CN220730539U - 一种激光整形耦合光学系统 - Google Patents

一种激光整形耦合光学系统 Download PDF

Info

Publication number
CN220730539U
CN220730539U CN202322412598.2U CN202322412598U CN220730539U CN 220730539 U CN220730539 U CN 220730539U CN 202322412598 U CN202322412598 U CN 202322412598U CN 220730539 U CN220730539 U CN 220730539U
Authority
CN
China
Prior art keywords
laser
super
lens
columnar microstructure
optical fiber
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202322412598.2U
Other languages
English (en)
Inventor
易飞
刘斯坦
陈岩
林永超
李林翰
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Huazhong University of Science and Technology
Shenzhen Huazhong University of Science and Technology Research Institute
Original Assignee
Huazhong University of Science and Technology
Shenzhen Huazhong University of Science and Technology Research Institute
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Huazhong University of Science and Technology, Shenzhen Huazhong University of Science and Technology Research Institute filed Critical Huazhong University of Science and Technology
Priority to CN202322412598.2U priority Critical patent/CN220730539U/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN220730539U publication Critical patent/CN220730539U/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Landscapes

  • Optical Couplings Of Light Guides (AREA)

Abstract

本实用新型公开了一种激光整形耦合光学系统。激光整形耦合光学系统,包括:沿光轴依次设置的激光发射器、折射透镜、超表面透镜和光纤;折射透镜用于汇聚激光发射器发射的激光得到入射激光;超表面透镜用于将汇聚后的入射激光进行整形耦合后形成出射光束,出射光束被光纤接收;超表面透镜包括介质衬底层和柱状微结构阵列,柱状微结构阵列由多个柱状微结构单元周期阵列排列而成;柱状微结构单元的相位分布方式使得出射光束的数值孔径与光纤的数值孔径相匹配,且出射光束的点列图均方根半径小于光纤芯径的一半。实现了对激光的整形以及与目标光纤的高效耦合,同时光学系统结构简单,使用范围广泛,适用于各种激光器的激光耦合。

