光纖激光準(zhǔn)直光學(xué)設(shè)計(jì)：基于場景需求的多方案優(yōu)化實(shí)踐研究

    光纖激光器憑借其高穩(wěn)定性與優(yōu)異光束質(zhì)量，已廣泛應(yīng)用于科研與工業(yè)領(lǐng)域。然而，激光從光纖出射后存在自然發(fā)散特性，需通過準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行校正。不同應(yīng)用場景的功率、波長需求存在顯著差異，這直接決定了準(zhǔn)直透鏡的選型邏輯與設(shè)計(jì)方向，亦是光纖激光準(zhǔn)直設(shè)計(jì)的核心出發(fā)點(diǎn)。

    一、場景需求分析：準(zhǔn)直系統(tǒng)的初始選型依據(jù)
    光纖激光準(zhǔn)直系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需以應(yīng)用場景的核心參數(shù)為導(dǎo)向，先明確透鏡類型，再開展后續(xù)優(yōu)化工作，這是確保系統(tǒng)適配性的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。
    1.大功率激光加工場景：單一透鏡即可滿足需求
    在激光切割、焊接等工業(yè)加工領(lǐng)域，光纖激光器以大功率輸出為主（通常為千瓦級及以上），且多采用單波長光源（如1064nm）。此場景下，準(zhǔn)直設(shè)計(jì)的核心訴求為“高效能量傳輸”與“抗激光損傷”，具體選型邏輯如下：
    若出射光束直徑較小且處于近軸區(qū)域，采用單個(gè)球面透鏡即可實(shí)現(xiàn)有效準(zhǔn)直；若光束直徑略大，可選用非球面透鏡以降低球差，提升準(zhǔn)直精度。
    設(shè)計(jì)過程中的核心關(guān)注焦點(diǎn)為透鏡膜系的損傷閾值——大功率激光易導(dǎo)致膜層燒毀，因此需選用高抗損傷鍍膜（如介質(zhì)膜），無需采用復(fù)雜的多透鏡結(jié)構(gòu)，以簡化系統(tǒng)、降低成本。
    2.小功率顯微分析場景：多波段需求驅(qū)動(dòng)復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    在顯微熒光成像、拉曼光譜分析等科研場景中，光纖激光器功率通?？刂圃?00mW及以下（避免強(qiáng)光導(dǎo)致材料或生物樣本變性），且需覆蓋多波段光源（如本文中0.405μm~0.785μm的7個(gè)波長）。此時(shí)，單透鏡的局限性凸顯，具體設(shè)計(jì)需求如下：
    單透鏡無法消除多波段下的色差（不同波長光束聚焦位置存在差異），易導(dǎo)致準(zhǔn)直光束發(fā)散角不均，影響觀測精度。
    需采用膠合透鏡（多片不同材料透鏡粘合）或分離透鏡（多片透鏡間保留空氣間隙），通過不同材料的折射率差異補(bǔ)償色差，實(shí)現(xiàn)寬波段的均勻準(zhǔn)直，滿足顯微分析對光束質(zhì)量的嚴(yán)苛要求。

    二、核心設(shè)計(jì)參數(shù)：準(zhǔn)直系統(tǒng)的性能基準(zhǔn)指標(biāo)
    無論采用何種設(shè)計(jì)方案，均需圍繞明確的性能指標(biāo)展開。本文所有設(shè)計(jì)實(shí)例均以顯微系統(tǒng)需求為基準(zhǔn)，核心設(shè)計(jì)參數(shù)如下：
    焦距：19mm（用于匹配顯微物鏡的工作距離，確保光束有效耦合）；
    數(shù)值孔徑（NA）：0.12（與光纖出射角度匹配，NA值越小，光束集中度越高）；
    纖芯直徑：4μm（決定入射光束的初始尺寸，影響準(zhǔn)直系統(tǒng)的入瞳設(shè)計(jì)）；
    發(fā)散角要求：小于衍射極限（衍射極限為光學(xué)系統(tǒng)理論最小發(fā)散角，若實(shí)際發(fā)散角超限，將導(dǎo)致光束質(zhì)量下降，影響觀測結(jié)果）；
    波長覆蓋范圍：0.405μm（紫光）、0.435μm、0.488μm（藍(lán)光）、0.532μm（綠光）、0.561μm、0.638μm（紅光）、0.785μm（近紅外），各波長權(quán)重均設(shè)為1（表明各波段準(zhǔn)直精度需求同等重要）。

