基于Zemax光纤耦合透镜激光光路设计
2018-09-11   光行天下

摘要:传统的可溯源热电偶动态校准系统采用CO2激光器作为光源,存在着光路调节不便、激光光斑能量分布不均 匀的特点,无法保证传感器均匀加热。半导体激光器的光源具有输出光斑能量稳定、均匀、发散角较大的特点。利用 Zemax软件对光路进行优化设计,选取合适的光纤和透镜进行耦合,精简了可溯源热电偶动态校准的光路设计,使 激光光路调控更加方便,保证了热电偶的均匀加热。实验结果表明:这种设计大大降低了光路调节难度,提高了激光 的利用率,为热电偶的动态校准提供高质量的激光光源。 


关键词:测量;可溯源;热电偶;光纤耦合透镜;Zemax;半导体激光器 


1.引言

当代电子科学技术突飞猛进过,由于大功率半导体激光器具有体积小、质量轻、寿命长等优点,广泛应 用于民用生产和军事等领域[1]。在可溯源热电偶动态校准系统中,过去由于技术的限制,采用体积较大的 K-500 CO2激光器作为激励热源。K-500 CO2激光器光束在自由空间传播时,光斑半径随着传播距离的增 加而增加,激光器直接输出的激光束尺寸远大于传感器的热接收端尺寸,激光器的输出功率随着传播距离的 增加和工作时间的延长而迅速衰减[2]。为了控制光路和得到单位面积上的高效激光功率密度,传统校准系 统采用了透镜聚焦和反射镜聚焦,大大增加了光路调节的难度,同时带来了操作工作中的安全隐患。为了 克服传统系统存在的问题,本文采用DILAS公司的中心波长980 nm±3 nm,最大输出功率500 W半导体激光器作为光源,光纤耦合透镜的方法输出激光光束对校准系统进行改进。


2.DILAS半导体激光器在可溯源热电偶动态校准中的应用 


系统组成如图1所示,半导体激光器输出激光先进入选定好的光纤,再通过光纤另一端固定好的透镜汇聚 输出到光学聚焦系统中。光学聚焦系统是一个内镀铝膜的球面玻璃反射镜,留有激光加热脉冲入射窗口,其 孔径要保证一个不小于3 sr的有效光收集固定角度[3]。红外探测器和被校传感器分别置于共轭光学系统的两 个焦点上,二者间安置一个隔热块以避免直接辐射热传递。激光电源和电磁装置会对信号调理电路和数据采 集卡带来干扰,为确保动态校准的精度将激光器以外的校准系统安置在接地良好的电磁屏蔽箱内。

3.光纤结构 


由于实验要求,激光器工作在高功率输出状态下,因此选取带水冷系统的QB光纤。QB光纤如图2所 示,光纤的端口与石英玻璃棒相连接,可以传输的最大平均功率为5 kW,光纤损耗小于 3%,包层折射率为 n2,纤芯折射率为n1。入射到光纤端面的光并不能全部被光纤所传输,只是在某个角度范围内的入射光才可 以。这个角度a的正弦值就称为光纤的数值孔径(NA): 


式中αmax 是最大接收角,NA表示光纤的集光能力强弱。QB光纤由于有保护机构的石英玻璃棒存在,NA达 到0.2,光纤的集光能力增强: 


sinαmax=0.2. 


半导体激光器通过QB光纤输出存在一个最大的缺点就是有较大的发散角,这样导致了输出激光的能 量密度随传输距离的增加而降低,通过光纤直接输出激光光束不能达到动态校准的应用要求。因此,需要 对激光光束进行聚焦,但是聚焦后激光光斑太小,则热电偶偶结会受热不均匀,使校准结果不准确;光斑太 大,尽管可以使偶结受热均匀,但无法满足温度要求,使热电偶响应增大,同样影响热电偶校准结果。合理 选取聚焦透镜是满足校准要求的重点[4]。


......


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