一种LD用自聚焦透镜的制作方法

一种ld用自聚焦透镜
技术领域
1.本实用新型涉及光学元件技术领域，具体而言，涉及一种ld用自聚焦透镜。


背景技术：

2.自聚焦透镜又称梯度渐变折射率透镜，是指其内部的折射率从中心轴到周边沿径向梯度逐渐减小、呈轴对称抛物线分布的柱状光学透镜。它具备准直、聚焦、耦合、成像等功能，具有体积小、耦合效率高、插入损耗低的优点，并且可以在端面成像。加上它圆柱状小巧的外形特点，自聚焦透镜广泛用于各种有源、无源光器件，如光纤连接器、光纤耦合器、波分复用器、光衰减器、光隔离器、光滤波器、光开关、光纤准直器、掺铒光纤放大器、光纤光栅等；同时它也广泛应用于医用光学领域。
3.ld激光是由激光器侧面出光的，快轴方向的发散角较大。快慢轴光束发散角度大而且不相同，通常慢轴发散角5
‑
20度，快轴发散角40
‑
70度；因而光束能量分布不均匀，光束质量不好，使得激光器的应用中，光束对光纤的耦合效率较低；需要对发散角进行收敛完成激光光束的准直。
4.现有技术中用于激光准直的自聚焦透镜，大都采用前后端面均为平面的柱体结构的自聚焦透镜，但适用于发光面较小的激光器或快慢轴光束发散角度偏差不大的激光器，否则影响准直效率。也有使用双面注塑特殊面型的传统透镜，虽然可以提升准直耦合效率，但其由于特殊面型不易加工，成本较高且受模具影响，定制不够灵活。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的在于提供一种ld用自聚焦透镜，其入光面和出光面均为简单的曲率面型，易于加工，且能够对激光的快轴进行三次收敛，慢轴进行两次收敛，提高了准直效率。
6.本实用新型的实施例是这样实现的：
7.本实用新型公开了一种ld用自聚焦透镜，其包括透镜本体，透镜本体具有与主光轴垂直的入光面和出光面，入光面为二维自由曲面，出光面为一维曲面，透镜本体的折射率由过主光轴的中心向边缘逐渐减小。
8.可选的，作为一种可实施的方式，透镜本体为圆柱形，入光面和出光面分别为圆柱形的两端面，透镜本体的长度小于2.5mm。
9.可选的，作为一种可实施的方式，在波长为900
‑
1700nm的光照下，透镜本体过轴中心处的折射率在1.598
‑
1.58之间。
10.可选的，作为一种可实施的方式，在波长为900
‑
1700nm的光照下，透镜本体的边缘折射率在1.522
‑
1.5之间。
11.可选的，作为一种可实施的方式，一维曲面的曲面方向为快轴方向。
12.可选的，作为一种可实施的方式，透镜本体的折射率满足：
13.14.其中，n(r)为透镜本体上距离透镜中心轴为r处的折射率，no为透镜本体中心轴处的折射率，r为距离透镜本体中心轴的长度，a为折射率分布常数，其中，a的取值范围在0.59
‑
0.6之间。
15.可选的，作为一种可实施的方式，二维自由曲面为球面，且球面向外凸出。
16.可选的，作为一种可实施的方式，透镜本体的直径在0.75mm
‑
1.25mm之间。
17.可选的，作为一种可实施的方式，透镜本体的焦距在0.5mm
‑
1.5mm之间。
18.可选的，作为一种可实施的方式，透镜本体的数值孔径在0.46
‑
0.6之间。
19.本实用新型实施例的有益效果包括：
20.本实用新型提供的ld用自聚焦透镜，包括透镜本体，透镜本体具有与主光轴垂直的入光面和出光面，入光面为二维自由曲面，激光光束穿过入光面，二维自由曲面可以同时对激光光束的快轴和慢轴的发散角进行收敛，出光面为一维曲面，激光光束从出光面出射时，一维曲面可以再次对激光光束的快轴的发散角进行收敛，透镜本体的折射率由过主光轴的中心向边缘逐渐减小，当激光光束穿过透镜本体时，由于透镜本体的折射率是渐变的，会对激光光束的快轴和慢轴的发散角进行收敛。所以说，本实用新型的提供的ld用自聚焦透镜可以对激光光束的快轴的发散角进行三次收敛，慢轴的发散角进行两次收敛，完成对激光光束的准直，准直效率高，且入光面和出光面均为简单曲面，容易加工。
