全光纤型侧向OCT探针的设计与鲁棒性分析

全光纤型侧向光学相干层析(OCT)探针由于兼具尺寸小和三维全周成像的优点,近年来受到了学术、工业界的广泛关注。文章通过对全光纤型侧向OCT探针的聚焦性能进行数值仿真,优化了探针的结构参数。基于优化的探针结构,针对反射器与GRIN光纤间随机横向位移引发的光功率衰落,进一步数值分析了探针套管尺寸及反射器位置对于探针鲁棒性的影响。     

梯度折射率光纤透镜的薄透镜等效分析

从等效薄透镜的角度对热扩束（TEC）光纤＋无芯光纤＋梯度折射率（GRlN）光纤透镜进行了细致的理论分析，其中TEC光纤调整输入高斯光束的束腰半径，无芯光纤控制束腰和薄透镜间的距离，GRIN光纤两主面之间部分等效为薄透镜，其焦距由光纤的折射率分布参数g决定。推导了出射高斯光束的束腰半径和工作距离的解析表达式，进而对该光纤透镜做了数值模拟，讨论了无芯光纤和GRIN多模光纤的长度对光纤透镜参数的影响。当GRIN光纤透镜用作准直器使用时，其最大束腰直径可达到80／1m，可将单模光纤的远场发散角压缩8倍；用于MEMS器件时，最大工作距离可达到3mm。     

GRIN透镜对SDOCT系统中成像质量的影响分析

搭建基于光谱光学相干层析术(SDOCT,spectral domain optical coherence tomography)的内窥成像系统,分析SDOCT的理论分辨率和探测深度。根据近轴子午光线方程,利用矩阵法分析自聚焦GRIN(gradient index)透镜成像原理,设计适用于SDOCT扫描探头的GRIN透镜,聚焦距离为10mm,透镜长度为5.31mm,直径为1.8mm。通过光学传递函数(MTF)对比GRIN透镜和传统球面透镜对成像质量的影响。利用内窥成像系统对洋葱内外表皮样品进行成像,获得3.2mm×0.7mm的层析图像。实验结果表明,利用GRIN透镜聚焦光束时,SDOCT系统的横向分辨率可达8μm,成像质量得到提高。     

用3D-FDTD法分析用于近场光存储的光纤探针电磁波传输特性

提高近场光存储的存储信息密度的关键主要在于掌握近场存储光纤探针的透光率、近场光斑直径尺寸以及场梯度等近场物理量。采用三维时域有限差分 (3D FDTD)法分析了可用于近场光存储的光纤探针尖的光学性质 ,对不同类型光纤的近场光场分布进行了数值计算 ,给出结果并进行比较 ,从光学性质的角度对其在近场光存储中的应用加以讨论。完全镀膜光纤尖在极近场处的光斑可获得 10nm的尺寸 ,远小于传统光纤光学聚焦的光斑尺寸大小。     

超小自聚焦光纤探头对光纤F-P干涉信号的影响

基于超小自聚焦（GRIN）光纤探头的干涉条纹对比度，研究了GRIN光纤探头对F-P干涉信号的影响。利用高斯光束分析超小GRIN光纤探头干涉条纹对比度理论公式，建立相应的测试实验系统。实验结果表明：聚焦光斑直径为15μm的超小GRIN光纤探头，在腔长为600～1350μm范围内，条纹对比度可以保持在0.8以上。而单模光纤探头的条纹对比度如果要保持在0.8，腔长范围仅为130～530μm。因此，所研制的超小GIRN光纤探头可有效提高F-P干涉仪在大腔长时的干涉条纹对比度，为超小GRIN光纤探头在较长初始腔长或大动态范围的应用研究中提供了理论依据。     

一种应用于激光微烧蚀的光学聚焦系统简化设计方法

针对激光微推力器对光学聚焦系统结构紧凑、聚焦光斑尺寸小以及避免羽流污染的特殊要求,采用传统的光线追迹法研究单透镜直接聚焦、双透镜准直聚焦两种典型方案光学设计方法。针对低功耗半导体激光器光纤耦合输出的芯径和数值孔径条件,在50m级聚焦光斑约束下,研究单透镜聚焦系统设计方案,得到了透镜厚度、焦距、工作距等设计参数的关系;研究准直聚焦光学系统的双透镜系统设计方案,得到了透镜厚度、透镜中心距、工作距等设计参数特征关系。针对两种典型光学设计方案,给出了工程应用设计参数。文中提出的设计方法避免了复杂的光学设计过程,可为激光微推力器激光光束微尺度聚焦提供一种简单实效的方法。     