Description

一种激光整形耦合光学系统
技术领域
本实用新型属于激光技术领域,更具体地,涉及一种激光整形耦合光学系统。
背景技术
激光光纤耦合技术是一种用于将激光能量有效地传输到光纤中,并实现高效的激光光纤耦合的技术。在相关应用中,如通信、传感和医疗等领域,激光与光纤的耦合效率对于系统的性能至关重要。激光与光纤的耦合存在一系列挑战,例如激光光束和光纤的模式结构和尺寸不完全匹配,导致能量损失和耦合效率低。此外,耦合系统的表面反射、散射以及体吸收等问题也会导致激光能量损失和耦合效率降低。
常见的激光与光纤耦合方法包括直接耦合法、透镜耦合法等。直接耦合一般使用劈形光纤或者锥形光纤来实现,光纤末端一般安装在靠近激光器的地方,与激光器耦合的损耗也较大;透镜耦合法利用透镜实现优化的模式匹配和耦合效率,通常情况下,会将各种光学透镜进行组合,通过透镜的组合可以大幅度提高耦合效率,同样光学系统的成本也会大幅度提高。目前激光光纤耦合常用的方式为单透镜耦合,采用球透镜进行耦合时,根据所选材料、规格不同,耦合效率从15%到30%不等,采用非球面透镜进行耦合时,根据所选材料、规格不同,耦合效率从35%到50%不等,从而实现耦合效率与成本的匹配。目前,超透镜也常被用于光斑整形或准直,例如,申请号为202320535578.1的中国专利公布了一种紧凑型超表面光束整形系统,但其仅仅只是对于入射光的整形,没有实现入射光点对点到光纤的耦合。
因此,现有技术中存在光学系统中耦合效率低的技术问题。
实用新型内容
针对相关技术的缺陷,本实用新型的目的在于提供一种激光整形耦合光学系统及设计方法,旨在解决现有光学系统中耦合效率低的技术的问题。
为实现上述目的,第一方面,本实用新型提供了一种激光整形耦合光学系统,包括:沿光轴依次设置的激光发射器、折射透镜、超表面透镜和光纤;
所述折射透镜用于汇聚所述激光发射器发射的激光得到入射激光;
所述超表面透镜用于将汇聚后的入射激光进行整形耦合后形成出射光束,所述出射光束被所述光纤接收;
所述超表面透镜包括介质衬底层和柱状微结构阵列,所述柱状微结构阵列由多个柱状微结构单元按照六方晶格周期阵列排列而成;所述柱状微结构单元的相位分布方式使得所述出射光束的数值孔径与所述光纤的数值孔径相匹配,且所述出射光束的点列图均方根半径小于光纤芯径的一半。
可选的,所述柱状微结构单元的高度全部相同且介于所述激光器发射的入射激光的波长量级,所述柱状微结构单元的直径介于亚波长量级;
所述柱状微结构单元周期阵列的相位分布满足如下表达式:
其中,ρ为超表面径向坐标、R为归一化半径,A、B、C、D均为多项式系数。
可选的,所述柱状微结构单元的直径、周期、高度以及排布方式根据对应的相位分布确定。
可选的,所述超表面透镜正反两面均镀有增透减反膜层。
可选的,所述柱状微结构单元的材料折射率大于或者等于所述介质衬底层的材料折射率。
可选的,所述超表面透镜为双面超表面透镜、单面超表面透镜或者单面超表面透镜的组合。
通过本实用新型所构思的以上技术方案,与现有技术相比,能够取得以下有益效果:
1、本实用新型提供一种激光整形耦合光学系统,采用折射透镜与超表面透镜混合的形式,超表面透镜凭借其对入射光的精细调控能力,实现了对激光的整形以及与目标光纤的高效耦合,能够在合理的设计下保证耦合效率;同时光学系统结构简单,使用范围广泛,适用于各种激光器的激光耦合。
2、本实用新型提供一种激光整形耦合光学系统,通过采用zemax个性化设置的优化函数算法及阻尼最小二乘法对超表面透镜的归一化半径R和相位分布多项式系数进行优化,进而确定超表面六方晶格周期阵列的相位分布方式,从而精确地调节光束的相位和振幅分布,实现光束整形和调制功能,提高光纤耦合的效率。
附图说明
图1为本实用新型实施例中超表面透镜表面微结构阵列示意图;
图2为本实用新型实施例中超表面透镜周期性排列的微纳结构单元示意图;
图3为本实用新型实施例中激光整形耦合系统的结构示意图;
图4为本实用新型实施例中柱状微结构单元在不同直径下产生的归一化相位突变和微结构透过率示意图;
在所有附图和表格中,相同的附图标记用来表示相同的元件或结构,其中,1、激光发射器;2、折射透镜;3、超表面透镜;4、光纤。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型,并不用于限定本实用新型。此外,下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
超表面透镜是一种特殊的光学元件,利用表面的微纳结构阵列来实现光学功能,具有优异的光学调控能力。其表面的微纳结构可以精确地调节光束的相位和振幅分布,实现光束的聚焦、分束、偏转和调制等功能,具有紧凑、灵活、高效的特点。在传统的耦合方法中,常使用球透镜和非球面透镜来实现激光与光纤之间的耦合,但球透镜存在着一些局限性,如耦合效率受到表面曲率、厚度以及材料的限制,无法灵活调整光束形状和模式匹配,而非球面透镜的制造成本又较高。将超构透镜与传统透镜相结合,通过设计和调整微纳结构的参数,可以弥补上述限制,从而实现光束的整形,以适应不同光纤的模式特性,提高耦合效率。
下面结合一个优选实施例,对上述实施例中涉及的内容进行说明。
实施例一
本实用新型提供了一种激光整形耦合光学系统,包括:沿光轴依次设置的激光发射器1、折射透镜2、超表面透镜3和光纤4;
所述折射透镜2用于汇聚所述激光发射器1发射的激光得到入射激光;
所述超表面透镜3用于将所述入射激光进行整形耦合后形成出射光束,所述出射光束被所述光纤4接收;
其中,所述超表面透镜3包括介质衬底层和超表面,所述超表面由柱状微结构单元按照六方晶格周期阵列排列而成;所述柱状微结构单元的相位分布方式使得所述出射光束的数值孔径与所述光纤的数值孔径相匹配,且所述出射光束的点列图均方根半径小于光纤芯径的一半。
