微光成型法微细光束紫外光源的研制

简要介绍了光成型法的原理以及在微细加工领域应用所需解决的关键问题。着重就选取经济性好的球形高压汞灯作为光源发光体 ,通过对聚光系统结构和聚光能力 ,导光光路的传导方式和光能传递效率以及缩微光路的成像性质的综合分析 ,并结合各级传输的光束特性进行优化设计 ,选取两平凸透镜聚光系统和光纤导光方式 ,并利用显微物镜的微缩特性 ,研制成紫外光光源。该光源可产生直径为数微米的微细光斑 ,现已应用于微细光成型法进行微型结构的成型制造研究     

分段式光纤传输系统的扰模增益及能量变化

天文探测中,要求类地行星探测中视向速度的测量精度达到10cm/s。圆形光纤扰模引起的谱线漂移成为影响视向速度测量精度的一个主要因素。提出了圆形结合多边形光纤的分段式光纤传输系统,以改善圆形光纤的扰模特性。利用搭建的测试光纤远近场光斑质量的光学系统,评价光纤出射场的光斑质量;分别研究了圆形光纤、圆形结合正方形光纤、圆形结合八边形光纤的分段式光纤传输系统在不同耦合条件下的远近场分布;分析了系统的扰模增益及能量变化。结果表明,圆形结合多边形光纤的分段式光纤传输系统提高了系统的扰模特性和稳定性。当多边形光纤芯径小于圆形光纤时,较大的入射偏移量引起耦合能量损失;当多边形光纤芯径大于圆形光纤芯径时,能量守恒。圆形结合八边形光纤传输系统的近场质心偏移较小,扰模系数较高,可有效减小耦合误差引起的谱线漂移,从而提高视向速度的测量精度。     

光锥导光装置耦合效率分析与测试

介绍了光锥导光装置的优势,分析了影响光锥导光装置耦合效率的主要因素,得出了影响光锥导光装置耦合效率的理论模型误差曲线。以光锥端面反射损耗及光纤辐射损耗为主要误差源,测试了光锥导光装置的耦合效率及误差对耦合效率的影响;采用分光比标定的方法测量导光装置的耦合效率,消除了由于激光器输出能量变化给试验中脉冲能量测量环节带来的影响;根据试验测量数据,拟合出误差对耦合效率的影响曲线,通过与理论误差曲线进行对比,验证了理论模型的正确性,同时测得该耦合装置的耦合效率为70．26％。在激光束的入射角度误差〈5°,且在光纤耐受弯折允许范围内甩动光纤的情况下,总误差对耦合效率的影响〈10％,满足实际工程误差的允许范围。该耦合装置已经应用到实际工程中。     

立体成型中紫外光能量场的分布研究

基于光的波动理论,对紫外光立体成型技术中的聚焦光能量场进行了深入的理论分析,阐明了点光源所辐射的连续球面波在凹椭球面上的反射聚焦理论及反射光波场轴向和侧向的能量分布形式近似于高斯分布;同时从实验分析角度研究得出,经光纤耦合传输及透镜聚焦至树脂液面的光能量也基本上呈高斯分布;研究为立体成型技术中有效地利用紫外点光源的辐射能和提高成型精度,提供了充分的理论依据,对紫外光立体成型的实际光学系统的设计也具有重要的指导作用.     

固体激光器与光纤激光器对光子晶体光纤棒耦合的分析与对比

耦合效率的高低与耦合后光斑的好坏直接影响着光子晶体光纤棒的放大效果,因此需要对种子光的耦合效果进行研究,选择合适的激光器作为种子源。本文对光子晶体光纤棒在固体激光器与光纤激光器两种情况下的耦合效率进行了理论分析;模拟计算了两种激光器情况下耦合效率的变化规律以及对准误差对耦合效率的影响;选择合适的透镜或透镜组,使用两种激光器对光子晶体光纤棒进行了耦合实验;对比两种激光器的耦合效果可知:固体激光器的耦合效率最高只能达到62.4%,而光纤激光器的耦合效率可以达到80%以上;在光纤激光器耦合情况下,对不同功率注入时耦合效率,以及耦合后光斑进行了实验分析。得到的实验结果对后续光纤棒的放大实验具有指导作用。     

