半导体激光器光束耦合效率研究

在远距离无线光通信中,接收点光功率与光束发散角平方成反比。为了获得小的光束发散角和大的功率耦合效率,必须研究光束准直系统与耦合效率的关系。根据非傍轴远场光分布理论,用光线追迹法对半导体激光器光束准直系统中的功率耦合效率进行研究,给出半导体激光器光束耦合效率的计算方法,并进行计算机模拟。这里的研究结果对半导体激光器光束准直系统设计具有一定的指导作用。     

紫外-可见光谱水质检测系统的多束LED光纤耦合研究

针对紫外-可见光谱水质检测系统单个LED光源输出功率低、光束质量差的问题,提出了一种多束紫外LED光源与光纤合束耦合的结构设计方案.运用ZEMAX光学分析软件开展了仿真设计研究,针对紫外LED光源与光纤耦合发散角较大的问题,设计了非球面准直透镜,准直后发散角为0.403 mrad;针对光束尺寸与光纤的匹配问题,进行了消色差双分离聚焦耦合透镜的设计.实验结果表明,合束LED光束汇聚的弥散斑的RMS尺寸为186.412 μm,GEO点尺寸为290.071 μm,光束中95％以上的能量集中在300μm以内,实现了多束LED光源与光纤的高效耦合.     

大功率光纤耦合模块光学系统北大核心

基于单管半导体激光器光束传输特性,用光线追迹法对光纤耦合光路进行仿真分析,结果表明在激光器与光纤间放置圆柱透镜的间接耦合方法具有成本低廉、准直光束质量好等特性。根据光束传输几何关系,优化得到了准直距离L与圆柱透镜半径r比值为0.5时,准直效果最好,准直后发散角为2.45°。用光学仿真软件设计耦合光路,并对耦合光路进行光线追迹,结合产品的可靠性问题,最终得到优化的柱透镜直径为60μm。进行耦合实验,测量准直后发散角和采用水冷散热的耦合系统的耦合效率,准直后发散角约为2.55°,耦合效率最高为89.50%。耦合实验结果与仿真结果接近,满足了光纤激光器泵浦源的使用要求。     

光通信中高精度激光束准直系统优化设计

基于空间解析几何与矢量形式的折射定理为基础,研究了非球面、非轴对称的激光束准直光学系统,并对空间光线的传输进行了严格的理论推导,得出了光束发散角的传递矩阵递推公式,并对激光束的发散角进行了优化设计.利用激光束质量诊断仪对准直系统的发散角进行了实验测试,结果表明准直系统能达到较高的准直精度.本设计方法能广泛应用于复杂的非球面光学系统设计中.     

基于叉丝阵列的准分子激光MOPA系统多路光束自动准直

为了实现激光在放大器多程放大及靶面高指向精度,介绍了高效准分子激光系统多路光束自动准直技术的研究工作。提出利用双叉丝阵列像传递光路,分别在输入光路和输出光路上设置叉丝阵列作为近远场基准,解决了光路中无天然准直基准及多路并行准直等问题。搭建了预放大器II的三路双程激光自动准直系统,验证了该方法的可行性,并利用成像系统和反馈控制结构实现了自动准直系统的联调实验。     

用于光纤耦合的无衍射光束研究

在光纤耦合理论及圆锥透镜产生无衍射光束理论的基础上提出了无衍射光束在光纤耦合中的方法.相对于其他方法,无衍射光束更容易耦合进入光纤,特别是单模光纤,并且在其最大准直距离内耦合效率几乎不变,可以减小装调难度.对此方法进行理论分析,并进行实验,加工了光纤耦合使用的圆锥透镜,其锥角为10°,通光半径为5mm.波长为0.632...     

基于ZEMAX的半导体激光准直仿真设计

为了压缩905nm的半导体激光,以用于远程测距,采用几何光路原理,设计了由两个相互垂直的椭圆柱面透镜组成的准直系统,并在ZEMAX软件的非序列模式下实现仿真。半导体激光器快慢轴的初始发散角为30°和15°,经过柱面透镜后,半导体激光器两个方向的发散角都大大压缩;经准直后,激光束的快慢轴发散角分别为4.4mrad和3.6mrad,基本满足了远程测距的要求。结果表明,椭圆面柱透镜对半导体激光有很好的准直作用。     

