基于Zemax光纤耦合透镜激光光路设计.pdf
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52,102201(2015)激光与光电子学进展Laser&0ptoelectronicsProgress2015d国激光杂志社基于Zemax光纤耦合透镜激光光路设计昝清波郝晓剑周汉昌中北大学电子测试技术国家重点实验室,山西太原030051摘要传统的可溯源热电偶动态校准系统采用CO。
激光器作为光源,存在着光路调节不便、激光光斑能量分布不均匀的特点,无法保证传感器均匀加热。
半导体激光器的光源具有输出光斑能量稳定、均匀、发散角较大的特点。
利用Zemax软件对光路进行优化设计,选取合适的光纤和透镜进行耦合,精简了可溯源热电偶动态校准的光路设计,使激光光路调控更加方便,保证了热电偶的均匀加热。
实验结果表明:
这种设计大大降低了光路调节难度,提高了激光的利用率,为热电偶的动态校准提供高质量的激光光源。
关键词测量:
可溯源;热电偶;光纤耦合透镜;Zemax;半导体激光器中图分类号TN249文献标识码Adoi:
103788OP52】0220】DesignofLaserLightPathofOpticalFiberCouplingLensBasedonZemaxZanQingboHaoXiaojianZhouHanchangNationalKeyLaboratoryforElectronicMeasurementTechnology,NorthUniversityofChinaTaiyuan,Shanxi030051,ChinaAbstractThetraditionaltraceablethermocoupledynamiccalibrationsystemusesCO2laserasthelightsource,whichhasthecharacteristicsthatlaserlightenergydistributionisnotuniform,theadjustmentofopticalpathisinconvenientandheateduniformofthesensorscannotbeguaranteedThelightsourceofsemiconductorlaserhadstableanduniformOUtputlightspot,butthedivergenceangleislargeInordertosimplifytraceablethermocoupledynamiccalibrationopticaldesign,controlthelaserlightpathmoreconvenient,andensuretheuniformheatingofthethermocouples,theappropriatefiberopticandlenscouplingareselectedusingZemaxsoftwaretoimprovethelightpathTheresultsshowthatthedesigngreatlyreducesthedifficultyoflightpathadjustment,improvestheefficiencyofthelaser,andprovideshighqualitylasersourceforthetraditionaltraceablethermocoupledynamiccalibrationsystemKeywordsmeasurement;traceable;thermocouple;fiberopticandlenscoupling;Zemax;semiconductor1aseroCIScodes1201880;14020201引言当代电子科学技术突飞猛进过,由于大功率半导体激光器具有体积小、质量轻、寿命长等优点,广泛应用于民用生产和军事等领域。
在可溯源热电偶动态校准系统中,过去由于技术的限制,采用体积较大的K-500CO。
激光器作为激励热源。
K一500CO。
激光器光束在自由空间传播时,光斑半径随着传播距离的增加而增加,激光器直接输出的激光束尺寸远大于传感器的热接收端尺寸,激光器的输出功率随着传播距离的增加和工作时间的延长而迅速衰减。
为了控制光路和得到单位面积上的高效激光功率密度,传统校准系统采用了透镜聚焦和反射镜聚焦,大大增加了光路调节的难度,同时带来了操作工作中的安全隐患。
为了克服传统系统存在的问题,本文采用DILAS公司的中心波长980nm3am,最大输出功率500W半导体激收稿日期:
2015-04-09;收到修改稿日期:
2015-05-07;网络出版日期:
20150915基金项目:
国家自然科学;(61473267)、技术基础科研项目(GSGC2013408C009)作者简介:
咎清波(1988一),男,硕士研究生,主要从事光电探测理论与技术方面的研究。
Email:
330219520qqcom导师简介:
郝晓剑(1969一),女,教授,博士,主要从事光电检测与动态测试方面的研究。
Email:
haoxiaojian2012126com(通讯联系人)1022011;752,102201(2015)嫩与光电字学进展wwwopticsjourna1net光器作为光源,光纤耦合透镜的方法输出激光光束对校准系统进行改进。
