CN105242353B - 光纤聚焦镜组 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光纤聚焦镜组，包括从光纤入射点到聚焦点之间依次同光轴设置的Ⅰ号双凸形透镜、弯月形透镜、双凹形透镜、Ⅱ号双凸形透镜、Ⅰ号凸凹形透镜、Ⅲ号双凸形透镜、Ⅱ号凸凹形透镜、Ⅳ号双凸形透镜。本发明利用不同两种色散系数材料的光学镜片进行组合，实现了多束紫外、可见和近红外波段激光的聚焦，消除在聚焦过程中产生的色差，使得聚焦能力不受波长的限制，利用多个镜片之间不同曲率半径和间距的匹配，使得光纤输出的发散光束重新聚焦于一点，通过像差校正与补偿，有效消除光纤输出激光在聚焦过程中产生的单色像差，本发明易于安装调节，操作简单。

Description

光纤聚焦镜组
技术领域
本发明属于一种聚焦装置，具体涉及一种光纤聚焦镜组。
背景技术
光纤传输是一种灵活可靠的激光传输方式，具有灵活性高、小型化、受环境干扰小等特点，同时，光纤输出激光具有同一面源输出光束特征，即具有近似相同的发散角和光束质量参数，这个特性对于需要采用多路激光同时同位置共同作用的相关技术研究具有非常重要的应用价值，如原子激发光谱研究或原子激发电离路径研究等。
在激光光谱研究领域，由于需要进行原子能级扫描，会将多束包含紫外、可见、近红外等不同波长的激光合成一束，同时作用于研究对象，这就要求几束光合成度高，激光在近场和远场都能很好地重合在一起，采用光纤合成传输能够实现合一目标。但如何将光纤输出的具有发散性能的光束重新聚焦到一点也是非常难于实现的，这是因为用于光束准直和聚焦的光学系统存在像差，光学系统的像差主要包括球差、彗差、畸变、像散、场曲等单色像差和不同波长之间的色差。光学系统单色像差的存在，使光束聚焦光斑发生弥散，中心会聚度下降。而且当不同波长的光线在透过光学玻璃准直聚焦时，由于色散和折射系数的差异会导致不同波长的光线具有不同的焦点。
发明内容
本发明为解决现有技术存在的问题而提出，其目的是提供一种光纤聚焦镜组。
本发明的技术方案是：一种光纤聚焦镜组，包括从光纤入射点到聚焦点之间依次同光轴设置的Ⅰ号双凸形透镜、弯月形透镜、双凹形透镜、Ⅱ号双凸形透镜、Ⅰ号凸凹形透镜、Ⅲ号双凸形透镜、Ⅱ号凸凹形透镜、Ⅳ号双凸形透镜，所述的Ⅰ号双凸形透镜、弯月形透镜边缘接触，中部为0.12mm的空气隙，双凹形透镜、Ⅱ号双凸形透镜边缘接触，中部为0.04mm的空气隙，Ⅰ号凸凹形透镜、Ⅲ号双凸形透镜边缘接触，中部为0.09mm的空气隙，Ⅱ号凸凹形透镜、Ⅳ号双凸形透镜边缘接触，中部为0.14mm的空气隙，所述的弯月形透镜与双凹形透镜沿光轴的间距为5.04mm，Ⅱ号双凸形透镜与Ⅰ号凸凹形透镜沿光轴的间距为2.86mm，Ⅲ号双凸形透镜与Ⅱ号凸凹形透镜沿光轴的间距为3.05mm。
所述的Ⅰ号双凸形透镜、Ⅱ号双凸形透镜、Ⅲ号双凸形透镜、Ⅳ号双凸形透镜材质为具有低色散系数的氟化钙。
弯月形透镜、双凹形透镜、Ⅰ号凸凹形透镜、Ⅱ号凸凹形透镜材质为具有高色散系数的熔融石英。
本发明利用两种不同色散系数材料的光学镜片进行组合，实现了多束紫外、可见和近红外波段激光的聚焦，消除在聚焦过程中产生的色差，使得聚焦能力不受波长的限制，扩大了光纤合成传输技术的应用范围，利用多个镜片之间不同曲率半径和间距的匹配，使得光纤输出的发散光束重新聚焦于一点，通过像差校正与补偿，有效消除光纤输出激光在聚焦过程中产生的单色像差，本发明易于安装调节，操作简单。
附图说明
图1 是本发明的结构示意图；
图2 是光纤输出聚焦镜组的球差曲线图；
图3 是光纤输出聚焦镜组的色差曲线图。
其中：
1 Ⅰ号双凸形透镜 2 弯月形透镜
3 双凹形透镜 4 Ⅱ号双凸形透镜
5 Ⅰ号凸凹形透镜 6 Ⅲ号双凸形透镜
7 Ⅱ号凸凹形透镜 8 Ⅳ号双凸形透镜。
具体实施方式
以下，参照附图和实施例对本发明进行详细说明：
如图1所示，一种光纤聚焦镜组，包括从光纤入射点到聚焦点之间依次同光轴设置的Ⅰ号双凸形透镜1、弯月形透镜2、双凹形透镜3、Ⅱ号双凸形透镜4、Ⅰ号凸凹形透镜5、Ⅲ号双凸形透镜6、Ⅱ号凸凹形透镜7、Ⅳ号双凸形透镜8，所述的Ⅰ号双凸形透镜1、弯月形透镜2边缘接触，中部为0.12mm的空气隙，双凹形透镜3、Ⅱ号双凸形透镜4边缘接触，中部为0.04mm的空气隙，Ⅰ号凸凹形透镜5、Ⅲ号双凸形透镜6边缘接触，中部为0.09mm的空气隙，Ⅱ号凸凹形透镜7、Ⅳ号双凸形透镜8边缘接触，中部为0.14mm的空气隙，所述的弯月形透镜2与双凹形透镜3沿光轴的间距为5.04mm，Ⅱ号双凸形透镜4与Ⅰ号凸凹形透镜5沿光轴的间距为2.86mm，Ⅲ号双凸形透镜6与Ⅱ号凸凹形透镜7沿光轴的间距为3.05mm。
所述的Ⅰ号双凸形透镜1、Ⅱ号双凸形透镜4、Ⅲ号双凸形透镜6、Ⅳ号双凸形透镜8材质为具有低色散系数的氟化钙。所述的Ⅰ号双凸形透镜1、Ⅱ号双凸形透镜4、Ⅲ号双凸形透镜6、Ⅳ号双凸形透镜8具有正光焦度。
弯月形透镜2、双凹形透镜3、Ⅰ号凸凹形透镜5、Ⅱ号凸凹形透镜7材质为具有高色散系数的熔融石英。所述的弯月形透镜2、双凹形透镜3、Ⅰ号凸凹形透镜5、Ⅱ号凸凹形透镜7具有负光焦度。
Ⅰ号双凸形透镜1与弯月形透镜2，双凹形透镜3与Ⅱ号双凸形透镜4，Ⅰ号凸凹形透镜5与Ⅲ号双凸形透镜6，Ⅱ号凸凹形透镜7与Ⅳ号双凸形透镜8相互两两组合消除色差。
实施例
通过光纤输出280nm~820nm波段的发散激光，光纤输出发散角为25.4度，光纤入射点与Ⅰ号双凸形透镜1左端面距离L1=103mm，发散光依次通过Ⅰ号双凸形透镜1、弯月形透镜2、双凹形透镜3、Ⅱ号双凸形透镜4、Ⅰ号凸凹形透镜5、Ⅲ号双凸形透镜6、Ⅱ号凸凹形透镜7、Ⅳ号双凸形透镜8，实现聚焦光斑工作距离L2≧500mm，球差参数小于0.5mm。
如图2所示，横坐标表示入射光的物方高度，纵坐标表示球差大小。图中a表示波长为280nm的紫外光，b表示波长为820nm的近红外光，c表示波长为550nm的可见光。
当光入射到单个透镜上时，无限靠近光轴的光线将聚焦到近轴像的位置，但是随着透镜上光线高度的增加，像方空间的光线与光轴相交即聚焦的位置越来越靠近透镜，这种随孔径变化的焦点位置变化成为球差。控制球差的一个有效方法是将光焦度分解成多个元件，通过在多个元件间分解光焦度，可以减少每个表面上的入射角，从而使球差减少。
光纤输出激光为发散光，发散角约为25.4度,通过光纤聚焦镜组，针对芯径0.6mm的光纤输出光，在放大倍率约为3的条件下，聚焦光斑的球差参数为0.3mm。
如图3所示，横坐标为入射光波长范围，纵坐标为垂轴色差值。由于透镜对于短波的折射率比长波的折射率高，导致不同波长光的聚焦点不同，这种焦点随波长不同而在轴向产生的位置变化称为轴向色差。本发明的聚焦镜组通过氟化钙和熔融石英两种不同色散系数的材质相互匹配实现色差校正，针对280-820nm波段范围，垂轴焦点偏移量小于0.0015mm。
本发明利用两种不同色散系数材料的光学镜片进行组合，实现了多束紫外、可见和近红外波段激光的聚焦，消除在聚焦过程中产生的色差，使得聚焦能力不受波长的限制，扩大了光纤合成传输技术的应用范围，利用多个镜片之间不同曲率半径和间距的匹配，使得光纤输出的发散光束重新聚焦于一点，通过像差校正与补偿，有效消除光纤输出激光在聚焦过程中产生的单色像差，本发明易于安装调节，操作简单。