高功率半导体激光器微光学光束整形技术

基于微光学光束变换系统方法,采用双微棱镜列阵、同轴“之“字形整形方法、反射棱镜阵列法等技术对准直光束进行折叠及光参数积匹配变换,实现光束的完全消像散;利用自行研制的大数值孔径连续非球面微透镜列阵、整形器件等核心微光学器件,实现了准直、聚焦和光纤输出等各种功能。形成了系统的半导体激光器光束整形变换技术,准直后光束发散角达到理论极限;成功获得高效率单芯径光纤耦合半导体激光器泵浦源。     

大光束光纤耦合半导体激光准直系统

光纤耦合半导体激光器广泛的应用在国防、商业、工业等领域,对其光学准直是一项重要的工作。文中详细的介绍非球面透镜设计方法,设计了数值孔径NA=0.37,光纤芯径φ=600μm的大光束光纤耦合半导体激光非球面准直透镜,准直透镜的焦距f=50mm。从像质评定可以看出,非球面准直镜几乎接近衍射极限,整个系统的波像差小于0.3λ。实验结果证明,采用非球面准直系统,能提高光能的利用率,并获得高效准直光束。     

He-Ne激光束远场发散角的精确测量及误差分析

首先利用远场光斑测量法,测得GY-10型He-Ne激光器的远场发散角为1.15mrad.接着,根据高斯光束对望远镜系统变换,通过两个望远镜实现He-Ne激光束的准直,得到水平方向的远场发散角75.78 μrad,垂直方向76.53 μrad.最后,对实验中存在的误差分析可知,可用多次测量求平均值的方法消除误差;准直望远镜系统的微小失调可引起出射激光束远场发散角有较大的变化;测量系统中需使用长焦距的凹面镜.     

Transmission Properties of Fiber Probes

Transmission properties of tapered fiber including right cone fiber and bend optical fiber are discussed. The transmission efficiency of the tapered fiber is measured. The curve of transmission efficiency versus taper cone angle is given. By the scalar wave equation and Gaussian approximation, transmission properties of the two kinds of tapered fibers are analyzed, the power losses caused by taper cone angle and by the bending are also calculated. From the experiments and theoretical analysis, it could come to a conclusion that the wider the taper cone angle is,the higher the transmission efficiency will be.     

锥形光纤传输特性的检测与分析

在实验上用剪断法测量锥形光纤的传输效率随锥形光纤圆锥角的变化关系，作出传输效率曲线；根据标量波动方程，运用高斯近似法，从理论上说明光信号在锥形光纤中的传输特性和能量损耗，并用具体数据进行半定量计算。结果表明，锥形光纤顶端锥体的角度及其变化愈大愈光滑，锥形过渡区越短，传输效率就越高。     

线性锥形光纤倏逝波传感器的灵敏度分析

倏逝波的透射深度、均匀感应区域的感应芯径和感应长度是线性锥形光纤倏逝波传感器灵敏度的主要影响因素。为了实现灵敏度的最优化设计,分别建立了倏逝波透射深度与锥形参数之间关系及有效吸收路径与感应芯径和感应长度之间关系的数学模型,讨论了不同锥形参数(发射角、锥度比、锥长)下倏逝波的透射深度,不同感应芯径和感应长度下倏逝波的有效吸收路径,并进行了仿真。仿真结果表明,选择锥形光纤几何体和合适的发射角,可使透射深度增大近3倍,当锥度比为0.4时,倏逝波透射深度最大;减小感应芯径,增大感应长度可提高倏逝波的有效吸收路径,增强纤芯表面的倏逝波与周围吸收介质的作用强度。研究结果可用来指导制作高灵敏度线性锥形光纤倏逝波传感器。     

An evanescent wave biosensor. II. Fluorescent signal acquisitionfrom tapered fiber optic probes

For pt.I see ibid., vol.41, no.6, p.578-84 (1994). A biosensor was developed using antibodies, fluorescence and the evanescent wave to detect antigen binding at the surface of an optical fiber. Cladding was removed from the core along the distal end of a step-index optical fiber, and recognition antibodies were immobilized on the declad core to form the probe sensing region. Immersing the declad probe in aqueous solution creates a V-number mismatch between the immersed probe and the clad fiber. Probes created with reduced sensing region radius exhibited improved response by decreasing the V-number mismatch. Tapering the radius of this region has further improved probe response. Ray tracing analysis of the tapered probe demonstrated that the evanescent wave penetration depth increases along the length of the taper. Experiments correlating position of refraction along the taper with launch angle at the proximal end were realized in the ray tracing model. An evanescent wave immunoassay was performed with a series of the tapered fiber probes, each tapered from the fiber core radius (100 μm) to different end radii. An end radius of 29 μm was found to produce maximal signal from the tapered probe. Factors leading to the determination of the optimized probe are discussed     

