光纖耦合激光器耦合光學系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領域】
[0001] 本實用新型涉及光學技術(shù)領域，具體涉及一種光纖耦合激光器耦合光學系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 通常光纖耦合激光器出射的光線是通過一個雙膠合聚焦透鏡耦合到光纖纖芯里， 這樣設計的光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，加工方便。但其存在光纖耦合效率低，熱能損耗大，在高功 率的光纖耦合激光器系統(tǒng)中散熱性能較差，長期工作會增加該激光器失效率的缺點。所謂 失效率是指工作到某一時刻尚未失效的產(chǎn)品，在該時刻后單位時間內(nèi)發(fā)生失效的概率。現(xiàn) 有的這種光學系統(tǒng)影響光纖耦合激光器的使用壽命，因此該種光學系統(tǒng)不能應用到高功率 的光纖耦合激光器中進行光纖耦合。 【實用新型內(nèi)容】
[0003] 本實用新型的目的在于提供一種光纖耦合激光器耦合光學系統(tǒng)，其可以大大提高 光纖耦合效率，降低激光器長期工作的失效率，使其熱能損耗降低，可用于高功率的光纖耦 合激光器系統(tǒng)中。
[0004] 為了達到上述目的，本實用新型提供一種光纖耦合激光器耦合光學系統(tǒng)，包括聚 焦透鏡，其中還包括具有整形準直功能的光學元件，所述光學元件設于聚集透鏡與激光器 之間。
[0005] 進一步地，所述光學元件為負透鏡與正透鏡組成的透鏡組，所述負透鏡與正透鏡 間隔設置，所述負透鏡設于靠近所述激光器的位置，所述正透鏡設于負透鏡與聚焦透鏡之 間，所述負透鏡與正透鏡相鄰側(cè)的焦點重合。
[0006] 進一步地，所述負透鏡或正透鏡的焦距f滿足：
[0007]
其中η為透鏡的折射率，ri為透鏡的左 球面曲率半徑，r2為透鏡的右球面曲率半徑，d為透鏡左右中心頂點的距離。
[0008] 進一步地，所述正透鏡與聚焦透鏡的距離大于聚焦透鏡的曲率半徑。
[0009] 進一步地，所述負透鏡為雙凹透鏡，所述正透鏡為雙凸透鏡。
[0010] 進一步地，所述負透鏡與正透鏡的放大倍數(shù)相同。
[0011] 進一步地，所述聚焦透鏡為非球面透鏡。
[0012] 進一步地，所述聚焦透鏡為偶次非球面透鏡。
[0013] 進一步地，所述負透鏡、正透鏡均采用H-ZF2玻璃材料加工制成，所述聚焦透鏡采 用D-ZK3玻璃材料加工制成。
[0014] 采用上述方案后，本實用新型具有以下有益效果：
[0015] 1、通過在光纖耦合激光器與聚焦透鏡之間設置具有整形準直功能的光學元件，從 光纖耦合激光器發(fā)射的光束先經(jīng)過光學元件進行質(zhì)量校正，使光束形狀由非圓形變圓形， 之后再經(jīng)聚焦透鏡對光束進一步匯聚，使激光器發(fā)射的光束進入光纖纖芯，從而大大提高 了光纖耦合效率，降低了激光器長期工作的失效率，使其熱能損耗降低，并可用于高功率的 光纖耦合激光器系統(tǒng)中；
[0016]2、光學元件設為由負透鏡和正透鏡組成的透鏡組，使負透鏡、正透鏡相鄰側(cè)的焦 點重合，這樣設置結(jié)構(gòu)簡單，且能保證從該透鏡組射出的是準直校正的圓形光束；
[0017]3、將負透鏡、正透鏡設為放大倍數(shù)相同，并且負透鏡為雙凹透鏡，正透鏡為雙凸透 鏡，這樣設置準直整形效果更佳；
[0018]4、將聚焦透鏡設置為非球面透鏡，這樣設計使該光學系統(tǒng)在耦合效率高的基礎 上，聚焦的耦合效率進一步提高，且該光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單緊湊，加工容易，可以采用模壓加 工，加工精度較高而且加工成本較低。
【附圖說明】