附图说明
21.为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
22.图1为本实用新型实施例ld用自聚焦透镜示意图；
23.图2a为0.25节距自聚焦透镜中光的传播方向；
24.图2b为0.50节距自聚焦透镜中光的传播方向；
25.图2c为0.75节距自聚焦透镜中光的传播方向；
26.图2d为1.0节距自聚焦透镜中光的传播方向；
27.图3为本实用新型实施例ld用自聚焦透镜另一视角的示意图；
28.图4为本实用新型实施例ld用自聚焦透镜又一视角的示意图。
29.图标：110
‑
入光面；120
‑
透镜本体；130
‑
出光面。
具体实施方式
30.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
31.因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都
属于本实用新型保护的范围。
32.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
33.ld激光是由激光器侧面出光，出射的激光光束快轴和慢轴的发散角较大而且还不相同，使得光束能量分布不均匀，光束质量不好，影响了激光在各个领域的广泛应用。现有技术中用于激光准直的自聚焦透镜，大都采用前后端面均为平面的柱体结构，但适用于发光面较小的激光器或快慢轴光束发散角度偏差不大的激光器，否则影响准直效率。也有使用双面注塑特殊面型的透镜，虽然可以提升准直耦合效率，但其由于特殊面型不易加工，成本较高且受模具影响，定制不够灵活。
34.本实用新型实施例提供了一种ld用自聚焦透镜，如图1、3所示，包括透镜本体120，透镜本体120具有中心与主光轴垂直的入光面110和出光面130，入光面110为二维自由曲面，出光面130为一维曲面，透镜本体120的折射率由过主光轴的中心向边缘逐渐减小。
35.需要说明的是，本实用新型实施例ld用自聚焦透镜的入光面110和出光面130的中心位置与主光轴垂直。这里的入光面110的中心位置就是二维自由曲面的中心位置相切的平面，出光面130的中心就是一维面型的中心位置相切的平面，这样才能保证激光光束的主光轴能垂直的依次穿过入光面110，透镜本体120和出光面130，实现对激光光束的准直。
36.本领域技术人员应当知晓，光在同种均匀介质中沿直线传播，当介质折射率连续变化时，光线就会弯曲。采用主光轴处折射率最高，沿截面径向折射率逐渐减小的径向梯度折射率的自聚焦透镜，光线在透镜中的传播轨迹就不是直线，而是曲线。而在自聚焦透镜中，光束沿正弦轨迹传播完成一个正弦波周期的长度即称为一个节距，光在不同节距自聚焦透镜中的传播轨迹不同，如图2a,图2b,图2c和图2d所示。根据自聚焦透镜的传光原理，对于0.25节距的自聚焦透镜，当从一端面输入一束平行光时，经过自聚焦透镜后会汇聚在另一端面上。如图2a所示,0.25节距的自聚焦透镜完成了光线的聚焦。准直是聚焦的可逆应用，同样是对于0.25节距的自聚焦透镜，当汇聚光从自聚焦透镜一端面输入时，经过自聚焦透镜后会变成平行光线。本实用新型的自聚焦透镜就是利用0.25节距的特性对光线进行准直的。
37.还需要说明的是，折射率，是指光在真空中的传播速度与光在该介质中的传播速度之比。也就是说，折射率与入射光的波长有关，入射光的波长越长，折射率越小，本实用新型实施例中的折射率，都是入射光的波长为900
‑
1700nm对应的折射率。
