆ咖箩’。豳泓瓷徊１＼一／＇ｔＯ届ｉｎ（压ｃ０８（伍）／（３）一引入口参数来描述高斯光束的性质，定义ｇ为：一ｏ上：ｉ１一ｉ土ｉ一——了ｎ（４）Ｌ斗，ｑ７ＴＯ）式中，Ｒ是高斯光束等相位而的曲率半径，∞为高斯光束的光斑半径。于是高斯光束可由复参数ｇ确定，当ｑ已知时，Ｒ（ｚ）、欢迎订阅欢迎撰稿欢迎发布产品广告信息万方数据百１＝Ｒ（寺）（５）孝＝一｝ｃ寺）㈤高斯光束复参数ｇ通过变换矩阵肘＝（Ａｃ三）的光学系统变换遵守以下规律：ｑ２：磐芒２和（７）‘７’采用的光源为光纤出射的光，芯径为５０微米，发散角是０．焦透镜采用中心折射率ｎｏ＝１．６１９，聚焦常数以＝０．４３。根据波导理论光纤出射的光是平面波，呈中心对称贝塞尔分布，这对光路计算是很不方便的，研究发现，其出射光的进场分布与高斯函数十分相近，所以本文是将其近似为高斯函数进行计算的。结构设计图如图ｌ所示．光纤与自聚焦透镜间的距离为‘，自聚焦透镜长度为ｆ：，自聚焦透镜与调制晶体问的距离为ｆ３。调节三个长度，使其能够通过调制晶体。根据理论，Ｚ：的影响为周期性，所以首先考虑ｆ２的影响，图２为Ｚ。＝ｌｍｍ，Ｚ３＝Ｉｍｍ，改变如长度对自聚焦透镜２１ｒａｍ处光斑半径的影响。Ｅ｝聚焦．透镜嚼制晶体圈１结构设计圈自聚焦透镜聚焦呈周期性，另外可以同时计算出光斑最小时的自聚焦透镜长度为７．３１微米。根据高斯光束的特性，使高斯光束聚焦必然使其发散角增大，所以我们还需要综合Ｌ。、【３的长度，根据多次模拟结果，无论Ｌ２取何值，Ｌ１的增加只能使距自聚焦透镜２０ｍｍ处光斑尺寸增大，图３给出了自聚焦透镜的长度为７．３ｌ改变Ｌ１计算光斑尺寸如何变化。所以，光纤与自聚焦透镜的距离应该选为零，即光纤与自围２自聚焦透镜长度对图３光纤与自聚焦透镜间２１ｍｍ处光斑半径影响距离对光斑尺寸的影响ＥｌＣＶ０１．１６２００９Ｎｏ．３８３２设计与模拟０２弧度，光的波长是０．８１微米，光纤的数值孔径为０．２２。自聚Ｏ引言∞（ｚ）则按下式求出：口经验交流口丝墨堡壹旦应聚焦透镜耦合，这样才能减小光斑尺寸，使其能够通过晶体。３总结下面讨论自聚焦透镜与调制晶体间的距离ｌ，对准直的影响。根本文用计算机模拟的方法设计了用自聚焦透镜准直，使据多次模拟结果，ｋ的增加使晶体出射端面的光斑尺寸变大，光纤发出的激光通过调制晶体，此种方法，结构简单，体积小，图４给出了ｌ，＝０，ｌ：＝７．３１，时调节自聚焦透镜与调制晶体间但对加工和装配要求较高。由于自聚焦透镜的聚焦能力呈周的距离对光斑半径的影响。期性变化，所以，在制作自聚焦透镜时，可以根据需要增加一所以为了减小光斑半径，设计采用，ｌ，＝０，ｌ：＝７．３１，ｌ，取定的周期。口尽量小。图５为采用上述结果的光斑在自聚焦透镜出射情况。参考文献［１］蓝信钜．激光技术［Ｍ］．北京：科学出版社．２００１．［２］吕百达．强激光传输变换和光束控制研究的进展［Ｊ］．红外与激光工程，２０００，２９（１）［３］刘德森，高虚俊．变折射率介质的物理基础［Ｍ］．北京：国防工业出版社，１９９１．［４］黄章勇．光电子器件和组件［Ｍ］．北京：北京邮电大学出版社．２００１．［５］刘德森。高应俊．变折射率介质的物理基础［Ｍ］．北京：国防的距离对光斑半径的影响圈５设计结果模拟情况工业出版社．１９９１．［６］吕百达．激光光学・激光光束的传输变换和光束质量控制同时可以计算出２０ｒａｍ处光斑半径为９．７２，可以通过调制（第二版）［Ｍ］．成都：四川大学出版社，１９９２．晶体。另外，自聚焦透镜聚焦为周期函数，７．３ｌ微米不容易制［７］殷宗敏等．纤维光学［Ｍ］．北京：国防』＝业出版社，１９７４．造，可以根据制造需要为其增加一定的周期。所以最终的设计作者简介：刁健（１９８２－）。男．硕士研究生，研究方向：现代光学技术及工考虑用自聚焦透镜与光纤耦合，后接调制晶体，调制晶体与自程应用。聚焦透镜问的距离尽量小的方法。