微光学器件总结

1、大作业郑武文贞85折射微光学元件：1.折射微透镜：椭圆微透镜的制备及其在半导体激光器(LD)光束整形中的应用1基础：LD辐射梁具有两个特性：(2)梁在x和Y方向的发散角度不同。(2)光斑是椭圆形的。传统的耦合技术是将LD基板直接连接到光纤端面，称为平面连接法。由于LD和光纤之间数值孔径的巨大差异，平面连接的耦合效率只有10%。有几种提高LD和光纤之间结合效率的方法，这些方法可以分为两类。第一类是将光纤的一端变成半球形或锥形，相当于透镜。LD与镜头光纤的结合效率为2.5dB至6.4dB。另一种是使用光纤不同部分的折射率不同的梯度折射率光纤，使光纤像自聚焦透镜一样。使用此方法的勉强凑合效率约为0.

2、84DB到3DB，运行距离小于4，500 m。这里提到的方法是用椭圆微透镜组合的方案。采用椭圆微透镜，具有双焦距的特性，同时准确成型LD光束，向适合光纤传输的圆形光束发散，提高了勉强凑合效率。微透镜设计和准备：按需滴定法是使用脉冲点火器根据所需体积将PMMA溶液滴在玻璃基板上，溶液是光级纯度的PMMA溶解在MMA单体中获得的混合预聚合溶液，如图1所示。实验前预处理基板石英玻璃板：首先将石英基板放入超声波清洗机，用蒸馏水清洗10 min，然后干燥，用分析纯无水乙醇在超声波清洗机中清洗10 min。将干净的石英基板放入氮气气氛的真空干燥箱中干燥，使基板的水接触角度为10，基本不渗透PMMA溶液。然

3、后在底板上使用MMA溶液设计的镜头大小，创建完全渗透PMMA溶液的椭圆形区域(请参见图2)。我们将溶液滴入这个椭圆形区域，液体在表面张力的作用下形成椭圆形的微透镜。完成滴定后，样品应立即放入小密封容器中，降低MMA单体的挥发度和镜片的收缩率。然后放入烤箱加热到100C，PMMA和MMA单体会迅速聚合，聚合完全结束后，将炉温提高到180C，镜片处于熔化状态，但粘度高，可以保持形状，由于表面张力的作用，微透镜表面可以自我修复，形成椭圆形微透镜。结果椭圆镜头的相关参数之间的关系公式如下其中fi是椭圆镜头(包括X方向FX和Y方向fy)的焦距。Ri是椭圆镜头曲率半径，包括X方向Rx和Y方向Ry。Di是椭

4、圆镜头直径，包括X方向Dx和Y方向DY。F#i是椭圆镜头数值孔直径，包括x方向F#x和y方向F#y。H是椭圆镜头箭头的高度。n是材质的折射率。在按需滴定法中，注射器模型、气泵压力、脉冲时间确定后，每次下落的水滴量也固定。此外，如果其他条件没有改变，则聚合物溶液和基板之间的接触角由溶液的粘度决定，溶液的粘度由浓度改变。由此可见，浓度固定时，接触角固定。因此，通过简单的几何关系可以看出，对于相同成分的溶液，粘度和针的模型决定了个别水滴的形状(包括直径、箭高度、曲率半径)。在实验中，通过摸索调整溶液粘度、压力大小和脉冲时间，可以获得所需椭圆微透镜的两个焦距。实验中使用了28号注射器，其内径为0.15

5、毫米，外径为0.35毫米。溶液浓度为4 mol/L。使用微透镜阵列耦合：我们分别测量了现有的平面连接法和本文介绍的微透镜连接法的结合效率和对其他轴的容忍度。在实验中，使用相同的LD和光纤比较了这两种耦合，因为LD的发散角和光纤的数值孔径都影响勉强凑合效率和对不同轴的容忍。1.55 m的LD发射的光束的接触面上的垂直和水平发散角度分别为39.3和20.2，光纤芯直径为8.6 m，折射率差为0.42%，数值孔径为0.096。在对接连接中，光束直接从LD进入光纤。微透镜耦合在两者之间添加椭圆微透镜，其LD、微透镜、光纤固定在X、Y、Z方向移动精度为0.1 m、X、Y方向的旋转精度为3的高精度多轴定位

6、平台上。激光束通过一米长的SMF传送到能量系统，测量光能分布。使用红外线感应卡(在红外线照射下可以发射可见光)帮助调整位置。首先调整LD和光纤。对于平面连接方法，LD发光面与光纤端直接连接，而对于微透镜耦合方法，LD与微透镜阵列背面(石英基板侧)连接。LD的驱动电流从9.0毫安调整为18.0毫安，以测量激光输出能量。微透镜耦合系统的耦合效率是连接方法的8倍。另外，徐璐对其他轴的容忍也是影响勉强凑合效率的重要因素。其他轴包括水平位移、轴方向位移和角度拔模。与平面连接法相比，微透镜耦合对水平脱位和轴向偏离很宽容，但对角度倾斜的要求很高。优点和缺点：与传统的平面连接法相比，在LD和光纤之间使用微透镜

