一种激光整形耦合光学系统

本技术属于激光，更具体地，涉及一种激光整形耦合光学系统。

背景技术：

1、激光光纤耦合技术是一种用于将激光能量有效地传输到光纤中，并实现高效的激光光纤耦合的技术。在相关应用中，如通信、传感和医疗等领域，激光与光纤的耦合效率对于系统的性能至关重要。激光与光纤的耦合存在一系列挑战，例如激光光束和光纤的模式结构和尺寸不完全匹配，导致能量损失和耦合效率低。此外，耦合系统的表面反射、散射以及体吸收等问题也会导致激光能量损失和耦合效率降低。

2、常见的激光与光纤耦合方法包括直接耦合法、透镜耦合法等。直接耦合一般使用劈形光纤或者锥形光纤来实现，光纤末端一般安装在靠近激光器的地方，与激光器耦合的损耗也较大；透镜耦合法利用透镜实现优化的模式匹配和耦合效率，通常情况下，会将各种光学透镜进行组合，通过透镜的组合可以大幅度提高耦合效率，同样光学系统的成本也会大幅度提高。目前激光光纤耦合常用的方式为单透镜耦合，采用球透镜进行耦合时，根据所选材料、规格不同，耦合效率从15％到30％不等，采用非球面透镜进行耦合时，根据所选材料、规格不同，耦合效率从35％到50％不等，从而实现耦合效率与成本的匹配。目前，超透镜也常被用于光斑整形或准直，例如，申请号为202320535578.1的中国专利公布了一种紧凑型超表面光束整形系统，但其仅仅只是对于入射光的整形，没有实现入射光点对点到光纤的耦合。

3、因此，现有技术中存在光学系统中耦合效率低的技术问题。

技术实现思路

1、针对相关技术的缺陷，本实用新型的目的在于提供一种激光整形耦合光学系统及设计方法，旨在解决现有光学系统中耦合效率低的技术的问题。

2、为实现上述目的，第一方面，本实用新型提供了一种激光整形耦合光学系统，包括：沿光轴依次设置的激光发射器、折射透镜、超表面透镜和光纤；

3、所述折射透镜用于汇聚所述激光发射器发射的激光得到入射激光；

4、所述超表面透镜用于将汇聚后的入射激光进行整形耦合后形成出射光束，所述出射光束被所述光纤接收；

5、所述超表面透镜包括介质衬底层和柱状微结构阵列，所述柱状微结构阵列由多个柱状微结构单元按照六方晶格周期阵列排列而成；所述柱状微结构单元的相位分布方式使得所述出射光束的数值孔径与所述光纤的数值孔径相匹配，且所述出射光束的点列图均方根半径小于光纤芯径的一半。

6、可选的，所述柱状微结构单元的高度全部相同且介于所述激光器发射的入射激光的波长量级，所述柱状微结构单元的直径介于亚波长量级；

7、所述柱状微结构单元周期阵列的相位分布满足如下表达式：

8、

9、其中，ρ为超表面径向坐标、r为归一化半径，a、b、c、d均为多项式系数。

10、可选的，所述柱状微结构单元的直径、周期、高度以及排布方式根据对应的相位分布确定。

11、可选的，所述超表面透镜正反两面均镀有增透减反膜层。

12、可选的，所述柱状微结构单元的材料折射率大于或者等于所述介质衬底层的材料折射率。

13、可选的，所述超表面透镜为双面超表面透镜、单面超表面透镜或者单面超表面透镜的组合。

14、通过本实用新型所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

15、1、本实用新型提供一种激光整形耦合光学系统，采用折射透镜与超表面透镜混合的形式，超表面透镜凭借其对入射光的精细调控能力，实现了对激光的整形以及与目标光纤的高效耦合，能够在合理的设计下保证耦合效率；同时光学系统结构简单，使用范围广泛，适用于各种激光器的激光耦合。

16、2、本实用新型提供一种激光整形耦合光学系统，通过采用zemax个性化设置的优化函数算法及阻尼最小二乘法对超表面透镜的归一化半径r和相位分布多项式系数进行优化，进而确定超表面六方晶格周期阵列的相位分布方式，从而精确地调节光束的相位和振幅分布，实现光束整形和调制功能，提高光纤耦合的效率。

技术特征：

1.一种激光整形耦合光学系统，其特征在于，包括：沿光轴依次设置的激光发射器、折射透镜、超表面透镜和光纤；

2.如权利要求1所述的激光整形耦合光学系统，其特征在于，所述柱状微结构单元的高度全部相同且介于所述激光器发射的入射激光的波长量级，所述柱状微结构单元的直径介于亚波长量级；

3.如权利要求2所述的激光整形耦合光学系统，其特征在于，所述柱状微结构单元的直径、周期、高度以及排布方式根据对应的相位分布确定。

4.如权利要求1所述的激光整形耦合光学系统，其特征在于，所述超表面透镜正反两面均镀有增透减反膜层。

5.如权利要求1所述的激光整形耦合光学系统，其特征在于，所述柱状微结构单元的材料折射率大于或者等于所述介质衬底层的材料折射率。

6.如权利要求1所述的激光整形耦合光学系统，其特征在于，所述超表面透镜为双面超表面透镜、单面超表面透镜或者单面超表面透镜的组合。

技术总结
本技术公开了一种激光整形耦合光学系统。激光整形耦合光学系统，包括：沿光轴依次设置的激光发射器、折射透镜、超表面透镜和光纤；折射透镜用于汇聚激光发射器发射的激光得到入射激光；超表面透镜用于将汇聚后的入射激光进行整形耦合后形成出射光束，出射光束被光纤接收；超表面透镜包括介质衬底层和柱状微结构阵列，柱状微结构阵列由多个柱状微结构单元周期阵列排列而成；柱状微结构单元的相位分布方式使得出射光束的数值孔径与光纤的数值孔径相匹配，且出射光束的点列图均方根半径小于光纤芯径的一半。实现了对激光的整形以及与目标光纤的高效耦合，同时光学系统结构简单，使用范围广泛，适用于各种激光器的激光耦合。

技术研发人员：易飞,刘斯坦,陈岩,林永超,李林翰
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：20230906
技术公布日：2024/4/17