一种用于LD和光纤耦合的单个非球面透镜的制作方法

本实用新型涉及一种光学元件，具体涉及一种透镜。

背景技术：

目前将LD耦合进光纤的装置有以下几种：

1、用两片柱面镜分别对LD光源发出的光束进行准直，再用聚焦镜对准直光进行聚焦耦合进光纤；

首先，由于透镜数量多使得反射面比较多，从而LD经反射面反射的光的能量增多，导致经透镜进入光纤的能量明显减少；其次，每个透镜的主光轴很难在一条直线上，使得耦合效率会更低；再次，透镜数量增多，使整个系统的结构变得复杂，成本提高；使用专业的光学模拟软件zemax，理想状态下此种装置的耦合效率为75.4％。

2、用单根光纤棒镜对LD的快轴进行聚焦再直接耦合进光纤；

单根棒镜只对快轴的光束进行整合且未消球面像差导致光斑尺寸太大，能耦合进光纤的光束很少，从而耦合效率低，使用专业的光学模拟软件zemax，理想状态下此种装置耦合效率为39.5％。

3、先用非球面透镜对LD的光束进行准直，再经过聚焦透镜将光束耦合进光纤；

此装置结构复杂，成本增加，且损耗大；使用专业的光学模拟软件zemax，理想状态下此种装置耦合效率为82.9％。

综上可知，目前LD与光纤耦合的装置，不管是多个透镜还是单个棒镜，存在着损耗大、成本增加或者耦合效率低的缺陷。

技术实现要素：

本实用新型的目的就是提供一种结构简单的用于LD和光纤耦合的单个非球面透镜，它可以显著提高耦合效率，还可以使成本至少降低50％。

一种用于LD和光纤耦合的单个非球面透镜，包括两个非球面曲面，其特征在于：非球面镜截面曲线拟合成由二次项和高次项组成的非球面表达式为：

其中，c表示非球面镜的二次曲面曲率，r表示半径，k表示二次曲面常量，A为高次项系数。

本实用新型的目的是通过这样的技术装置实现的，透镜能接受LD光源的最大的发散半角为θ∥＝11°，θ⊥＝25°,且光源主光轴、透镜中心轴、聚焦点中心要求在同一条直线上，允许误差范围在-0.08～0.08mm。只有在此角度的LD光源下，才能实现耦合效率的最大化。

光束由光源LD发出经透镜的第一曲面时，发生反射和折射，由于介质由空气进入透镜发生折射现象，使光束的发散角变小，其中反射能量为4％-6％，折射能量为94％～96％；光束再经透镜的第二曲面射出，介质由透镜进入空气中，再次发生反射和折射，折射使光束最终汇聚形成一个小光斑，进入光纤，其中反射能量为4％～6％，出射剩余能量为96％-96％*4％＝92.16％，94％-94％*6％＝88.36％。本实用新型只用了一个透镜，不存在主光轴对准的问题，且只有两个曲面，反射损失的能量也大大的减少，进而提高了LD与光纤的耦合效率。

由于采用了上述技术装置，本实用新型具有如下的优点：透镜少，成本低，结构简单，易于安装调试，反射损耗少，耦合效率高；使用本透镜后耦合效率达88％。

附图说明

图1为现有LD与光纤耦合装置的一种示意图；

图2为现有LD与光纤耦合装置的第二种示意图；

图3为现有LD与光纤耦合装置的第三种示意图；

图4为本实用新型用于LD和光纤耦合的单个非球面透镜；

图5为本实用新型用于LD和光纤耦合的一种示意图；

图6为本实用新型产生的一种光斑形状示意图；

图7为图6的慢轴尺寸辐射强度示意图；

图8为图6的快轴尺寸辐射强度示意图；

图9为图6的慢轴角度辐射强度示意图；

图10为图6的快轴角度辐射强度示意图。

1为第一曲面；2为第二曲面；3为光束，4为光纤。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明。

如图4和图5所示，本实用新型用于LD和光纤耦合的单个非球面透镜，包括两个非球面曲面，非球面镜截面曲线拟合成由二次项和高次项组成的非球面表达式为：

其中，c表示非球面镜的二次曲面曲率，r表示半径，k表示二次曲面常量，A为高次项系数。为了提高拟合精度和降低拟合难度，我们设定c＝0,k＝0。两个曲面均是非球面曲面，且均符合述表达式。

本实用新型中，透镜能接受LD光源的最大的发散半角为θ∥＝11°，θ⊥＝25°,且光源主光轴、透镜中心轴、聚焦点中心要求在同一条直线上，允许误差范围在-0.08～0.08mm。只有在此角度的LD光源下，才能实现耦合效率的最大化。

光束3由光源LD发出经透镜的第一曲面1时，发生反射和折射，由于介质由空气进入透镜发生折射现象，使光束的发散角变小，其中通过菲尼尔公式推导出的理论反射率(光学教程第2版，叶玉堂、肖峻、饶建珍等编著)结合实验测试数据，反射能量为4％～6％，折射能量为94％～96％；光束3再经透镜的第二曲面2射出，介质由透镜进入空气中，再次发生反射和折射，折射使光束3最终汇聚形成一个小光斑，进入光纤4，其中反射能量为4％～6％，出射剩余能量为96％-96％*4％＝92.16％，94％-94％*6％＝88.36％。本实用新型只用了一个透镜，不存在多个透镜主光轴对准的问题，且只有两个曲面，反射损失的能量也大大的减少，进而提高了LD与光纤4的耦合效率。

透镜材料是PMMA，也可以是BK7。

透镜在第一曲面1和第二曲面2处设有增透膜，可使耦合效率在原来的基础上增加5％～8％

透镜第一曲面1或者第二曲面2设有增透膜，具有增透效果，可使耦合效率在原来的基础上增加2％～4％。

增透膜是波长为440～460nm的蓝光增透膜。

图1、图2和图3分别是目前现有的LD耦合进光纤的装置，其中图1装置LD与光纤的耦合效率为75.4％，图2装置LD与光纤的耦合效率为39.5％，图装置LD与光纤的耦合效率为83.9％。图1和图3是因为反射损耗及主光轴的难以对齐造成的，而图2是因为其本身原因和未消球面像差造成的。

图6是用本实用新型装置产生的一种光斑形状示意图，图7、8、9和图10是图6光斑形状的具体参数；用欧司朗的450nm的LD做设计对象，耦合石英光纤芯径600um，数值孔径0.37；设计的聚焦光斑尺寸为410um，透镜参数范围：第一曲面(1)曲率半径为3～10mm，第二曲面(2)的曲率半径为-3～3mm，物距可用范围为2.5～3.5mm，像距可用范围为16～20mm，透镜的中心厚度5～7mm，上下边缘距离2.5～3.7mm。透镜出射孔径角为13.36°*2＝26.72°。

图7是X轴慢轴尺寸0.41mm,图8 Y轴快轴尺寸0.2mm；图9是X轴慢轴半角13.6°，图10是Y轴快轴半角26.6°。在未加增透膜的情况下耦合效率高达88.8％，远远超出图1、2和图3装置的耦合效率。