倒锥透镜型塑料光纤连接器光学特性研究

提出一种基于倒锥透镜光纤端的新型塑料光纤连接器.为了增大光纤的数值孔径，降低光纤端面对于对准准确度的要求，连接器的光纤连接端面制成倒锥透镜形状.利用截断法对该类型连接器的光学特性进行了测试.1 m长光纤跳线总损耗有75.7％集中在5.4 dB～6.0 dB之间，连接损耗70.7%集中在2.1 dB~2.7 dB之间，同一组跳线插拔200次连接损耗有95％集中分布在2.2 dB～2.58 dB.实验结果表明：倒锥透镜型塑料光纤连接器可以满足“光纤入户”对连接器性能的要求.     

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。     

反射式光学电压互感器光路建模及偏振误差分析

光路系统的偏振误差极大地制约着准互易反射式光学电压互感器的准确度.借助琼斯矩阵,建立了分立光学器件及光纤熔接点的传输模型,推导出完整的电压互感器光路系统的数学模型.以此模型为基础,对电压互感器中的偏振误差进行了仿真分析.结果表明：光源偏振度、起偏器消光比及起偏器与相位调制器的对轴角度主要影响系统的检测灵敏度|法拉第准直旋光器的旋光角度、法拉第准直旋光器与BGO晶体的对轴角度误差是主要的偏振误差源,影响系统的测量准确度及稳定性|根据电子式电压互感器IEC60044-7 0.2S级标准,法拉第旋光角度误差应该小于1.6°,旋光器与BGO晶体对轴角度误差小于1.85°.该研究对准互易反射式光学电压互感器光路设计和误差抑制具有一定的参考价值和指导意义.     

道威棱镜的偏振特性及偏振补偿研究

为了避免机载光电吊舱中共口径光学系统内部由于道威棱镜旋转引起的激光照射脉冲偏振态的变化,利用琼斯矩阵对道威棱镜的偏振特性与四分之一波片、半波片补偿道威棱镜旋转引起的激光脉冲偏振态变化进行了理论分析和实验验证。结果表明:线偏振的激光脉冲通过旋转一定角度的道威棱镜时,激光脉冲偏振态变为椭圆偏振,偏振态发生变化;而激光脉冲首先通过旋转一定角度的四分之一波片与半波片时,可使通过道威棱镜系统的激光脉冲偏振态保持不变,且两波片旋转角度与道威棱镜旋转角度之间存在一种非线性关系。采用偏振补偿方法可有效避免机载共口径光学系统中道威棱镜引起的激光脉冲偏振态变化,提高激光脉冲能量利用率,降低激光脉冲后向散射抑制难度。     

半导体激光器波长稳定系统的反馈效率

反射式体布拉格光栅(VBG)是改善半导体激光器(DL)输出光谱特性的首选器件。对快轴准直透镜(FAC)的非球面方程进行了数值拟合,采用光线追迹的方法建立了DL波长稳定系统反馈效率的计算模型,分析了FAC透镜、反射式VBG的空间位置和旋转角度变化对DL波长稳定系统反馈效率的影响,给出了波长稳定系统中FAC和反射式VBG的装调容差范围。分析结果表明:反射式VBG的空间位置偏差对反馈效率影响不大,但FAC透镜的空间位置和旋转角度偏差、反射式VBG的旋转角度偏差会造成反馈效率的急剧下降。     

飞秒激光倒锥微孔加工的反射式扫描装置设计

基于道威棱镜扫描原理,设计了由高速旋转电机驱动三片K字形排布反射镜组成的反射式扫描装置,并分析了扫描钻孔准确度.结果表明:该扫描装置可用于飞秒激光高准确度环切钻孔系统,钻孔准确度不受光束质量影响,钻孔扫描速度二倍于电机转速且钻孔效率高、兼容多光谱波段;与道威棱镜系统相比,该系统装调准确度要求低,能避免透射系统中色散引起的飞秒激光脉宽展宽现象.测试结果显示该装置可以实现直径0.05~0.2mm、加工准确度小于±2μm倒锥孔的高效率加工.     

激光注入误差对多模光纤传能特性影响分析

采用ZEMAX软件对激光光纤注入系统进行了建模,仿真分析了激光注入光纤横向偏移、角度偏移对光纤传输激光能量特性的影响.结果表明,光纤输出激光能量分布与激光注入对准误差密切相关.注入误差引起光纤初始输入段激光峰值功率密度的剧烈波动,出现了一个激光峰值功率密度极大值,这个极大值是可以达到光纤截面内激光平均功率密度的数十倍;横向偏移激发大量斜光线产生,使光纤输出激光能量分布匀化;角度偏移仅影响光纤内子午光线与斜光线的传播方向,对光纤内激光能量分布的匀化作用较弱.     

