大功率激光光纤传输系统设计PPT演示课件

.,1,报告内容,光纤的特性激光光纤耦合条件耦合效率分析光纤耦合系统设计,.,2,光纤的特性,1.光纤的主要参数 1).光纤芯径： 2).数值孔径： N.A. 3).传播常数：,导波模,截止条件,.,3,光纤的特性,的含义(平板波导)：一定波长的光束在一定的波导中传播，其电磁场分布可以表示为：,其中：,.,4,光纤的特性,2.光纤的分类 1).按芯径折射率分类： 阶跃型和梯度型 2).按传输模式的数量分类： 单模光纤和多模光纤 3).按光纤的材料分类： 石英、卤化物玻璃、有源玻璃、 硫属化合物玻璃和塑料光纤,阶跃型,梯度型,大功率激光传输一般选用石英阶跃型多模光纤,.,5,3.光纤的损耗1).光纤的材料损耗 本征吸收：SO2 有4个吸收峰 0.16、9.1、12.5、21um 瑞利散射：光纤微观折射率不均匀 有害杂质吸收：过渡金属和OH根2).光纤的波导损耗 模式损耗: 纤芯和包层的加权值 模耦合损耗：光纤纵向折射率不均匀 弯曲损耗：R有临界值3).工艺缺陷 微裂纹和气泡等,光纤的特性,.,6,光纤的特性,4.光纤的制备,.,7,激光光纤耦合条件,.,8,耦合效率分析,1.轴向误差,轴向偏移误差,?,.,9,耦合效率分析,2.纵向间隙误差,纵向间隙误差,.,10,耦合效率分析,3.角度误差,角度误差,.,11,光纤耦合系统设计,大功率光纤耦合系统必须做到：1.光束经过聚焦透镜后，其高斯光束的腰斑小于光纤 芯径，光束发散角小于最大接收角。2.聚焦后的光束腰斑落在光纤端面上，且入射激光光 束、耦合透镜和光纤三者的光轴必须同轴。3.尽量减少激光束在耦合透镜表面反射、衍射和散射 损失，以及光纤端面上的反射、散射和吸收损耗。大功率光纤耦合系统设计：1.光纤设计2.聚焦系统设计3.耦合器结构设计,.,12,光纤耦合系统设计,1.光纤设计1).光束的束宽修正,将包含 98% 能量的的环围圆径作为束宽直径,.,13,光纤耦合系统设计,2).光纤的选择,选 有：,.,14,光纤耦合系统设计,2. 聚焦系统设计,激光束通过 ABCD 矩阵束腰的变化,.,15,光纤耦合系统设计,问题：大功率 Nd:YAG 输出光束随着激光功率的增大，激光光束质量变差，即 BPP 值变大。如何保证聚焦在光纤端面的激光光斑大小和发散角受激光功率的影响最小？注意：大功率 YAG 激光器一般为平平腔，出射端光束束腰位置和半径变化甚小，发散角随光束质量变化较大。聚焦系统：1).单透镜聚焦2).倒置望远镜扩束单透镜聚焦3).望远镜聚焦,.,16,光纤耦合系统设计,单透镜聚焦,激光束通过单透镜变换,f = 40 mm,.,17,光纤耦合系统设计,倒置望远镜扩束单透镜聚焦,扩束光束的聚焦原理图,.,18,光纤耦合系统设计,单透镜和带有倒置望远镜扩束系统的透镜聚焦效果比较,M = 2, f = 40mm,.,19,光纤耦合系统设计,望远镜聚焦,望远镜系统对不同光束质量的激光束的聚焦,光束通过望远镜聚焦系统变换,.,20,光纤耦合系统设计,结论：1. 单透镜聚焦光束腰斑随光束质量变化大。2. 望远镜聚焦系统，要求 f11m，整个装置的调节光路 太长，一方面调节不方便，另一方面易造成光纤耦合 处体积庞大。3. 倒置望远镜扩束单透镜聚焦兼顾二者，一方面受光束 质量影响小，另一方面光路较短，便于调节和装配。,选择倒置望远镜扩束单透镜聚焦,.,21,光纤耦合系统设计,单透镜(耦合透镜)设计透镜外形选取原则：减小透镜球差,对于聚焦透镜常见的4种类型，其球差大小依次为：双凸型 平凸型 正弯月型 非球面消相差型,设计耦合透镜为正弯月型,.,22,光纤耦合系统设计,耦合透镜焦距选取原则：落在透镜上光斑的直径为透镜直径的n 倍，则有公式：,则：,n,表：聚焦透镜 f 值选取，单位mm,.,23,光纤耦合系统设计,P1: 物方主点P2: 像方主点r1: 第一表面曲率半径r2: 第二表面曲率半径TC: 透镜中心厚度TE: 透镜边缘厚度EFL: 有效焦距,透镜参数选取,.,24,光纤耦合系统设计,f = 60，n = 1.