[0019] 圖1是本實用新型光纖耦合激光器耦合光學系統(tǒng)的實施例一結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020] 圖2是本實用新型光纖耦合激光器耦合光學系統(tǒng)的實施例二結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021] 圖3是本實用新型光纖耦合激光器耦合光學系統(tǒng)的實施例三結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022] 圖4是本實用新型的光纖耦合效率的模擬結(jié)果圖。
【具體實施方式】
[0023]這里將詳細地對示例性實施例進行說明，其示例表示在附圖中。下面的描述涉及 附圖時，除非另有表示，不同附圖中的相同數(shù)字表示相同或相似的要素。以下示例性實施例 中所描述的實施方式并不代表與本實用新型相一致的所有實施方式。相反，它們僅是與如 所附權(quán)利要求書中所詳述的、本實用新型的一些方面相一致的裝置和方法的例子。
[0024]下面結(jié)合說明書附圖對本實用新型做進一步的描述。
[0025] 如圖1所示本實用新型光纖耦合激光器耦合光學系統(tǒng)的實施例一結(jié)構(gòu)示意圖，包 括設于光纖耦合激光器與光纖1之間的聚焦透鏡2,還包括具有整形準直功能的光學元件， 該光學元件為負透鏡3與正透鏡4組成的透鏡組，負透鏡3與正透鏡4間隔設置，負透鏡3 設于靠近激光器的位置，正透鏡4設于負透鏡3與聚焦透鏡1之間的位置，負透鏡3與正透 鏡4相鄰側(cè)的焦點重合，該實施例中負透鏡3的右側(cè)焦點與正透鏡4的左側(cè)焦點重合。正 透鏡4與聚焦透鏡2的距離大于聚焦透鏡2的曲率半徑。負透鏡3、正透鏡4均采用H-ZF2 玻璃材料加工制成，聚焦透鏡2采用D-ZK3玻璃材料加工制成。
[0026]上述負透鏡3和正透鏡4的焦距f均滿足公式：
[0027]
*其中η為透鏡的折射率，Γι為透鏡的左 球面曲率半徑，r2為透鏡的右球面曲率半徑，d為透鏡左右中心頂點的距離。
[0028]工作時，光纖親合激光器發(fā)射出光束，光束橫截面一般是非圓形的，光束先經(jīng)過負 透鏡3進行放大，之后再進入正透鏡4使光束進行匯聚，其中負透鏡3可為平凹透鏡（即一 面平、一面凹的透鏡）、凸凹透鏡（即一面凸、一面凹的透鏡）或雙凹透鏡（即雙面都凹的透 鏡），此實施例選擇用平凹透鏡，正透鏡4可為平凸透鏡（即一面平、一面凸的透鏡）、凹凸 透鏡（即一面凹、一面凸的透鏡）或雙凸透鏡（即雙面都凸的透鏡），此實施例選擇用平凸 透鏡。經(jīng)負透鏡3、正透鏡4的質(zhì)量較正后，光束的橫截面由非圓形變成圓形，之后光束再經(jīng) 聚焦透鏡2進行匯聚最終耦合進入光纖1的纖芯，其大大提高了光纖耦合效率，降低了光纖 耦合激光器長期工作的失效率，使其熱能損耗降低。
[0029] 如圖2所示本實用新型光纖耦合激光器耦合光學系統(tǒng)的實施例二結(jié)構(gòu)示意圖，其 大部分結(jié)構(gòu)與圖1所述實施例結(jié)構(gòu)相同，不同之處是：此實施例負透鏡3選擇用雙凹透鏡， 正透鏡4選擇用雙凸透鏡。為了提高光纖耦合效率，將負透鏡3和正透鏡4選擇為放大倍數(shù) 相同，這樣設計可以進一步提高光纖耦合的效率，降低光纖耦合激光器長期工作的失效率， 并且光纖耦合激光器的熱能損耗會降低。本實施例與圖1所述實施例的工作過程一樣，此 處不再贅述。
[0030] 如圖3所示本實用新型光纖耦合激光器耦合光學系統(tǒng)的實施例三結(jié)構(gòu)示意圖，其 大部分結(jié)構(gòu)與圖2所述實施例結(jié)構(gòu)相同，不同之處是：聚焦透鏡2選擇用非球面透鏡。選擇 用非球面的聚焦透鏡，這樣設計使本實用新型的光學系統(tǒng)在耦合效率高的基礎上，聚焦的 耦合效率進一步提高，進一步優(yōu)選偶次非球面透鏡，這種聚焦透鏡加工容易。
