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系統(tǒng)里的透鏡包括FAC/SAC及球面聚焦鏡都是采用市面上標(biāo)準(zhǔn)的透鏡，在典型的光纖耦合14針蝶形封裝中，最多需要三個獨立的透鏡才能提供有效且穩(wěn)定的耦合。大多數(shù)高端激光二極管使用兩個交叉的柱面方形微透鏡來補償激光二極管快軸和慢軸的發(fā)散角之間的差異。第一透鏡，稱為快軸準(zhǔn)直FAC透鏡，必須具有較大的數(shù)值孔徑，由于發(fā)散角的緣故，典型焦距約為500μm，由于發(fā)散孔徑的尺寸小，發(fā)散角通常約為25度。取決于單模或多模二極管的使用，慢軸的發(fā)散角比其快軸低3至5倍。因此，要使光束圓化，慢軸準(zhǔn)直SAC透鏡必須具有比FAC透鏡更長的焦距。根據(jù)二極管子底座的尺寸，這些元件可以輕松占據(jù)平臺可用空間的三分之一，這進一步說明了使用方形微光學(xué)元件而非圓形光學(xué)元件的重要性。光束經(jīng)過準(zhǔn)直后，需要使用第三塊方形透鏡（通常是非球面透鏡）將光耦合到光纖中。就像在準(zhǔn)直步驟中監(jiān)控光束輪廓和發(fā)散角一樣，光纖耦合過程也會受到主動監(jiān)控，以確保最大輸出功率。對于某些單模光纖耦合激光器，也可以觀察到偏振消光比。對于使用低功率激光器的價格敏感的激光二極管系統(tǒng)，通常使用單個球面或非球面透鏡，而不是一對柱面FAC和SAC透鏡。

(1)柱面透鏡的選擇和光路的安裝應(yīng)遵循以下規(guī)則：

θ_1/θ_2=f_1/f_2

(2)激光二極管可以近似為一個點光源，得到準(zhǔn)直輸出，兩個圓柱體與光源的間距等于兩者的焦距

(3)兩柱面主平面間距應(yīng)等于f2-f1焦距之差，兩透鏡實際間距等于BFL2-BFL1。與球面透鏡一樣，柱面鏡的凸面應(yīng)朝向準(zhǔn)直射光束，以盡可能減少。

d_1=2f_1 (tan?( θ_2∕2))

d_2=2f_2 (tan?( θ_1∕2))

1. 由于激光二極管輸出光束發(fā)散較快，我們需要仔細確認每個圓柱上的光斑尺寸不超過鏡頭的有效光孔徑。因為圓柱的距離等于它的焦距，所以每個圓柱的最大光斑寬度應(yīng)遵循

D_1=2f_1 (tan?( θ_2∕2))

D_2=2f_2 (tan?( θ_1∕2))

1. 采用的是平凸柱透鏡形式，根據(jù)平凸透鏡焦距計算公式

f_m=r/(n-1)（m=1,2；n為折射率，r為平凸透鏡的曲率半徑）

圖1 柱面FAC和SAC透鏡配對形式

圖2 二極管相關(guān)參數(shù)

兩個柱透鏡的參數(shù)

圖3柱透鏡參數(shù)

柱透鏡選型：根據(jù)索雷博公司柱面鏡的產(chǎn)品手冊，先選擇慢軸SAC透鏡作為參考透鏡，選擇型號為LJ1918L1-B或LJ1918L2-B，F(xiàn)ocal Length=5.79mm，Length=6.0/8.0mm，Height=4.0mm，Radius=3mm，Center Thickness=2.8mm，Edge Thickness=2.0mm，Back Focal Length=4.0mm。根據(jù)上式（1）~（5）求解相應(yīng)的快軸FAC透鏡相關(guān)參數(shù)。

圖4 柱透鏡結(jié)構(gòu)示意圖

聚焦鏡的計算方式

聚焦鏡的本質(zhì)是準(zhǔn)直透鏡反著使用！根據(jù)公式（5）平凸透鏡計算焦距。

圖5 光纖與聚焦鏡的關(guān)系

圖6 聚焦鏡結(jié)構(gòu)示意圖

f_m=r/(n-1)，聚焦鏡玻璃為H-LAF10，相應(yīng)的折射率和阿貝數(shù)為1.787和47.5，計算相應(yīng)的焦距為4mm

圖7 準(zhǔn)直鏡的示意圖

圖8 聚焦鏡結(jié)構(gòu)圖

圖9 激光合束結(jié)構(gòu)圖

最后，有相關(guān)需求歡迎通過公眾號“320科技工作室”與我們聯(lián)絡(luò)。

關(guān)鍵詞：高功率激光發(fā)射系統(tǒng)；擴束系統(tǒng)

1 引言

高功率激光發(fā)射系統(tǒng)是強激光空間傳輸系統(tǒng)中不可缺少的裝置。對高功率激光發(fā)射系統(tǒng)的研究一直是激光應(yīng)用領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)問題。高功率激光發(fā)射系統(tǒng)通常由準(zhǔn)直系統(tǒng)、導(dǎo)光光路系統(tǒng)和擴束系統(tǒng)組成,光學(xué)系統(tǒng)要求具有高抗激光損傷閾值、高反射率、熱變形小等特點。這里我們主要討論擴束系統(tǒng)的設(shè)計。

2 設(shè)計要求

3 設(shè)計方案選擇

由于激光波長較長，出射光束直徑較大，大口徑透鏡材料價格昂貴，反射系統(tǒng)便于冷卻，同時為了避免中心遮攔對激光能量的損失,提高系統(tǒng)的發(fā)射能量，故高功率激光擴束系統(tǒng)選擇離軸無焦卡塞格林系統(tǒng)進行擴束。所設(shè)計的離軸卡塞格林?jǐn)U束系統(tǒng),其擴束倍率為2倍,主鏡離軸量265mm,次鏡離軸量132.5mm,主鏡為凹拋物面,次鏡為凸拋物面。

4設(shè)計步驟

1. 根據(jù)主次鏡間距和擴束比計算主次鏡的曲率半徑，主次鏡曲率半徑分別為800mm和400mm。
2. 按下圖設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)

1. 按下圖輸入表面參數(shù)

1. 系統(tǒng)圖如下所示：

1. MTF/波前圖/像面光斑圖如下所示：

5 總結(jié)

這是一種被廣泛采用的強激光擴束系統(tǒng)，本文作為強激光發(fā)射系統(tǒng)的入門級教程，拋磚引玉，供初學(xué)者參考。

最后，有相關(guān)需求歡迎通過公眾號“320科技工作室”與我們聯(lián)絡(luò)