[52]，這里，我們只考慮中心視場(chǎng)的光線，在接收遠(yuǎn)距離回波光信號(hào)的時(shí)候，通常近似認(rèn)為是平行光入射。通過市場(chǎng)調(diào)研選擇美國(guó)Thorlabs公司型號(hào)為354280-A、A280-A和ACL4532U-A的非球面透鏡耦合系統(tǒng)分別進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和仿真分析，對(duì)比后選擇354280-A非球面透鏡作為耦合系統(tǒng)核心元件，經(jīng)過仿真優(yōu)化得到最終結(jié)果如下圖1.12所示。（a）非球面光纖耦合系統(tǒng)鏡頭參數(shù)（b）耦合系統(tǒng)實(shí)體模型（c）光纖端面光跡圖（d）光纖端面點(diǎn)列圖（e）系統(tǒng)耦合效率圖1.12非球面光纖耦合系統(tǒng)仿真結(jié)果圖1.12（a）為球面透鏡光纖耦合耦合系統(tǒng)鏡頭參數(shù)，我們?cè)?.2節(jié)中牛頓望遠(yuǎn)鏡的基礎(chǔ)上加入了非球面鏡和光纖，表面9、10表示非球面鏡，其口徑為φ10mm，焦距為32mm。表面12為非序列元件，在非序列元件編輯器中模擬芯徑為600μm、長(zhǎng)度為35mm的光纖，元件編輯器中元件類型為圓柱體，材料為熔融石英（F-SILICA）通過上述仿真后得到的結(jié)構(gòu)如圖1.12（b）所示。根據(jù)鏡頭數(shù)據(jù)可以計(jì)算出光線入射到光纖端面的入射角，其表達(dá)式為θ=2×arcran可以看出滿足光纖耦合的角度關(guān)系，圖1.12（c）光纖端面光跡圖，從圖中可以看出，中心視場(chǎng)光斑很小，滿足光纖端面的光斑直徑小于光纖芯徑的條件。圖1.12（d）為光纖端面點(diǎn)列圖，可以看出中心視場(chǎng)存在球差，光纖端面處最大彌散斑半徑為1.16μm，艾里斑半徑為1.613μm，說明該耦合系統(tǒng)達(dá)到衍射極限。圖1.12（e）為耦合系統(tǒng)中心視場(chǎng)的幾何圖像分析圖，我們?cè)O(shè)置NA為0.22，參考表面為像面，顯示為偽彩色，仿真得到的系統(tǒng)光纖耦合效率為90.988%。1.1.3光纖耦合系統(tǒng)失調(diào)分析仿真上一節(jié)對(duì)光纖耦合系統(tǒng)進(jìn)行光學(xué)仿真得到了相關(guān)的光學(xué)參數(shù)，但是這些同樣只是理想情況下的結(jié)果，實(shí)際的結(jié)構(gòu)會(huì)存在誤差，主要包括制造誤差、材料誤差、裝配誤差、環(huán)境誤差和設(shè)計(jì)誤差。光纖耦合的主要作用是將望遠(yuǎn)鏡接收到的回波光信號(hào)高效率耦合進(jìn)光纖中，在裝調(diào)過程中，任何微小的對(duì)準(zhǔn)誤差都會(huì)引起光纖耦合效率的變化，從而影響系統(tǒng)信噪比和探測(cè)精度。光纖耦合系統(tǒng)的裝調(diào)過程中，首先要確保接收回波光中心與偶合鏡、光纖中心共軸，其次，確保偶合鏡與光纖端面的距離以及偶合鏡自身不存在偏心和傾斜，最后要確保光纖端面不存在偏心和傾斜。因此光纖耦合系統(tǒng)可能存在偶合鏡與光纖之間的間距誤差Δd、耦合鏡自身的偏心誤差Δy1和傾斜誤差Δθ1和光纖的偏心誤差Δy圖1.13光纖耦合系統(tǒng)可能存在的誤差示意圖1.偶合鏡與光纖的間距誤差Δd對(duì)耦合效率的影響通過修改偶合鏡與光纖之間的間距進(jìn)行耦合效率仿真，得到的仿真結(jié)果如表2所示。間距誤差為Δd，當(dāng)Δd小于0的誤差表示偶合鏡與光纖的間距小于標(biāo)準(zhǔn)值(12.87mm)，當(dāng)Δd大于0的誤差表示偶合鏡與光纖的間距大于標(biāo)準(zhǔn)值(12.87mm)，此時(shí)偶合鏡與光纖的間距表示為(12.87+Δd)mm。經(jīng)過多次嘗試，當(dāng)間距誤差Δ等于±3mm時(shí)，耦合效率只剩下17%左右，因此我們只討論間距誤差在-3~3mm之間時(shí)對(duì)偶爾和效率的影響。