[0031] 以下通過對圖3所述實施例的各部件給予具體尺寸及位置數(shù)據(jù)來對本實用 新型光纖耦合激光器耦合光學系統(tǒng)進行實驗測試：光纖耦合激光器的束腰直徑給定為 0. 113_，光纖耦合激光器的束腰位置處到負透鏡3的左頂點的距離給定為8. 5_，負透鏡 3的中心厚度給定為1mm，負透鏡3的左、右兩個面的曲率半徑都為3. 2mm，通光孔徑（光 束經(jīng)過負透鏡3的通光截面對應的直徑）為6_ ;負透鏡3的右頂點到正透鏡4的左頂點 距離為13. 3mm，正透鏡4的中心厚度為1. 8mm，正透鏡4的左、右兩個面的曲率半徑分別為 58. 61mm和13. 8mm，通光孔徑（光束經(jīng)過正透鏡4的通光截面對應的直徑）為6mm;正透鏡 4的右頂點到非球面的聚焦透鏡2左頂點的距離為5_，非球面的聚焦透鏡2的中心厚度為 2mm，通光孔徑為3. 5mm，非球面的聚焦透鏡右頂點到光纖纖芯端面的距離是3. 75mm，波長 為532nm，對應的光纖模場直徑為0. 0033mm。如圖4所不的光纖親合效率的模擬結(jié)果。從 圖4可知光纖耦合效率為92. 9829 %。
[0032] 本實用新型光纖耦合激光器耦合光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單緊湊，加工容易，可以采用模 壓加工，加工精度較高而且加工成本較低。
[0033] 本領域技術(shù)人員在考慮說明書及實踐這里公開的實用新型后，將容易想到本實用 新型的其它實施方案。本申請旨在涵蓋本實用新型的任何變型、用途或者適應性變化，這些 變型、用途或者適應性變化遵循本實用新型的一般性原理并包括未公開的本技術(shù)領域中的 公知常識或慣用技術(shù)手段。說明書和實施例僅被視為示例性的，本實用新型的真正范圍和 精神由下面的權(quán)利要求指出。
[0034]應當理解的是，本實用新型并不局限于上面已經(jīng)描述并在附圖中示出的精確結(jié) 構(gòu)，并且可以在不脫離其范圍進行各種修改和改變。本實用新型的范圍僅由所附的權(quán)利要 求來限制。
【主權(quán)項】
1. 一種光纖禪合激光器禪合光學系統(tǒng)，包括聚焦透鏡，其特征在于，還包括具有整形準 直功能的光學元件，所述光學元件設于聚集透鏡與激光器之間； 所述光學元件為負透鏡與正透鏡組成的透鏡組，所述負透鏡與正透鏡間隔設置，所述 負透鏡設于靠近所述激光器的位置，所述正透鏡設于負透鏡與聚焦透鏡之間，所述負透鏡 與正透鏡相鄰側(cè)的焦點重合。2. 如權(quán)利要求1所述的光纖禪合激光器禪合光學系統(tǒng)，其特征在于，所述負透鏡或正 透鏡的焦距f滿足：，其中η為透鏡的折射率，ri為 透鏡的左球面曲率半徑，。為透鏡的右球面曲率半徑，d為透鏡左右中屯、頂點的距離。3. 如權(quán)利要求2所述的光纖禪合激光器禪合光學系統(tǒng)，其特征在于，所述正透鏡與聚 焦透鏡的距離大于聚焦透鏡的曲率半徑。4. 如權(quán)利要求3所述的光纖禪合激光器禪合光學系統(tǒng)，其特征在于，所述負透鏡為雙 凹透鏡，所述正透鏡為雙凸透鏡。5. 如權(quán)利要求4所述的光纖禪合激光器禪合光學系統(tǒng)，其特征在于，所述負透鏡與正 透鏡的放大倍數(shù)相同。6. 如權(quán)利要求1-5之一所述的光纖禪合激光器禪合光學系統(tǒng)，其特征在于，所述聚焦 透鏡為非球面透鏡。7. 如權(quán)利要求6所述的光纖禪合激光器禪合光學系統(tǒng)，其特征在于，所述聚焦透鏡為 偶次非球面透鏡。8. 如權(quán)利要求7所述的光纖禪合激光器禪合光學系統(tǒng)，其特征在于，所述負透鏡、正透 鏡均采用H-ZF2玻璃材料加工制成，所述聚焦透鏡采用D-ZK3玻璃材料加工制成。
【專利摘要】本實用新型公開了一種光纖耦合激光器耦合光學系統(tǒng)，包括與激光器間隔設置的聚焦透鏡，其中還包括具有整形準直功能的光學元件，所述光學元件間隔設于聚集透鏡與激光器之間。本實用新型光纖耦合激光器耦合光學系統(tǒng)可以大大提高光纖耦合效率，降低激光器長期工作的失效率，其熱能損耗低，適用于高功率的光纖耦合激光器系統(tǒng)中。
【IPC分類】G02B6/42
【公開號】CN205091489
【申請?zhí)枴緾N201520642962
【發(fā)明人】彭顯楚, 姚毅, 張見, 楊健, 陳海輝
【申請人】北京凌云光技術(shù)有限責任公司
【公開日】2016年3月16日
【申請日】2015年8月24日