    三、多方案設(shè)計(jì)與優(yōu)化：從性能不達(dá)標(biāo)到超預(yù)期實(shí)現(xiàn)
    基于上述設(shè)計(jì)參數(shù)，采用ZemaxOpticStudio軟件開展仿真與優(yōu)化工作，對比索雷博商用膠合透鏡、自研膠合透鏡（不同外徑）及分離透鏡的性能，核心目標(biāo)為解決多波段準(zhǔn)直問題，并平衡系統(tǒng)尺寸與裝配可行性。
    1.基準(zhǔn)測試：索雷博商用膠合透鏡的性能局限
    首先對索雷博商用膠合透鏡（型號AC127019A）進(jìn)行仿真測試，驗(yàn)證其多波段準(zhǔn)直適應(yīng)性，具體測試條件與結(jié)果如下：
    仿真參數(shù)設(shè)置：物方NA=0.12，切趾類型為高斯，切趾因子=1，勾選無焦像空間（準(zhǔn)直系統(tǒng)的典型設(shè)置）；
    透鏡結(jié)構(gòu)參數(shù)：采用NSF6（高色散玻璃）與NBAF10（低色散玻璃）膠合，機(jī)械半直徑為6.35mm；
    性能測試結(jié)果：透鏡二維結(jié)構(gòu)圖顯示其貼合緊密，但光束發(fā)散角測試結(jié)果暴露明顯問題——實(shí)際發(fā)散角為0.207mrad，遠(yuǎn)大于衍射極限（0.1083mrad）。這表明該透鏡僅適用于單一波段準(zhǔn)直，在多波段場景下，色差導(dǎo)致光束擴(kuò)散，無法滿足顯微系統(tǒng)的精度需求。
    2.優(yōu)化方案1：自研膠合透鏡（外徑保持不變）
    針對索雷博透鏡的多波段準(zhǔn)直缺陷，重新設(shè)計(jì)膠合透鏡，重點(diǎn)優(yōu)化評價(jià)函數(shù)（包含焦距約束、邊緣光斑尺寸約束及透鏡厚度約束），具體設(shè)計(jì)與性能如下：
    材料選型優(yōu)化：選用HZLAF89LS（高折射率低色散玻璃）與HZPK5S（低折射率高色散玻璃），通過更精準(zhǔn)的色散匹配，補(bǔ)償多波段色差；
    結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)整：保持外徑6.35mm（以兼容原有裝配結(jié)構(gòu)），調(diào)整透鏡曲率半徑（第一透鏡曲率半徑為22.177V，第二透鏡曲率半徑為10.279V）；
    性能優(yōu)化效果：優(yōu)化后，實(shí)際光束發(fā)散角降至0.086mrad，小于衍射極限（0.1085mrad），且7個(gè)波長的發(fā)散角差異小于0.01mrad，實(shí)現(xiàn)寬波段的均勻準(zhǔn)直，滿足顯微系統(tǒng)需求。
    3.優(yōu)化方案2：小型化膠合透鏡（外徑縮減）
    實(shí)際顯微系統(tǒng)對空間尺寸要求嚴(yán)苛，需縮減透鏡體積，因此將透鏡外徑從6.35mm降至3.5mm（需預(yù)留0.5mm的光機(jī)裝配間隙，確保裝配可行性），具體設(shè)計(jì)與性能如下：
    設(shè)計(jì)參數(shù)調(diào)整：重新計(jì)算透鏡曲率半徑（第一透鏡曲率半徑為41.112V，第二透鏡曲率半徑為7.827V），選用HLAK61S（高透光率玻璃）與HFK95NS（超低色散玻璃），確保尺寸縮減后不降低透光性能；
    性能突破表現(xiàn)：盡管透鏡尺寸縮減近50%，實(shí)際光束發(fā)散角進(jìn)一步降至0.049mrad（衍射極限為0.1103mrad），且機(jī)械結(jié)構(gòu)可直接適配顯微鏡頭的螺紋接口，兼顧“小型化”與“高性能”雙重需求。
    4.對比方案：小型化分離透鏡設(shè)計(jì)
    除膠合透鏡外，分離透鏡（多片透鏡間保留空氣間隙）亦是多波段準(zhǔn)直的重要技術(shù)路徑，同樣將其外徑縮減至3.5mm，具體設(shè)計(jì)與性能對比如下：
    結(jié)構(gòu)差異分析：與膠合透鏡不同，分離透鏡在兩片透鏡間預(yù)留0.682mm空氣間隙，可通過調(diào)整間隙進(jìn)一步優(yōu)化色差，提升多波段準(zhǔn)直精度；
    材料選型：第一透鏡選用HZLAF69（高抗反射玻璃），第二透鏡選用HFK95NS（與小型化膠合透鏡一致），確保透光率與色散補(bǔ)償效果；
    性能對比結(jié)果：實(shí)際光束發(fā)散角為0.050mrad（衍射極限為0.1088mrad），與小型化膠合透鏡性能幾乎持平；此外，空氣間隙可減少透鏡間的熱傳導(dǎo)，適合長時(shí)間顯微觀測場景，但對裝配精度要求更高（需保證兩片透鏡的同軸度）。

