[光学原理与应用-389]：设计 - 深紫外皮秒脉冲激光器 - 元件 - 1064nm种子光准直透镜

在深紫外皮秒脉冲激光器系统中，光纤种子源输出的1064 nm红光准直透镜是连接光纤激光器与后续自由空间光路（如放大器、非线性频率转换模块）的核心元件。其设计需兼顾光纤输出的高斯光束特性、皮秒脉冲的高峰值功率耐受性、1064 nm波长的高效传输，以及与深紫外系统的兼容性（如避免材料荧光或污染）。以下是详细设计方案：

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一、光纤种子1064 nm准直透镜的核心功能

1. 光束准直：
   • 将光纤输出的发散高斯光束（发散角θ≈NA/n，NA为光纤数值孔径，n为介质折射率）转换为平行光（发散角<0.5 mrad），以减少后续光路中的衍射损耗和模式畸变。
2. 模式匹配：
   • 调整准直后光束直径（腰斑大小w₀）以匹配后续放大器（如Yb光纤放大器）或非线性晶体（如BBO、CLBO）的输入模式要求。
3. 保护皮秒脉冲特性：
   • 避免透镜材料或镀膜引入色散（导致脉冲展宽）或非线性效应（如自相位调制），确保皮秒脉冲（脉宽1-100 ps）的时域保真度。
4. 抗损伤设计：
   • 承受光纤种子源的峰值功率（通常为kW-MW级，取决于重复频率和脉冲能量），避免透镜表面或内部损伤。

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二、关键设计参数与选型

1. 透镜材料选择

材料	优点	缺点	适用场景
熔融石英	低吸收（α<0.1 cm⁻¹ @1064 nm）、高损伤阈值（>10 GW/cm²）、低成本	色散较大（需补偿）	通用型准直，中低功率皮秒系统
氟化钙（CaF₂）	超低吸收（α<0.01 cm⁻¹ @1064 nm）、抗紫外荧光（避免深紫外系统污染）	成本较高、机械强度较低	高功率或深紫外兼容系统
蓝宝石（Al₂O₃）	极高损伤阈值（>20 GW/cm²）、耐高温	色散大、成本极高	超高峰值功率（>10 MW）皮秒系统
紫外级熔融石英	优化镀膜后抗紫外性能提升，平衡成本与性能	需验证1064 nm镀膜兼容性	中等功率皮秒系统

推荐选择：

• 通用场景：紫外级熔融石英（如Corning 7980），镀1064 nm增透膜（R<0.2%）。
• 高功率/深紫外兼容：氟化钙（如Optosigma CaF₂），需验证镀膜耐激光损伤性能。

2. 透镜类型与数值孔径（NA）

• 非球面透镜：
  • 优势：消除球差，实现近衍射极限准直（M²<1.1），适合单模光纤输出。
  • NA匹配：需与光纤NA匹配（如光纤NA=0.12，透镜NA≥0.15）。
• 球面透镜：
  • 优势：成本低，但需严格校准离焦量以控制像差。
  • 适用场景：多模光纤或对成本敏感的系统。

推荐选择：

• 单模光纤种子源：非球面透镜（如Thorlabs C280TMD-B，NA=0.15，焦距f=4.51 mm）。
• 多模光纤种子源：球面透镜（如Edmund Optics #45-781，NA=0.25，f=8 mm）。

3. 焦距与准直距离

• 设计原则：
  • 准直后光束直径 w=λf/(πw0​)，其中 w0​ 为光纤模场半径（单模光纤约2-5 μm）。
  • 示例：若光纤NA=0.12，模场半径 w0​=3μm，选择f=8 mm透镜，则准直后光束直径 w≈8.5mm。
• 优化建议：
  • 短焦距（f<10 mm）可减小系统体积，但需确保透镜工作距离（WD）足够（避免与光纤端面碰撞）。
  • 长焦距（f>20 mm）可降低透镜NA要求，但增加系统长度。