表2偶合鏡與光纖的間距誤差Δd對(duì)耦合效率的影響結(jié)果間距誤差Δd/mm耦合效率/%間距誤差Δd/mm耦合效率/%0-0.5-1-1.5-1.6-1.8-2-2.5-391.02190.97890.85786.74275.64258.51446.23428.00517.7890.511.51.61.822.5390.96590.86185.56571.87158.78446.87427.95617.826圖1.14偶合鏡與光纖的間距誤差Δd對(duì)偶合效率影響曲線由圖1.14可以看出，當(dāng)偶合鏡與光纖的間距發(fā)生變化時(shí)，耦合效率也會(huì)變化，正、負(fù)間距誤差Δd對(duì)耦合效率的影響具有對(duì)稱性，間距誤差早-1.5-1.5mm區(qū)間時(shí)，偶合效率大于85%。理想的情況下，接收到的回波光信號(hào)最后經(jīng)過偶合鏡匯聚到光纖端面上，此時(shí)光斑直徑最小。存在間距誤差時(shí)，匯聚在光纖端面的光斑尺寸會(huì)變大，當(dāng)光斑尺寸大于光纖端面時(shí)，會(huì)有部分光線不會(huì)被光纖接收，從而影響光纖耦合效率。因此，在光纖耦合系統(tǒng)裝配時(shí)，要控制好偶合鏡與光纖的間距，保證偶合鏡的焦平面與光纖端面重合，保證光線高效率耦合進(jìn)光纖中。2.偶合鏡的Y偏心對(duì)耦合效率的影響和3.3節(jié)中Y偏心誤差仿真相似，由于透鏡是圓的，根據(jù)圓的對(duì)稱性，這里只考慮Y偏心?？紤]到偶合鏡匯聚的光束能夠入射到光纖端面，經(jīng)過多次嘗試后，確定耦合鏡偏心的最大值是0.25mm。因此，通過對(duì)正透鏡的Y偏心在0-0.25mm區(qū)間內(nèi)仿真分析，改變鏡頭編輯器中的參數(shù)得到仿真結(jié)果如表3所示。表3偶合鏡Y偏心誤差對(duì)耦合效率的影響結(jié)果Y偏心誤差/mm耦合效率/%091.0210.0591.0100.10.150.20.2589.96181.15941.3725.709圖1.15偶合鏡Y偏心誤差對(duì)偶合效率影響曲線從圖1.15可以看出，當(dāng)Y偏心誤差在0~0.1mm區(qū)間時(shí)，耦合效率基本不變，因?yàn)榇藭r(shí)耦合鏡匯聚的光斑仍然入射到光纖端面上，雖然位置不在中心，但仍然滿足光纖耦合條件，光纖可以被光纖接收。當(dāng)Y偏心誤差0.1~0.25mm區(qū)間時(shí)，耦合效率不斷下降，此時(shí)耦合鏡匯聚的部分光斑沒有入射到光纖端面上。在裝配過程中，因?yàn)槠恼`差很小，要保證誤差范圍小于0.1mm，所以要特別注意耦合鏡的偏心誤差。3.偶合鏡的傾斜X對(duì)耦合效率的影響當(dāng)耦合鏡存在傾斜時(shí)，偶合鏡匯聚的光斑在光纖端面上會(huì)產(chǎn)生偏移，也會(huì)改變匯聚光線的角度。同樣考慮到偶合鏡匯聚的光束能夠被光纖接收，經(jīng)過多次嘗試后，確定耦合鏡傾斜的最大值是1.7°。通過對(duì)耦合鏡的傾斜X在0-1.7°區(qū)間內(nèi)仿真分析，改變鏡頭編輯器中的參數(shù)得到仿真結(jié)果如表4所示。表4偶合鏡傾斜X誤差對(duì)耦合效率的影響結(jié)果傾斜X誤差/°耦合效率/%091.0210.20.40.60.80.91.01.21.41.61.790.97690.64290.54089.14783.20870.43341.46716.0731.4440圖1.16偶合鏡傾斜誤差對(duì)耦合效率影響曲線從圖1.16可以看出，當(dāng)耦合器傾斜X在0~0.75°區(qū)間時(shí)，耦合效率基本不變，因?yàn)榇藭r(shí)耦合鏡傾斜使匯聚光線產(chǎn)生的位移較小，光斑仍然全部入射到光纖端面。當(dāng)傾斜X大于0.75~1.7°區(qū)間時(shí)，隨著傾斜X誤差的增大，耦合效率逐漸減小至零，因?yàn)榇诉^程中，偶合鏡傾斜后匯聚的光斑沒有全部入射到光纖端面上，只有部分光線被光纖接收，所以耦合效率不斷降低至零。1.光纖端面傾斜X對(duì)耦合效率的影響理想情況下，經(jīng)過耦合鏡匯聚的光束會(huì)正入射到光纖端面處。當(dāng)光線端面產(chǎn)生傾斜時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致經(jīng)過耦合鏡匯聚的光束與光纖數(shù)值孔徑不匹配，無法滿足光纖耦合要求。從而降低偶合效率。從1.1.2節(jié)中可知，理想情況下，匯聚光線的夾角為21.9°，而光纖可以接收的最大角度是25.42°。