透镜焦距对局域空心光束尺寸的影响

基于衍射理论导出由轴棱锥和透镜系统产生的局域空心光束的光传输公式,模拟了其三维(3D)光强及截面光强分布图。由衍射理论和几何光学方法详细分析了聚焦透镜的焦距对局域空心光束尺寸的影响,即在相同条件下,局域空心光束的尺寸随着透镜焦距的增大而增大。实验得到当焦距分别为50 mm,70 mm以及100 mm时,局域空心光束的径向暗域尺寸为200μm,300μm以及430μm。理论计算、数值模拟与实验结果相吻合。     

轴向梯度折射率材料用于激光束聚焦镜设计

研究了轴向梯度折射率透镜的设计方法,总结了轴向梯度折射率镜头的像差理论,简述它在光学设计软件中的使用。最后把轴向梯度折射率材料用于激光束的聚焦设计。对扩束后φ12mm,波长1．06μm的激光束,分别设计了单片的普通球面透镜、单片非球面透镜和单片轴向梯度折射率透镜对其进行聚焦。从设计结果来看,轴向梯度折射率透镜像差接近衍射极限,明显好于其他两种透镜。在理想焦点上,三种透镜聚焦的RMS分别为191.75μm,17.69μm和2.42μm。     

传像光纤束的折-衍混合耦接器

在光学耦接器设计中引入衍射面,根据衍射光学元件的三级像差理论,通过理论计算和ZEMAX光学软件优化,给出工作波长0.4~0.7μm,焦距27 mm,光学长度为62.9 mm,采用一个衍射面的耦接器设计实例。该耦接器采用物方远心光路结构,适用于单丝直径16μm,截面直径为6 mm的光纤传像束。对设计结果的分析表明,折-衍混合耦接器不仅在光学性能方面优于传统的光学耦接器,而且在尺寸和质量上有显著的减少。实际的室内外成像实验证明,光学设计软件的仿真结果是正确的。     

传像光纤束的折-衍混合耦接器研究

在光学耦接器设计中引入衍射面,根据衍射光学元件的初级像差理论,通过理论计算和ZEMAX光学软件的优化,给出工作波长0.4～0.7μm,焦距27 mm,光学长度为62.9 mm,采用一个衍射面的耦接器设计实例。该耦接器采用物方远心光路结构,适用于单丝直径16μm,截面直径为6 mm的光纤传像束。对设计结果的分析表明,折-衍混合耦接器不仅在光学性能方面优于传统的光学耦接器,而且在尺寸和重量上有非常显著的减少。实际的室内外成像实验证明,光学设计软件的仿真结果是正确的。     

Analysis of fiber lens with gradient index based on thin lens equivalence

Optical communication components have been devel-oped currentlytowards the direction of micromation andintegration. The problem which li mits the componentperformancesis howto couple the function slugs to theinput-output fiber effectively,as appeared in a…     

半导体激光器单管准直实验研究

利用高斯光束的ABCD传输矩阵理论分析了LD与自聚焦透镜之间的距离与出射光束远场光斑尺寸之间的关系.通过理论计算可以方便地得到最佳距离,获得较高亮度输出,并进行了实验验证.对平面自聚焦透镜、球面自聚焦透镜和圆柱透镜的准直效果进行了实验比较,最后将自聚焦透镜与LD固定,制做了实用的器件,该器件可以将LD椭圆形光斑转变成线形光斑,快轴、慢轴远场发散角分别为0.1°和2.50°耦合效率86%.     

长焦距大变倍比中波红外变焦距系统设计

为实现红外连续变焦距系统变倍比大、焦距长和系统结构简单的需求,在光学系统中引入衍射元件(DOE),设计了一套3.7～4.8μm波段折/衍混合连续变焦光学系统。该系统突破了传统折射式中波红外变焦系统难以同时满足变倍比大、焦距长、系统结构简单等要求的局限,其变倍比为20×,可在35～700mm焦距范围内连续变焦,仅包含6片透镜和2片平面反射镜。在空间频率17lp/mm处,系统在全焦距范围内调制传递函数MTF>0.5;变焦过程中系统弥散斑直径均方根值小于20μm,表明该系统成像质量良好。     

梯度折射率成象光纤光学特性与光纤长度的关系

梯度折射率(GRIN)成象光纤的光学特性与光纤长度的关系是光纤应用中一个重要问题。本文从理治与测量方面说明光纤长度与光纤光学特性如:物象距,最大半视场角、最大场高、有效数值孔径、照度分布以及MTF的关系。     

用于超宽焦斑光束整形的大口径衍射光学元件设计和制作

采用改进混合优化算法首次设计并制作了口径168.7 mm的连续衍射光学元件实现类环形光束入射,输出直径650μm超宽焦斑光束均匀照明.用Nd:YAG脉冲激光器1.064 μm波长激光进行实验,获得了与设计尺寸相符、边缘陡峭、无中心尖锐脉冲、具有极好的离焦宽容性的宽焦斑,但焦斑顶部不均匀性较大.对此进行了深入的模拟分析,结果表明:焦斑顶部较大的光强调制主要来源于现有的工艺及实验条件误差.     