38.本实用新型提供的ld用自聚焦透镜，包括透镜本体120，透镜本体120具有与主光轴垂直的入光面110和出光面130，入光面110为二维自由曲面，激光光束穿过入光面110，二维自由曲面可以同时对激光光束的快轴和慢轴的发散角进行收敛，出光面130为一维曲面，激光光束从出光面130出射时，一维曲面可以再次对激光光束的快轴的发散角进行收敛，透镜本体120的折射率由过主光轴的中心向边缘逐渐减小，当激光光束穿过透镜本体120时，由于透镜本体120的折射率是渐变的，会对激光光束的快轴和慢轴的发散角进行收敛。所以说，本实用新型提供的自聚焦透镜可以对激光光束的快轴的发散角进行三次收敛，慢轴的发散角进行两次收敛，完成对激光光束的准直，准直效率高，经过本实用新型的自聚焦透镜的激光的发散角小于1度，且入光面110和出光面130均为简单曲面，容易加工。
39.可选的，本实用新型实施例的一种可实现方式中，如图1所示，透镜本体120为圆柱
形，入光面110和出光面130分别为圆柱形的两端面，透镜本体120的长度小于2.5mm。
40.圆柱形是简单几何形状，容易进行光学加工，且自聚焦透镜可以完成对激光光束的准直，使得光学系统结构紧凑，性能稳定。自聚焦透镜的节距影响着自聚焦透镜的准直效率，而自聚焦透镜的节距与透镜本体的长度有关，自聚焦透镜的节距计算公式：
[0041][0042]
其中，s为自聚焦透镜的节距，a为折射率分布常数，z为自聚焦透镜的长度。
[0043]
本实用新型实施例根据为了达到准直效果，采用0.25节距，长度为2.5mm的透镜本体120。
[0044]
可选的，如图1、图3所示，在波长为900
‑
1700nm的光照下，透镜本体120圆柱形的轴中心处的折射率在1.598
‑
1.58之间，透镜本体120的边缘折射率在1.522
‑
1.5之间。
[0045]
可选的，本实用新型实施例的一种可实现方式中，如图1、3所示，一维曲面的曲面方向为快轴方向。
[0046]
激光光束的快轴发散角度40
‑
70度，慢轴的发散角在5
‑
20度，在经过入光面110的第一次收敛和透镜本体120的第二次收敛后，由于慢轴由于发散角较小，在两次收敛之后就可以完成对激光光束慢轴的收敛，但是快轴发散角的发散角相对较大，经过前两次的收敛之后不一定能完成对快轴发散角的收敛，设置出光面130为一维曲面，且一维曲面的方向与激光光束的快轴方向对应设置，用于对经过前两次收敛之后的激光光束的快轴发散角进行第三次收敛。激光光束的快轴经过三次收敛后，发散角收敛在1度以内。
[0047]
可选的，本实用新型实施例的一种可实现的方式中，透镜本体120的折射率满足：
[0048][0049]
其中，n(r)为透镜本体120上距离透镜中心轴为r处的折射率，no为透镜本体120中心轴处的折射率，r为透镜本体120上某处距离透镜本体120中心轴的距离，a为折射率分布常数，其中，a的取值范围在0.59
‑
0.6之间。
[0050]
使用常规聚焦材料玻璃，利用网络体基本骨架间隙中的一价金属离子(修饰体氧化物)化学键较弱，迁移激活能较小，行动较为自由，与熔盐一价金属离子交换，使得玻璃成分中的修饰氧化物成分按照规律分布，进而使得玻璃材料的折射率按照圆柱体材料的径向呈现分布。
[0051]
玻璃的粒子交换过程是在一定温度下，此时玻璃保持原有的形状，玻璃表面与熔盐以及玻璃中的低价离子由于热运动而发生的粒子位置的迁移过程，包括离子的自扩散(相同元素的离子相互位置变化)和互扩散(不同元素、电价相等的离子间的位置迁移)。离子的互扩散来自两种或两种以上的离子浓度差，这种离子的互扩散，在一定的时间后，能使玻璃中产生一定的离子浓度分布，进而形成折射率渐变的自聚焦透镜，也就是说，是离子浓度的渐变引起介质密度的渐变，从而引起折射率的渐变。
