将从光纤出来的激光重新聚焦

houshannanhai · 发表于 2012-7-23 14:11:17

之前，我做过将从光纤发出的激光准直。现在想将从芯径大概2mm，数值孔径0.3的光纤输出的激光聚焦，聚焦光斑要求至少比芯径小5倍以上。
以前，有些问题我没考虑过，现在想到了，想请各位帮忙看看。首先，数值孔径=nsin(角度)。但是之前我工作的公司技术领导曾和我说，光纤数值孔径保证小于这个数值孔径的光能通过光纤，当小于这个数值孔径的激光通过光纤，从光纤输出后，仍然保持进入光纤前的数值孔径。这也就说数值孔径为0.3的光纤输出的激光不一定为0.3，可以是低于这个值得任一个值。那我在做这个设计时，是否要实测从光纤出来的激光发散角。不知道我这个说法对不对。
第二个，一直以来我看见激光聚焦前都要先准直。我知道对于激光加工来说，激光聚焦前往往要传输一段距离，先准直能保证激光平行度为接下来聚集提供方便，理论来说入射光斑越大，聚焦光斑也能做到越小。但现实来说，我不需要激光传输多远我想一从光纤出来就聚焦。那是否我还要准直。
最后，如果我对象差要求不大，一片镜子是否足够。
谢谢大家。
第一幅图片是推导激光光束经过透镜后的变化，从公式可以看出最小光斑不在焦点处，也看出最小光斑（即激光光束束腰）大小。
另一幅图也是关于激光聚焦光斑的大小的公式

可见这些公式有所不同
似乎第一幅图的公式更全面因为第一个公式即包括入射光斑大小对聚焦后光斑大小的影响又包括光束发散角对光斑的影响（体现在瑞利距离上，瑞利距离包含了发散角的定义）。
我又有一个疑问激光从光纤出射后是以什么形式传播以束腰大小为芯径发散角为数值孔径中的theta传播吗？

ds1234567 · 发表于 2012-8-6 13:30:09

我按国标测量过光纤的有效数值孔径，就是光纤两侧光强5%为起止的转角一半的正玄值。送检人说好几批帮助鉴定一下。现在回忆送检人好像说过实测值比标称值低，我不关心这个，我只关心测量精度。他的高低的变化应当在公差之内，公差是多少这应当问厂家。这里面有一个工程质量问题，但如果真值是0.3时，等于0.3的光可以顺利进入，顺利出去，不会出现打折情况。
你说“激光聚焦前都要先准直”你拆开可以看到它实质是扩束镜，高能量的开普勒式不说，就拿伽利略式的，它实质是倒用的望远镜，激光从目镜入射，从物镜出射，只看物镜这部分就是准直镜。
这是小像差系统，误差1/4波长，如果大啦，影响后面的扫描镜头（或叫场镜）的焦斑，使它变大。
第一图是近距离薄透镜成像，所以像距与焦距不等，像成在像距处，该处束腰最小。
第二图激光（数值孔径很小）是当成一束平行光看待，其焦点在焦距处，所以该处束腰最小。
Zemax那个小狗没把激光看得多特殊，他设置的波长都极窄，都到10的-8；能量与几何像差无关；只不过是优化后如何将弥散盘换算成M2，能量13.5%处那个半径大小。

houshannanhai · 发表于 2012-8-7 21:45:03

ds1234567 发表于 2012-8-6 13:30
我按国标测量过光纤的有效数值孔径，就是光纤两侧光强5%为起止的转角一半的正玄值。送检人说好几批帮助鉴定 ...

感谢大师精彩讲评
这是小像差系统，误差1/4波长，如果大啦，影响后面的扫描镜头（或叫场镜）的焦斑，使它变大。
您指的是望远系统（无论是开普勒还是伽利略）扩束准直后得到的是一个极小像差的系统，如果做得好，能接近理想值1/4波长吗？
还是您的意思是想说光纤准直系统是一个小像差系统，必须想办法让误差必须限制在1/4波长。因为我的图片顺序乱了，所以还想确定的是你说的第二图是图片名为22的图，第一图是指图片名为1的图吗？
Zemax那个小狗没把激光看得多特殊，他设置的波长都极窄，都到10的-8；能量与几何像差无关；只不过是优化后如何将弥散盘换算成M2，能量13.5%处那个半径大小。
这句话的前半句我不理解何为小狗，所谓的设置波长10-8我也不理解。
请您再次指教

