2024年4月14日发(作者：伏友易)

精品文档

大作业

丁武文 2008010646 精85

折射微光学元件：

1.折射微透镜：

椭圆微透镜的制备及在半导体激光器（LD）光束整形中的应用

[1]

基础：

LD发射光束具有以下两个特点：（2）x与y方向上的光束发散角不同；（2）光斑是椭圆

形的。传统的耦合技术是将LD基片与光纤端面直接相连, 称为平接连接法。由于LD和光纤

之间数值孔径的巨大差异，平接连接的耦合效率只能达到10%。目前已有几种提高LD和光

纤之间耦合效率的方法，这些方法可分为两类。第一类是将光纤一端做成半球形或圆锥形，

相当于一个透镜。LD和透镜话光纤的耦合效率是2.5dB~6.4dB。另一类是利用梯度折射率光

纤，光纤中不同部位的折射率不同，使得光纤像一个自聚焦透镜。使用这种方法的耦合效率

大约是0.84 dB～3dB，工作距离低于4 500 μm。这里提到的方法是用椭圆微透镜耦合的方案。

利用椭圆微透镜具有双焦距的特性，同时对LD光束进行准直、整形，使发散光束成为适合

光纤传输的圆光束，提高了耦合效率。

微透镜的设计及制备：

按需滴定法成形是使用脉冲式点胶机将PMMA溶液按照所需体积滴在玻璃基板上，溶

液是光学级纯度的PMMA溶于MMA单体所得的混合预聚溶液，实验装置如图1 所示。

在实验前对作为基板的石英玻璃板进行预处理: 先将石英基板放在超声波清洗器中用

蒸馏水清洗10 min，晾干后再用分析纯的无水乙醇在超声波清洗器中清洗10 min。将清洗

干净的石英基板放在含氮气氛的真空干燥箱中烘干使基板对水的接触角为10°，对PMMA溶

液基本不浸润。然后在基板上用MMA溶液按所设计的透镜大小做一些椭圆形的区域，该区

域对PMMA溶液完全浸润( 如图2所示) 。我们将溶液滴在这些椭圆形区域上，液滴在表面

张力的作用下形成椭圆形的微透镜。在滴定完成后，样品应立即放入一个小密闭容器中以减

小MMA单体的挥发和透镜的收缩率。然后放入烘箱，升温至100 ℃，这时PMMA和MMA

单体快速聚合，等聚合完全后将炉温升到180 ℃，透镜处于熔融状态，但又具有很高的粘度，

精品文档

精品文档

能够保持住形状，在表面张力的作用下微透镜表面还可进行自修复形成椭圆形微透镜。

所得椭圆透镜的相关参数之间的关系公式为

D

i

2

4h

2

R

i

……（1）

8h

R

f

i



i

…………（2）

n1

f

F

#i



i

……………（3）

D

i

其中fi为椭圆透镜焦距，包括X方向fx和Y方向fy; Ri为椭圆透镜曲率半径，包括X方

向Rx和Y方向Ry;；Di为椭圆透镜直径，包括X方向Dx和Y方向Dy；F#i为椭圆透镜数值

孔径，包括X方向F#x和Y方向F#y;；h为椭圆透镜矢高；n为材料折射率。

对于按需滴定法，当针头型号、气泵压力、脉冲时间决定之后，每次滴下的液滴的量也

就固定。另外，在其他条件不改变的情况下，聚合物溶液与基板的接触角由溶液的粘度决定，

而溶液的粘度又由浓度来改变。由此可知，浓度固定时，接触角就固定。所以由简单的几何

关系就可知，对于成份相同的溶液，粘度和针头的型号就决定了单个液滴的形状( 包括直径、

矢高和曲率半径) 。

实验中，通过摸索调整溶液粘度和压力大小及脉冲时间，就可以得到所需椭圆微透镜的

两个焦距。实验中选用28号针头，其内径为0.15 mm，外径为0.35 mm; 溶液浓度为4 mol/L。

使用微透镜阵列的耦合：

我们分别测量了传统的平接连接法和本文所介绍的微透镜耦合法的耦合效率和对不同

轴的容忍性。由于LD的发散角和光纤的数值孔径都会影响到耦合效率和对不同轴的容忍性，

所以我们在实验中使用了同样的LD和光纤来比较两者的耦合。测得1.55 μm的LD发出的光

束在接触面处的垂直和水平发散角分别是39.3°和20.2°，光纤芯径为8.6 μm，折射率差为

0.42%，数值孔径为0.096。

平接连接法中, 光束从LD直接进入光纤中。微透镜耦合法中, 在两者之间增加了一个椭

圆微透镜, LD、微透镜和光纤被固定在高精度多轴定位平台上, 其在X、Y、Z方向移动精度

上0.1 μm,θX、θY方向上转动精度是3″。激光光束经过一段一米长的SMF传至能量计上来

测量其光能分布。利用红外感应卡( 当被红外线照射时可以放射出可见光) 来帮助调整定位。

精品文档

2024年4月14日发(作者：伏友易)

