楔形光纤与半导体多量子阱平面光波光路芯片的耦合分析

采用楔形光纤(WSF)实现了与半导体多量子阱(MQW)平面光波光路(PLC)芯片的高效耦合。在多量子阱-平面光波光路前置模斑转换器(SSC)和不加模斑转换器的情况下,用阶梯串联法(SCM)数值模拟并优化设计了楔形光纤-平面光波光路间最佳耦合参量:楔形光纤楔角45°、端面圆柱透镜曲率半径2.5μm、模斑转换器-多量子阱-平面光波光路出射椭圆光斑长半轴3.5μm、纵横比5、楔形光纤-平面光波光路间垂直方向和水平方向无偏移、纵向间距5.5μm。用反向推演法(IDM)实验分析了楔形光纤样品的出射光场,与阶梯串联法(SCM)计算结果相比长轴误差为3.125%,短轴误差为0.8%。建立楔形光纤-平面光波光路-单模光纤(SMF)的耦合实验系统,在1.55μm波长处以单模光纤作为出纤的相同条件下,发现楔形光纤激励入射平面光波光路比单模光纤和锥形透镜光纤(TLF)作为入纤的耦合效率分别提高了24.827 dB和16.22 dB,为多量子阱-平面光波光路芯片尾纤封装技术提供了实验原型。     

大气激光通信用直锥形光纤发射天线

 提出采用直锥形光纤作为大气激光通信的发射天线,将多模光纤输出的部分相干发散光束变换为准平行光束的方案,既能得到发散角很小的部分相干激光光束,又能保证激光器输出能量的完全传输。采用光线追迹法分析了任意光束从锥形光纤小端面输入、大端面输出的发散角。结果表明,当直锥形光纤长度大于某一特定值时,从小端面输入的入射角小于数值孔径角的所有光线理论上都可以变换为出射角度小于光纤半锥角的光线,因此直锥形光纤可以作为部分相干光源的准直透镜,代替传统的凸透镜,用于改善光束的发散角。对远场光斑进行了数值模拟和实验研究,结果显示：直锥形光纤透镜对朗伯光源的准直光束比传统凸透镜的准直光束发散角小,光斑半径小且均匀性好,证明用此方法可以得到低发散、低空间相干性的光斑。     

锥形透镜光纤与平面光波光路芯片的耦合实验

对锥形透镜光纤（TLF）与半导体多量子阱（MQW）平面光波光路（PLC）芯片的耦合特性进行了实验研究.数值模拟了TLF、普通单模光纤（SMF）分别和PLC芯片脊波导的耦合情形，发现TLF-PLC耦合损耗比SMF-PLC耦合损耗小3.01 dB.测得了TLF的出射光场光斑，分析了出射光场发散范围.建立光纤-PLC芯片耦合实验系统，用放大自发辐射（ASE）宽带光源在1550 nm波长处对比分析了PLC芯片与不同光纤的耦合连接损耗，从而确证最佳方案为TLF-PLC-SMF：即TLF作为入纤，SMF作为出纤时，耦合对准容易实现，损耗为10.798 dB，比TLF-PLC-TLF耦合损耗小4.458 dB.     

大容差光纤耦合技术研究

设计了一种新型的耦合系统,该耦合系统由大口径聚焦透镜、1/4节距自聚焦透镜、锥形光纤和球端光纤四部分组成.分析了自聚焦透镜压缩发散角和球端光纤增大数值孔径的机理,给出了计算锥形光纤参量的详细流程.采用大口径透镜和1/4节距自聚焦透镜有效增大径向位置容差和角度容差,然后通过锥形光纤压缩光束半径将激光耦合进球端光纤.仿真实验结果表明,该系统耦合在r<3 mm,－1<θ<1.5范围内的耦合效率稳定保持在50%以上.     

表面等离子体平面金属透镜及其应用

由于衍射极限的存在,传统光学透镜成像分辨率理论上只能达到入射光波长的一半。通过恢复和增强携带物体细部特征信息的高频倏逝波,基于表面等离子体的平面金属透镜有望突破这种光学衍射极限,实现超分辨成像。本文对平面薄膜式与纳米结构式两类平面金属透镜进行了综述,详细介绍了若干典型平面金属透镜的结构设计、工作机理及其聚焦性能,并对其特点与存在的问题进行了分析与讨论。由于光波在金属中传播时存在一定损耗,如何更高效地增强高频倏逝波信号并转换成传播波,使其参与成像,以更好地实现远场超分辨成像,以及如何进一步增大近场超高分辨率聚焦光斑焦深以及减小远场聚焦光斑尺寸,是表面等离子体平面金属透镜进一步研究的重点。     

