光学雷达耦合研究

本文作者：李仕春 华灯鑫 宋跃辉 田小雨 单位：西安理工大学 机械与精密仪器工程学院

0引言

将空间光场高效耦合进较小芯径光纤特别是单模光纤的技术已广泛用于光纤激光器［1－2］、空间激光通信［3－4］和天文观测［5－6］等研究领域．当前本文研究组提出的全光纤转动喇曼激光雷达研究课题将采用光纤布喇格光栅（FiberBraggGrating，FBG）作为分光系统的核心器件，而由多模光纤制成的布喇格光栅由于其光谱特性的多峰性，不能满足大气分子纯转动喇曼信号精细光谱分离的要求，故系统中将采用单模光纤作为连接传输器件［7－8］．因此激光雷达的空间回波光场耦合进单模光纤的耦合效率将是该系统信噪比的关键因素，耦合效率越高信噪比将越好．当前将空间光场耦合进小芯径光纤的耦合器主要有球透镜［9－10］、格林透镜和非球面透镜［11］等，球透镜一般耦合效率略低，而格林透镜主要用于光场前向传输的空间激光通信领域，在激光雷达领域的应用研究表明需要定制特种参量器件，成本较高［12］，此外目前现有产品主要用于近红外的通信波段，而正在研究的全光纤激光雷达系统则工作在可见光波段．另外，Chiou，A．等人曾利用互泵浦相位共轭技术设计了光致折变空间模式转换器提高多模光场耦合进单模光纤的效率，使耦合效率突破了纤芯直径比或模式数量比的限制［13］，但是该方法需要选择合适的晶体，且对空间结构稳定性要求较高，不适用于正在研究的全光纤激光雷达系统．非球面透镜以其灵活的光场分布调整能力已应用于激光光束整形［14］，另外非球面透镜具有很强的集光能力，这或许可提高空间光场耦合进单模光纤的效率．本文以设计用于全光纤喇曼激光雷达的单模光纤耦合系统为研究目标，采用成本较低的非球面透镜作为核心耦合器件，结合现有卡塞格林望远镜，通过ZEMAX光学软件搭建望远镜与单模光纤的耦合系统；由于激光雷达系统是一种能量探测系统，不同于成像系统的高像质要求，为充分利用非球面透镜较强的集光能力，以将空间光场耦合进单模光纤的效率为优化目标对系统结构参量进行优化分析；直接与通常多模光纤（如芯径0．1～0．4mm）进行耦合效率比较，会因绝对耦合效率值低而弱化对比效果，此处构建初步实验系统进行耦合实验，采用不同型号单模光纤（芯径约为3～10μm）的耦合效果进行相对耦合效率对比分析，测试和分析非球面透镜对耦合效率的改善作用，得到了构建全光纤喇曼激光雷达系统的有益结论．