7、耦合的方法大大提高了勉强凑合效率，对水平和轴向对接精度的要求大大降低，但对角度倾斜的要求很高。微镜：静电微型反射镜的应用研究主要集中在光开关、投影仪和被动空间光通信设备三个领域。应用于光开关及投影仪的微型反射镜研究早就开始了，对空间光通信设备的研究是近年来发展起来的。微型反射棱镜2:微镜的另一个重要应用领域是空间光通信，在这方面，角棱镜(Cube- corner Retroreflector)的结构方式最普遍。东京科技大学对其在无线通信系统中的应用进行了系统的分析。金字塔棱镜的入射光束分布在三面镜子上，通过有效盲肠半径内的入射光万三面镜子的顺序反射，可以产生与入射光平行的射出光，射出光与入射光

8、形成中心对称。金字塔棱镜有三个相互垂直的工作平面，体积比平面镜大，结构复杂，工艺精度特别是镜子的互垂度要求高。由于入射、发射光平行，原则上可以自动跟踪光源，预计将用于近场网络通信、星际通信等领域，尤其是后续通信系统之间的通信。DARPA提出的智能灰尘中的被动光通信设备采用金字塔棱镜系统。作为空间光通信的重要组成部分，从本世纪初开始，重点讨论了垂直精度高的微角角棱镜结构和工艺。如图5所示，具有良好工艺和精度可靠性的典型结构分别包括两个侧面反射面和一个底部反射面。底部反射面由移动的微反射镜组成，通过微反射镜的角度变化，改变三个面的正交性，改变反射光的平行度。侧面由铰链结构和插头结构组成，电子结构比

9、较复杂，工艺复杂。与后者相反，工艺的复杂结构很简单。两种结构的共同缺陷是在距离应用上存在一定的差异。应用于被动空间光通信领域的微锥棱镜是静电微反射镜方向的挑战之一，研究的成功将给通信带来另一场革命。这项研究始于DARPA计划，以及加州大学伯克利分校传感器和执行器研究中心Pister和Kahn教授提交智能灰尘计划。部落：深入研究微镜的特性。现有微镜的设计主要喜欢机械特性，缺乏对光学性能的深入分析。为此，需要进一步研究各种光学面形状、大小参数和阵列参数对光学性能的影响，克服衍射效果等不利影响。折射率渐变镜头：Spot-size converter是光纤与光波连接之间的典型过渡结构，可以有效地提高不

10、同类型海浪结构之间的耦合效率。目前有多种Spot-size converter的报告(例如，用具有较高相对折射率差异的半导体材料制作的光波使用波宽和高梯度转换区域)。渐变折射率Spot-size converter3设计：单模石英光纤的为0.3%，芯径为8m，芯折射率为1.4681(波长为1550nm)。0.6%的单模矩形光波宽度为6m，高度为6m，核心折射率为1.5343(波长为1550nm)。利用波束传播仿真软件(Beam PROP软件)计算，结果表明，如果光波没有设置Spot-size转换器结构，光纤与波的端耦合效率为78%。为了提高光纤与光波装置的连接耦合效率，减少插入损耗，本文计算了

11、设计两个平面锥结构的Spot-size转换器。第一波Spot-size转换器结构是线性渐变锥的结构，如图1所示，对于6m，与直线波具有相同的厚度。其他结构参数为W1=8m、W2=6m、L是折射率线性渐变区域长度。锥化波浪区域中的从起点的0.3%线性增加到0.6%。如图2所示。扫描改变L的大小，并通过BPM(beam propagation method)模拟计算Spot-size转换器和单模石英光纤的端结合效率，图3中的曲线1。L=300 m时，结合效率达90%。l再次增加时，耦合效率基本不变。设计的第二结构如图4所示，波浪厚度为6 m，Taper区域的波浪具有对称抛物线形渐变变化侧，Tape

12、r区域波浪宽度W作为Z的函数满意。其中，W1=8 m、W2=6 m、Taper区域波浪相对折射率差具有线性梯度分布。扫描L的大小由BPM模拟计算结束耦合效率，如图3中的曲线2所示。L=280 m时，结合效率提高到约91.3%，L再次增加时，结合效率基本保持不变。如图3结果所示，使用折射率渐变区域提高了波和光纤的端灾难效率，渐变区域长度L具有饱和距离。渐变区域长度大于此距离，灾难效率几乎没有变化。使用饱和距离作为转换区域长度时，莲藕的效率最高，Spot-size converter的尺寸较短，有助于零件整合。两种结构的比较表明，侧抛物线梯度结构比侧线性梯度结构工作得更好。优点：聚合物光波具有优良