基于远场光分布测量微透镜面形误差峰谷值的方法

针对传统微透镜面形测试光路复杂和效率不高的问题,提出了一种基于微透镜远场光斑高效提取环带状面形误差峰谷（PV）值的方法。基于几何光学原理,计算了不同环带误差形成的光斑的分界线位置;建立了环带误差的三维模型,通过仿真不同误差模型下的远场光斑,获得了分界线内外光强比值和环带误差值的对应关系;最后利用微纳加工技术制备出不同环带误差的微透镜阵列,搭建测试光路,通过测试获得了不同环带误差下的光斑能量分布,通过模型计算获得的微透镜环带状面形误差PV值与干涉仪测试结果一致。     

远轴高斯波

基于严格求解Helmholtz方程的远场解，提出了一种描述远轴高斯光波传播的新方法．给出了高斯光波振幅、相位分布公式，讨论了光斑尺寸、发散角和能量守恒等关系．并指出任何高斯波的最大光束发散角为65.5°． 关键词：     

角锥棱镜的远场衍射特性

角锥棱镜具有空间反射特性，广泛用作激光测距的合作目标，不同的使用情况有不同的精度要求，对用于远距离测距的角锥棱镜其远场衍射特性将直接影响测距效果。通过对角锥棱镜角度误差和面形误差的分析，建立了具有角度误差和面形误差的角锥棱镜的出射波面的波差分布，并按照光波的衍射原理计算具有误差的角锥棱镜的远场衍射图。通过衍射图可以看出出射光束的发散程度随着角度误差的增加而增加，直至完全分离成六束光束。同时，面形误差的增加将导致衍射图的急剧恶化，使出射光束的质量明显降低。角锥棱镜的衍射特性对角锥棱镜的设计和评价具有指导意义。     

基于mini-bar的光纤耦合实验研究

基于mini-bar的光纤耦合是一种进一步提高二极管激光器光纤耦合系统出光亮度的有效方法。本文对Osram公司的一款连续60 W mini-bar的发光特性进行了实验研究,选用的mini-bar在工作电流60 A时输出功率60 W,电光转换效率最大为60%,中心波长973.7 nm,慢轴发散角为9.3（1/e2）。分析了其慢轴准直的特性,了解慢轴准直透镜的选择原则。器件准直后的慢轴发散角为47.6 mrad。通过对光束参量积的计算了解到mini-bar的光束可以直接耦合进入600 m的光纤,并进行了单片mini-bar的耦合实验,得到准直系统与耦合透镜组的传输效率为83%~85%,光纤的耦合效率为86%~93%,整个系统的光光效率大于72%。     

一种分析楔形光纤的等效矩形近似-阶梯串联法

楔形光纤(WSF)是实现平面光波光路芯片入出端口与光纤高效连接的核心部件. 采用数值模拟方法分析其中光波传输演化过程,是优化设计光子器件耦合结构的重要基础. 提出基于等效矩形近似的三维阶梯串联法(ERA-SCM),将楔端沿传输方向细分,引入矩形波导近似,给出了细分后各段近似矩形波导的等效折射率;在此基础上,建立了阶梯串联法分析模型,分级给出WSF中光波传输过程与模场演变. 数值分析结果表明,ERA-SCM比有限差分束传播法(FD-BPM)能够更精确地分析非对称光纤和波导结构,描述其中光模场的演化. WSF出射光场实测结果表明,ERA-SCM数值模拟结果与实验结果的误差为1.9%,而FD-BPM的误差为4.5%. ERA-SCM是分析非对称光波导光波传输与模场演变的有效方法. 关键词： 平面光波光路 楔形光纤 等效矩形近似 阶梯串联法     

光束质量测量的最小束斑法

基于最小束斑条件,提出一种光束质量的测试方法。用这种测试方法,在沿光轴的二个位置进行束宽测量,就可较正确给出束腰位置、束腰宽度、远场发散角和M~2因子。     

Detailed characterization of polycapillary focusing x-ray lenses by a charge-coupled device detector and a pinhole

A method to measure the detailed performance of polycapillary x-ray optics by a pinhole and charge coupled device (CCD) detector was proposed in this study. The pinhole was located between the x-ray source and the polycapillary x-ray optics to determine the illuminating region of the incident x-ray beam on the input side of the optics. The CCD detector placed downstream of the polycapillary x-ray optics ensured that the incident x-ray beam controlled by the pinhole irradiated a specific region of the input surface of the optics. The intensity of the output beam of the polycapillary x-ray optics was obtained from the far-field image of the output beam of the optics captured by CCD detector. As an application example, the focal spot size, gain in power density, transmission efficiency, and beam divergence of different parts of a polycapillary focusing x-ray lenses (PFXRL) were measured by a pinhole and CCD detector. Three pinholes with diameters of 500, 1000, and 2000 μm were used to adjust the diameter of the incident x-ray beam illuminating the PFXRL from 500 μm to the entire surface of the input side of the PFXRL. The focal spot size of the PFXRL, gain in power density, transmission efficiency, and beam divergence ranged from 27.1 μm to 34.6 μm, 400 to 3460, 26.70% to 5.38%, and 16.8 mrad to 84.86 mrad, respectively.     