4. 镀膜设计

• 增透膜（AR Coating）：
  • 波长范围：1064 nm ± 10 nm（覆盖种子源波长漂移）。
  • 反射率：R < 0.2% @1064 nm（单面），插入损耗 <0.1 dB。
  • 耐损伤阈值：>5 GW/cm²（皮秒脉冲，1 ns等效）。
• 可选功能：
  • 双波长镀膜（如1064 nm + 532 nm）：若系统需同时传输倍频光。
  • 宽带镀膜（如1030-1080 nm）：适应不同种子源波长。

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三、性能优化与测试

1. 准直精度测试

• 方法：
  • 使用剪切干涉仪或M²分析仪测量准直后光束的发散角和波前畸变。
  • 目标：发散角 <0.5 mrad，M² <1.2。
• 工具：
  • Thorlabs BP209IR1-B（红外波前传感器）。
  • DataRay WinCamD-UCM（M²测量系统）。

2. 损伤阈值测试

• 方法：
  • 逐步增加输入脉冲能量（从1 μJ到10 mJ），观察透镜表面是否出现损伤（如烧蚀、透射率下降）。
  • 使用高速相机或散射光监测损伤过程。
• 标准：
  • 无损伤时最大输入能量需高于种子源最大输出能量（留20%余量）。

3. 脉冲保真度测试

• 方法：
  • 使用自相关仪或频域干涉仪（FROG）检测输出脉冲宽度，确保无展宽或畸变。
  • 对比输入/输出脉冲形状，计算色散引入的群延迟失真（GDD）。
• 目标：
  • 脉冲展宽 <5%（例如输入10 ps，输出<10.5 ps）。

4. 热稳定性测试

• 方法：
  • 在高温（50°C）或低温（-10°C）环境下测试准直精度变化。
  • 监测透镜材料热膨胀对光束指向的影响（通常需<10 μrad/°C）。

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四、典型应用场景

1. 光纤种子源与Yb光纤放大器耦合：
   • 准直透镜将单模光纤输出的1064 nm光束扩束至匹配放大器模场直径（如20 μm），提高耦合效率（>95%）。
2. 光纤种子源与OPO/OPG耦合：
   • 准直后光束直径需匹配非线性晶体相位匹配孔径（如BBO晶体需5 mm光斑）。
3. 皮秒脉冲诊断系统：
   • 准直透镜将光束引入自相关仪或M²分析仪，需确保无脉冲畸变。

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五、供应商推荐

供应商	典型产品	特点
Thorlabs	C280TMD-B（非球面，f=4.51 mm）	紫外级熔融石英，NA=0.15，AR镀膜@1064 nm
Edmund Optics	#45-781（球面，f=8 mm）	低成本，NA=0.25，适合多模光纤
Optosigma	CaF₂-ASP-8-1064（氟化钙非球面）	深紫外兼容，NA=0.16，AR镀膜@1064 nm
CVI Laser	1064-AR-8-N5（定制镀膜球面透镜）	可定制焦距和NA，耐损伤阈值>10 GW/cm²

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六、设计总结

参数	要求	实现方式
材料	熔融石英或氟化钙	低吸收、抗紫外荧光
透镜类型	非球面（单模）或球面（多模）	消除像差或降低成本
焦距	4-20 mm（根据光束直径需求）	平衡系统体积与准直精度
镀膜	1064 nm增透膜，R<0.2%	高损伤阈值，低插入损耗
损伤阈值	>5 GW/cm²（皮秒脉冲）	选择高纯度材料与优化镀膜工艺

建议：

• 若种子源为单模光纤且系统对光束质量要求高，优先选择非球面熔融石英透镜（如Thorlabs C280TMD-B）。
• 若需深紫外兼容或超高峰值功率，选择氟化钙非球面透镜（如Optosigma CaF₂-ASP-8-1064），并验证镀膜耐损伤性能。
• 实际设计中需通过光束传播模拟（如Zemax）优化透镜参数，确保准直精度与系统集成度。