本文利用ZEMAX軟件進(jìn)行多模光纖準(zhǔn)直器的設(shè)計(jì)。在ZEMAX開發(fā)環(huán)境下建立多模光纖準(zhǔn)直器光路系統(tǒng)的理論模型，通過(guò)人工優(yōu)化的方法，設(shè)計(jì)并制作了可調(diào)焦的多模光纖準(zhǔn)直器，仿真結(jié)果與實(shí)際結(jié)果相一致，證實(shí)了利用ZEMAX進(jìn)行多模光纖準(zhǔn)直器設(shè)計(jì)的可行性和準(zhǔn)確性。利用所建立的模型，分析了各種因素對(duì)光纖準(zhǔn)直器耦合效率和準(zhǔn)直度的影響。 e} | UVoeH
ZEMAX是美國(guó)FocusSoftwareInc公司開發(fā)的光學(xué)設(shè)計(jì)和仿真分析軟件，具有強(qiáng)大的激光束傳輸仿真功能，并提供了序列和非序列兩種光線追跡模式。其中序列模式下可以使用物理光學(xué)傳播來(lái)定義高斯光束；非序列模式下有多種光源模型，包括高斯光束、半導(dǎo)體高斯光束、橢圓高斯光束等。光纖準(zhǔn)直器是一種光無(wú)源器件，其作用是將光纖中出射的發(fā)散光束準(zhǔn)直成平行光束，或者將平行光束匯聚進(jìn)入光纖中去，以提高光纖系統(tǒng)的耦合效率。光纖準(zhǔn)直器通常主要由準(zhǔn)直系統(tǒng)和光纖兩部分組成。光纖準(zhǔn)直器根據(jù)光纖的不同可以分為單模光纖準(zhǔn)直器和多模光纖準(zhǔn)直器。其中，多模光纖準(zhǔn)直器由于其耦合效率高而被廣泛應(yīng)用在傳能方面。 :N!Fe7H,
本文從實(shí)用的角度出發(fā)闡述ZEMAX在光無(wú)源器件2多模光纖準(zhǔn)直器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，通過(guò)建模來(lái)驗(yàn)證ZEMAX在多模光纖準(zhǔn)直器設(shè)計(jì)中的可行性。 Rou$`<{H
2建模 sg@)IEg</v
在ZEMAX軟件中，混合式非序列常常被用來(lái)仿真不易建立于序列性模式下的光學(xué)組件。從序列模式出發(fā)，在混合式非序列下對(duì)光纖準(zhǔn)直器進(jìn)行仿真建模。在建模仿真之前，首先設(shè)計(jì)準(zhǔn)直系統(tǒng)，采用偶次非球面單透鏡作為準(zhǔn)直系統(tǒng)。在ZEMAX中，偶次非球面可以表示為 m1,?rqeb
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式中c為頂點(diǎn)處的基本曲率，r為垂直光軸方向的徑向坐標(biāo)，k為二次曲面常數(shù)，ai為非球面系數(shù)。其中k<-1為雙曲面，k=-1為拋物面，-1<k<0為橢圓，k=0為球面，k>1為扁圓。 ;O7Cahd F
在非球面透鏡的應(yīng)用中，平面(或凸面)2雙曲面透鏡可以將無(wú)限遠(yuǎn)目標(biāo)聚焦成無(wú)像差的光斑。利用這個(gè)特性，可以運(yùn)用平面(或凸面)2雙曲面透鏡對(duì)半導(dǎo)體激光器的快軸進(jìn)行準(zhǔn)直，如圖1所示。 ?^TjG)e7
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由于單件非球面透鏡的加工成本非常昂貴，直接采用了Thorlabs公司的C230TME2B型非球面準(zhǔn)直透鏡(數(shù)值孔徑為0.55，焦距為4.51)進(jìn)行建模仿真。在序列模式下，輸入透鏡參數(shù)，中心波長(zhǎng)選擇980nm，優(yōu)化函數(shù)選擇RMS+Wavefront，對(duì)透鏡工作距離進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的參數(shù)如表1所示。由圖2可以得出準(zhǔn)直度為0.158mrad。 Z}#, E ;
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在準(zhǔn)直系統(tǒng)確定之后，在表1中“STO”面前插入非序列組件(NSC)，并在出口端口位置(ExitLocZ)處設(shè)置端口位置大于光纖長(zhǎng)度(否則ZEMAX程序?qū)?huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤信息)。在非序列組件編輯器(NSCE)中對(duì)芯徑為100μm，數(shù)值孔徑為0.37的多模石英光纖進(jìn)行仿真建模，結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。 qs\ O(K8
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為了優(yōu)化方便，在光纖與準(zhǔn)直透鏡之間加入一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)面。在點(diǎn)列圖的監(jiān)控下，改變?cè)摌?biāo)準(zhǔn)面的厚度對(duì)光纖準(zhǔn)直器的工作距離進(jìn)行人工優(yōu)化。達(dá)到最佳準(zhǔn)直時(shí)，準(zhǔn)直度為6.256mrad，點(diǎn)列圖如圖3所示。由于多模光纖的芯徑較粗(d>50μm)，因此可以用幾何光學(xué)計(jì)算模型來(lái)做近似分析。雖然這種分析沒(méi)有波動(dòng)理論那么嚴(yán)密，但卻能夠非常準(zhǔn)確地提供描述連接損耗及各種影響因素的有用信息。在ZEMAX軟件中，幾何像分析(GIA)工具可以計(jì)算光學(xué)系統(tǒng)和多模光纖的耦合效率。計(jì)算出考慮菲涅爾衍射時(shí)的系統(tǒng)耦合效率，如圖4所示，光纖準(zhǔn)直器系統(tǒng)的耦合效率為83.818%。 A hjK*nJF