用楔形柱面光纤微透镜耦合的1.3μm SOA组件

运用激光模式耦合理论分析了半导体光放大器(SOA)与单模通信光纤的连接损耗,并设计制作了楔形柱面光纤微透镜用来实现两者的模斑匹配,有效地降低了器件的光耦合损耗.本文介绍了楔形柱面光纤微透镜耦合的1.3 μm半导体光放大器(SOA)组件及其制作方法.该组件的最大增益不小于14 dB,其偏振灵敏度小于1 dB,增益波动不大于0.5 dB.     

高能光纤激光经准直系统后的光束质量研究

应用光线光学的理论,对透镜的几何像差、热非线性等因素对光纤激光光束质量的影响进行了分析和计算,给出了激光通过多透镜光学系统后,光束质量参数M²与系统参数的一般关系. 研究了高能光纤激光通过准直系统后的光束质量. 研究结果表明,随着激光功率的增大,经准直系统后光束的光束质量存在最佳值,其对应的激光功率与准直系统参数有关,为高能光纤激光准直系统的设计提供了参考. 关键词： 高能光纤激光 光束质量 准直系统 光线光学     

离轴光纤旋转连接器的设计与实验

利用光纤准直器的特殊分布,设计出了一种新型的离轴双向传输旋转结构。该光纤旋转连接器具有两个可绕一共轴相互独立旋转的部件,在一个旋转部件上离旋转轴等距处安装四个光纤准直器,在另一个旋转部件上安装两个光纤准直器,两部件上的光纤准直器在旋转过程中始终保持光耦合,从而实现了光信号能在旋转过程中不间断的双向传输。通过分析从光纤准直器出射的光斑功率分布和系统旋转的损耗值,在进一步提升机械性能和光耦合效率的基础上,实现了高质量的图像和视频信号传输。实验结果表明,在旋转部件间距小于500mm和转速小于120r/min的条件下,系统满足1.25Gbit/s的高速率光信号的稳定传输。     

温度对光纤准直器的角度偏移影响分析

通过对光纤准直器准直失配，即离轴耦合、偏角耦合、间距耦合三种情况的耦合损耗进行分析，发现角度偏移对耦合效率影响最大.实验中随着温度周期性的变化，光斑位置也出现了有一定规律性的变化.实验通过确定光斑位置的变化量从而求出鞍型和拱型支承架在温度循环时的角度偏移为519 μrad和395 μrad，并导致了0.944 dB和0.718 dB的耦合损耗；在温度冲击时的角度偏移为986 μrad和138 μrad，并导致了1.793 dB和0.251 dB的耦合损耗.实验结果表明拱型支承架在两种不同的温度变化情况下均优于鞍型支承架.     

反射式光学电压互感器光路建模及偏振误差分析

光路系统的偏振误差极大地制约着准互易反射式光学电压互感器的准确度.借助琼斯矩阵,建立了分立光学器件及光纤熔接点的传输模型,推导出完整的电压互感器光路系统的数学模型.以此模型为基础,对电压互感器中的偏振误差进行了仿真分析.结果表明:光源偏振度、起偏器消光比及起偏器与相位调制器的对轴角度主要影响系统的检测灵敏度;法拉第准直...     

五角棱镜的光束转向误差对波前测量的影响

从分析五角棱镜的角度制造误差产生的光学平行差入手，推导出确定入射光线和棱镜调整的表达式；利用棱镜转动定理建立了五角棱镜的光输出平面波前与其角度制造误差和导轨引起的运动误差之间的关系；并用计算机模拟试验分析了五角棱镜的角度制造误差和导轨引起的运动误差产生的扫描光束转向的波前误差。指出此研究结果有利于五角棱镜的加工和棱镜调整，还有利于大口径望远系统波前检测过程中扫描光束转向的波前误差的修正。     

抛光对光纤连接器回波损耗的影响

分别选用氧化铝和氧化硅材料的抛光砂纸,在施加不同抛光压力、抛光时间,以及抛光助剂等工艺条件下,实验研究了抛光对连接器回波损耗的影响规律。通过实验发现:氧化铝砂纸干式抛光使光纤连接器的回波损耗仅保持在32～38dB之间;氧化硅砂纸干式抛光会造成光纤端面污损,使得连接器的回波损耗降低到20dB以下;氧化铝与氧化硅砂纸湿式抛光均可使光纤连接器的回波损耗提高到45～50dB,但氧化铝砂纸湿式抛光会造成80nm以上的光纤凹陷。因此,制作高回波损耗的光纤连接器应优先选用氧化硅砂纸湿式抛光工艺,抛光时间应控制在20～30s。     

自聚焦透镜离轴耦合损耗理论研究

利用光线光学的原理分析了自聚焦透镜的光学性能,提出了求解自聚焦透镜离轴耦合损耗的数学模型,利用这一模型计算出了单模光纤与自聚焦透镜离轴耦合时的耦合损耗与模向距离的关系曲线,为自聚焦透镜离轴耦合的设计提供理论依据.     