收稿日期：２００８・１１－２９（８５９８）文章编号：１６７１－１０４１（２００９）０３－００８４－０２１．０６４ｐｍ激光的倍频效率研究宋涛，周庆才。于浩，徐大超（长春理工大学光电Ｔ程学院，长春１３００２２）摘要：本论文结合实验需要。通过对二倍频和四倍频效率的研究．分析了在倍频过程中的相位匹配及倍频晶体的性质。讨论了Ｎｄ：ＹＡＧ激光１光倍频理论器（１０６４ｐｍ）四倍频紫外光（２６６ｎｍ）的实现及其倍频效率问题。光学倍频，又称光学二次谐波，是指由于光与非线性媒质关键词：倍频；转换效率；相位匹配；倍频谐振腔（一般是晶体）相砭作用，使频率为基频的光转变为２的倍频中图分类号：ＴＮ２４８．１＋３文献标识码：Ｂ光的现象。这是一种常见而重要的二二阶非线性光学效应。通常利用晶体本身的双折射性质来实现相位匹配。例如，对于负Ｓｔｕｔｙｏｆｄｏｕｂｌｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆ单轴晶体，在正常色散情况下，可选择光的偏振方向使基频光１．０６４ｐｒｏｌａｓｅｒ为寻常光，倍频光为非常光，再通过恰当选取光波传播方向与ＳＯＮＧＴａｏ。ＺＨＯＵＱｉｎｇ－ｃａｉ。ＹＵＨａｏ。ＸＵＤａ—ｃｈａｏ晶轴的夹角来实现相位匹配。（ＣｈａｎｇＣｈｕｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄ当满足相位匹配条件时，倍频光功率密度正比于基频光Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ。Ｃｈａ啦ｕｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ－ＳｃｈｏｏｌｏｆＰｈｏｔｏ－ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ１３００２２－Ｃｈｉｎａ）功率密度的二次方，也正比于晶体作用长度的二次方。此外还与媒质的倍频系数（二阶非线性极化率）二次方成正比。目前Ａｂｓｔ陀ｃＩ：Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ。ｃｏｍｂｉｎｉｎｇｗｉｔｈｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｎｅ（Ⅺｌｓ。ｂａｓｅｄｏｎ已有许多种倍频晶体，且可达到相当高的倍频转换效率。对于ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ・ｄｏｕｂｌｅｄａｎｄｆｏｕｒｔｉｍｅｓｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｆｔｈｅｅｆｆｉｃｉｅｎ—－可见及近红外的基频光，常用的倍频晶体有ＫＤＰ、ＫＤＰＡＤＰ、ｃｙｒｅｓｅａｒｃｈｗｅｈａｖｅａｎａｌｙｚｅｄｔｈｅｐｈａｓｅｍａｔｃｈｉｎｇｉｎｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｎａｔｕｒｅｏｆｄｏｕｂｌｉｎｇ—ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｃｒｙｓｔａｌ，ｄｉｓｃｕｓｓｅｄＬｉｌＯ、ＣＤＡ等等，转换效率叮高达３０％一５０％。对于中红外基ｈｏｗｔｏｏｂｔａｉｎｆｏｕｒｔｈｈａｒｍｏｎｉｃＮｄ：ＹＡＧｌａｓｅｒａｎｄｔｈｅｄｏｕｂｌｉｎｇｅｆｆｉ－频光，常用晶体为ＡｇＡｓＳ、ＧｄＧｅＡｓ、Ｔｅ、ＣｄＳｅ等，转换效率为５％ｃｉｅｎｃｙ．一１５％左右。本文研究的Ｎｄ：ＹＡＧ激光的四倍频，分别对ＫＴＰＫｅｙｗｏｒｄｓ：ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ－ｄｏｕｂｌｅｄ：∞ｎｖｅ俜ｉｏｎ—ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ；ｐｈａｓｅ—ｍａｔｃ－晶体、ＢＢＯ晶体加以倍频腔，最后输出高效２６６ｍｍ紫外光。