基于热扩芯光纤的光纤准直器特性研究

为了提高光纤和光器件之间的耦合效率,设计了由热扩芯光纤和自聚焦透镜构成的新型热扩芯光纤准直器。理论上分析了热扩芯光纤准直器的基本结构参数与光学特性的关系以及由3种失配导致的耦合插入损耗。研究发现,热扩芯光纤准直器的耦合特性与自聚焦透镜的参数有关,热扩芯光纤准直器在轴向间距和角度偏差上的耦合失配容限明显优于普通光纤准直器,横向位移损耗则高于普通光纤准直器。采用模场半径为15.4μm的热扩芯光纤与自聚焦常数为0.295mm-1的自聚焦透镜制备了热扩芯光纤准直器,并对热扩芯光纤准直器因3种失配导致的耦合插入损耗进行了理论和实验比较,结果表明实验数据与理论吻合较好,说明所设计的热扩芯光纤准直器可用于长距离光耦合和旋转连接器件。     

Comparison of zoned microstructure fiber geometries for low-dispersion waveguiding

This paper presents a comprehensive analysis of zoning in microstructure fiber (MSF) in which parabolic and Gaussian graded-index (GRIN) refractive-index profiles are compared in both continuous and zoned geometries. Ray trajectories were calculated using Fermat's principle of least time and the paraxial approximation. Optimization of the zoned MSF refractive-index profile revealed that a piecewise Gaussian refractive-index profile exhibits aberration of just 10-nm on-axis focal variation, compared with 40 nm in the zoned parabolic case. In addition, a quarter-period length of the Gaussian-zoned MSF has a 630-nm theoretical spot-size, thus offering efficient coupling between standard single-mode fiber and photonic-crystal devices. A preliminary analysis of a binary radially chirped Bragg fiber geometry is performed using an eigenmode expansion of Maxwell's equations. Its simpler geometry offers fabrication advantages, but its spot size is closer to 1.2 /spl mu/m due to its 41-/spl mu/m quarter-period focal length, and it suffers greater waveguide dispersion compared with the optimized zoned GRIN MSF geometry presented here.     

激光大尺度3维动态聚焦扫描加工系统研究

为了满足激光3维微加工不断提高的精度要求、不断增大的加工尺寸范围,以及加工效率的上升需求,采用理论分析和计算结合的方法,研制出由动态聚焦镜和2维扫描振镜组合的动态聚焦系统,与高精度X-Y-Z 3维高精度工作台集成为一台激光大尺度3维动态聚焦扫描加工设备。设计了焦距为100mm、视场角15、光阑口径7mm、后工作距137mm、相对畸变小于0.5%的远心f-镜和入光口径8mm、光学杠杆比1:8、后工作距800mm40mm的动态聚焦镜系统,并使用ZEMAX软件对系统关键光学部件动态聚焦镜和远心f-镜进行光学设计及系统性能评价。结果表明,通过工艺控制软件分层拼接,实现了460mm310mm50mm大尺度3维动态聚焦的高精度紫外激光微加工功能,在该3维扫描范围内,激光聚焦光斑直径始终保持小于10m,从而满足大尺度激光3维精密微加工需求。     

基于GRIN透镜的内窥OCT探头设计

提出一种用于在体活检的光谱 OCT 内窥探头的设计方案,能够实现对生物组织器官深度信息的在体内快速动态实时扫描成像,在临床医学领域具有广阔的应用前景。文中对探头的设计进行了理论分析,对探头的加工和测试进行了系统的阐述。针对传统的 GRIN 探头设计,本文探头的设计提高了光学质量和机械健壮性。对于 OCT 探头的成像质量依赖于单模光纤和 GRIN 透镜之间的距离（玻璃垫片长度）,进行了建模和验证。实验得出将玻璃垫片长度控制在0．2 mm 左右,探头可以达到2 cm 左右的工作距离,工作距离范围内探头的远场光束发散角为0．0175°。