大功率激光光纤传输系统的设计

光纤耦合系统设计
2).光纤的选择
d core 0 2 1/ 2 N . A. BPP98 0 1/ 2 0.9d core N . A. 2
选 N . A. 0.2 有：
BPP 98 45mm mrad
dcore 0.5mm dcore 0.9mm

n1 cos
( N 0,1, 2, )
光纤的特性
2.光纤的分类
1).按芯径折射率分类：
阶跃型和梯度型
2).按传输模式的数量分类：
单模光纤和多模光纤
阶跃型
3).按光纤的材料分类：
石英、卤化物玻璃、有源玻璃、
硫属化合物玻璃和塑料光纤
梯度型
大功率激光传输一般选用石英阶跃型多模光纤
光纤的特性
3.光纤的损耗
望远镜聚焦
光束通过望 远镜聚焦系 统变换
光束半径/mm
望远镜系统 对不同光束 质量的激光 束的聚焦
M 2 :1 120
距透镜距离d2/mm
光纤耦合系统设计
结论：
1. 单透镜聚焦光束腰斑随光束质量变化大。 2. 望远镜聚焦系统，要求 f1>1m，整个装置的调节光路 太长，一方面调节不方便，另一方面易造成光纤耦合
的含义(平板波导)：
一定波长的光束在一定的波导中传播，其电磁场分布可以
表示为：
E E 0 ( x, y)exp[ j(t z)]
其中：

2
2
2 2 2( n n 1 1 2 ) n1a sin tan 1 N 2 2 2 2 n sin 1
表：聚焦透镜 f 值选取，单位mm

20
n
0.6 48 61 72
0.7 56 71 84
0.8 64 81 96
0.9 72 91 108
25.4 30
光纤耦合系统设计
透镜参数选取
Tc
P1: 物方主点 P2: 像方主点 r1: 第一表面曲率半径 r2: 第二表面曲率半径 TC: 透镜中心厚度 TE: 透镜边缘厚度 EFL: 有效焦距
设计耦合透镜为正弯月型
光纤耦合系统设计
耦合透镜焦距选取 原则：落在透镜上光斑的直径为透镜直径的n 倍，则有公式：
laser 0.98 f n
则：
dcore BPPLaser 0.98 dcore f n 2 f 0.225 f laser 0.98 BPPLaser 0.98 2 f f 0.9
报告内容
光纤的特性
激光光纤耦合条件
耦合效率分析 光纤耦合系统设计
光纤的特性
1.光纤的主要参数
1).光纤芯径：
dcore

d
2).数值孔径： N.A.
N . A. sin n12 n2 2
3).传播常数：
n 2 k n1k
n2k
导波模 截止条件
光纤的特性
激光光纤耦合条件
d laser d core
laser 2N.A.
dlaser laser d core N . A. BPP 4 2
耦合效率分析
1.轴向误差
2 sin cos R 2 sin cos d 1 2
coupling effiency
0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3
角度误差
0.2 0.1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
obliquitious error/ mrad
光纤耦合系统设计
大功率光纤耦合系统必须做到：
1.光束经过聚焦透镜后，其高斯光束的腰斑小于光纤
芯径，光束发散角小于最大接收角。 2.聚焦后的光束腰斑落在光纤端面上，且入射激光光
ƒ1
（b）倒置开普勒望远镜扩束系统
ƒ2 ƒ3
ω0
ω1
d1
l1
l2
d2
扩束光束的聚焦原理图
光纤耦合系统设计
带有倒置望远 镜扩束系统聚焦
光束半径/mm
M 2 :1 120
单透镜聚焦
距透镜距离d2/mm
M = 2, f = 40mm 单透镜和带有倒置望远镜扩束系统的 透镜聚焦效果比较
光纤耦合系统设计
d R arcsin 2d R
2 2 2
arcsin
R sin
?
耦 合 效 率
轴向偏移误差
轴向偏移误差mm
耦合效率分析
2.纵向间隙误差
s
Sf So s tan c
2
R 0.4, 0.32,c 0.2
处体积庞大。
3. 倒置望远镜扩束单透镜聚焦兼顾二者，一方面受光束 质量影响小，另一方面光路较短，便于调节和装配。
选择倒置望远镜扩束单透镜聚焦
光纤耦合系统设计
单透镜(耦合透镜)设计
透镜外形选取
原则：减小透镜球差
对于聚焦透镜常见的4种类型，其球差大小依次为： 双凸型 > 平凸型 > 正弯月型 > 非球面消相差型
束、耦合透镜和光纤三者的光轴必须同轴。
3.尽量减少激光束在耦合透镜表面反射、衍射和散射 损失，以及光纤端面上的反射、散射和吸收损耗。
大功率光纤耦合系统设计：
1.光纤设计 2.聚焦系统设计 3.耦合器结构设计
光纤耦合系统设计
1.光纤设计
1).光束的束宽修正
将包含 98% 能量的的环围圆径作为束宽直径
1
0.9
cpouling effiency
0.8
0.7
0.6
0.5
纵向间隙误差
0.4 0
0.5
1
1.5
2
upright error/ mm
耦合效率分析
3.角度误差
n2 2 exp
1.0 0.9
R 0.4, 0.32, n2 1.45, 1.064 103
BPP 98 75mm mrad
光纤耦合系统设计
2. 聚焦系统设计
激光束通过 ABCD 矩阵束腰的变化
光纤耦合系统设计
问题：大功率 Nd:YAG 输出光束随着激光功率的增大，
激光光束质量变差，即 BPP 值变大。如何保证聚焦在光 纤端面的激光光斑大小和发散角受激光功率的影响最小？
注意：大功率 YAG 激光器一般为平平腔，出射端光束
f = 60，n = 1.4585
TC 9.84 19.5 2.05 19.00 3.00 10.75 5.85 12.64 4.40 10.34 6.45 11.50
140
120 105 90 75 60
光纤耦合系统设计
r2 r1 26.5 27 25.5 26.0 24.5 25.0 24.0 24.5 23.0 23.5 21.5 22.0
束腰位置和半径变化甚小，发散角随光束质量变化较大。Fra bibliotek聚焦系统：
1).单透镜聚焦
2).倒置望远镜扩束单透镜聚焦 3).望远镜聚焦
光纤耦合系统设计
单透镜聚焦
激光束通过单透镜变换
光束半径/mm
M 2 :1 120
距透镜距离d2/mm
f = 40 mm
光纤耦合系统设计
倒置望远镜扩束单透镜聚焦
（a）倒置伽利略望远镜扩束系统
f = 70，n = 1.4585
TC 6.66 15.20 2.60 10.22 2.65 9.20 4.14 10.20 5.57 10.86 5.38 9.95
140
120 105 90 75 60
光纤耦合系统设计
3. 耦合器结构设计
进水 出水 进水 出水
光纤耦合系统设计
谢谢各位老师！
1).光纤的材料损耗
本征吸收：SO2 有4个吸收峰 0.16、9.1、12.5、21um 瑞利散射：光纤微观折射率不均匀
有害杂质吸收：过渡金属和OH根
2).光纤的波导损耗
模式损耗: 纤芯和包层的加权值
模耦合损耗：光纤纵向折射率不均匀
弯曲损耗：R有临界值
3).工艺缺陷
微裂纹和气泡等
光纤的特性
4.光纤的制备
EFL
TE
P1
P2 r1

r2
EFL
1 1 (n 1)2 TC 1 (n 1) EFL nr1r2 r1 r2
光纤耦合系统设计
r2 r1 23.5 24.0 22.5 23.5 22.0 22.5 21.5 22.0 20.5 21.0 19.5 20.0