基于光纤旋转连接器的光纤耦合效率研究

基于渐变折射率透镜准直器一定程度上可以提高空间光-光纤耦合效率,但会引入光纤与渐变折射率透镜装配误差和渐变折射率透镜间位置误差。鉴于以上两种误差情况,本文提出了修正光纤与渐变折射率透镜装配误差的位移法和基于楔形棱镜和平板玻璃的光束指向调整法。首先运用光线传输矩阵的数学分析方法建立了光线传输模型,分析当光纤与渐变折射率透镜存在距离误差和位置误差下耦合效率的变化,最后利用位移法降低了距离误差对插入损耗的影响,使系统插入损耗降低至0.2 dB。在存在位置误差下利用光束指向调整法降低插入损耗至0.7 dB。这两种方法可以有效提升光纤旋转连接器耦合效率。     

基于变芯径光纤的光学系统在光造型中的应用

光学系统采用变芯径光纤，可大幅度提高光的传输效率，增加光学子系统柔性。描述了光造型工作原理及其理论依据，在介绍所研制的光的成型系统光学子系统的基础上，阐述了紫外光源的选择与设计，及变芯径光纤的设计、传输、耦合与聚焦等技术。该套基于变芯径光纤的光学子系统成本低、体积小、效率高，巳成功应用于所研制的台式低成本快速成型系统中，为该系统的进一步推广奠定了技术基础。     

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。     

空间光到少模光纤的耦合效率及影响因素

建立了不同影响因素下空间光-少模光纤耦合效率的理论模型.以两模光纤为例分析了相对孔径对耦合效率的影响,当相对孔径为0.17时,耦合效率最高为82.96%.研究了倾斜、离焦、随机角抖动等因素对少模光纤耦合效率的影响.实验测得当横向偏移量为4μm时,两模光纤的耦合效率比单模光纤高10.23%;当轴向偏移量为125μm时,两模光纤的耦合效率比单模光纤高11.24%;当随机抖动幅度标准差为5μm时,两模光纤的耦合效率比单模光纤高12.1%.结果表明少模光纤对信号光接收过程中的干扰因素如倾斜、离焦和随机角抖动都有很好的抑制作用.     

利用非相干光源基于多模光纤获得空心光束

提出利用非相干单色发光二极管(LED)光源和多模光纤产生空心光束。证实了将LED光源以一定角度倾斜耦合进大芯径多模光纤可获得光斑均匀的空心光束。分析了光束在多模光纤中的传输路径和产生空心光束的机理,并用Zemax软件建立仿真模型进行模拟。搭建利用LED和多模光纤产生空心光束的实验系统并且与激光作为光源产生的空心光束进行分析比较,结果表明利用LED光源获得的空心光束均匀性更好。     

影响石英单模光纤数值孔径测量的因素及分析

本文采用远场光斑法和光强法测量了石英单模光纤的数值孔径.实验结果表明,由光纤耦合条件不同导致的光斑形状变化,对数值孔径的测量影响不大,单模光纤的纤芯直径小,导致出射光存在较强的衍射现象,对数值孔径的测量造成较大的影响,无论采用光斑法还是光强法,需以衍射第1次极大为计算标准,尽量选择光斑中心为亮斑时测量其数值孔径.此外,...     

