高斯光束與準直器簡介.ppt

高斯光束與準直器簡介 (2011年3月),編寫: 豆西博,摘要,高斯光束 準直器傳輸矩陣 q參數(shù) 準直器模型與系統(tǒng)結構模擬 高斯光束耦合 插損、回損的測試,高斯光學，也稱近軸光學，是指只考慮與軸緊鄰的那些點和光線，在計 算中略去離軸距里或者光線和軸的夾角的平方項和更高次項而產(chǎn)生的理論體系。-光學原理 高斯光束：激光在共振腔中來回反射，每次均在反射鏡的邊緣產(chǎn)生衍射，從而形成中部強而邊緣弱的波陣面。 來回幾百次后，波陣面穩(wěn)定下來，其電場分布稱為高斯分布，其光束稱為高斯光束。 高斯光束有一最窄處，稱為光束腰部。,基模高斯光束的幾個重要的參數(shù),瑞利長度,高斯光束的等相面曲率半徑,Z軸方向傳播的基模高斯光束均可表示為如下的一般形式:,高斯光束的光斑半徑,基模高斯光束示意圖,基模高斯光束的振幅分布,1.在橫截面內(nèi)的場振幅分布按高斯函數(shù) 所描述的規(guī)律從中心向外平滑降落。,2.光斑半徑隨z的變化規(guī)律為：,并且：,基模高斯光束的瑞利長度,基模高斯光束的瑞利長度,從最小光斑面積增大到它的二倍的范圍是瑞利范圍， 從最小光斑處算起的這個長度叫瑞利長度,在此長度內(nèi)，高斯光束可近似認為是平行。,光斑半徑,曲率半徑,束腰處的等相位面為平面，曲率中心在無窮遠處,為最小值,在遠場處可將高斯光束近似為一個由z=0發(fā)出，半徑為z的球面波,無窮遠處等相位面為平面，曲率中心在z=0處,小結：高斯光束的基本性質(zhì),高斯光束在其軸線附近可看作是一種非均勻高斯球面波 在其傳播過程中曲率中心不斷改變 其振幅在橫截面內(nèi)為一高斯光束 強度集中在軸線及其附近 等相位面保持球面,傍軸子午光學系統(tǒng)的傳輸矩陣,任一傍軸子午光線可由兩個坐標參數(shù)表征為矢量 一個是光線離軸線的距離r 一個是光線與軸線的夾角 傍軸子午光線矢量在介質(zhì)中的傳輸變換為線性變換，即變換方程為： 矩陣表示為 稱矩陣M為介質(zhì)的傳輸矩陣。,傍軸子午光學系統(tǒng)的傳輸矩陣,若光線連續(xù)通過傳輸矩陣為M1,M2Mn的光學系統(tǒng) 即整個光學系統(tǒng)的傳輸矩陣M=MnM2M1 已知入射光線的離軸距離和入射角，通過傳輸矩陣追蹤光線傳輸性質(zhì)的模擬方法，稱為光路追跡。,基于準直器的光無源器件結構,從單模光纖中出來的光場我們可以近似認為是基模高斯光束，束腰的位置在光纖端面。因此從光纖中出來的光束將會呈“發(fā)散”趨勢傳播，光強不集中。所以需要加準直器(lens)對光束進行準直。,準直器的常用透鏡,Gradient Index lens(GRIN lens) 聚焦方式：漸變折射率 周期與長度成正比 一致性好，價格高 一端為平面，F(xiàn)ilter固定工藝簡單 C-lens 聚焦方式：球面 長度和后截距互相制約 一致性差，價格低，替代0.23 p G-lens,Grin lens 光學特性,C-lens準直器,C-Lens的參數(shù)（SF11） N:1.7447 R：1.8 L：3.58,R,f=R/（n-1）,典型光學系統(tǒng)的傳輸矩陣,準直器傳輸矩陣,G-lens由于具有漸變的折射率分布，傳輸矩陣比C-lens復雜 可以在供應商的網(wǎng)站上查到各型號G-lens對應的傳輸矩陣,C-lens系統(tǒng)等于上頁所舉三個系統(tǒng)的組合，那么它的傳輸矩陣M等于三個系統(tǒng)各自矩陣的乘積。,G-lens變換矩陣參數(shù)計算公式,G-lens的spec中根據(jù)各種型號的lens給出了詳細公式，譬如常用的SLC180 G-lens公式如下：,其中p為透鏡周期，透射端與反射端的G-lens周期p分別為0.23與0.25,基模高斯光束q參數(shù),q參數(shù) 描述高斯光束傳播至Z軸某一坐標時的性質(zhì),很顯然，知道q(z)后，可相應得到的高斯光束R(z)和w(z),束腰位置處R（z）無窮大，也即 q參數(shù)這個性質(zhì)將是準直器設計的重要著手點,q參數(shù)的變換規(guī)律ABCD法則,基模高斯光束經(jīng)過任意光學系統(tǒng)服從的ABCD法則：,其中,為前面提到的光學系統(tǒng)對伴軸光線的傳輸矩陣。,準直器的q傳輸圖示,參數(shù)說明（取原點在光纖端面，光傳輸方向為正方向）： q0 光纖端面q值；q1 lens前表面q值； q2 lens后表面q值；q3 出射光束腰處（即濾光片位置）q值； W01 /w02 入/出射光束腰大小； z1：光纖端面到準直器的距離，即后截距； 2z2：準直器的工作距離。,q0,Lens,Pigtail,準直器的q傳輸計算實例,通過q傳輸理論，我們可以簡單的得到準直器的出射光束腰大小及工作距離與輸入光束腰（對同一種光纖來說為定值）的關系。選擇合適的準直器工作距離和束腰是器件設計的一項重要工作。 根據(jù)q傳輸ABCD公式，有,對于結構確定的lens與pigtail來說，左式中只有z1與z2變量，則最終將得到一個 的關系式，由此得出一條工作距離與后截距的曲線。,準直器出射光束腰和工作距離,另外，由上方程組計算可得：,出射光束腰w02與 后截距z1的關系,準直器工作距離z2與后 截距z1的另一個關系式,高斯光束耦合,模場失配,徑向失配,角度失配,軸向失配,光無源器件中高斯光束耦合損耗分析,按照光無源器件的各項公差的影響來看： 束腰大小在10um左右的高斯光束(光纖出光) 軸向失配徑向失配角度失配 束腰大小在300um左右的高斯光束(準直器出光) 角度失配徑向失配軸向失配,