锥形光纤的功率分布特性

从波动理论出发,对锥形光纤的纵向传播常数进行泰勒(Taylor)级数展开,经近似得到了锥形光纤功率分布的解。基于此理论,对锥形光纤的功率分布特性进行了讨论,并分析了锥形光纤的长度、锥度和光纤折射率等参数对锥形光纤不同模式功率分布的影响。为了减小功率泄漏,当光从锥形光纤大端入射时,应当减小锥长,减小锥度,增大纤芯包层折射率差;当光从锥形光纤小端入射时,应当增加锥长,增加锥度,增大纤芯包层折射率差。在长锥长、大锥度情况下,光纤折射率分布的影响相对较小。     

锥形光纤的结构与特性

通过理论分析和仿真试验,研究了锥形光纤的几何形状对锥形光纤的传输损耗和耦合效率的影响.用几何光学的分析方法,说明了光信号在锥形光纤中的传输损耗远低于同类型的圆柱形光纤;仿真试验研究了光源与光纤的相对位置、锥形光纤的尖端半径、锥形光纤的锥角大小对锥形光纤耦合效率的影响.     

主振荡功率放大激光器中锥度光纤相位共轭镜的实验研究

锥度光纤作为相位共轭镜具有高反射率、高保真度等优点，将3根自制的、规格不同的锥度光纤相位共轭镜应用在重复频率100Hz，脉宽28ns的激光二极管(LD)抽运的高功率脉冲激光主振荡功率放大器(MOPA)系统中，对其受激布里渊散射(SBS)性能以及锥度区尺寸的影响进行了研究。结果表明，芯径大于400μm的大尺寸锥度光纤可以应用于高功率激光系统中，如选择较长的后端光纤长度以及适当的锥度区规格可获得较高的受激布里渊散射能量反射率和输出能量。在应用总长5．2m，锥度区从φ400μm过渡到φ200μm的锥度光纤时，实验获得了高达85％的受激布里渊散射能量反射率和大于21mJ的双通输出能量，激光脉宽被压缩到17ns，最大峰值功率达到兆瓦量级。     

Tapered, both in dimension and in index, velocity coupler: theoryand experiment

The authors consider a tapered velocity coupler (TVC) that meets the adiabatic invariance condition with sufficiently strong coupling between the fundamental modes of individual guides in the middle region of the coupler while permitting individual excitation at the input end and sorting of the modes at the output end. This approach helps reduce the device length considerably by permitting much higher taper angle. A TVC consisting of one tapered and another straight, graded index waveguide is modeled using the normal modes of the entire, composite TVC structure. The analytical results are in excellent agreement with experimental results for a TVC fabricated in Ti:LiNbO₃. It is shown that the representation of the local normal modes as the superposition of the modes of the uncoupled guides leads to erroneous results     

移动温区光纤熔融拉锥锥区形貌研究

光纤拉锥是光纤器件制作中的一项重要技术,为了研究快速往复移动温区熔融拉锥系统中锥区形貌与各拉锥参数的关系,基于体积不变原理,建立了往复运动温区熔融拉锥系统在满足温区运动速度大于光纤拉伸速度条件下的理论模型,详细描绘锥区形貌形成过程,推导出锥区直径、锥区平坦区长度与温区运动次数、温区运动速度、光纤拉伸速度、温区往复运动距离以及温区宽度与光纤初始直径之间的定量关系,并进行验证,实验结果与理论分析一致。     

Design of a single-mode tapered waveguide for low-losschip-to-fiber coupling

The novel waveguide structures described in this paper have nonlinearly tapered shapes that result in low radiation losses despite their relatively short lengths. The core at the waveguide endface connected with the fiber has a very small cross section and an expanded mode field with a non-Gaussian shape. The taper structures are analyzed by using an improved step-transition method. This method is a based on the theory of enclosing a waveguide within electrical walls and that can therefore treat the radiation modes in a tapered waveguide as discrete mode spectra. Analyzing the relationships between the lengths and shapes of the tapers and the radiation loss due to the tapers show that appropriately tapered semiconductor waveguides operating at an optical wavelength of 1.55 μm and having a taper length of less than 0.7 mm can have a radiation loss of only 0.1 dB and a coupling loss with a conventional single-mode fiber of less than 0.5 dB