武汉理工大学《专业课程设计4》课程设计说明书
目录
1技术要求 1
1.1设计目的 1
1.2初始条件 1
1.3设计要求 1
2基本原理 1
2.1光纤数值孔径 1
2.2光纤传输窗口 2
2.3光纤及其分类 3
3主要设计参数及参数计算 4
3.1光纤相关参数及参数计算 4
3.2光源相关参数及参数计算 4
3.3透镜组相关参数及参数计算 4
4利用ZEMAX仿真及优化 5
4.1利用ZEMAX仿真的主要设计参数及初步结果 5
4.2利用ZEMAX进行优化后的结果 6
5像差分析 9
5.1初始光学系统的像差分析 9
5.2优化后的光学系统的像差分析 10
6心得体会 12
7参考文献 12
武汉理工大学《专业课程设计4》课程设计说明书
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LED光束准直系统的设计
1技术要求
1.1设计目的
使用CODEV(或ZMAX)软件进行仿真设计一个透镜系统，使波长为1550nm的光经过准直后能够耦合进入芯径为10um的光纤中传输。
1.2初始条件
计算机、CODEV(或ZMAX)光学设计软件、应用光学、光纤光学。
1.3设计要求
设计一个LED光束准直系统，要求：
1)准直后的光束，波长1550nm的光能进入到纤芯直径为10μm光纤中传输，纤芯折射率为1.4622,包层折射率为1.4675,光源发光面尺寸是1mm2,半发散角为30°;
2)透镜的个数和面型不限，主要以球面透镜为主，且不多于4片透镜；
3)用CODEV(或ZMAX)进行仿真设计；
4)能自由查看仿真系统的参数、结构图及像差图。
2基本原理
2.1光纤数值孔径[1]
为保证光能够在光纤纤芯中传
输，需要使光在在光纤纤芯与光纤包
层界面处发生全反射。这就需要使纤
芯折射率大于包层折射率。纤芯与包
层间的全反射临界角又称为光线的
临界入射角，用θ1c表示，如图1所图1临界传播角及临界入射角示意图
示。而在图中所显示的另一个角αc称为光纤的临界传播角。由简单的几何关系可知有：
α=90°-θ1(1)
由全反射原理可知，对于全反射临界角，即光线的临界入射角θ1c,存在如下关系：
θ1=sin?1(n?/n)(2)
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联立方程(1)、(2)可得：
a.=arcsin√1-(n?/n)2(3)
光源一般在光纤外部，因此我们就需要将从光源发出的光线导入光纤。如图2所示，该图显示了如何将光线耦合进入光纤。
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图2光线耦合进入光纤的示意图
有Snell定律可知，θa与αc的关系可表示如下：
nsinθa=nsina.(4)
若光源与光纤之间的介质为空气，可以将na略去。由于光线若要在光纤中无泄漏的传输，其传输角必须小于或等于αc,故只有入射角小于或等于θa的光线耦合进入光纤后才能在光纤中无泄漏的传输。通常将20a称为光纤的可接受角(有时也将θa称为光纤可接受角)。
数值孔径NA的定义式为：
NA=sinθa(5)
利用在前面已经建立的方程可以很容易的得到数值孔径的另一个表达式：
NA=√n2-n22(6)
由上式可知，数值孔径仅仅有光纤的纤芯和包层决定。
2.2光纤传输窗口1]
大部分纤芯材料(如SiO?)会吸收光。尽管制造光纤时尽了一切努力以减少纤芯材料对光的吸收。但仍