光学课堂 首页 资讯 查看内容

激光耦合-聚光镜的理想光学模型与设计方法

2021-8-3 23:35| 发布者:optkt| 查看:2133| 评论:0|原作者: 小小光08

摘要:本文介绍了激光耦合-聚光镜的理想光学模型和设计方法,包括NA、焦距、入射高、共轭距、物镜长度、畸变等关键指标的控制。通过优化和HAMMER优化,设计出一个工作波长为可见光波段的激光耦合-聚光镜,满足输入端和输出端的数值孔径要求,可用于光纤输出和激光加工等领域。
 
  1. 1.  引言
 
激光耦合-聚光镜既可传递信息,又可以传递能量。它可以用于两个光纤端口间能量或信息的传递,也可以用于激光加工等领域。
激光的准直和聚焦是可逆的操作。

激光准直镜和通用型的准直镜没有本质区别,只是特征波长不同。
 
  1. 2.  激光耦合-聚光镜的理想光学模型
 
激光耦合-聚光镜的理想光学模型,如下图:

假定激光耦合-聚光镜分为前组和后组,并用两个薄透镜表示,焦距分别为f1`和f2`,间隔为d;两个薄透镜之间的光束平行于光轴,高度为h;输入和输出的孔径角分别为u(=NA)和u`(=NA`);耦合镜总长为L0
由上图,可以推出:

从上式可以导出

由于间隔d<< L0,则有
 

因此,由系统总长L0,输入和输出的数值孔径NA和NA`,就可以得到前后组的焦距和入射高h,并且焦距与入射高的比为相对孔径。
 
  1. 3.  激光耦合-聚光镜的设计方法
 
(1)  设计指标
设计一个激光耦合-聚光镜,工作波长为可见光波段,其输入端的数值孔径NA=0.22,这显然为光纤输出;输出端NA`=0.65,共轭距为40mm,输入端光纤芯径为0.08mm。
这个激光耦合-聚光镜可以分为前组和后组,前组由双胶合透镜和平凸透镜组成;后组由平凸透镜和弯月形齐明透镜组成,并且两组间的轴上光线与光轴平行,这是典型的激光耦合-聚光镜设计。
(2)  前组设计
由于对应的NA`=0.22,那孔径类型为Paraxial F/#=1/(2×0.22)=2.27。
前组采用双胶合透镜+单片透镜的组合,初始结构如下图:

查看2D Layout,如下图:


这个前组在合成前需要翻转。
 
(3)  后组设计
耦合镜的孔径角非常大,只有齐明透镜才能满足要求。
弯月透镜,|R1|>|R2|,点光源位于第一面球面的中心,物与像重合,这一面没有像差,第二面为齐明面。
由于对应的NA=0.22,那孔径类型为Paraxial F/#=1/(2×0.65)≈ 0.77。
后组采用弯月透镜(齐明透镜)+平凸透镜的组合,初始结构如下图:

查看2D Layout,如下图:


这个后组在合成前不需要翻转。
 
(4)  前后组合成设计
设定波长为可见光F,d,C;
设定孔径为Object Space NA=0.22;
设定视场为Object Height=0.04mm,即输入光纤纤芯0.08mm的一半为物方线视场,如下图:

用“Reverse Elements”操作将前组翻转,然后插入到后组之前。
前组和后组合成合成后的参数,如下图:

按F6打开MFE,添加以下操作数,如下图:


上图中,第一模块NA,用来控制NA`=0.65。
CONS,定义1个常数值,此处常数为100。
RANG,相对 Z 轴的光线夹角,弧度(rad)单位。
SINE,正弦值,即为NA`,赋值0.65并给权重为1。
第二模块ANGLE FIELD,用来显示焦距和物面与像面的半孔径高以及放大倍率。
EFFL,显示有效焦距。
REAY,分别显示第10面(像面)和第0面(物面)孔径高的半。
DIVI,两个REAY的比值,即放大倍率,≈NA/NA`。
以上都不需要设置目标值与权重。
第三模块CONJUGATE,用来控制共轭距。
TTHI,控制共轭距为40并给权重0.1。
第四模块VL,用来控制物镜长度。
TTHI,显示物镜长度。
OPLT,控制物镜长度不超过18并给权重0.1。
第五模块Distortion,用来控制畸变。
DIMX,控制畸变不超过3%并给权重0.1。
第六模块BOUNDING FOR THE THICKNESS OF CENTERS AND EDGES,用于控制透镜的中心、边缘厚度和间隔。
将全部曲率半径设为变量,将玻璃设为可替换(Substitute),进行优化和HAMMER优化。
查看2D Layout,如下图:


查看点列图,如下图:


查看Ray Fan,如下图:


查看Focal Shift,如下图:



路过

雷人

握手

鲜花

鸡蛋

最新评论

联系客服 关注微信 访问手机版 返回顶部