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根據(jù)ZEMAX的仿真結(jié)果，制作了光纖芯徑為100μm的可調(diào)焦的多模光纖準(zhǔn)直器，當(dāng)準(zhǔn)直器調(diào)到最佳位置時(shí)，準(zhǔn)直度為7mrad，耦合效率為75%，與ZEMAX的仿真結(jié)果非常接近。 _ _x2xtrH
3光纖準(zhǔn)直器光束質(zhì)量的影響因素 Gb)!]:8
3.1光纖芯徑大小對(duì)光纖準(zhǔn)直器光束質(zhì)量的影響 Fa
表3為用ZEMAX軟件模擬的不同光纖時(shí)準(zhǔn)直器的準(zhǔn)直度及耦合效率，從表中可以看到系統(tǒng)的耦合效率隨著光纖芯徑的增大而增大，但當(dāng)芯徑增大到一定程度時(shí)，耦合效率不再隨芯徑的增大而顯著變化。而準(zhǔn)直器的準(zhǔn)直度則隨著光纖芯徑的增大顯著變差，從50μm開始，芯徑每增加1倍，準(zhǔn)直器的準(zhǔn)直度就變差1倍。單色相干光在經(jīng)過(guò)多模光纖傳輸時(shí)，激發(fā)出大量的不同模式相互耦合，受模式選擇性損耗等因素的影響，各導(dǎo)模之間存在著時(shí)延差，時(shí)延差小于單色光相干時(shí)間的那些模式間矢量相加，彼此干涉，其結(jié)果在光纖出射端面的輻射光場(chǎng)分布形成近似散斑光場(chǎng)。這種不均勻的光場(chǎng)分布嚴(yán)重影響了光纖準(zhǔn)直器的準(zhǔn)直度，并且光纖芯徑越大，散斑越厲害，從而導(dǎo)致準(zhǔn)直器的準(zhǔn)直度越差。 SplEY!.k
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3.2光纖與準(zhǔn)直系統(tǒng)的對(duì)準(zhǔn)誤差對(duì)光纖準(zhǔn)直器光束質(zhì)量的影響 r!/=Iy@
光纖與透鏡耦合時(shí)，對(duì)準(zhǔn)誤差對(duì)系統(tǒng)的傳輸效率有著不容忽視的影響。對(duì)準(zhǔn)誤差中除了軸向偏離對(duì)準(zhǔn)直器的耦合效率不太敏感外，徑向偏離和角度傾斜都對(duì)準(zhǔn)直器的耦合效率比較敏感。本文主要討論對(duì)準(zhǔn)誤差對(duì)光束質(zhì)量的影響。在ZEMAX的LDE中，定義一個(gè)坐標(biāo)變換面，通過(guò)此面對(duì)系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)誤差進(jìn)行模擬分析。 8r7}6
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從圖5可以看到，準(zhǔn)直器的準(zhǔn)直度隨著軸、徑向偏離距離的增大而顯著惡化或趨向惡化。這樣，不同距離處的光斑將發(fā)生不同程度的變形。圖6為光斑變形后的點(diǎn)列圖，可見系統(tǒng)像差比較嚴(yán)重。圖7中可以看到角度傾斜不會(huì)對(duì)準(zhǔn)直度產(chǎn)生影響，但從圖8以看到，角度傾斜時(shí)光斑發(fā)生了傾斜變形。 Uh QsT^b_
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從以上分析可知，對(duì)準(zhǔn)誤差不僅對(duì)準(zhǔn)直器的耦合效率比較敏感，而且對(duì)光束質(zhì)量的影響也比較大。因此，在光纖準(zhǔn)直器的設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中，一定要嚴(yán)格把握控制其對(duì)準(zhǔn)精度，可以通過(guò)ZEMAX輔助設(shè)計(jì)作為參考。 &,?bX])
4結(jié)論 /_Z--s> j
提出了基于ZEMAX設(shè)計(jì)多模光纖準(zhǔn)直器的思想，對(duì)正在制作中的光纖準(zhǔn)直器做了仿真分析，并把仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果做了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常接近，說(shuō)明在混合非序列下仿真設(shè)計(jì)多模光纖準(zhǔn)直器的可行性。利用光學(xué)仿真軟件ZEMAX不僅可以對(duì)光纖準(zhǔn)直器的工作距離進(jìn)行優(yōu)化，而且還可以直接讀出光纖準(zhǔn)直器的準(zhǔn)直度及耦合效率。同時(shí)，結(jié)合非序列建模，還可以觀察不同距離的光斑大小及能量分布。該方法對(duì)實(shí)際中多模光纖準(zhǔn)直器的選擇和制作都有重要的意義。