2DILAS半导体激光器在可溯源热电偶动态校准中的应用系统组成如图1所示,半导体激光器输出激光先进入选定好的光纤,再通过光纤另一端固定好的透镜汇聚输出到光学聚焦系统中。
光学聚焦系统是一个内镀铝膜的球面玻璃反射镜,留有激光加热脉冲入射窗口,其孔径要保证一个不小于3sr的有效光收集固定角度。
红外探测器和被校传感器分别置于共轭光学系统的两个焦点上,二者间安置一个隔热块以避免直接辐射热传递。
激光电源和电磁装置会对信号调理电路和数据采集卡带来干扰,为确保动态校准的精度将激光器以外的校准系统安置在接地良好的电磁屏蔽箱内。
图1半导体激光为光源的动态校准系统Fig1Dynamiccalibrationsystemofsemiconductorlasersource3光纤结构由于实验要求,激光器工作在高功率输出状态下,因此选取带水冷系统的QB光纤。
QB光纤如图2所示,光纤的端口与石英玻璃棒相连接,可以传输的最大平均功率为5kW,光纤损耗小于3,包层折射率为n。
,纤芯折射率为n。
入射到光纤端面的光并不能全部被光纤所传输,只是在某个角度范围内的入射光才可以。
这个角度a的正弦值就称为光纤的数值孔径(A):
NA=n。
sinO=nn,
(1)式中Omax是最大接收角,NA表示光纤的集光能力强弱。
QB光纤由于有保护机构的石英玻璃棒存在,NA达到02,光纤的集光能力增强:
sin=02
(2)图2QB光纤结构Fig2StructureofQBfiber半导体激光器通过QB光纤输出存在一个最大的缺点就是有较大的发散角,这样导致了输出激光的能量密度随传输距离的增加而降低,通过光纤直接输出激光光束不能达到动态校准的应用要求。
因此,需要对激光光束进行聚焦,但是聚焦后激光光斑太小,则热电偶偶结会受热不均匀,使校准结果不准确;光斑太大,尽管可以使偶结受热均匀,但无法满足温度要求,使热电偶响应增大,同样影响热电偶校准结果。
合理选取聚焦透镜是满足校准要求的重点】。
4光纤耦合透镜通常为了最有效的利用光纤输出激光,选取数值孔径和光纤相同的透镜进行聚光。
平行光线入射到透镜上,经过透镜聚焦于焦点处,焦点到透镜边缘与透镜主光轴直接的夹角正弦值,为该透镜的数值孔径:
1022012激与光电孑学进展wwwopticsjourna1net05d、f+(05d)一sin=02,(3)式中直径为d,焦距为厂,物距为P,相距为q。
由于机械外壳会遮挡透镜边缘的一部分,综上考虑选取为直径为25mm,焦距为45mill的石英透镜为耦合透镜。
高斯成像公式:
111P+言f(4)rJ1当物距P大于焦距,时,激光器光束通过透镜后实现聚焦需要。
如图3所示,根据光纤耦合透镜系统组成结构中的几何关系,可得到如下公式:
sin=d4a+p,r51式中d为光纤端口投射到透镜上的高度,为光纤端口半径,激光光束在透镜处的光斑半径应小于透镜的直径(即2d+2h25mm1:
2(h+d):
21114425mm(6)一I一一I图3稍台透镜结构Fig3Structureoffibercouplinglens椭球面反射镜的人光口径为25mm,由于透镜汇聚作用可以确保实验过程中激光光束不被球面反射镜背部遮挡。
图4是光路光斑的仿真图,光源直径为光纤石英玻璃直径(8ram),波长为980nm,入瞳直径为22288mm。
图5所示光斑直径在距离透镜40cm出达到最小为36mm,而被校传感器的直径为3mm左右,光路设计符合交聚光要求图4光路仿真图5光斑分析Fig-一SimulationoflightpathFig5Sp0tdiagram由于激光器为980nm半导体激光器,输出激光束为不可见光,利用互补金属氧化物半导体(cM0s1激光光束分析仪进行光束准直聚焦实验。
在距离透镜44cm处光斑能量密度在轴和I,轴密度分布如图6、图7所示,直径径达到最小值39mm,且能量密度分布最高区域直径为3mm左右。
如图8所示,激光光斑能量分布由内向外递减,红色区域能量最高,黑色区域最低,有些区域存在不少的散斑,但红色部分激光能量均5结论介绍了一种利用半导体激光器为光源,光纤耦合透镜激光的光路调节、聚焦模式。
在热电偶动态校准过程中降低光路调节难度和耗时,提高了光束质量。
经聚焦后能够使激光光束在一定距离外准确打在热电偶表面上。
针对激光散斑,可以通过清洁光纤端口和透镜表面,或者是采用更高精度的透镜来降低其出现102201352,102201(2015)激光与光电手学进展wwwopticsjourna1netXcrosssertionPositionnm图6X轴光斑分析Fig6XcrosssectionspotdiagramanalysisYcrosssectionPositionrun图7l,轴光斑分析Fig7Ycrosssectionspotdiagramanalysis团auto图8CMOS光斑分析Fig8SpotdiagrambyCMOS频率。
同时,根据热电偶表面的尺寸大小,可以实现光斑大小的调节,确保热电偶偶节在校准时被均匀加热,降低了光源不均匀引起的热电偶校准时产生的误差。
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韩峰1022014昌茸霉la茸
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