ds1234567 · 发表于 2012-8-8 13:48:09

千万别大师称呼我，我可不敢当。我本行不是设计，所云皆当某种看法，参考。是这样，把像差分成大小两种，然后分别评价，这是通常方法。在优化函数里选择类型时，你还可以看到分两类，小像差系统用：峰谷值+波前+质心，大象查系统用：均方根+弥散圆+主光线。望远镜是大像差系统，平行光管、准直镜是小像差系统，制版物镜也是。在激光扩束镜方面比较杂，好的像差都在艾利斑之内，这明显是按小像差要求设计的，因此这类扩束的望远系统也是小像差系统。因为扫描镜的焦斑要求尽量小，所以像差要达到衍射极限。有些人对焦斑不满意，希望它更小些，就打扩束的主意。现在还有一种类型：按用户要求设计和评价。
对，图1是你的1，图2是你的22。
Zemax名字的来源里讲，是设计者的小狗叫Max。软件本身不感到激光特殊，是指激光波长的单一性，在软件波长设置里很普遍，所有波长都到小数点第8位，一般氦氖激光也就这个精度，（我记得好像还有一些次生的比较弱，并不很干净的单一。）软件完全可以设置得很好。到-11位那是国际标准。假如激光去掉单色性和能量它还有啥特殊的。

houshannanhai · 发表于 2012-8-8 21:51:18

ds1234567 发表于 2012-8-8 13:48
千万别大师称呼我，我可不敢当。我本行不是设计，所云皆当某种看法，参考。是这样，把像差分成大小两种，然 ...

很谢谢您的回答

ds1234567 · 发表于 2012-8-10 10:19:29

我在上面回答说“望远系统是大像差系统”是错的，一般望远物镜、显微物镜都是小像差系统。我犹豫的原因是有的像差大于瑞利判断，但总体比照相物镜和摄影物镜比，他还是小像差系统，特此更正。

houshannanhai · 发表于 2012-8-12 00:05:41

ds1234567 发表于 2012-8-10 10:19
我在上面回答说“望远系统是大像差系统”是错的，一般望远物镜、显微物镜都是小像差系统。我犹豫的原因是有 ...

您好，感谢您的回答我正好又想请教您一个问题
您说的望远系统是小像差系统在激光扩束准直中用到的伽利略和开普勒都是折射式望远镜的两种形式，除了折射式望远镜还有反射式望远镜和折反式望远镜你说的望远镜系统指的是所有结构形式的望远镜还是指的仅仅是其中的某一种呢？

houshannanhai · 发表于 2012-8-12 00:08:33

ds1234567 发表于 2012-8-10 10:19
我在上面回答说“望远系统是大像差系统”是错的，一般望远物镜、显微物镜都是小像差系统。我犹豫的原因是有 ...

评价一个系统是否是小像差系统具体实际中是看瑞利判断或是弥散斑大小还是MTF曲线呢？

ds1234567 · 发表于 2012-8-12 06:59:37

瑞利判断

houshannanhai · 发表于 2012-8-21 09:05:28

ds1234567 发表于 2012-8-12 06:59
瑞利判断

大师，你好。对于你之前说得准直镜是小象差系统。现在我正好拿到了一个光纤准直镜的结构图。
但是，当我代入zemax时，发现球差并不小。
而我自己在实际做的过程中，我所遇到情况是当我尽可能提高耦合后光束的平行度时，球差往往变得更大。
可以看到球差44，但是光束平行度很高
我有点疑问，对于光纤准直镜（将从光纤出射的激光准直）来说，如果光束的平行度和球差不能同时保证，那么我们首先考虑的是什么？平行度和球差分别要求的标准是什么？

ds1234567 · 发表于 2012-8-21 12:27:53

我没做过光纤出射后的准直系统，由于没有经验还要回话，只能谈点粗浅的意见，这里一定存在瞎说，你可要分析呀，这仅供你参考。
我说的是顺序的准直系统像质评价标准，一般是按瑞利判断。为了说明平行光问题，先看1米平行光管，他的分划板直径30毫米，假定像差为零，他也不是数学意义上的平行光发生装置，你看分化板边缘y=15毫米处发出的是明显的轴外光束，他与轴上零视场光的夹角为51分。也就是说只有轴上的小孔（比如0.2mm）才发出比较好的平行光，但是作为仪器（分划板）视场不能太小，考虑这一点新式分辨率板就把高频靠在中心。作为仪器是要总体把握性能满足使用。
我在激光栏里回帖说过光纤不能当做点光源，在横剖面看他是一个面光源，只是面比较小，在沿光纤纵轴剖开，由出口向里一小段等于、小于发散角的长度，都发光，这一距离就带来像面的球差。你看看软件带的例子，非序列/光纤/光束传输系统（第1个）和光纤（第6个），你放大3D图看光线聚焦处，很明显有纵向距离。另外，第一个系统是一对梯度折射率透镜，出射后光线汇聚，聚焦的光线依旧有纵向距离。这个问题挺烦，有难度，你努力吧。

将从光纤出来的激光重新聚焦

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