大范围空间散射光到单模光纤的耦合

摘要

空间光与光纤的耦合目前已经在军事上以及民用中的许多领域都得到广泛应用。这些应用大多都在入射光与耦合系统距离很远时，因此需要耦合的光束可以看做近似平行光，如空间光通信的接收系统;或者是光源与光纤距离非常近的情况，如内窥镜等医学成像设备。但是目前将大范围空间散射光有效地耦合到单模光纤中的研究还较少;当被测物体较大时，光线就会从各个方向被物体反射出来，此时，耦合系统接收到的光线的角度较大。这种大范围的空间散射光与单模光纤的耦合在许多领域都将能得到很好地应用。
　　本文对目前常用的几种直接耦合、单透镜耦合（包括球透镜、非球面镜、柱面镜、自聚焦透镜和锥形光纤等方式）以及望远镜系统耦合方式进行比较，同时分析了入射光分别为近距离点光源和散射光时三种直接耦合和单透镜耦合方式耦合效率的不同结果。确定了本文中大范围空间散射光与单模光纤的有效耦合需要重点分析的几种可能比较实用的耦合方式。通过仿真分析，发现一些现有的光纤耦合技术，特别是单透镜耦合，不适于将大范围空间散射光耦合到单模光纤中。并且在最后着重分析了望远镜系统耦合方式。
　　耦合效率和接收视场是大范围空间散射光耦合到单模光纤接收装置的两个重要的特性参数，本文以这两个参数为主要依据，不但讨论了影响光纤耦合效率的一些耦合因素，而且用点光源的径向移动来模拟从不同方向入射的空间散射光，并通过理论分析和ZEMAX软件仿真，对比光纤接收装置的几种透镜耦合方式在整个耦合系统完全准直时的耦合效率，以及在满足一定的耦合效率时接收视场的大小。最后，通过实验对重点分析的这几种耦合方式的仿真内容进行了验证。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 概述

1．2 发展现状

1．2．1 军事应用

1．2．2 民用

1．3 技术发展

1．4 ZEMAX介绍

1．5 本章小结

2 现有的耦合系统

2．1 单透镜

2．1．1 球透镜耦合

2．1．2 柱面透镜耦合

2．1．3 非球面透镜耦合

2．1．4 自聚焦透镜耦合

2．1．5 拉锥光纤

2．2 透镜组

2．2．1 透射式望远镜

2．2．2 反射式望远镜

2．3 小结

3 耦合效率及其影响因素

3．1 光纤耦合效率

3．2 位置偏差损耗

3．2．1 轴向偏移

3．2．2 径向偏移

3．2．3 角度偏移

3．3 小结

4 常用耦合方式的具体分析

4．1 微型球透镜

4．2 自聚焦透镜

4．3 透镜端面光纤

4．4 小结

5 耦合系统设计

5．1 单透镜耦合系统

5．1．1 光源径向偏移对耦合效率的影响

5．1．2 单透镜物方视场的影响因素

5．2 透镜组耦合系统

5．2．1 透镜组变换后的光束束腰尺寸

5．2．2 光源径向偏移对耦合效率的影响及系统的物方视场角

5．3 光源距离对耦合效率的影响

5．4 实验验证

5．5 小结

6 结论

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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