本实用新型实施例提供一种激光整形耦合光学系统,利用超表面元件对入射光进行调控,实现对入射光进行整形以及与目标光纤的匹配,最终提高激光与光纤的耦合效率。
沿光轴依次设置的激光发射器1、折射透镜2、超表面透镜3和光纤4,并且折射透镜为球透镜,光阑设置为球透镜的前表面。所述超表面透镜3的正反两面均镀有增透减反膜层;超表面透镜3的超表面由柱状微结构单元按照六方晶格周期阵列排列而成,为平面结构;所述柱状微结构单元的高度全部相同且介于所述激光器发射的入射激光的波长量级,所述柱状微结构单元的直径介于亚波长量级;所述柱状微结构单元的材料折射率大于或者等于所述介质衬底层的材料折射率,例如柱状结构单元材料为硅,所述介质衬底层的材料为二氧化硅。
激光发射器发射1的激光经过折射透镜2被汇聚得到入射激光,传输至超表面透镜3经过整形耦合形成出射光束传输至光纤4,出射光束被光纤4接受。为了保证光纤4对激光的耦合效率,通过调整超表面透镜3的柱状微结构单元的尺寸和相位排布,改变光束整形的效果,从而改变耦合效率;在出射光束的数值孔径与光纤的数值孔径相匹配,且出射光束的点列图均方根半径小于光纤芯径的一半时,光纤的耦合效率最高。
激光整形耦合光学系统的耦合效率=系统效率S×接收效率T,其中系统效率是由入瞳收集并且在考虑到渐晕和透射率的情况下,通过光学系统的能量总和除以源光纤发射的能量总和,满足如下表达式:
其中,FS是源光纤的振幅函数,分子上的积分只在光学系统整个入瞳上进行,t(x,y)是光学系统的振幅透射函数,由于光学材料本身对于光会存在一定的吸收,且考虑光学元件表面的具体膜层,透射率由系统光学材料吸收和膜层决定。
光学系统的像差带来了相位差,这会影响到光纤的耦合。接收效率T满足如下表达式:
其中,Fr(x,y)是描述接收光纤复振幅的函数,W(x,y)是描述光学系统出瞳波前复振幅的函数,符号’代表它为复数共轭。
通过获取激光发射器所发射的激光的发散角、数值孔径(Numerical Aperture,NA)以及目标光纤的数值孔径、光纤芯径,分别将出射光束在X和Y两个方向的光束发散角进行离散化分析,与目标光纤的发散角匹配,使得出射光束的数值孔径与目标光纤的数值孔径相匹配,并且满足光束的点列图均方根(RMS)半径小于光纤芯径的一半,从而实现更高效率的耦合;进一步的,在确认超表面透镜的柱状微结构单元的尺寸和相位分布时,以出射光束的数值孔径和RMS半径与目标光纤的数值孔径和芯径相匹配为最优目标,采用zemax个性化设置的优化函数算法及阻尼最小二乘法对超表面透镜的归一化半径r和相位分布多项式系数进行优化,进而确定超表面六方晶格周期阵列的相位分布方式。
所述柱状微结构单元周期阵列的相位分布满足如下表达式:
其中,ρ为超表面径向坐标、R为归一化半径,A、B、C、D均为多项式系数。
A、B、C、D分别为超表面透镜的柱状微结构单元相位分布参数的二次项、四次项、六次项、八次项系数,超表面微结构阵列的相位分布采用了高阶偶次多项式的形式,扩大优化求解空间,增加了优化参数的数量以足够达到设计目标。
可选的,所述柱状微结构单元的直径、周期、高度以及排布方式根据对应的相位分布确定。
柱状微结构单元的尺寸和相位分布具有对应关系,在相位分布确定后,即可根据对应关系,求得柱状微结构单元的直径。
利用时域有限差分算法和严格耦合波分析方法,对超表面的柱状微结构单元的尺寸参数进行仿真,确定微结构高度、周期和直径与产生相位突变之间的对应关系。基于微结构直径与产生相位突变之间的对应关系,结合超表面六方晶格周期阵列的相位分布,确定在超表面透镜相应位置处微结构的直径。柱状微结构单元的周期、高度、直径都会影响相位延迟,甚至微结构阵列的透过率。在仿真过程中,根据目标波长选定一个合适的周期和高度范围,然后通过仿真计算在选定的高度和周期范围下,柱状微结构单元的直径与相位延迟的关系,并且在保证透过率较高的情况下,选定这一组周期、高度。
在一具体实施例中,激光器工作波长为1.31±0.01微米,中心波段为1.31微米,水平发散半角为25°,垂直发散半角为30°;折射透镜为球型透镜,目标光纤的数值孔径为0.125,芯径为8.4微米。超表面透镜的微结构为圆柱结构,其周期P为300nm,高度H为1300nm,直径D范围在0~280nm;根据相位-色散分布,找出其中在同一色散水平线附近、且能够覆盖全2π相位的微结构阵列,即为所需的微结构单元。在此直径范围和固定高度下,微结构单元具有较高的透过率并且色散趋于一致。
更详细地,在本实用新型实施例所提供的光学系统中具体参数数值见表一、表二。
表一:第一超表面透镜参数表
表二:第一光学系统光学结构参数
采用Zemax软件自带的惠更斯积分法计算,本实用新型实施例所提供的光学系统针对波长为1.3微米、1.31微米、1.32微米激光的耦合效率分别为0.457、0.553、0.584。
在另一实施例中,具体参数数值见表三、表四。
表三:第二超表面透镜参数表
表四:第二光学系统光学结构参数
采用Zemax软件自带的惠更斯积分法计算,本实施例所提供的光学系统针对波长为1.3微米、1.31微米、1.32微米激光的耦合效率分别为0.518、0.519、0.518。
在另一实施例中,具体参数数值见表五、表六。
表五:第三超表面透镜参数表
表六:第三光学系统光学结构参数
采用Zemax软件自带的惠更斯积分法计算,本实施例所提供的光学系统针对波长为1.3微米、1.31微米、1.32微米激光的耦合效率分别为0.588、0.589、0.584。以上三个实施例,分别对于选择不同材料、尺寸的小球和双面超表面透镜进行分析,证明此光学系统结构适用于多种尺寸、材料的折射透镜与超表面透镜的结合。以上三个实施例实现的激光耦合效率均远远高于仅采用球透镜进行耦合的系统,效率接近采用非球面透镜进行耦合的系统。
在另一实施例中,具体参数数值见表七、表八。