1非球面透镜的单模光纤耦合系统及优化设计

喇曼激光雷达系统的发射激光束进入大气，经与大气分子相互作用产生携带大气状态信息的后向喇曼散射信号，由于信号较弱通常需要对一定时间的回波信号进行统计平均，故一般可忽略大气湍流对光场传输的影响，故通常假设发射激光束是高斯分布，而把望远镜接收的大气后向散射光看作是高斯分布的空间平面光场，其耦合理论分析已较为成熟［10］．其次由于大气分子散射在各个方向具有随机性，故通过望远镜耦合进单模光纤相对于多模光纤的总耦合效率ηT可表示为ηT＝ηM?ηS（1）式中，ηM是横向模式数导致的耦合效率，如果耦合进多模光纤的模式数为M且假设各模式能量相同，则该参量为1／M，ηS为单横模空间光场入射时的耦合效率，也是文献资料讨论最多的耦合参量［3，13］，其在广泛采用的ZEMAX光学软件中可表示为单模光纤的总耦合效率，故ηS＝S?T（2）式中，S为系统耦合效率或结构耦合效率，主要反映望远镜入瞳孔径及中央遮挡引起的光能损失，还包括光学元件吸收和光学薄膜的影响，在该耦合系统中主要体现中央遮挡对耦合效率的影响，可表示为［10］式中，FS（x，y）为入射光场的幅值分布，t（x，y）为光学系统的幅值传递函数，E表示入瞳平面；而T可称为接收耦合效率，主要反映由于光学系统像差引起的波前相位变化与光纤导模失配产生的损耗，是通过光学器件可改善的主要参量，其定义式为［10］T＝［Fr（x，y）W＊（x，y）dxdy2］／［Fr（x，y）?F＊r（x，y）dxdyW（x，y）W＊（x，y）dxdy］（4）式中，Fr（x，y）为光纤导模的模场分布，W＊（x，y）为出瞳波前的复数共轭．故ZEMAX软件可对单横模空间光场耦合进单模光纤的耦合效率进行较好的仿真分析．结合通用多模光纤耦合的喇曼激光雷达系统的经验，以实验室现有的日本TAKAHASHI公司Mewlon－250型卡塞格林望远镜为基础进行望远镜单模光纤耦合器结构设计，其三维结构如图1．该望远镜属于Dall－Kirkham结构，其主镜M1为直径260mm且锥度系数－0．6925的椭球面，副镜M2为直径72mm的球面，反射镜表面镀多层铝膜以提高回波光场信号的收集效率，P1为入瞳，B1为中央遮挡．望远镜有效焦距为3m，且主镜与副镜之间距离可通过电机控制进行调节，使焦距可在2．74m到3．25m间变化．由于直接从望远镜耦合进光纤，光路较长，对系统机械稳定性要求较高，同时为尽量与单模光纤的数值孔径0．13进行匹配，通常在望远镜底部增加一片附加正透镜L1（图1右下局部放大图）以缩短光路［10］，减少其合成焦距，提高系统机械稳定性．由于单模光纤传输条件依赖于光纤芯径与数值孔径，结合市场调研情况选择美国Nufern公司460－HP单模光纤作为目标光纤．望远镜与单模光纤耦合系统的效率依赖于望远镜焦距、附加正透镜型号及位置、非球面透镜AL型号及位置等，且因激光雷达遥感技术是一种能量探测而不是成像系统，故理论上需要以单模光纤耦合效率为优化目标对上述结构参量进行优化设计．但ZEMAX软件很难对附加正透镜型号和非球面透镜型号等离散数据进行全局优化设计，由于附加透镜和非球面透镜对耦合效率影响最大的参量是焦距，而将望远镜接收耦合系统的组合焦距设计在900mm左右可使激光雷达探测效果更佳［12］，通过ZEMAX仿真选择美国CVI公司PLCX－50．0－51．5UV平凸透镜作为附加透镜，由于非球面透镜加工及检测较为复杂［15］，通过调研选择美国Thorlabs公司多种焦距且反映集光能力参量数值孔径（NA）较大的非球面透镜（如355390，355660，352330，A414，352340，A230，A390，A110，A240）分别进行优化设计和仿真分析，最终确定由1个偶次非球面和1个球面组成的A390非球面透镜（图1右上局部放大图）作为耦合系统核心器件．该非球面透镜的有效焦距为4．60mm，NA为0．53，其偶次非球面（图1局部放大图左侧面）为式中，c为曲面的曲率，其数值为半径3．50mm的倒数，锥度系数k为－0．3366000，r为横向坐标；球面（图1右上局部放大图右侧面）的曲率半径为－42．19mm．然后以耦合进单模光纤的耦合效率为优化目标函数对各光学器件间相对位置进行优化设计，通过POPD（物理光学传输）等运算符进行优化表明，当未采用非球面透镜时，附加正透镜距望远镜副镜672．7mm，像面距附加正透镜51mm，系统效率S为76．4％，接收效率T为46．1％，单模光场总耦合效率ηS为35．2％；当采用非球面透镜时，附加正透镜距副镜704．5mm，非球面透镜距附加正透镜35．39mm，光纤端面距非球面透镜1．268mm，单模光纤的接收效率T可改善为67．6％，单模光场总耦合效率ηS可提高至51．7％，耦合效率比未采用非球面透镜耦合时提高约45％．故非球面透镜将改变望远镜接收会聚光场的能量分布，提高其与单模光纤导模分布的匹配效率，进而提高望远镜与单模光纤的耦合效率．为说明非球面透镜对焦平面上爱里斑能量集中程度的改变，图2给出了软件仿真得到的采用非球面透镜前后的包围圆能量变化情况，可看出通过增加非球面透镜可使半径为1．6μm的圆内的能量由40％增加到约68％，且在2μm附近出现平坦区，这可减少光纤对准时横向偏移的准确度要求，而通常光纤对准误差中影响最大就是横向偏移误差［10，12］．对不同视场角情况进一步仿真分析表明，在0．004°内其包围圆能量分布曲线变化不大。为进一步分析视场角对爱里斑耦合能量分布的影响，图3（a）～（c）给出了所设计耦合系统入射角度分别为0、0．002°和0．004°的点列图，可看出当视场角不为0时，存在较为明显的彗差，但其能量基本处于黑色实线圆（直径为4．41μm）所表示的衍射极限范围内．由于通常激光雷达系统进行的是能量探测，不同于天文领域的成像光学系统，一般不考虑光学系统的成像质量，这就使我们可将提高耦合能量作为设计和优化的唯一目标．激光雷达发射系统一般具有0．1mrad的发散角，而激光雷达中接收视场角一般要求略大于发射系统发散角，取0．12mrad，故可认为接收回波信号将大略位于0．004°范围内，图3仿真结果表明在半径59μm的范围内放置单模耦合光纤，都将获得较好的耦合效率．另外，由于激光雷达系统利用发射光束的回波信号，而不是空间激光通信系统中的前向传输信号，回波信号将在耦合平面上形成一个面积较大的弥散斑，故在此系统中可通过在光纤耦合平面放置多芯光纤束来提高系统总耦合能量．

