针对万瓦级扩束型光纤连接器的准直聚焦透镜在不同冷却方式和不同尺寸参数的情况,进行了数值模拟。通过使用ZEMAX仿真设计,得到耦合透镜尺寸参数（直径为40~60 mm,边缘厚度为5~25 mm）。利用COMSOL Multiphysics模拟透镜的热分布,获得不同输出功率下,透镜使用该冷却方式的表面最高温度和使用该冷却方式透镜尺寸对温度的影响。对20组不同尺寸参数却有着相同光学性能的非球面透镜进行模拟分析,结果表明,在满足光学性能和功率密度的条件下,功率大于20 kW时,透镜可以使用侧面风冷的冷却方式,风速为9 m/s,透镜直径大于50 mm,厚度小于等于5 mm;功率大于7 kW时,透镜可以使用平面风冷的方式,风速为5 m/s,透镜直径大于30 mm,厚度小于等于5 mm;功率小于7 kW时,透镜可以使用边缘水冷的方式,水流速为1 m/s,透镜厚度小于7 mm。

通过对光纤耦合条件的理论分析,设计了扩束型光纤连接器的光学系统,并在ZEMAX软件的混合模式下实现仿真。定量分析准直镜和聚焦镜产生的对准误差所引起的光束质量和耦合效率的变化。模拟结果表明,准直镜和聚焦镜存在偏心或倾斜误差且在允许范围内,可调整两透镜的位置补偿像差和光轴偏移以确保光束质量和耦合效率达标,并对模拟结果进行实验验证。再模拟光纤连接器在不同直径时的对准误差允许范围,并推导对准误差补偿公式。在扩束型光纤连接器的设计和装调过程中,计算对准误差补偿公式,由于准直镜失调产生的对准误差可通过聚焦镜进行补偿,既增加设计精度又简化装调过程。最后根据对准误差分析结果,自行设计并制造12 kW@600 μm的扩束型光纤连接器。