CN101975979A - 用于光纤耦合的无衍射光束光学系统 - Google Patents

用于光纤耦合的无衍射光束光学系统 Download PDF

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付跃刚
穆郁
王志坚
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Abstract

一种用于光纤耦合的无衍射光束光学系统，属于光纤耦合技术领域。现有将光纤端面做成球面透镜进行耦合等方案其耦合效率较低；而采用非球面透镜以及采用自适应透镜耦合，虽然耦合效率达90％以上，但所采用的器件加工十分困难。本发明由准直光学系统及圆锥透镜构成，二者光学同轴，圆锥透镜的底面朝向准直光学系统，圆锥透镜参数同时满足下面的公式要求：
Figure 201010265804.6_AB_0
，式中：
Figure 201010265804.6_AB_1
是圆锥透镜锥面与底面的夹角，λ是耦合激光波长，p是圆锥透镜出射光耦合光斑半径，n是圆锥透镜折射率；
Figure 201010265804.6_AB_2
，式中：R是圆锥透镜底面半径，Zmax是圆锥透镜最大无衍射传播距离，n是圆锥透镜折射率，
Figure 201010265804.6_AB_1
是圆锥透镜锥面与底面的夹角。本发明用于空间光与光纤的耦合。

Description

用于光纤耦合的无衍射光束光学系统
技术领域
本发明涉及一种用于光纤耦合的无衍射光束光学系统，属于光纤耦合技术领域。
背景技术
光纤耦合是指把空间光耦合进入光纤，耦合效率的高低直接影响能量传输效率。目前，由于光纤芯径小，以及光纤数值孔径、衍射极限、像差等原因，在实际应用中耦合效率往往很低，而激光作为所述空间光其与光纤耦合的效率对提高诸如通讯系统的时效性、测试系统的可靠性很有意义。
有关光纤耦合的现有技术包括空间光与光纤直接对接耦合、将光纤端面做成球面透镜进行耦合、将光纤端面做成锥面进行耦合、在空间光与光纤之间加一小段光纤微透镜进行耦合、在空间光与光纤之间放一个自聚焦透镜耦合、采用柱面镜加自聚焦透镜使空间光与光纤耦合等，不论哪种方案，都是将空间光汇聚进入光纤，而这些耦合技术其耦合效率均没有达到80％，例如，在《激光与红外》第38卷第3期刊载的题为《多模锥形光纤耦合与出光特性的研究》文献中，所记载的耦合效率最高也只有76.2％。所述现有技术耦合效率低的原因之一是光线汇聚角大于光纤的最大接收角，不能完全满足光纤数值孔径条件；二是汇聚后的光束存在衍射，导致耦合光斑实际尺寸大于理论尺寸。现有技术还有采用非球面透镜的方案以及采用自适应透镜的方案，这些方案虽然耦合效率能够提高到90％以上，但是，所采用的器件加工十分困难。
圆锥透镜其特点之一是圆锥面一端的出射光在一定范围内即最大无衍射传播距离Zmax内为无衍射光束，且，这种透镜其结构简单、加工容易。
发明内容
为了提高激光与光纤的耦合效率，同时所采用的耦合器件加工容易，本发明提出一种用于光纤耦合的无衍射光束光学系统。
本发明之用于光纤耦合的无衍射光束光学系统由准直光学系统及圆锥透镜构成，二者光学同轴，圆锥透镜的底面朝向准直光学系统，圆锥透镜参数同时满足下列公式要求：
Figure BSA00000247347600011
式中：
Figure BSA00000247347600021
是圆锥透镜锥面与底面的夹角，λ是耦合激光波长，ρ是圆锥透镜出射光耦合光斑半径，n是圆锥透镜折射率；
Figure BSA00000247347600022
式中：R是圆锥透镜底面半径，Zmax是圆锥透镜最大无衍射传播距离，n是圆锥透镜折射率，
Figure BSA00000247347600023