2耦合实验系统及数据分析

2．1耦合实验系统为验证上述耦合系统的效果，搭建图4实验系统进行初步实验，图中光源发出的光，经正透镜会聚后，分别进入直接耦合a和非球面透镜耦合b两个子系统，输出光进入色散型光谱仪（OSA），利用该实验系统可进行三方面耦合效果分析．首先可验证非球面透镜对耦合效率的改善作用，由于实验中直接耦合进单模光纤因其芯径太小导致对安装误差要求较高，故此处未采用单模光纤直接耦合作为耦合效率提高程度比较的基础，而是将入射光先耦合进大芯径多模光纤（0．2mm）后，再经FC接头直接耦合进入单模或小芯径光纤（芯径约为3～10μm），虽FC接头同型光纤互联时插入损耗典型值为0．2dB（95．5％），但其主要原因是光纤对准误差，此处因大芯径光纤NA为0．22，其芯径为小芯径光纤几十倍，故对准误差对插入损耗影响很小，可用于该实验测试；而非球面透镜耦合子系统b利用非球面耦合透镜直接将入射光耦合进入单模或小芯径光纤，这两种子系统方案足以说明非球面透镜对耦合效率的改善作用．其次，利用不同芯径光纤的耦合效率比可粗略分析相同入射光场的耦合效果，实验中单模光纤位置需要测试几种不同的小芯径光纤的耦合效果，如美国Nufern公司的460－HP光纤、1550B－HP光纤和英国Fibercore公司的SM980－5．8－125光纤（表1），但实际上只有460－HP光纤能够实现532nm波段的单横模传输，其目的在于为非球面透镜改善单模光纤相对耦合效率提供更可靠的数据，并分析耦合效率比与芯径比平方之间关系．最后可分析入射光场横向模场分布对耦合进单模光纤效率的影响，将光源分别采用波长位于532nm附近LED灯和激光器，以分别模拟多横模和单横模光源的耦合效果，实验分析入射光场横模分布对耦合进单模光纤的影响，实验中LED灯型号为LED525E，其发散角为15°，中心波长为525nm，3dB带宽为5nm，功率为15mW；而激光器将使用Nd∶YAG激光器的二倍频激光．另外，实验中不同芯径单模光纤长度为2m，且需要采用两个半径为10mm圆环进行扰模处理，而对于多模光纤因其主要作用是减少不同小芯径耦合光纤的安装误差，故未对其进行扰模．实验中将采用PrincetonInstruments公司的SP2500光谱仪作为耦合系统的光电探测系统，它采用精密的光栅镀膜技术，可将光能损失降至最低，其扫描光谱给出了不同波长的功率相对值．为尽量减弱光电转换中非线性效应对测量结果的影响，评价光谱仪相对光强参量的线性度是非常必要的，将是该实验系统有效性的重要保障．首先采用一组滤光片对光谱仪相对强度值进行测量，为减少不同滤光片厚度对耦合光路的影响，构造实验系统时首先使LED灯发出的光通过一个透镜进行准直，经滤光片后再利用正透镜使光线汇聚并耦合进多模光纤．为减少实验中系统误差，未采用标称透过率，而是首先利用实验系统对各滤光片进行测试，然后计算每个滤光片的透过率，图5（a）给出了其中1组实测数据，点划线表示未加滤光片衰减时LED灯的光谱分布，虚线为增加某滤光片时的光谱分布，而实线是由这两组数据计算得到的透过率曲线，可看出透过率曲线在490～560nm基本比较稳定，说明滤光片对不同波长光信号的衰减率基本是一致的，而在该范围之外则由于光功率较低而导致透过率起伏较大，故实验数据处理时宜采用490～560nm的透过率平均值作为该滤光片透过率值．然后将上步中测得的透过率作为真值，计算2个及以上的滤光片组成滤光片组的理论真值，并利用光谱仪测试通过该滤光片组的透过光功率，并将理论值与测得值进行比较以评价光谱仪相对光强参量的线性度．图5（b）给出了测量点与其拟合直线，其斜率为0．985，截距为173．7，相关度为0．9994，可说明光谱仪相对强度与入射光强之间具有很好的线性．