表七:第四超表面透镜参数表
R(mm) A B C D
超表面 1 -326.017 542.116 -4578.418 4.345E+04
表八:第四光学系统光学结构参数
采用Zemax软件自带的惠更斯积分法计算,本实施例所提供的光学系统针对波长为1.3微米、1.31微米、1.32微米激光的耦合效率分别为0.505、0.509、0.512。此实施例证明,单面超表面透镜与折射透镜组合,也能实现较高的耦合效率,但是比双面超表面透镜与折射透镜组合的效果略差。
本实用新型实施例提供一种激光整形耦合光学系统,采用折射透镜与超表面透镜混合的形式,超表面透镜凭借其对入射光的精细调控能力,实现了对激光的整形以及与目标光纤的耦合,能够在合理的设计下保证以及提高耦合效率;本设计仅采用单透镜加超表面的结构形式,光学系统结构简单,使用范围广泛,适用于各种激光器的激光耦合。
实施例二
本实用新型还提供了一种如实施例一中任一项所述的激光整形耦合光学系统的设计方法,包括:
S1,根据激光发射器发射的激光的发散角、数值孔径和波段范围,以及光纤的数值孔径和芯径,计算超表面透镜的相位分布;
S2,根据超表面透镜当前的相位分布计算激光经过折射透镜和超表面透镜的汇聚和整形耦合后形成的出射光束的参数,其中,出射光束的参数包括:出射光束的数值孔径和点列图均方根半径;
S3,若所述出射光束的数值孔径与所述光纤的数值孔径相匹配,且所述出射光束的点列图均方根半径小于光纤芯径的一半,执行S5;否则,基于所述目标光纤的数值孔径和芯径,通过阻尼最小二乘法对超表面透镜的参数进行优化,以更新所述超表面透镜的相位分布;
S4,将更新后的相位分布带入并重复执行所述S2-S4,直至所述S2中得到的出射光束的数值孔径和点列图均方根半径与所述目标光纤的数值孔径和芯径相匹配;
S5,根据所述超表面透镜当前的相位分布设计所述超表面透镜中多个柱状微结构单元的尺寸及排列方式;
S6,根据S5中数据制备所述超表面透镜,以构建激光整形耦合光学系统。
可选的,所述S5包括:
对所述超表面透镜的目标相位分布进行内部插值,使得插值后相位分布的离散点与所述超表面透镜的柱状微结构单元一一对应;
仿真获取所述超表面透镜中柱状微结构单元的尺寸与相位分布之间的对应关系;
根据插值后相位分布查询所述对应关系,以得到多个所述柱状微结构单元的尺寸及排列方式。
可选的,所述仿真获取所述超表面透镜中柱状微结构单元的尺寸与相位分布之间的对应关系,包括:
根据时域有限差分算法和严格耦合波分析方法,对超表面透镜的柱状微结构单元的尺寸参数进行仿真,确定柱状微结构单元的高度、周期和直径与相位分布之间的对应关系。
其中,在S1的计算中,采用了在zemax中个性化设置的优化函数以及自带的优化算法,zemax自带的优化算法为阻尼最小二乘法。
在zemax中个性化设置的优化函数,用于将入射光和出射光分为n份,每一条入射光线和每一条出射光线一一对应,根据目标光纤的NA值计算出射光线的需要达到的角度,然后根据入射光和出射光的对应关系计算超表面结构的相位分布和光学系统的间距。
根据本实施例提供的激光整形耦合光学系统的设计方法设计制造出的激光整形耦合光学系统具有如上述实施例中相应的有益效果。
本领域的技术人员容易理解,以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已,并不用以限制本实用新型,凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种激光整形耦合光学系统,其特征在于,包括:沿光轴依次设置的激光发射器、折射透镜、超表面透镜和光纤;
所述折射透镜用于汇聚所述激光发射器发射的激光得到入射激光;
所述超表面透镜用于将汇聚后的入射激光进行整形耦合后形成出射光束,所述出射光束被所述光纤接收;
所述超表面透镜包括介质衬底层和柱状微结构阵列,所述柱状微结构阵列由多个柱状微结构单元按照六方晶格周期阵列排列而成;所述柱状微结构单元的相位分布方式使得所述出射光束的数值孔径与所述光纤的数值孔径相匹配,且所述出射光束的点列图均方根半径小于光纤芯径的一半。
2.如权利要求1所述的激光整形耦合光学系统,其特征在于,所述柱状微结构单元的高度全部相同且介于所述激光器发射的入射激光的波长量级,所述柱状微结构单元的直径介于亚波长量级;
所述柱状微结构单元周期阵列的相位分布满足如下表达式:
其中,ρ为超表面径向坐标、R为归一化半径,A、B、C、D均为多项式系数。
3.如权利要求2所述的激光整形耦合光学系统,其特征在于,所述柱状微结构单元的直径、周期、高度以及排布方式根据对应的相位分布确定。
4.如权利要求1所述的激光整形耦合光学系统,其特征在于,所述超表面透镜正反两面均镀有增透减反膜层。
5.如权利要求1所述的激光整形耦合光学系统,其特征在于,所述柱状微结构单元的材料折射率大于或者等于所述介质衬底层的材料折射率。
6.如权利要求1所述的激光整形耦合光学系统,其特征在于,所述超表面透镜为双面超表面透镜、单面超表面透镜或者单面超表面透镜的组合。
CN202322412598.2U 2023-09-06 2023-09-06 一种激光整形耦合光学系统 Active CN220730539U (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202322412598.2U CN220730539U (zh) 2023-09-06 2023-09-06 一种激光整形耦合光学系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202322412598.2U CN220730539U (zh) 2023-09-06 2023-09-06 一种激光整形耦合光学系统