通過對(duì)光纖的傾斜X在0-8°區(qū)間內(nèi)仿真分析，改變鏡頭編輯器中的參數(shù)得到仿真結(jié)果如表5所示表5光纖傾斜X誤差對(duì)耦合效率的影響結(jié)果傾斜誤差/°耦合效率/%011.75234567891.02190.21787.39786.14881.13177.18672.02166.32261.02856.114圖1.17光纖傾斜誤差對(duì)耦合效率影響曲線從圖1.17可以看出，當(dāng)光纖端面傾斜X在0~2°區(qū)間時(shí)，耦合效率在85%以上，因?yàn)榇藭r(shí)光纖傾斜后改變其接收光線的入射角，而設(shè)計(jì)的耦合系統(tǒng)的出射角為21.9°，光纖能接收的最大入射角是25.42°，當(dāng)傾斜在0~2°區(qū)間時(shí)，光纖仍能接收大部分入射光，隨著傾斜角度的增加，光纖能接收到的光線越來越少，耦合效率越來越低。傾斜誤差大于2°時(shí)，光纖傾斜誤差與偶合效率接近成正比例函數(shù)關(guān)系變化。允許出現(xiàn)的傾斜誤差較大，是因?yàn)檫x取光纖的數(shù)值孔徑比較大。5.光纖端面Y偏心對(duì)耦合效率的影響用于耦合系統(tǒng)接收匯聚光的多模光纖本身直徑就很小，通常是幾百微米，所以允許光纖的偏心誤差就很小，1.3.3節(jié)中設(shè)置的光纖芯徑是600μm，光纖端面的光斑尺寸是0.2mm，通過對(duì)光纖的Y偏心誤差在0-0.4mm區(qū)間內(nèi)仿真分析，改變鏡頭編輯器中的參數(shù)得到仿真結(jié)果如表6所示。表6光纖Y偏心誤差對(duì)耦合效率的影響結(jié)果偏心誤差/mm耦合效率/%00.10.20.220.250.280.30.350.491.02190.01289.97881.23669.00351.22342.54717.2410圖1.18光纖偏心誤差對(duì)耦合效率影響曲線從圖1.18可以看出，當(dāng)光纖Y偏心誤差在0~0.2mm區(qū)間時(shí)，耦合效率基本不變，因?yàn)楣饫w端面的光斑直徑為0.2mm，而光纖芯徑為0.6mm，所以說偏心誤差小于0.2時(shí)，光纖還是能夠接收耦合鏡匯聚的光線。當(dāng)光纖Y偏心誤差在0。2~0.4mm區(qū)間時(shí)，部分光斑入射到光纖端面被光纖接收，因此耦合效率隨著偏心誤差的增大而降低，當(dāng)偏心誤差大于0.4mm時(shí)，整個(gè)光斑都不會(huì)入射到光纖端面，耦合效率為零。6.光纖數(shù)值孔徑NA對(duì)耦合效率的影響1.1.2節(jié)中接收匯聚光束光纖的數(shù)值孔徑為0.22，也是目前市場(chǎng)上經(jīng)常用到的數(shù)值孔徑，數(shù)值孔徑是光纖的重要參數(shù)，直接影響接收光束的入射角，選用不同的數(shù)值孔徑光纖對(duì)耦合效率造成一定的影響，不改變芯徑，通過對(duì)光纖的數(shù)值孔徑在0.12-0.22區(qū)間內(nèi)仿真分析，改變鏡頭編輯器中的參數(shù)得到仿真結(jié)果如表7所示。表7光纖數(shù)值孔徑對(duì)耦合效率的影響結(jié)果數(shù)值孔徑耦合效率/%0.220.20.180.160.140.1291.02189.85671.48055.19540.81228.482從表7可以看出，數(shù)值孔徑越小，耦合效率越低，在選擇光纖數(shù)值孔徑的時(shí)候，要根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選擇。選擇合適的數(shù)值孔徑，才能保證耦合鏡匯聚的光束滿足光纖耦合的條件。綜上所述，我們討論了偶合鏡的偏心誤差、傾斜誤差和與光纖端面的間距誤差以及光纖端面的傾斜誤差和偏心誤差對(duì)耦合效率的影響，每種誤差的影響歸納為表8。表8光纖耦合系統(tǒng)誤差對(duì)耦合效率的影響結(jié)果誤差類型單獨(dú)存在的誤差對(duì)耦合效率的影響耦合鏡與光纖的間距誤差間距誤差在-1.5~1.5mm區(qū)間時(shí)，耦合效率大于85%，誤差在1.5~3mm區(qū)間時(shí)，耦合效率下降很快直至0，裝調(diào)時(shí)，需要根據(jù)光斑的大小控制間距，盡量減小間距誤差耦合鏡的偏心誤差偏心誤差在0~0.1mm區(qū)間時(shí)，耦合效率基本不變，偏心誤差在0.1~0.25mm區(qū)間時(shí)，耦合效率下降迅速，允許出現(xiàn)的偏心誤差很小，在裝調(diào)過程中要特別注意耦合鏡偏心誤差。耦合鏡的傾斜誤差光纖的傾斜誤差光纖的偏心誤差傾斜誤差在0~0.75°區(qū)間時(shí)，耦合效率基本不變，偏心誤差在0.75~1.7°區(qū)間時(shí)，耦合效率逐漸下降至零