2．2实验数据分析当采用LED灯作为光源时，可评价多横模光源的耦合性能．图6（a）给出了耦合进光纤460－HP的功率谱特性，其中点划线是直接耦合时光功率谱的相对强度，实线表示非球面透镜耦合时的相对强度，非球面透镜耦合比直接耦合时耦合效率增加约48％；图6（b）给出了耦合进光纤1550B－HP的功率谱特性，点划线是直接耦合时光功率谱的相对强度，实线表示非球面透镜耦合时的相对强度，非球面透镜耦合比直接耦合的效率增加约47％，耦合效率的增加量大略与仿真结果45％相当，这可说明利用图4中子系统a和b耦合效率的比值可反映非球面透镜对耦合效率的改善作用．

2．3直接耦合和非球面透镜耦合分别耦合进460－HP与1550BHP光纤的耦合效率比约为13％和12％，这大略等于通常采用的光纤芯径比平方12％［13］．当采用激光作为光源时，可评价单横模光源的耦合性能．图7（a）给出了耦合进光纤460－HP的功率谱特性，点划线表示直接耦合时光功率谱的相对强度，实线为非球面透镜耦合时的相对强度，非球面透镜耦合比直接耦合时耦合效率增加约31％；图7（b）给出了耦合进光纤SM980－5．8－125的功率谱特性，点划线为直接耦合时光功率谱的相对强度，实线表示非球面透镜耦合时的相对强度，非球面透镜耦合比直接耦合时耦合效率增加约20％，耦合效率的增加量与仿真耦合的45％偏离较大，这或可归因于单模激光耦合时耦合效率对位置的调整极为敏感．另外，直接耦合和非球面透镜耦合方式耦合进460HP光纤与SM980－5．8－125光纤的耦合效率之比分别约为88％和86％，这偏离光纤模场芯径之比平方36％较大，其耦合效率之比约为模场芯径比平方的.

2．4倍，这可能是由于高斯分布的单模激光模场与光纤模场匹配效率较高，且其能量大部分位于纤芯中心导致的，该结论对全光纤激光雷达系统具有重要意义．另外多横模特性光源（LED灯）与单横模特性光源（激光）的耦合效果对比，不仅说明非球面透镜对望远镜与单模光纤的耦合效率具有明显改善，而且对高斯分布的激光耦合进小芯径光纤不宜采用芯径比平方估算耦合效率，这对于搭建采用该激光器的全光纤喇曼激光雷达系统具有积极意义．

3结论

利用非球面透镜数值孔径较大的特点，构建用于全光纤激光雷达系统的望远镜耦合系统，将激光雷达的回波光信号耦合进单模光纤，采用ZEMAX软件创建并仿真了耦合系统的结构模型，并以单模光纤460－HP的耦合效率为优化目标进行优化分析，采用LED和激光作为光源进行了初步耦合实验，结果表明非球面耦合透镜可明显改善空间光场耦合进单模光纤的效率，且对多横模LED光源，耦合进小芯径光纤的功率比大略正比于芯径比的平方，而对单横模激光光源，其耦合效率比远大于芯径比平方，这对搭建全光纤喇曼激光雷达系统具有积极意义．