Estimation of coupling efficiency of optical fiber by far-field method

Coupling efficiency to a single-mode optical fiber can be estimated with the field amplitudes at far-field of an incident beam and optical fiber mode. We call it the calculation by far-field method (FFM) in this paper. The coupling efficiency by FFM is formulated including effects of optical aberrations, vignetting of the incident beam, and misalignments of the optical fiber such as defocus, lateral displacements, and angle deviation in arrangement of the fiber. As the results, it is shown the coupling efficiency is proportional to the central intensity of the focused spot, i.e., Strehl intensity of a virtual beam determined by the incident beam and mode of the optical fiber. Using the FFM, a typical optics in which a laser beam is coupled to an optical fiber with a lens of finite numerical aperture (NA) is analyzed for several cases of amplitude distributions of the incident light.     

无衍射光束聚焦后的重建与矫正

基于衍射理论分析了无衍射光束聚焦后重建现象.导出重建后的光场分布表达式,数值模拟了重建光束的光强分布.结果表明,重建光束中心光斑较聚焦前的无衍射光束中心光斑大,而且重建后的光束有较大的发散角,光束随着传输很快扩散,光强迅速衰减.此类光束的应用受到限制.利用另一正透镜对重建后的光束加以矫正.并且由几何光学知识,得到了改变重建光束参量的方法,研究结果拓宽了无衍射光束的应用.用体视显微镜和CCD照相机组成的系统拍摄光束强度分布,实验结果与理论计算相吻合.     

Diffractive beam parameters of LP01 mode of fiber

The diffractive beam parameters of LP01 mode of fiber are analyzed in detail. Based on solving linear equations, two formulas for two kinds of mode-field radii as functions of normalized frequency are presented, and relations between angular radius of far-field divergence, beam propagation factor, and normalized frequency are given. Numerical calculation indicates that the maximal relative error is smaller than 1% within a reasonable parameter range.     

大气环境下用于瞄准的激光波束传播特性研究

针对激光瞄准过程中的光斑偏移现象,结合修正的Von Karman谱的折射指数起伏和Hufnagel-Vally湍流模型上的近似积分,研究了高斯脉冲光束在湍流大气中远场水平以及斜程传播时的脉冲展宽和闪烁指数,分析了强湍流条件下1.06 μm准单色光斜程大气传输光强分布与脉冲展宽的关系,对数值结果进行比较,发现远距离传输中波长和距离对波束瞄准偏差影响较大.从理论和实验上对大气环境下激光光斑瞄准偏差进行了分析研究,研究结果表明:将激光光斑全场数据及分析结果应用到现有偏差补偿算法中,可以实现激光瞄准偏差的有效补偿,在大气能见度1 km～3 km范围内,激光瞄准偏差测量误差σA≤0.1 mrad.     

利用含二面角误差的角锥棱镜阵列实现反射光束均匀发散的方法

角锥棱镜常应用于光电跟踪、卫星通信、干涉仪等领域.在一些特殊应用场合中,要求经角锥棱镜反射的光束具有一定的发散角,以实现对距离激光器较远位置处探测器的覆盖.由于标准角锥棱镜不具备对光束发散的功能,本文利用含二面角误差的角锥棱镜对反射光束的不均匀发散特性,提出利用角锥棱镜阵列实现对反射光束均匀发散的方法和设计原则.采用衍射光学理论分析了所提方法及其设计原则的可行性,并依此设计了一个发散半角为0.5 mrad的角锥棱镜阵列.分析了光束参数、结构参数对反射光束远场衍射特性的影响,结果表明,入射光斑强度分布对反射光束发散半角没有影响,当角锥阵列满足点光源条件时,传输距离对反射光斑的角向均匀性没有影响;当阵元数超过一定值时,均匀性不再显著变化,但反射光斑的强度将进一步增加.在工程应用中,角锥棱镜阵列安装方位角误差对反射特性影响不显著,但角锥棱镜二面角的加工精度对反射特性影响较大,可通过进一步增加阵元数加以解决.     

适用于高精度激光测距的光学系统设计北大核心CSCD

随着激光雷达技术的发展和测距精度需求的提高,对发射和接收光学系统提出了新的要求,需具有光束可调节、测量光斑小、回波效率高等特性。设计一种工作于1550 nm光通信波段的收发一体光学系统,发射与接收模块共用部分光路,以减小接收视野盲区,同时有利于结构小型化。为解决不同测量距离、不同表面倾角造成的回波能量差异问题,将光学系统的扩束组件设计成放大倍率为2×~3.5×的连续可调结构;使用两组双胶合透镜进行色差校正,以降低光谱宽度对系统传播距离的影响。经设计优化,系统准直后的激光发散角小于0.3 mrad,出射光斑直径在6.26 mm~10.20 mm连续可调,对于50 m内的测量目标,照射光斑直径均小于20 mm,且在不同变焦位置发散角和光斑直径均满足设计要求。