用于冷原子制备的激光扩束准直器的研制

针对现有的冷原子实验用的多数保偏光纤输入型扩束准直器不能对输入激光束的偏振进行精确调节的缺陷,提出了一种全长度为135mm,输出圆形光斑有效直径为20mm的紧凑型偏振可调激光扩束准直器.该扩束准直器中的偏振棱镜和波片偏振轴均可独立调节,能对单模保偏光纤输入光束的偏振态进行精确调节和保持.所研制的激光扩束准直器在三维磁光阱冷原子实验中制备出了满足冷原子干涉实验要求的冷原子团,冷原子团原子数为5×108,温度约为10μK,并获得了最大上抛高度为1.156m的原子喷泉飞行时间信号.     

利用对称非线性光纤环镜产生多波长激光的研究

利用非线性偏振旋转效应可在能量对称的非线性光纤环镜中获得强度相关损耗输出,具有该特性的非线性光纤环镜可作为强度均衡器来抑制室温条件下的掺铒光纤中的模式竞争。对这种环镜在多波长掺铒光纤激光器中的应用进行了研究,分析了入射偏振态和环镜内双折射对非线性光纤环镜输出特性的影响,研究了激光腔内光场的偏振条件以及对多波长激光系统的作用,并在L波段获得了3 dB范围内13条波长输出,波长间隔为1 nm,单波长半个小时内的功率波动小于0.6 dB。通过调整非线性光纤环镜引入的强度相关损耗的大小可以控制多波长的数目和频谱位置。     

COB光源的窄光束均匀照明设计

为了解决高功率白光LED光源输出高均匀度窄光束的问题,设计了一种由复合抛物面反射器、菲涅尔透镜和非球面透镜组成的照明系统。设计中以板上芯片型（COB）集成光源的配光曲线为依据构建光源仿真模型,由复合抛物面反射器实现大角度光线初次会聚之后,再由菲涅尔透镜控制溢散光,最后利用非球面透镜进行准直配光。采用TracePro进行蒙特卡洛光线追迹,根据仿真得到的系统性能指标,并研制出实物装置进行实验测试。最终测试结果表明:窄光束均匀照明系统可以输出±7.9°的光束,并且在距离系统出光面0.7 m左右的区域形成均匀度超过96%的圆形光斑,整体光效达到60%。     

保偏光纤2×2定向耦合器

介绍一种已研制成的低损耗、宽带、结构紧凑的保偏光纤定向耦合器(PPFDC),它可用于今后的相干纤维光学传输系统或陀螺仪上。这种耦合器由两块直径为200μm蓝宝石球透镜、一块3dB分光器和四根锥形氧化铝陶瓷套管组成,套管上的基准扁平面用于使光纤在接点保持偏振。由于直管内光纤只有很短一段经过抛光,故光纤的固有热应力变化最小。光轴和机械轴成一定角度,因而光纤端面或透镜表面不会出现串扰光。耦合器的光学方向性大于50dB,在1.3μm波长区的反射损耗大于40dB。在1.2到1.4μm内的过量损耗小于1dB。消光比大于25dB。耦合器耦合区的长度包括两块球透镜和分光器在内约1mm,光纤端面分布反馈激光二极管的谱线宽度用耦合器由延迟自零检测系统测量。采用调相耦合器的新型保偏光纤陀螺仪的实验结果表明,灵敏度和稳定度均是适用的。这些实验结果证实耦合器的上述各种特性均是正确的。     

基于Skew-Ray追迹法的均匀准直照明TIR透镜设计

依据LED点光源模型发光特性,以特定尺寸圆目标屏获得均匀准直照明为目标,采用Skew-Ray追迹法描述光线和设计TIR透镜,其中将透镜全反射区域进行简化处理,主要通过折射区域的双自由曲面相互配合控制光线实现照明目标。经过对透镜设计结果与1mm×1mm的LED扩展光源模型的组合进行非序列光线追迹模拟,模拟结果表明在距离光源2m范围内特定尺寸目标屏所获得光能利用率至少可达到79.6%,同时目标屏在近场和远场处照明均匀度可分别达到95.9%和83.9%,若以±1°作为光线准直半角标准,目标屏准直光线百分比可分别达到88.6%和73.8%。