球形光纤端面效应及其应用

本文介绍了球形光纤端面的制作方法,采用射线理论和等效透镜法分析了圆球形端面多模光纤的端面效应,并给出了两个不同端面多模光纤之间耦合的实验结果。结果表明：圆球形端面光纤具有聚光特性,与平端面相比,使用圆球形端面光纤不仅可以提高光器件之间的耦合效率,而且增大了它们之间的耦合距离,利于光路调试;可广泛应用于光源与光纤、光纤与光纤、光纤与探测器之间的耦合。     

多芯片半导体激光器光纤耦合设计

应用ZEMAX光学设计软件模拟了一种多芯片半导体激光器光纤耦合模块,将12支808nm单芯片半导体激光器输出光束耦合进数值孔径0.22、纤芯直径105μm的光纤中,每支半导体激光器功率10 W,光纤输出端面功率达到116.84W,光纤耦合效率达到97.36%,亮度达到8.88MW/(cm2·sr)。通过ZEMAX和ORIGIN软件分析了光纤对接出现误差以及单芯片半导体激光器安装出现误差时对光纤耦合效率的影响,得出误差对光纤耦合效率影响的严重程度从大到小分别为垂轴误差、轴向误差、角向误差。     

光纤照明用LED耦合装置设计

光纤照明用LED光源耦合装置多采用透镜组,其汇聚光斑小,但透镜组光能损失大。针对LED光源发光特性及聚合物光纤孔径大的特点,提出LED灯珠侧式安装和反射器切割移位优化法,设计一种基于椭圆反射器的光纤照明用LED耦合装置。运用John OFarrell的逼近算法计算出不同偏心率的椭圆反射器结构参数,结合光纤光学参数仿真比较耦合光效,得到一组偏心率和光纤直径匹配的高效耦合装置结构参数,并运用该方法设计了一款光纤直径10 mm、数值孔径0.5的光纤照明用LED耦合装置,其理想耦合光效达93.35%。     

便携式土壤重金属探测仪光学结构设计

当前土壤中的重金属污染日益严重,研究开发便携式土壤重金属快速、现场检测技术设备能为土壤重金属污染状况普查提供快速、有效的技术手段。系统中发射光路采用透镜对激光光束会聚并作用到样品;收集光路采用抛物面镜组对等离子体光信号收集并耦合至光纤。分析了激光光束经透镜汇聚后作用到样品时的功率密度,给出了等离子体光信号耦合至光纤端面的光斑大小,并得到整个光学系统的大小尺寸。结果表明,整个光学系统结构紧凑、体积小、光信号耦合效率高,非常适用于便携式土壤重金属快速、现场的探测系统应用。     

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.     

基于EKF的水下LD通信精对准控制算法

高速激光通信中接收机与光斑中心很难处于精对准状态,导致水下光通信链路难以稳定建立.首先采用蒙特卡洛仿真统计法分析激光光子在海水中传输的接收光强分布规律,再通过实验对接收端的光斑图像进行采样分析,利用曲线拟合得到接收器位置与接收光强的关系.仿真与实验结果表明:光束经过25 m的水下传输,接收光强分布仍近似为高斯分布.采用非线性估计算法(扩展卡尔曼滤波)与基本状态控制反馈理论,根据接收光强度估计接收器当前位置与最大光强处的距离,通过反馈算法实现接收端与光斑中心的主动跟踪对准.算法仿真结果显示,接收端对准误差在2 mm以下,稳定后接收效率超过98%.     

Bach Fabrication of Microlens at the end of Optical Fiber using Self-photolithgraphy and Etching Techniques

This paper describes a simple batch process for fabrication of microlens and microlens array at the end of an optical fiber or an optical fiber bundle using self-photolithography and etching techniques. A photoresist micro-cylinder was exactly formed at the core of the fiber end by exposing an UV light from the other end of the fiber and conventional development, rinse processes. A photoresist microlens was formed by thermal reflowing of the fiber at 170°C for 1 h. A measurement of transmissivity showed that the fabricated photoresist microlens is applicable for a wavelength that is longer than 450 nm. Alternatively, a glass microlens was fabricated at the core of the fiber by dry etching with an SF₆ gas using the photoresist microlens as a mask. The focusing of the lensed fiber was confirmed and simulation work showed that the lensed fiber could focus the light with a beam spot of 2 μm, numerical aperture (NA) of 0.285 and a depth of focus of 16 μm.