[0052]
可选的，本实用新型实施例的一种可实现的方式中，如图1、图4所示，二维自由曲面为球面，且球面向外凸出。
[0053]
二维自由曲面可以对激光光束的有两个维度的自由曲率，可以实现对激光光束的快轴和慢轴的发散角进行收敛，球面是两个维度曲率相同的二维曲面，可以对激光光束的
快轴和慢轴的发散角进行同程度的收敛，且球面在加工过程中更容易。
[0054]
可选的，本实用新型实施例的一种可实现的方式中，如图1、图3所示，透镜本体120的直径在0.75mm
‑
1.25mm之间。
[0055]
本实用新型用于激光准直，在激光光处理时，在加工工艺条件允许的条件下，确保激光处理效果的前提下，尽量选择体积较小的光学元件以减小激光设备的体积，本实用新型实施例的自聚焦透镜的直径选在0.75mm
‑
1.25mm。
[0056]
可选的，本实用新型实施例的一种可实现的方式中，透镜本体120的焦距在0.5mm
‑
1.5mm之间。
[0057]
自聚焦透镜的焦距计算公式为：
[0058][0059]
其中，f为自聚焦透镜的焦距，a为折射率分布常数，no为透镜本体120中心轴处的折射率，z为自聚焦透镜的长度。
[0060]
可选的，本实用新型实施例的一种可实现的方式中，透镜本体120的数值孔径在0.46
‑
0.6之间。
[0061]
数值孔径是透镜和聚光镜的主要技术参数，用来衡量该系统能够收集的光的角度范围。数值孔径越大，收集到的光越多，分辨率越高，数值孔径描述了透镜收光锥角的大小，决定着透镜收敛光能力和空间分辨率。
[0062]
激光光束的快轴发散角有40
‑
70度，半角为20
‑
35度，为了能使激光器发出的激光光束能够充分导入自聚焦透镜，自聚焦透镜至少具有25度以上的临界角，通常临界角的正弦函数称为数值孔径，当激光器的发散角的半角为25度时，数值孔径的值为0.43，也就是说，当数值孔径大于0.43时，激光器发出的激光能够完全进入透镜之内。本实用新型实施例的自聚焦透镜的数值孔径在0.46
‑
0.6之间。
[0063]
本实用新型实施例提供的自聚焦也称梯度变折射率，也就是折射分布式沿径向的逐渐变化。是玻璃材料经过特殊的工艺加工形成的，具体的，制作自聚焦透镜的方法有多种，有气相沉积、离子填充、真空蒸发、溶胶凝胶等。离子交换法是目前常用的方法，离子交换法是利用自聚焦透镜的玻璃材料的网络体基本骨架间隙中的一价金属离子(修饰体氧化物)化学键较弱，迁移激活能较小，行动较为自由的特点，可以与熔盐一价金属离子交换，使得玻璃材料中的修饰氧化物成分按照规律分布，进而使得玻璃材料的折射率按照圆柱体材料的径向呈现料的径向呈现分布。具体的操作步骤如下：
[0064]
步骤1：提供制备自聚焦透镜所需的玻璃材料，其中，玻璃材料的组分包括二氧化硅、一氧化坨，氧化硼，二氧化钛。氧化钠及氧化锌，其中，各种组分的质量百分比为二氧化硅60％
‑
65％；一氧化坨7％
‑
13％；氧化硼为4％
‑
8％；二氧化钛为2％
‑
3％，氧化钠为9％
‑
18％，氧化锌为4％
‑
5％。
[0065]
步骤2：将玻璃材料于熔盐中进行离子交换工序，离子交换工序的条件为：于350℃
‑
490℃,再以每小时100℃
‑
200℃的升温速率升温至550℃
‑
570℃，然后于550℃
‑
570℃进行恒温作业时间为50
‑
80小时，其中，熔盐为硝酸钾。
[0066]
步骤3：冷却成型。
[0067]
步骤4：对成型好的自聚焦透镜的外表面进行处理，包括入光面110的二维自由曲面加工，出光面130的一维曲面加工以及圆柱面的表面处理。
[0068]
以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。