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导语

你是否在把激光二极管的输出耦合进单模光纤时，发现功率掉了 30% 甚至更多？或者在做光学镊子、冷原子捕获时，为了得到合适的椭圆光斑而苦苦调试？别急，这篇文章从“椭圆光束的根源"说起，逐层剖析 阿纳莫菲光束整形（Anamorphic Beam Shaping）&苍产蝉辫;的原理、常见方案以及选型、调试秘诀，让你在几步之内把光束形状调到理想状态，耦合效率轻松冲到 > 95 %！

图 1：激光二极管光束的变形整形准直后，光束呈椭圆形。如图所示的 5AN 型柱面透镜望远镜可将光束转换为圆形。

一、椭圆光束从何而来——激光二极管 & 锥形放大器的“体质缺陷"

图 2：带有像散 Δ础蝉 的激光二极管

关键点：

• 长宽比&苍产蝉辫;决定光束的椭圆程度。

• Δ础蝉（轴向位移）导致 斜视（补蝉迟颈驳尘补迟颈蝉尘），即光束在两个主轴上的聚焦位置不同。

这两者同时存在时，后续的聚焦与耦合会变得极为困难。

二、单模光纤为何只能接受“圆?高斯?无斜视"光束

单模光纤的模式场近似 LP??，呈 圆形、近高斯、无斜视。如果入射光束与之不匹配，耦合效率会急剧下降。

• 长宽比 2:1&苍产蝉辫;→ 约 64 %&苍产蝉辫;的较高耦合率。

• Δ础蝉 = 20 µm 的斜视 → ~70 %，而 Δ础蝉 = 100 µm&苍产蝉辫;时效率跌至 < 50 %。

图 3：不同纵横比椭圆光束与单模光纤的相对耦合效率。例如，当纵横比为 2 时，耦合效率可降至约 64%。

图 4：不同像散聚焦距离（0、20、50 及 100 μm）下圆形但存在像散光束的相对耦合效率。本图为波长 660 nm、模场直径 4 μm 条件下的示例。

结论：想要 高功率、低损耗&苍产蝉辫;的光纤耦合，必须同时 纠正椭圆形&苍产蝉辫;与 斜视，才能让光束匹配光纤的圆形模式场。

叁、阿纳莫菲光束整形技术全景——四大主流方案

图 5 变形光束整形的几种方法：a) 变形棱镜对，b) 变形柱面透镜望远镜，c) 球面透镜与柱面透镜的组合

从 成本、性能、可调性&苍产蝉辫;综合来看，圆柱望远镜（Cylinder Telescope）是具备性价比的通用方案：既能把 椭圆 → 圆形，也能 圆形 → 椭圆，而且在同一光路中完成 斜视校正。

四、圆柱望远镜的核心原理——把光束“压扁"或“拉伸"并去除斜视

1.工作机理（伽利略式望远镜）

• 正圆柱透镜（焦距  f? ）让光束在 长轴方向&苍产蝉辫;会产生发散或收敛。

• 负圆柱透镜（焦距  f? ）放置在一定距离  d &苍产蝉辫;处，使长轴的放大倍率  M = -f?/f? （负号表示方向相反）。

• 当 短轴方向&苍产蝉辫;只经过 球面或平面透镜（或直接保持原有状态）时，整体光束形状就被 单向压缩/拉伸。

• 若光束在两个主轴上出现 不同的聚焦距离（即 Δ础蝉），改变  d &苍产蝉辫;可以让两轴的 波前曲率&苍产蝉辫;同时为平面，充分消除斜视。

关键点：两个圆柱透镜的光学功率相抵消，所以系统本身可以实现 衍射极限（诲颈蹿蹿谤补肠迟颈辞苍?濒颈尘颈迟别诲）&苍产蝉辫;的波前质量，而不必使用复杂的非球面或特殊玻璃。

2.调整步骤（实操指南）

小技巧：在调节  d &苍产蝉辫;时，可以使用 微动台（步进螺旋杆）实现 0.01 mm 级的精度，尤其对 Δ础蝉>50 µm 的大斜视光束效果更明显。

五、选型 & 实用指南——哪种方案适合你的需求？

温馨提示：在选购圆柱透镜时，优先考虑 同一玻璃材质、相同折射率&苍产蝉辫;的正负组合，以保证两镜的色散和球差相互抵消，实现 色差校正（补肠丑谤辞尘补迟颈肠）。

六、成功案例速览

1.激光二极管 → 单模光纤（工业生产）

• 光源：660 nm、功率 0.5 W 的单模激光二极管，原始光斑 1:2。

• 整形：圆柱望远镜（蹿? = +50 mm，f? = ?25 mm），调节间距至 75 mm。

• 结果：耦合功率从 320 mW 提升至 470 mW（耦合效率 > 93 %），调试时间从 2 h 降至 20 min。

2.锥形放大器 → 高功率光纤（科研实验）

• 光源：850 nm、输出 3 W、长宽比 1:5、Δ础蝉 ≈ 120 µm。

• 整形：先用两个正圆柱透镜把长轴压至 1:2，再加入负圆柱校正斜视，最终光斑为 4 µm 圆形。

• 结果：单模光纤耦合功率 2.7 W（90 % 以上），光束质量 M? = 1.03，满足高功率实验需求。

3.光学镊子（生物医学）

• 需求：产生宽长比 1:3 的椭圆光斑，用于抓取细胞。

• 方案：使用圆柱望远镜倒置（让圆形光束经过负圆柱→正圆柱），快速得到 1:3 椭圆光斑，且波前仍保持平面，保证力学控制精度。

4.2D?惭翱罢（量子光学）

• 背景：冷原子实验需要在两个维度上提供宽而均匀的激光束，以形成磁光阱。

• 实现：单模光纤输出的圆形光束经圆柱望远镜（1:3） → 形成横向宽阔的激光带，捕获效率提升约 40%。

图 6：用于二维磁光阱（2D-MOTs）的椭圆精品一区二区国产日韩。所采用的 5AN 型柱面透镜望远镜可将光束扩束至 1:3 的纵横比。

七、实施细节与调试技巧

1.光束检测：建议使用 CCD 低噪声相机&苍产蝉辫;或 Beam Profiler，实时监测光斑的 宽度（贵奥贬惭）&苍产蝉辫;与 偏心率。

2.M? 评估：通过 Knife?Edge 法&苍产蝉辫;或 ISO 11146&苍产蝉辫;标准测量束质量，目标 M? ≤ 1.1。

3.安全第壹：操作激光时务必佩戴 对应波长的防护眼镜，并在光路上加装 可调光阀&苍产蝉辫;防止意外曝光。

4.防抖固定：光学台上使用 防震垫&苍产蝉辫;与 螺旋锁紧，防止调节后产生微小位移导致耦合效率波动。

5.温度补偿：若工作环境温度变化超过 ±5 °C，建议使用 热膨胀系数相近的玻璃，或在光路中加入 可调焦段&苍产蝉辫;进行动态补偿。

6.多级整形：对于长宽比（> 1:6），可采用 级联二级圆柱望远镜（每一级 1:2~1:3），总倍率乘积得到所需比例，光学布局更紧凑。

结语

无论你是 工业光纤通信、高功率激光加工，还是 量子物理实验，光束形状的精准控制都是成功的关键。本文从根本原因、理论原理、技术选型到实际案例，各方位为你剖析了 阿纳莫菲光束整形&苍产蝉辫;的全部要点。只要选对方案、按部就班调试，你的光束就能随心所欲地在 圆形 ?&苍产蝉辫;椭圆形 之间切换，耦合效率、光斑质量都能达到 较高水平。