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Zemax光学设计实例(76)---光纤耦合输出光束整形的设计(2)

2021-12-20 10:20| 发布者:Davis| 查看:1360| 评论:0|原作者: 小小光08

摘要:本文介绍了使用Zemax进行光学设计的实例,聚焦条形光斑的输出光束整形技术在激光应用中常见。通过设置耦合传输光纤的芯径和数值孔径,进行Zemax仿真,使用消色差胶合透镜和柱面胶合透镜对输出光束进行整形,并调整像面位置和两个柱面胶合透镜之间的距离,最终得到符合要求的光斑。

 
导论:
光纤耦合是激光应用中常见的技术需求,光纤输出之后会针对各种实际应用设计光学系统,对光纤输出的光束整形,以满足工作距离和光斑形状的要求。
本文讨论输出光斑整形聚焦为条形光斑的情况。
现在假设使用的耦合传输光纤的芯径是0.2mm,数值孔径NA=0.22,然后需要将波长1064nm的激光输出光束聚焦到尺寸约0.2mm×0.8mm,且工作距离大于30mm
 
ZEMAX仿真:
(1)    光纤建模:
首先将LDEOBJ午面的厚度设置为-5
然后,在孔径类型中选择物方数值孔径Object Space NAApertureValue输入“0.2”,这是因为通常光纤输出光束的数值孔径会略小于光纤的数值孔径。
如下图:

                             

在波长设定对话框中,输入1.064波长,如下图:

 
打开LDE,在OBJ后插入一个面,厚度设为5;然后再增加一个面Surface 2Surf:Type选择为Non-Sequential Component,其属性Exit Loc Z输入为100.01,此项是设定非序列元件的出端位置,这个值一定要比非序列元件的尺寸大(略大即可)。如下图:


然后,打开Non-SequentialComponent Editor(非序列元件编辑器),选择Object TypeCylinderVolume(圆柱形波导),Material输入F_SILICA,前端半径Front R输入0.1,长度Z Length输入100,后端半径Back R输入0.1,如下图:


然后查看下3DLayout,如下图:

 

从上面两张图可以看出,光束已经进入石英光波导内进行传输了。
 
(2)   输出光斑整形:
我们使用一个直径为12.7mm焦距为25mm的近红外消色差胶合透镜和两个焦距分别为250mm50mm柱面胶合透镜对输出光束进行整形,将参数输入LDE中,并将两个柱面胶合透镜的面形改为Toroidal,同时,两个柱面胶合透镜需要正交放置,这就要增加2个坐标断点来控制柱面胶合透镜的旋转,如下图:


F50柱面胶合透镜前后各插入一个Coordinate break,并把Tilt AboutZ设置为90
查看下3D Layout,如下图:

然后,通过调整两个柱面胶合透镜之间的距离(Surface 9的厚度)和像面位置(Surface 14的厚度),找到最佳聚焦位置。   
打开Through Focus Spot Diagram,查看光斑形状,如下图:

此时,光斑几何尺寸约为0.2mm×0.9mm,基本符合设计要求。
这个设计有一个问题就是光学系统太长了。


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