飞秒红外激光逐点刻写光纤光栅的聚焦系统设计

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近年来,利用飞秒红外激光在通信光纤内刻写光纤光栅(FBG)成为研究热点。用飞秒激光逐点刻写光纤光栅具有无掩模、设计灵活、无需载氢、结构稳定等许多优点。用红外飞秒激光逐点刻写低阶光纤光栅,光束精确聚焦到光纤纤芯形成很小的光斑是至关重要的。本文就飞秒激光逐点刻写光纤光栅的聚集系统进行了研究和设计。  首先,根据光纤光栅的耦合模理论,数值仿真了FBG的反射率、带宽、折射率调制量和光栅长度之间的关系;介绍了光纤光栅的制作方法和逐点刻写光纤光栅系统。  接着,通过对近轴以及真实的边缘光线传输特性的研究及对比分析,用0.65NA以下数值孔径的显微物镜对高斯光束进行聚焦时,完全可以用近轴近似来代替真实的边缘光线求解聚焦后的束斑直径。为了确定了逐点刻写FBG聚焦系统的参数,基于精确聚焦于光纤纤芯的理论分析后,得到了能够精确聚焦于光纤横截面纤芯处的聚焦系统的最优焦距为4.8mm。根据分析本文选用阿米西型物镜作为聚焦系统的初始结构,在Zemax仿真软件中使用合适的优化函数如SPHA、LONA和权重对像差进行校正,消除了基本像差和高级像差,并进行了像差平衡,优化设计的高倍显微物镜满足了系统的要求。  最后,把光纤看作柱透镜,理论分析和用Zemax仿真了单个物镜聚焦、凹柱透镜-0.65NA物镜聚焦和0.65NA物镜-凸柱透镜聚焦三种情况下光纤纤芯的光斑尺寸。单个物镜聚焦时光纤纤芯的光斑尺寸理论计算为0.78μm×65.22μm,仿真为1.4μm×58μm;凹柱透镜-0.65NA物镜聚焦下光纤纤芯的光斑尺寸理论计算为26.44μm×0.784μm,仿真为20μm×1.2μm;0.65NA物镜-凸柱透镜聚焦下光纤纤芯的光斑尺寸理论计算24.38μm×0.73μm,仿真为17μm×1.8μm。发现利用柱透镜-物镜组合聚焦在纤芯能得到很小的光斑,光纤轴向尺寸大大缩小。两种组合聚焦的效果差不多,但使用凹柱透镜-0.65NA物镜聚焦易于操作。  本文研究结果为制作低阶光纤光栅提供了理论基础和实现的可能性。
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