ｈｉｎｇ；ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ－ｄｏｕｂｌｅｄｃａｖｉｔｙ２Ｎｄ”：ＹＡＧ激光器的四倍频实验设计Ｏ引言２．１四倍频转换效率公式在激光的应用中，我们可以利用非线性光学效应来实现频率转换得到很多特定的激光波长，倍频技术是一种频率转换的重要而有效的手段。指纹特征是每个人都有的特征，指…等＝ｆ坚ＣＳ０１／３（熹）４警…３×慨２丽叫一ｌＩ藏Ｊｉ¨ｔＩｘ纹识别在刑事侦察、出入境管理方面有着重要作用。人手触摸过东西后，留Ｆ的指纹经过紫外光照射后会出现荧光光谱。本论文所研究的紫外光应用于这一方面。一学）枷８ｉ“（譬）红】㈩８４日Ｃ万方数据Ｖ０１．１６２００９Ｎｏ．３自聚焦透镜准直设计作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：刁健，李洪祚，宋涛，DIAOJian，LIHong-zuo，SONGTao长春理工大学,光电工程学院,长春,130022仪器仪表用户INSTRUMENTATIONCUSTOMER2009，16(3)0次参考文献(7条)1.蓝信钜激光技术20012.昌百达强激光传输变换和光束控制研究的进展[期刊论文]-红外与激光工程2000(01)3.刘德森.高应俊变折射率介质的物理基础19914.黄章勇光电子器件和组件20015.刘德森.高应俊变折射率介质的物理基础19916.昌百达激光光学@激光光束的传输变换和光束质量控制19927.殷宗敏纤维光学1974相似文献(10条)1.学位论文张强梯度折射率透镜在光纤耦合系统中的应用2008梯度折射率透镜由于具有小体积、平端面、易加工、易调整对准、易耦合组装、耦合效率高的特点，因而在半导体激光器与光纤的耦合系统中发挥了重要的作用。本文在介绍了半导体激光器的特性、高斯光束传播规律、透镜光纤耦合基本性能的基础上，对高斯光束经梯度折射率透镜的传输特性进行了具体分析，同时对如何选取最佳耦合结构参数进行了探讨。首先，运用ABcD定律和高斯光束复参数的定义，分析了高斯光束在非线性非均匀介质中的传输特性，进而推导出高斯光束经梯度折射率透镜的传输特性，得出高斯光束出射透镜后的束腰宽度及束腰位置的公式，即高斯光束经过梯折透镜的成像变换公式。得到此公式后，运用计算机编程进行了数值计算讨论、画图，分析了在一定初始条件下不同的参数(如初始束腰位置、梯度折射率参数、透镜宽度等)对束腰变化产生的影响。之后，采用两片自聚焦透镜构成的耦合系统作为模型，研究怎样选取最优的结构参数，包括如何选取两片透镜的宽度和两透镜的间距。即在保证高效耦合的前提下，如何使耦合结构尽可能的紧凑、体积尽可能的小。文中根据自聚焦透镜的光纤传输轨迹，给出了理论上的最佳结构公式，然后根据这些公式用计算机编程计算，给出了最佳耦合结构参数的近似值。2.期刊论文张大勇.周寿桓.梁峰.赵鸿LD光束经自聚焦透镜变换后的特性研究-激光与红外2002,32(3)通过两种方法对二极管经过自聚焦透镜的光束变换规律进行了分析,利用计算机模拟了自聚焦透镜的输出端沿轴线任一点的光斑形状,从而给出了自聚焦透镜输出光束的特性,并讨论了它对二极管端面泵浦耦合光学系统效率的影响.3.期刊论文张江山.鲁平.刘德明.吴粤湘渐变折射率平板波导的传输特性及实验研究-光通信技术2006,30(4)分析了渐变折射率平板波导(GISLAB)的工作特性.理论推导表明GISLAB在折射率渐变方向具有与自聚焦透镜完全一样的传输矩阵与成像性质,分析讨论了GISLAB输出光束的传输特性.并通过实验验证了GISLAB的工作特性.4.