13、的光学性能、可加工性、低廉的价格等优点，成为近年来的研究热点。衍射微光学元件：二进制光学：Binary Optical Elements(光学元件，简称BOE)是位元衍射光学元件。以光的衍射效应作为基本工作原理，使用光学波表面分析设计衍射相位剖面。目前制造二元光学元件的方法主要有微电子工艺的刻度法、电镀法、高精度金刚石车床程序控制切削法等。其中微电子工艺技术的刻蚀方法是目前采用的主要手段。实际上，创建的相位轮廓是量化的倍数，类似于理想连续相位轮廓的阶梯形状，因此被称为“二进制光学元件”。二元光学元件的设计与制作：二元光学装置的设计和制作过程首先根据使用要求(孔径、分辨率、焦距、波特性等)，通过

14、计算机的优化设计，确定表面的位分布，根据角速度用N个振幅掩模进行设计，消除光刻现象、离子刻蚀，然后获得相位二进制光学元件。典型的过程如图1所示。图1显示了用蚀刻法制作形状的过程。在基板上涂上光蚀剂，进行光罩曝光和现象，复制图形。然后，利用反应性离子刻蚀去除基板，直到矿井长度达到0/2，最后去除残留的光蚀剂。因此，可以做成2级形状。但是，每个工序将去除基板深度的一半。与反应性离子蚀刻法去除基板的方法不同，还有沉积波长厚度为1/2的薄膜的制造方法。图2显示了这种薄膜沉积法。“二元光学”一词是美国林肯研究所的Veld2kamp等提出的，在早期研究中，使用一种蚀刻方法的过程形成了二级(二元)形状，这就

15、是二元形状的由来。这样做适用于批量生产，因为在二元光学无组件制作中采用了蚀刻法。过去折射型镜片的制作大部分依赖于职员的经验，但现在已经用已经确立的蚀刻工艺进行了。(莎士比亚、温斯顿、折射、折射、折射、折射、折射、折射)过去，为了修正像差，我们组合了很多镜头，形成非球面。二进制光学元件的优点是形状可以自由设计，可以作为一个元素进行像差校正。应用：矫正视力缺陷制作双焦点隐形眼镜二元光学双焦点镜片对矫正眼科患者的视力很有效。医生用冷冻法去除白内障混浊的眼球晶状体后，与二元光透镜一起将入射光集中在两点，一个直接聚焦在视网膜上。另一个在他后面。选择大脑认为最清晰的东西，放弃其他东西。(约翰肯尼迪)菲涅尔

16、镜头：菲涅耳透镜提高太阳能利用率的研究5太阳能是干净的，没有污染，但是太阳能光伏发电成本是普通煤电成本的6-8倍，这样高的成本很难广泛普及。因此，提高太阳能利用效率和降低成本当前光伏发电的主要研究方向。其中降低太阳能电池发电成本的有效方法之一是收集太阳能电池，减少给定电力所需的电池面积，用比较便宜的集电极代替昂贵的太阳能电池。在这个系统中，太阳能电池成本只是整个系统成本的一小部分，因此可以使用工艺先进、高效、价格昂贵的电池提高整个系统的性能。太阳能利用的集中装置要求良好的光学性能、反射率或透射率一般在上述中要具备足够的刚度和强度。保证集中装置在风材、雪材、自重等负荷下正常工作。具有对疲劳的抵抗

17、力。机器结构具有反复交替工作条件下的寿命沙尘和冰雹等能力，确保电站在沙漠、高寒等恶劣条件下正常运行。同时，抵抗异常气候破坏的具有良好的防腐蚀能力，紫外线、盐雾、酸雨等性能具有良好的运动性，才能最大限度地减少结构本身的动能消耗。具有良好的裴珉姬维修、裴珉姬维修和运输性能。菲涅耳透镜的结构和特征：菲涅耳透镜是从平面凸透镜演化而来的，一系列刻有同心边槽的薄光学塑料片，每个环对应一个独立的折射面，如图1所示。这样的角环可以将入射光聚集到一个共同的焦点上，因此，小球车是菲涅尔透镜的独特特征，普通菲涅尔透镜是具有聚光焦点的平面透镜，其中一个是角槽面。(阿尔伯特爱因斯坦、Northern Exposure(美国电视剧)、Northern Exposure(美国电视剧)的另一种形式是曲线型，即表面，其优点是增加自由度以消除像差，从而提高成像质量，但是工艺比较复杂的fresnel