Claims (1)

1.一种光纤聚焦镜组，其特征在于：包括从光纤入射点到聚焦点之间依次同光轴设置的Ⅰ号双凸形透镜（1）、弯月形透镜（2）、双凹形透镜（3）、Ⅱ号双凸形透镜（4）、Ⅰ号凸凹形透镜（5）、Ⅲ号双凸形透镜（6）、Ⅱ号凸凹形透镜（7）、Ⅳ号双凸形透镜（8），所述的Ⅰ号双凸形透镜（1）、弯月形透镜（2）边缘接触，中部为0.12mm的空气隙，双凹形透镜（3）、Ⅱ号双凸形透镜（4）边缘接触，中部为0.04mm的空气隙，Ⅰ号凸凹形透镜（5）、Ⅲ号双凸形透镜（6）边缘接触，中部为0.09mm的空气隙，Ⅱ号凸凹形透镜（7）、Ⅳ号双凸形透镜（8）边缘接触，中部为0.14mm的空气隙，所述的弯月形透镜（2）与双凹形透镜（3）沿光轴的间距为5.04mm，Ⅱ号双凸形透镜（4）与Ⅰ号凸凹形透镜（5）沿光轴的间距为2.86mm，Ⅲ号双凸形透镜（6）与Ⅱ号凸凹形透镜（7）沿光轴的间距为3.05mm，Ⅰ号双凸形透镜（1）与弯月形透镜（2）组合消除色差，所述的Ⅰ号双凸形透镜（1）、Ⅱ号双凸形透镜（4）、Ⅲ号双凸形透镜（6）、Ⅳ号双凸形透镜（8）材质为具有低色散系数的氟化钙，并且具有正光焦度，弯月形透镜（2）、双凹形透镜（3）、Ⅰ号凸凹形透镜（5）、Ⅱ号凸凹形透镜（7）材质为具有高色散系数的熔融石英，并且具有负光焦度。
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