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN220730539U true CN220730539U (zh) 2024-04-05

Family

ID=90500255

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202322412598.2U Active CN220730539U (zh) 2023-09-06 2023-09-06 一种激光整形耦合光学系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN220730539U (zh)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108919483A (zh) 一种基于自由曲面透镜阵列的中空光束制备装置
US11386246B2 (en) Method for designing hybrid surface optical system
Serkan et al. Optical beam-shaping design based on aspherical lenses for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams
Zhang et al. Cassegrain antenna for a laser diode source using an EA system to improve the transmission efficiency
CN220730539U (zh) 一种激光整形耦合光学系统
Fu et al. Designing a high-efficiency coupling system to couple a hollow Gaussian beam into single-mode fiber
Wu et al. Fast automatic design method for freeform imaging systems through system construction and correction
CN110471144B (zh) 一种消像差的万瓦级光纤连接器
CN117111318A (zh) 一种激光整形耦合光学系统及设计方法
Borne et al. Bringing metasurfaces to analytical lens design: stigmatism and specific ray mapping
CN114966981B (zh) 一种塑料光纤微透镜及其制备方法
Hu et al. Design of a double lens freeform miniaturized antenna
Song et al. Single-mode fiber to GRIN-rod lenses coupling efficiency and tolerance analysis
Dang et al. Optimized design method for the inner surface of a conformal dome based on the ray tracing approach
Shiefman Insertion loss comparison of microcollimators used to propagate light in and out of single-mode fibers
CN112764214A (zh) 一种产生空心光束的衍射仿真方法
CN112731657A (zh) 一种设计to非球面透镜的蚁群方法
CN116125671B (zh) 一种平顶激光光束产生装置及其设计方法
Liu et al. Coupling efficiency of laser diode to GRIN fiber by aspherical lens
Chen et al. Design of a compact off-axis two-mirror freeform optical antenna for shaping and transmitting an elliptical beam emitted by laser diode
Shang et al. Set of mathematical models for bessel-gauss beams coupling into the parabolic-index fiber under the influence of atmospheric turbulence and random jitter
CN220961977U (zh) 一种可见光波段的折超混合消色差光学系统
CN117538968A (zh) 一种将高斯光整形为平行均匀光的超表面透镜及设计方法
CN114609793B (zh) 一种基于非球面透镜的宽光谱激光束整形系统
Zhou et al. Laser beam shaping improves the transmission efficiency of Cassegrain antenna

Legal Events

Date Code Title Description
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant