[求助]FSO系统准直透镜设计

bluelily

各位专业人士：
我是一名在读硕士，目前碰到一个光学设计问题，因硕士阶段才开始接触光学，诸多不懂指处，费许久脑筋仍然里不出头绪，望诸位大虾帮帮忙，小女子先谢谢各位了！

需要设计自由空间光通信系统中的发射准直透镜（孔径大小40mm），采用vcsel光源,发散角20度，圆形光斑，光源发光面大小约为1mm,光谱宽度0.85nm，但随着温度的变化峰值波长在830-855nm间变化。
问题如下：
1.在设计这种准直透镜时，主要考虑的是波像差吧？通信系统中的波像差有什么具体的要求吗？
2.对于上述的光源，是否需要考虑色差的影响？
3.根据光源发光面的尺度，设计时是否需要考虑轴外像差的影响？应如何分析？
4.那些类型的透镜或透镜组适合用于本系统？

各位帮帮忙阿！

seanhwong

我想对Collimated lens而言，第一项都可以考虑。
不过我据我说知，光源模型是很重要的先决条件。
一般Vcsel都是多模(multi-mode)的光源，
不同pump power下模态也有差异。
单用现有商用软件包很难表达的很完整，
zemax、codeV…大多用点光源去做计算，
和真实的光源有很大的出入。
如此优化出来的lens可不可信，我觉得有待商榷。

一般除了wavefront外，我觉得还要考虑waist的位置。
Waist 拉的越远，collimating的效果越好。

色差部分，应该不用考虑吧。
一般光通信系统中collimated lens都是单片非球面，色差是消不掉。
应该不算是先决考量。

我想在”通信技术，光纤传输，光网络技术”版，会有比较多的专家，会有比较多的见解。

stevenwu

主要是考虑轴上点的球差，因为激光是单色光，所以不考虑色差，一般用双胶合或单个非球面透镜应该可以

bluelily

谢谢楼上的两位指点迷津！

bluelily

不过我认为无线光通信系统中的准直透镜应该只能是近似的准直，因为考虑到系统的实际使用情况，需要使数公里之外光斑的尺寸适中，以保证系统能够承受一定的不对准因素。也就是说，具体的这个系统中，“准直透镜”（暂且这么称）的束腰并非越远越好，而应具有一个较小的远场发散角，约几个毫弧度。
不知道这样的想法对吗？

seanhwong

是有此一说
不过还是以实际上系统考量
以collimator对collimator而言
若把waist设在两者中间
理论上会有最佳I.L.
但在实际应用上
最好的waist位置
可能会在不稳定状态
当collimator左右 前后微动时
I.L.的变化会很大
稳定性会变的比较差 环测时比较不会过
所以有种说法 是让waist尽量拉远

真实物理 平面波是不存在的
以高斯光来看
collimating length是以sqrt(2)*waist到waist距离来决定

而耦合效率 则有是另外考量
在计算上需要用wave equation计算mode match
match的越好耦合效率越高
单用几何光学仿真 我想 是不够好的
不过如果不在乎那几dB的损失 我想还是勘用的

参考看看吧

seanhwong

collimating length是以sqrt(2)*waist到waist距离来决定
而waist spot size越小 越不能准直
所以一般 laser collimator 都会做扩束的动作 使waist spot size变大

seanhwong

另外 Vcsel 光源很不稳 若没有很好的温控装置 中心波长是很容易漂动
这时又要考虑到你的系统了 看他能不能容许 中心波长变动后 准直性的变化
若不行 可能要把光束扩大些 波长变动的容许度会大些

而Vcsel我不知道会不会有先天上光源的像差存在
以前做FP-laser时 它的像差是很严重的 有篇paper(optical engineer)是用两个perfect lens和 不同field当作做光源做仿真 效果还不错 不仿试试 不过资料我不知道丢到哪去 好几年了 找到在贴上来让大家参考参考吧
我想Vcsel 可能也要做类似处理 否则zemax在仿真都是以点光源 那和真实系统会有差别的

良心的建议 仿真完后 用物理光学在确认一下
没试过zemax的 BPM 不知道可靠度如何
ASAP的我觉得还可以做参考一下

seanhwong

我想我不太了解你的系统应用 所以说法上有点模糊
我想做一些厘清 没有平面波的存在 只有近似平面波 所以一定无法完全准直
为了满足 电磁波的边界条件 光束强度会以高斯分布或其它连续性分布形式成束
现在假定 以高斯光来描述光 单考虑零阶高斯光 那他发散角的定义就何用ray trace不全然相同
以高斯光来描述光时 waist size决定了远场发散角和collimating length
以准直镜来看waist size已先决定了系统极限  
若waist在准直镜之后如图标 当waist拉到无限远时
就代表collimating length无限长
不知道是否能认同这种说法

seanhwong

pic

bluelily

我个人认为楼上的说法是对的，thanks!

另外我还有一个问题：此类系统中常用的两种准直透镜，一种是柱状透镜，另一种是两个平凸透镜的组合（两个凸面相对，两平面向外，两个平凸透镜对称放置），每一平凸透镜均较厚，可视为薄透镜和玻璃平板的组合。不知这两种透镜各自的优缺点是什么？球差特性？

seanhwong

老实说对这两类我没什么特别的看法
只能提供一些看法
一般柱状镜是为了消除太大的astigmatism
平凸的系统相对 对球差消除是有帮助的
将厚凸透镜看成薄透镜和玻璃平板的组合在近轴上应该OK
但为像差而言是有问题的 玻璃平板两个面 会贡献额外的像差
这是我个人观点 参考一下吧