学位论文詹翠莲基于C透镜结构的密集波分复用器研制2006随着通信技术宽带化、智能化、大众化和个人化的方向发展，骨干传输网、局域网容量的大幅度增长，网络宽带化的瓶颈已经转移到位于这两者之间的中间网络一城域网。既要提供客户需要的功能，同时又要最大程度地利用现有基础设施的投资，密集波分复用技术(DWDM)成为用智能光网络技术扩展城域网的有效、高性价比的选择。通过将光纤波长分解为单独的信道，DWDM使运营商能够根据不同的价格、不同的服务水平为顾客分配波长，同时增加智能应用。实现DWDM的核心器件之一是复用器与解复用器(Mux／Demux)。其功能是采用光学方法将密集间隔的各波长(信道)复用至一根光纤(合波器OMU)传输，或将已复用的各波长(信道)分开(分波器ODU)或实现光波长(信道)的上、下复用(光分插复用器)，由于光路可逆，合波器和分波器一般可以互换使用。当一种商品化的产品在生产稳定后，降低成本是个永恒的话题。C透镜因其优良的性能及明显的价格优势而进入成本分析师的视线。本文在简单介绍了DWDM系统的优点及各类不同制作工艺的DWDM器件后，运用矩阵光学、几何光学理论，结合高斯光束的复参数传输规律对C透镜的准直特性进行定量分析，确定了光纤头与C透镜之间距离的最佳范围，并推导出了C透镜光纤准直器工作距离的解析表达式和特性曲线，并导出C透镜准直器的回波损耗。从理论、实验数据上比较分析C透镜替代自聚焦透镜在器件中的作用的可行性。在实践部分，详述薄膜滤光片型C透镜替代反射端中的自聚焦透镜的目前局限性所在，提出解决办法。详细说明薄膜滤光片型C透镜结构DWDM器件的制作过程后，以实验测试的最后参数说明此结构DWDM器件的性能参数的优良性。最后对整个工作进行总结。5.会议论文杨淑雯.杨益新自聚焦透镜工作特性分析19866.学位论文贾书海基于微电磁驱动的新型MEMS光开关研制2002该文研究开发了几种新型的微机电系统光开关,成功解决了微驱动器研制、光开关整体结构设计和光路调整等问题.所开发的光开关具有插入损耗低、体积小等优异性能,并已通过上海市科委组织的成果鉴定,受到了鉴定专家的好评.设计制造了一种新型MEMS摆动式微电磁驱动器,该驱动器采用双定子单摆盘和多线圈多磁极的轴向磁通结构,具有较大的输出力矩.微驱动器采用了微细加工、精密制造及精密装配相结合的制造工艺.定子采用铁氧体导磁材料基板,保证了磁路闭合.利用一套以掩模工艺为主,配上深层光刻、溅射和干法刻蚀为辅的非硅材料微细加工工艺,确保了字子的加工质量.摆盘采用硅钢处胶合钐钴永磁材料结构,并对其进行饱和充磁来提高输出力矩.利用微电磁驱动器作为驱动源,设计制造了1×2、2×2、1×4、和1×8四种典型的光开关.用高斯光束传输理论和矩阵光学说明了光纤通过自聚焦透镜耦合时位置误差对耦合损耗的影响.对光开关的插入损耗、回波损耗、消光比和重复性等光学性能参数进行了测量.测试结果表明,所研制的光开关具有优良的光学性能,表明其具有良好的应用前景.7.期刊论文杨洋.王宗和.高嵩.YANGYang.WANGZong-he.GAOSong反射式光纤激光测距仪发射、接收光学系统的设计与研制-承德石油高等专科学校学报2006,8(3)利用光学理论推导出反射式光纤激光测距仪的发射、接收光学系统的设计数据,提出并设计了发射和接收光学系统的机械结构,搭建了用于实验的反射式光纤激光测距仪的整体光学系统,探测到了10～100mW量级的回波光信号.8.期刊论文吴小钢单模无偏准直器的设计与制作-光纤与电缆及其应用技术2004,""(5)介绍了单模无偏准直器的原理与测试方法,并对一些制作工艺进行了讨论和比较.9.学位论文柯昌剑基于Interleaver的密集波分复用器研究2001该文着眼于满足密集波分复用系升级的需要,研制了基于交叉波长波分复用器(Interleaver)和介质膜滤光片的新型密集波分复用器.该器件实现了模块化设计,较好的解决