高斯光束和准直器简介ppt课件

1 R(z)
Re q(1z )
1 2 (z)
Im q(1z )
特别地，
q(0)
i
2 0
iz0
高斯光束传输
伴轴子午光学系统的变换矩阵
• 任一伴轴子午光线可由两个坐标参数表征为矢量 r 一个是光线离轴线的距离r， 另一个是光线与轴线的夹角theta，我们规定光线出射方向在轴线上方时 ,theta为正，反之为负。
典型光学系统的变换矩阵
q参数的变换规律—ABCD公式
• 基模高斯光束经过任意光学系统服从所谓的ABCD公 式：
q2
(z)
Aq1 (z) Cq1 (z)
B D
其中 CADB 为光学系统对伴轴光线的变换矩阵。
高斯光束的准直
高斯光束的准直—准直器简介
• 直接从普通单模光纤出射的高斯光束，由于其束腰太 小，因此瑞利距离太短，发散角太大，在应用中，我 们通常需要将其准直。
r
M r'
'
称矩阵M为介质的光线变换矩阵。
r' '
A C
B D
r
M CADB
伴轴子午光学系统的变换矩阵
• 若光线连续通过变换矩阵为M1,M2…Mn的光学系统 r00 M1 M 2 Mn rnn
则，
rnn Mn M 2 M1 r00
即整个光学系统的变换矩阵M=Mn*…M2*M1
• 束腰W0，指的是高斯光束的最小光斑（1/e^2，即13.5% 光强 处，半径），一旦高斯
光束的束腰的大小和位置确定下来后，整个高斯光束的结构也就确定下来了。 通常情况下，我们在实际应用中更多的需要考虑的是1%光斑大小，
(1%) 1.5270
例如，如何确定光学零件的有效通光孔径要求？ 反射镜或者棱镜的大小等等。
准直器的q传输计算实例（c-lens）
通过q传输理论，我们可以简单的得到准直器的出射光束腰大小及工作距 离与输入光束腰，位置的关系。选择合适的准直器工作距离和束腰是器件 设计的一项重要工作。
根据q传输ABCD公式，有
q0
i
2 01
q1 q0 z1
q2
Aq1 Cq1
B D
q3 q2 z2
Re
lim (z) z z w
0
• 目前主要采用的准直方法为加透镜，主要有C-lens， G-lens。
• 高斯光束的准直可用q传输理论进行简单的分析，理 论与实验测量的结果吻合的很好。
• 将以c-lens为例，简单介绍准直器的原理。
准直器的q传输图示（c-lens）
q0
q1
w01 z1
光传输方向
z
1
2
1
z
2
2 0
Lateral shift misalignment
e
r 0
2
r
Waist mismatch misalignment
41222 12 22
2
光无源器件中高斯光束耦合损耗分析
LOSS 10log
• 各种耦合失配一般是同时发生的；例如振动，冲击，受潮…
1、全胶用的调节架是三维的，焊接用的调节架是五维的 ； 2、全胶用的调节架调节精度是0.5um的，焊接用的是 10um
为什么会有这些区别？ 需要从基模高斯光束的耦合来解释。
高斯光束的四种耦合失配及其效率
Angular misalignment
e
2
Displacement misalignment
基模高斯光束和准直器简介
摘要
• 基模高斯光束 • 高斯光束传输（准直器） • 高斯光束的准直 • 高斯光束耦合
基模高斯光束
为什么是基模高斯光束?
• 从单模光纤中出来的光场我们可以近似认为是基模高 斯光束，束腰的位位置在光纤端面。
光传输方向
w01 w02
z1
z2
• 经过准直器后出来的光场也是基模高斯光束。 • 基模高斯光束分析方法可以应用到几乎所有的单模光
1 q3
0
*C-lens 的变换矩阵M
M
1
1
n
R
0 n
1 0
L 1
1 0
0 1
nຫໍສະໝຸດ Baidu
准直器出射光束腰，工作距离通用公式
简单计算可得：
02 01
AD BC (Cz1 D)2 (Cz0 )2
2z2
2
( Az1 B)(Cz1 D) ACz02 (Cz1 D)2 (Cz0 )2
典型的准直器z2-z1,w02-z1计算曲线
• 远场发散角束腰theta，当Z远大于Z0时，W(z)近似线性的增加，我们可以得到，
lim (z) z z w
0
• 瑞利长度Z0
z0
2 0
基模高斯光束的几个重要的参数
• q参数 主要用来研究高斯光束传输
1 q(z)
1 R(z)
i
2 (z)
很显然，知道q(z)后，可相应得到R(z)和W(z),
SMF28 光纤，L3.85*R1.8 c-lens
如何控制准直器的出射光束腰大小，位置？
• 准直器的设计决定了出射光束腰大小，位置的可调节范围。
– 增大/减小入射光束腰w01, 出射光束腰减小/增大，工作距离可调范 围减小/增大；增大/减小c-lens的曲率半径R,出射光束腰增大/减小， 工作距离可调范围增大/减小；可通过设计透镜长度控制后截距的大 小，适应不同器件的需要；改变透镜的折射率特性可改变出射光的 特性，目前c-lens的材料业界已基本统一为SF11。
• 可通过调节准直器的后截距调节准直器的工作距离和束腰大小。
– 目前准直器的调节方法可分为master法和反射法； – 反射法对准直器的束腰控制方法有两种：单点反射和两点反射；
高斯光束耦合
两种光无源器件的制作工艺
公司目前存在两种无源器件的制作工艺，一种是焊接工 艺，另一种是全胶工艺。这两种工艺最直观的区别是所 用的调节架是不一样的，注意观察一下，主要有两个区 别：
q2
q3
w02
z2
参数说明： q0 – 光纤端面q值；q1 – c-lens平面前表面q值； q2 – c-lens球面后表面q值；q3 –出射光束腰处q值； W01 /w02 – 入/出射光束腰； L – c-lens 的长度； R – c-lens 的曲率半径；n – c-lens的折射率； 取原点在光纤端面，光传输方向为正方向； 准直器的工作距离为2z2。
无源器件上。
基模高斯光束的一般表达式
Z轴方向传播的基模高斯光束均可表示为如下的一般形式:
其中,
(r, z)
c
e
r
2
2
(z
)
i
k
z
2
r2 R(z)
arctg
z z0
(z)
k 2
z0
2 0
2
(z) 0
1
z z0
R(z) z z02 z
基模高斯光束示意图
高斯光束应用中的几个重要的参数