    四、設(shè)計(jì)結(jié)論與工程啟示
    通過多方案設(shè)計(jì)與對比分析，可總結(jié)出光纖激光準(zhǔn)直設(shè)計(jì)的核心規(guī)律，為實(shí)際工程應(yīng)用提供參考依據(jù)：
    1.場景需求主導(dǎo)選型邏輯：單波長、大功率場景（如激光加工）應(yīng)優(yōu)先選用球面或非球面單透鏡，兼顧成本與抗損傷性能；多波長、小功率場景（如顯微分析）需采用膠合或分離透鏡，通過色散補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)寬波段準(zhǔn)直，確保光束質(zhì)量。
    2.優(yōu)化需兼顧光學(xué)性能與工程落地可行性：光學(xué)設(shè)計(jì)不僅需追求低發(fā)散角、高均勻性等性能指標(biāo)，還需考慮裝配間隙、尺寸限制、材料成本等工程因素——例如HFK95NS玻璃雖色散補(bǔ)償效果優(yōu)異，但成本高于普通玻璃，需在性能與成本間平衡，避免“理論可行、工程不可實(shí)現(xiàn)”。
    3.膠合透鏡與分離透鏡各具技術(shù)優(yōu)勢：優(yōu)化后兩者的發(fā)散角差異小于0.001mrad，但膠合透鏡裝配簡單、成本較低，適合批量生產(chǎn)；分離透鏡散熱性能好、調(diào)整自由度高，適合高精度定制場景，需根據(jù)實(shí)際需求選擇。
    4.寬波段準(zhǔn)直的核心技術(shù)指標(biāo)：最終準(zhǔn)直后，光束發(fā)散角需控制在0.1mrad以內(nèi)，且不同波長的發(fā)散角差異小于0.02mrad，以確保在顯微熒光、拉曼分析中，不同波長的激光可聚焦至同一樣本點(diǎn)，避免觀測誤差。

    未來，隨著光纖激光器向多波長集成方向發(fā)展（如同一光纖輸出0.405μm~1064nm多波段激光），自準(zhǔn)直系統(tǒng)需進(jìn)一步優(yōu)化材料組合（如引入衍射光學(xué)元件），并結(jié)合人工智能輔助設(shè)計(jì)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)“更寬波段覆蓋、更小體積、更高準(zhǔn)直效率”的技術(shù)突破，推動(dòng)光纖激光在精密檢測、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的深度應(yīng)用。