高斯光束與準(zhǔn)直器簡(jiǎn)介.ppt

高斯光束與準(zhǔn)直器簡(jiǎn)介 (2011年3月),編寫: 豆西博,摘要,高斯光束 準(zhǔn)直器傳輸矩陣 q參數(shù) 準(zhǔn)直器模型與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模擬 高斯光束耦合 插損、回?fù)p的測(cè)試,高斯光學(xué)，也稱近軸光學(xué)，是指只考慮與軸緊鄰的那些點(diǎn)和光線，在計(jì) 算中略去離軸距里或者光線和軸的夾角的平方項(xiàng)和更高次項(xiàng)而產(chǎn)生的理論體系。-光學(xué)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(qiáng)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(chǎng)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(gè)重要的參數(shù),瑞利長(zhǎng)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(chǎng)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(zhǎng)度,基模高斯光束的瑞利長(zhǎng)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(gè)長(zhǎng)度叫瑞利長(zhǎng)度,在此長(zhǎng)度內(nèi)，高斯光束可近似認(rèn)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(yuǎn)處,為最小值,在遠(yuǎn)場(chǎng)處可將高斯光束近似為一個(gè)由z=0發(fā)出，半徑為z的球面波,無窮遠(yuǎn)處等相位面為平面，曲率中心在z=0處,小結(jié)：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(qiáng)度集中在軸線及其附近 等相位面保持球面,傍軸子午光學(xué)系統(tǒng)的傳輸矩陣,任一傍軸子午光線可由兩個(gè)坐標(biāo)參數(shù)表征為矢量 一個(gè)是光線離軸線的距離r 一個(gè)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(xué)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(xué)系統(tǒng) 即整個(gè)光學(xué)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(zhǔn)直器的光無源器件結(jié)構(gòu),從單模光纖中出來的光場(chǎng)我們可以近似認(rèn)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(huì)呈“發(fā)散”趨勢(shì)傳播，光強(qiáng)不集中。所以需要加準(zhǔn)直器(lens)對(duì)光束進(jìn)行準(zhǔn)直。,準(zhǔn)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(zhǎng)度成正比 一致性好，價(jià)格高 一端為平面，F(xiàn)ilter固定工藝簡(jiǎn)單 C-lens 聚焦方式：球面 長(zhǎng)度和后截距互相制約 一致性差，價(jià)格低，替代0.23 p G-lens,Grin lens 光學(xué)特性,C-lens準(zhǔn)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(xué)系統(tǒng)的傳輸矩陣,準(zhǔn)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(fù)雜 可以在供應(yīng)商的網(wǎng)站上查到各型號(hào)G-lens對(duì)應(yīng)的傳輸矩陣,C-lens系統(tǒng)等于上頁(yè)所舉三個(gè)系統(tǒng)的組合，那么它的傳輸矩陣M等于三個(gè)系統(tǒng)各自矩陣的乘積。,G-lens變換矩陣參數(shù)計(jì)算公式,G-lens的spec中根據(jù)各種型號(hào)的lens給出了詳細(xì)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(biāo)時(shí)的性質(zhì),很顯然，知道q(z)后，可相應(yīng)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(gè)性質(zhì)將是準(zhǔn)直器設(shè)計(jì)的重要著手點(diǎn),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(xué)系統(tǒng)服從的ABCD法則：,其中,為前面提到的光學(xué)系統(tǒng)對(duì)伴軸光線的傳輸矩陣。,準(zhǔn)直器的q傳輸圖示,參數(shù)說明（取原點(diǎn)在光纖端面，光傳輸方向?yàn)檎较颍?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??； z1：光纖端面到準(zhǔn)直器的距離，即后截距； 2z2：準(zhǔn)直器的工作距離。,q0,Lens,Pigtail,準(zhǔn)直器的q傳輸計(jì)算實(shí)例,通過q傳輸理論，我們可以簡(jiǎn)單的得到準(zhǔn)直器的出射光束腰大小及工作距離與輸入光束腰（對(duì)同一種光纖來說為定值）的關(guān)系。選擇合適的準(zhǔn)直器工作距離和束腰是器件設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要工作。 根據(jù)q傳輸ABCD公式，有,對(duì)于結(jié)構(gòu)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(gè) 的關(guān)系式，由此得出一條工作距離與后截距的曲線。,準(zhǔn)直器出射光束腰和工作距離,另外，由上方程組計(jì)算可得：,出射光束腰w02與 后截距z1的關(guān)系,準(zhǔn)直器工作距離z2與后 截距z1的另一個(gè)關(guān)系式,高斯光束耦合,模場(chǎng)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(xiàng)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(zhǔn)直器出光) 角度失配徑向失配軸向失配,