微光學(xué)器件總結(jié).doc

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1、大作業(yè)丁武文精85折射微光學(xué)元件：1.折射微透鏡：橢圓微透鏡的制備及在半導(dǎo)體激光器（LD）光束整形中的應(yīng)用[1]基礎(chǔ)：LD發(fā)射光束具有以下兩個(gè)特點(diǎn)：（2）x與y方向上的光束發(fā)散角不同；（2）光斑是橢圓形的。傳統(tǒng)的耦合技術(shù)是將LD基片與光纖端面直接相連,稱為平接連接法。由于LD和光纖之間數(shù)值孔徑的巨大差異，平接連接的耦合效率只能達(dá)到10%。目前已有幾種提高LD和光纖之間耦合效率的方法，這些方法可分為兩類。第一類是將光纖一端做成半球形或圓錐形，相當(dāng)于一個(gè)透鏡。LD和透鏡話光纖的耦合效率是2.5dB~6.4d

2、B。另一類是利用梯度折射率光纖，光纖中不同部位的折射率不同，使得光纖像一個(gè)自聚焦透鏡。使用這種方法的耦合效率大約是0.84dB～3dB，工作距離低于4500μm。這里提到的方法是用橢圓微透鏡耦合的方案。利用橢圓微透鏡具有雙焦距的特性，同時(shí)對(duì)LD光束進(jìn)行準(zhǔn)直、整形，使發(fā)散光束成為適合光纖傳輸?shù)膱A光束，提高了耦合效率。微透鏡的設(shè)計(jì)及制備：按需滴定法成形是使用脈沖式點(diǎn)膠機(jī)將PMMA溶液按照所需體積滴在玻璃基板上，溶液是光學(xué)級(jí)純度的PMMA溶于MMA單體所得的混合預(yù)聚溶液，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。在實(shí)驗(yàn)前對(duì)作為基板

3、的石英玻璃板進(jìn)行預(yù)處理:先將石英基板放在超聲波清洗器中用蒸餾水清洗10min，晾干后再用分析純的無水乙醇在超聲波清洗器中清洗10min。將清洗干凈的石英基板放在含氮?dú)夥盏恼婵崭稍锵渲泻娓墒够鍖?duì)水的接觸角為10°，對(duì)PMMA溶液基本不浸潤。然后在基板上用MMA溶液按所設(shè)計(jì)的透鏡大小做一些橢圓形的區(qū)域，該區(qū)域?qū)MMA溶液完全浸潤(如圖2所示)。我們將溶液滴在這些橢圓形區(qū)域上，液滴在表面張力的作用下形成橢圓形的微透鏡。在滴定完成后，樣品應(yīng)立即放入一個(gè)小密閉容器中以減小MMA單體的揮發(fā)和透鏡的收縮率。然后放

4、入烘箱，升溫至100℃，這時(shí)PMMA和MMA單體快速聚合，等聚合完全后將爐溫升到180℃，透鏡處于熔融狀態(tài)，但又具有很高的粘度，能夠保持住形狀，在表面張力的作用下微透鏡表面還可進(jìn)行自修復(fù)形成橢圓形微透鏡。所得橢圓透鏡的相關(guān)參數(shù)之間的關(guān)系公式為其中fi為橢圓透鏡焦距，包括X方向fx和Y方向fy;Ri為橢圓透鏡曲率半徑，包括X方向Rx和Y方向Ry;；Di為橢圓透鏡直徑，包括X方向Dx和Y方向Dy；F#i為橢圓透鏡數(shù)值孔徑，包括X方向F#x和Y方向F#y;；h為橢圓透鏡矢高；n為材料折射率。對(duì)于按需滴定法，當(dāng)

5、針頭型號(hào)、氣泵壓力、脈沖時(shí)間決定之后，每次滴下的液滴的量也就固定。另外，在其他條件不改變的情況下，聚合物溶液與基板的接觸角由溶液的粘度決定，而溶液的粘度又由濃度來改變。由此可知，濃度固定時(shí)，接觸角就固定。所以由簡單的幾何關(guān)系就可知，對(duì)于成份相同的溶液，粘度和針頭的型號(hào)就決定了單個(gè)液滴的形狀(包括直徑、矢高和曲率半徑)。實(shí)驗(yàn)中，通過摸索調(diào)整溶液粘度和壓力大小及脈沖時(shí)間，就可以得到所需橢圓微透鏡的兩個(gè)焦距。實(shí)驗(yàn)中選用28號(hào)針頭，其內(nèi)徑為0.15mm，外徑為0.35mm;溶液濃度為4mol/L。使用微透鏡陣列

6、的耦合：我們分別測量了傳統(tǒng)的平接連接法和本文所介紹的微透鏡耦合法的耦合效率和對(duì)不同軸的容忍性。由于LD的發(fā)散角和光纖的數(shù)值孔徑都會(huì)影響到耦合效率和對(duì)不同軸的容忍性，所以我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中使用了同樣的LD和光纖來比較兩者的耦合。測得1.55μm的LD發(fā)出的光束在接觸面處的垂直和水平發(fā)散角分別是39.3°和20.2°，光纖芯徑為8.6μm，折射率差為0.42%，數(shù)值孔徑為0.096。平接連接法中,光束從LD直接進(jìn)入光纖中。微透鏡耦合法中,在兩者之間增加了一個(gè)橢圓微透鏡,LD、微透鏡和光纖被固定在高精度多軸定位平臺(tái)

7、上,其在X、Y、Z方向移動(dòng)精度上0.1μm,θX、θY方向上轉(zhuǎn)動(dòng)精度是3″。激光光束經(jīng)過一段一米長的SMF傳至能量計(jì)上來測量其光能分布。利用紅外感應(yīng)卡(當(dāng)被紅外線照射時(shí)可以放射出可見光)來幫助調(diào)整定位。首先,調(diào)整LD和光纖。對(duì)于平接連接法,LD發(fā)光面與光纖端面直接相連,對(duì)于微透鏡耦合法,LD與微透鏡陣列背面(即石英基板一側(cè))相連。LD的驅(qū)動(dòng)電流從9.0mA調(diào)至18.0mA,測出激光輸出能量。微透鏡耦合方案的耦合效率是鏈接法的8倍。另外,對(duì)不同軸的容忍性也是影響耦合效率的重要因素。不同軸包括水平錯(cuò)位、軸向

8、錯(cuò)位和角度傾斜。與平接連接法相比,微透鏡耦合法對(duì)水平錯(cuò)位和軸向錯(cuò)位有很好的容忍性,但對(duì)角度傾斜要求很高。優(yōu)缺點(diǎn)：LD與光纖之間使用微透鏡耦合的方案與傳統(tǒng)的平接連接法相比,耦合效率大大提高,并且對(duì)水平和軸向的對(duì)接精度要求顯著降低，但是對(duì)角度傾斜要求很高。微反射鏡：靜電微反射鏡的應(yīng)用研究主要集中在光開關(guān)、投影儀和被動(dòng)式空間光通信器件三個(gè)領(lǐng)域中。光開關(guān)和應(yīng)用于投影儀的微反射鏡研究起步較早,空間光通信器件的研究是最近幾年才發(fā)展起來的。微反射棱鏡[2