是圆锥透镜锥面与底面的夹角。
本发明其效果在于，入射激光经准直光学系统后，通过圆锥透镜产生无衍射光束，并自位于圆锥透镜的Zmax处的光纤端面入射，光纤纤芯中心位于本发明之光学系统光轴上，完成激光光纤耦合，根据无衍射光束理论，无衍射光束产生简单，衍射极限、像差、光纤数值孔径等对光束质量的影响很小，并且，无衍射光束中心光斑能量集中，光斑半径很小，只有波长量级，所以，将无衍射光束进行光纤耦合，在理论上其耦合效率达到90％以上。所采用的圆锥透镜相对于非球面透镜、自适应透镜，其结构简单得多，加工也容易得多。
附图说明
附图是本发明之用于光纤耦合的无衍射光束光学系统结构及耦合过程示意图，该图兼作为摘要附图。
具体实施方式
本发明之用于光纤耦合的无衍射光束光学系统具体实施方式如下，由准直光学系统及圆锥透镜构成，二者光学同轴，圆锥透镜的底面朝向准直光学系统。
准直光学系统由物镜1、目镜2构成，见附图所示，物镜1、目镜2均为消球差镀耦合激光波长增透膜透镜，口径分别为D1、D2，使D2≤2R，以保证经过目镜2扩束后的光能完全入射圆锥透镜；物镜1、目镜2焦距分别为f1、f2；物镜1、目镜2的口径、焦距按f2/f1＝D2/D1确定。
圆锥透镜3参数锥面与底面的夹角
Figure BSA00000247347600024
底面半径R分别由公式(1)、(2)确定：
Figure BSA00000247347600025
式中：λ是耦合激光波长，ρ是圆锥透镜出射光耦合光斑半径，n是圆锥透镜折射率；
Figure BSA00000247347600026
式中：Zmax是圆锥透镜最大无衍射传播距离，n是圆锥透镜折射率，
Figure BSA00000247347600027
是圆锥透镜锥面与底面的夹角。
光纤4的纤芯中心与光轴重合。
下面举例说明本发明，光纤4的芯径dcore＝62.5μm。理论上2ρ≤dcore，据此确定ρ＝27.29μm，以使实际耦合效率达到理论值。激光波长λ＝632.8nm，圆锥透镜3折射率n＝1.806，根据公式(1)得到圆锥透镜3锥面与底面的夹角
Figure BSA00000247347600031
令圆锥透镜3底面半径R＝17.5mm，根据公式(2)得到圆锥透镜3的最大无衍射传播距离Zmax＝1920.72mm。根据D2≤2R，令D2＝35mm，D1＝5.25mm，由f2/f1＝D2/D1得f2＝30mm、f1＝4.5mm。物镜1、目镜2镀632.8nm增透膜。该无衍射光束光学系统耦合效率达到了91％。

Claims (2)

1.一种用于光纤耦合的无衍射光束光学系统，其特征在于，由准直光学系统及圆锥透镜构成，二者光学同轴，圆锥透镜的底面朝向准直光学系统，圆锥透镜参数同时满足下列公式要求：
Figure FSA00000247347500011
式中：
Figure FSA00000247347500012
是圆锥透镜锥面与底面的夹角，λ是耦合激光波长，ρ是圆锥透镜出射光耦合光斑半径，n是圆锥透镜折射率；
式中：R是圆锥透镜底面半径，Zmax是圆锥透镜最大无衍射传播距离，n是圆锥透镜折射率，
Figure FSA00000247347500014
是圆锥透镜锥面与底面的夹角。
2.根据权利要求1所述的无衍射光束光学系统，其特征在于，准直光学系统由物镜(1)、目镜(2)构成，物镜(1)、目镜(2)均为消球差镀耦合激光波长增透膜透镜，口径分别为D1、D2，使D2≤2R，R是圆锥透镜底面半径；物镜(1)、目镜(2)的口径、焦距按f2/f1＝D2/D1确定，f1、f2分别为物镜(1)、目镜(2)焦距。
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