精品文档

大作业

丁武文 2008010646 精85

折射微光学元件：

1.折射微透镜：

椭圆微透镜的制备及在半导体激光器（LD）光束整形中的应用

[1]

基础：

LD发射光束具有以下两个特点：（2）x与y方向上的光束发散角不同；（2）光斑是椭圆

形的。传统的耦合技术是将LD基片与光纤端面直接相连, 称为平接连接法。由于LD和光纤

之间数值孔径的巨大差异，平接连接的耦合效率只能达到10%。目前已有几种提高LD和光

纤之间耦合效率的方法，这些方法可分为两类。第一类是将光纤一端做成半球形或圆锥形，

相当于一个透镜。LD和透镜话光纤的耦合效率是2.5dB~6.4dB。另一类是利用梯度折射率光

纤，光纤中不同部位的折射率不同，使得光纤像一个自聚焦透镜。使用这种方法的耦合效率

大约是0.84 dB～3dB，工作距离低于4 500 μm。这里提到的方法是用椭圆微透镜耦合的方案。

利用椭圆微透镜具有双焦距的特性，同时对LD光束进行准直、整形，使发散光束成为适合

光纤传输的圆光束，提高了耦合效率。

微透镜的设计及制备：

按需滴定法成形是使用脉冲式点胶机将PMMA溶液按照所需体积滴在玻璃基板上，溶

液是光学级纯度的PMMA溶于MMA单体所得的混合预聚溶液，实验装置如图1 所示。

在实验前对作为基板的石英玻璃板进行预处理: 先将石英基板放在超声波清洗器中用

蒸馏水清洗10 min，晾干后再用分析纯的无水乙醇在超声波清洗器中清洗10 min。将清洗

干净的石英基板放在含氮气氛的真空干燥箱中烘干使基板对水的接触角为10°，对PMMA溶

液基本不浸润。然后在基板上用MMA溶液按所设计的透镜大小做一些椭圆形的区域，该区

域对PMMA溶液完全浸润( 如图2所示) 。我们将溶液滴在这些椭圆形区域上，液滴在表面

张力的作用下形成椭圆形的微透镜。在滴定完成后，样品应立即放入一个小密闭容器中以减

小MMA单体的挥发和透镜的收缩率。然后放入烘箱，升温至100 ℃，这时PMMA和MMA

单体快速聚合，等聚合完全后将炉温升到180 ℃，透镜处于熔融状态，但又具有很高的粘度，

精品文档

精品文档

能够保持住形状，在表面张力的作用下微透镜表面还可进行自修复形成椭圆形微透镜。

所得椭圆透镜的相关参数之间的关系公式为

D

i

2

4h

2

R

i

……（1）

8h

R

f

i



i

…………（2）

n1

f

F

#i



i

……………（3）

D

i

其中fi为椭圆透镜焦距，包括X方向fx和Y方向fy; Ri为椭圆透镜曲率半径，包括X方

向Rx和Y方向Ry;；Di为椭圆透镜直径，包括X方向Dx和Y方向Dy；F#i为椭圆透镜数值

孔径，包括X方向F#x和Y方向F#y;；h为椭圆透镜矢高；n为材料折射率。

对于按需滴定法，当针头型号、气泵压力、脉冲时间决定之后，每次滴下的液滴的量也

就固定。另外，在其他条件不改变的情况下，聚合物溶液与基板的接触角由溶液的粘度决定，

而溶液的粘度又由浓度来改变。由此可知，浓度固定时，接触角就固定。所以由简单的几何

关系就可知，对于成份相同的溶液，粘度和针头的型号就决定了单个液滴的形状( 包括直径、

矢高和曲率半径) 。

实验中，通过摸索调整溶液粘度和压力大小及脉冲时间，就可以得到所需椭圆微透镜的

两个焦距。实验中选用28号针头，其内径为0.15 mm，外径为0.35 mm; 溶液浓度为4 mol/L。

使用微透镜阵列的耦合：

我们分别测量了传统的平接连接法和本文所介绍的微透镜耦合法的耦合效率和对不同

轴的容忍性。由于LD的发散角和光纤的数值孔径都会影响到耦合效率和对不同轴的容忍性，

所以我们在实验中使用了同样的LD和光纤来比较两者的耦合。测得1.55 μm的LD发出的光

束在接触面处的垂直和水平发散角分别是39.3°和20.2°，光纤芯径为8.6 μm，折射率差为

0.42%，数值孔径为0.096。

平接连接法中, 光束从LD直接进入光纤中。微透镜耦合法中, 在两者之间增加了一个椭

圆微透镜, LD、微透镜和光纤被固定在高精度多轴定位平台上, 其在X、Y、Z方向移动精度

上0.1 μm,θX、θY方向上转动精度是3″。激光光束经过一段一米长的SMF传至能量计上来

测量其光能分布。利用红外感应卡( 当被红外线照射时可以放射出可见光) 来帮助调整定位。

精品文档