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晶萃光學(xué)JCOPTIX致力于對光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行模塊化設(shè)計，簡化光學(xué)系統(tǒng)的搭建、維護(hù)和擴(kuò)展。前段時間我們推出了全新的光機(jī)微系統(tǒng)系列，收到了不少咨詢，今天我們簡單介紹一下空間濾光系統(tǒng)和光纖耦合系統(tǒng)的具體使用。

空間濾光系統(tǒng)   

   

 

基本原理

在激光應(yīng)用領(lǐng)域中，通常要求光束強(qiáng)度均勻且無雜散光，達(dá)到這一要求的方法是采用空間濾波光路，對光束進(jìn)行縮束、擴(kuò)束、準(zhǔn)直處理，產(chǎn)生純凈均勻的光束?？臻g濾光光機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部的光路原理是：入射激光束通過非球面透鏡聚焦后，轉(zhuǎn)變?yōu)楣廨S中心的高斯光斑和邊緣條紋，在透鏡焦平面放置針孔，阻擋噪聲條紋，讓中心低頻部分通過，產(chǎn)生純凈的基模高斯光束。在針孔后放置一個準(zhǔn)直透鏡，可得準(zhǔn)直且亮度均勻的高斯光斑。   

   

 

精密針孔和光學(xué)元件選型說明

利用高斯光束理論計算空間濾光光路聚焦透鏡焦平面的光斑直徑\( w \)

\( w=\frac{2\lambda f}rsxxy9pqvgc \)

其中，\( \lambda \)為入射激光波長，\( f \)為聚焦透鏡焦距，\( d \)為入射激光能量\( 1/e^2 \)處的直徑。

精密針孔的選擇應(yīng)該保證TEM00模的光斑都通過，且實際針孔的尺寸\( \phi \)大于光斑尺寸\( w \)約30%。這是因為高斯光束光強(qiáng)從中心到邊緣作指數(shù)衰減，在針孔直徑\( \phi = w \)時，光強(qiáng)仍有相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度。若針孔選得過小，光強(qiáng)損耗會過大，調(diào)節(jié)困難。

實際操作中，需要根據(jù)要求輸出的光斑直徑大小\( ?? \)來選擇相應(yīng)的準(zhǔn)直透鏡。如圖3，由相似三角形可知，準(zhǔn)直透鏡焦距\( F \) 為：

\( F=f\frac{D}rsxxy9pqvgc \)

其中，\( D \)為要求的輸出光斑直徑。

   

舉例：

若用波長 \( \lambda \)=520 nm，能量\( 1/e^2 \)處直徑\( d \)=3.5 mm的固體激光器，通過空間濾波光路系統(tǒng)得到光斑直徑\( D \) 約為3.5 mm的光束。已安裝晶萃光學(xué)JCOPTIX的消色差透鏡 OLD2430-T2 的焦距30 mm，焦平面的光斑尺寸\( w \)為

\( w=\frac{2\times(520\times10^{-9}\ m)\times30\ mm}{3.5\ mm}=8.91\ \mu m \)

所以應(yīng)使用針孔尺寸\( \phi \)大于\( 8.91\ \mu m \)的精密針孔，可選擇針孔尺寸\( \phi= 10\ \mu m \)的針孔。

最后，選擇輸出端的光學(xué)元件，以確保輸出的光束直徑\( D \)為3.5 mm，計算后應(yīng)選擇\( F=f=30\ mm \)焦距的消色差透鏡 OLD2430-T2 進(jìn)行擴(kuò)束準(zhǔn)直。

晶萃光學(xué)JCOPTIX提供的激光波長以及用\( f= \) 30 mm 消色差透鏡進(jìn)行聚焦，在空間濾光光機(jī)組件中其對應(yīng)的針孔直徑如下表：   

   

 

調(diào)節(jié)步驟

以MOF1-T2預(yù)組裝系統(tǒng)為例,該系統(tǒng)加入了兩個反射鏡架以確保激光準(zhǔn)直入射。

粗調(diào)平面反射鏡架，使激光平行入射，借助同軸系統(tǒng)對準(zhǔn)板（MCA-A1）觀察，入射光斑在正中央，光束無偏斜。

調(diào)節(jié)Z軸平移安裝座（MCT-Z1），使得光斑匯聚在針孔（安裝于光路中第一個XY平移調(diào)整架MCT-XY1中）附近，注意將針孔放在焦平面后方附近，此處光斑比焦平面光斑略大，更易于調(diào)節(jié)。然后在調(diào)節(jié)針孔的位置，在白屏上觀察到衍射斑光環(huán)。

在白屏上觀察出射的光斑，細(xì)調(diào)安裝針孔的XY平移調(diào)整架和安裝聚焦透鏡的Z軸平移安裝座，使得中心光斑達(dá)到最亮，這樣就濾掉大部分的高階噪聲。

按照設(shè)計要求所輸出的準(zhǔn)直光斑大小裝上相應(yīng)的準(zhǔn)直透鏡，微調(diào)準(zhǔn)直透鏡位置，使得出射光準(zhǔn)直。

光纖耦合系統(tǒng)

基本原理

光纖耦合的基本原理如圖6所示，準(zhǔn)直光束通過聚焦透鏡后，經(jīng)過了傅里葉變換后在聚焦面上得到了艾里斑模場分布，聚焦面上的光斑的模場直徑為：

\( d=\frac{4 \lambda f}{\pi D}=\frac{2 \lambda}{\pi NA} \)

其中，\( \lambda \)是激光波長，\( f \)是透鏡的焦距，\( D \)是透鏡的通光孔徑，\( NA \)是透鏡的數(shù)值孔徑。

耦合的基本原理是將艾里斑模場與單模光纖模場之間匹配起來，因而要求耦合透鏡的數(shù)值孔徑與光纖的數(shù)值孔徑匹配起來。

光纖耦合效率

耦合效率\( \eta \)定義為耦合到光纖的光功率\( P_0 \) 與聚焦平面上接收的光功率 \( P_f \)之比：

\( \eta=\frac{P_0}{P_f}\times100 \% \)

光學(xué)元件上的膜層對不同波長的激光透射率不同，為避免不必要的損耗，需要根據(jù)激光波長選擇對應(yīng)波段的鍍膜光學(xué)元件，以達(dá)到最高的耦合效率。

調(diào)節(jié)步驟

調(diào)節(jié)Z軸平移安裝座（MCT-Z1）的位置，使光纖法蘭后面板中心位于透鏡的焦點附近，并觀察到一個圓形的光斑（借助同軸系統(tǒng)對準(zhǔn)板 MCA-A1），則此時入射光準(zhǔn)直入射。

把光纖跳線插入光纖法蘭，調(diào)節(jié)Z軸平移安裝座（MCT-Z1）以及XY平移調(diào)整架（MCT-XY1），直至光纖跳線出射端出現(xiàn)光信號。

用光功率計測試出射光功率，繼續(xù)微調(diào) MCT-Z1 以及 MCT-XY1 ，使出射光功率最大。此時，光纖耦合效率達(dá)到最大。