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用于系统微缩化的非圆形光学元件

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用于系统微缩化的非(fei)圆形光学元件

减少(shao)余量:截短透镜以缩小(xiao)系统

Ø方形(xing)和截短光学元件减(jian)少了常规光学设计的(de)总体积(ji),例如(ru)切尔尼(ni)-特纳光谱仪

Ø将(jiang)方形透镜直接安装到(dao)通用平(ping)台上,可提高热机械(xie)稳定性

Ø高数(shu)值(zhi)孔径的微柱(zhu)面透镜可在封装(zhuang)过程中用于准直和(he)圆化激光二极管

Ø可以(yi)将(jiang)大多数标准(zhun)透(tou)镜和反射镜切割成定(ding)制尺(chi)寸,以(yi)便于在紧凑(cou)型光学系统中进行表面安(an)装(zhuang)

当大多数(shu)人(ren)想到透(tou)镜(jing)时,脑海里立即想到的是(shi)传统的圆形(xing)对称(cheng)的圆形(xing)透(tou)镜(jing)。这种(zhong)印(yin)象(xiang)有充(chong)分的理(li)由(you);在整(zheng)个历史过(guo)程(cheng)中,大部分透(tou)镜(jing)制造都(dou)依靠这种(zhong)对称(cheng)性(xing)来准确成形和抛光球面及非球面透镜。这种径向对称性可以作为光机械设计中的宝贵工具,使复杂的光学系统易于定心和对准。通过观察显微镜物镜或较好的相机镜头的镜筒内部的透镜排列,可以很好地展示这种被动对准过程。在这两个示例中,透镜和垫片环都在管内自动定心,从而显著减少制造时间和成本,同时提供出色的机械稳定性(图 1)。


图 1:
传统的圆形对称的圆形透镜在常规光学组件中由圆形垫片和固定环自动定心,从而简化了组装和对准

遗憾的是(shi),随着技(ji)术(shu)趋势继续朝着更小、更紧凑(cou)的设(she)备(bei)发展,封装(zhuang)内部并(bing)不(bu)总是(shi)有空间容纳多余的材料,例如机(ji)械(xie)安(an)装(zhuang)座或未(wei)使用(yong)(yong)的玻璃。因此,如今许(xu)多现代的电光封装(zhuang)都设(she)计为(wei)使用(yong)(yong)截短的或方形的光学组(zu)件,这(zhei)些组(zu)件可以(yi)平整地安(an)装(zhuang)在平台(tai)上,而无(wu)需圆形或 V 型(xing)槽安(an)装(zhuang)(图 2)。各(ge)种各(ge)样的光子技(ji)术(shu)使用(yong)(yong)这(zhei)些组(zu)件,尤其是(shi)在电信技(ji)术(shu)中,例如多路复(fu)用(yong)(yong)器(qi)和放(fang)大器(qi)。为(wei)了简洁(jie)起(qi)见(jian),J9九游会AG 将重点讨(tao)论(lun)两个例子:微型(xing)光谱仪和光纤耦合二极管激光器(qi)。


图 2:
方形或截短的光学元件对于各种空间受限的电光应用越来越重要

微型光谱仪中的(de)截短镜

当今微型光(guang)(guang)谱(pu)仪中常用(yong)的(de)(de)光(guang)(guang)学设计称为切尔(er)尼-特纳配(pei)置(zhi)。在(zai)(zai)这(zhei)(zhei)种(zhong)配(pei)置(zhi)中,来(lai)自入(ru)口狭缝(feng)的(de)(de)光(guang)(guang)被(bei)一个(ge)小的(de)(de)凹面镜(jing)准直,然后(hou)引导到衍(yan)射光(guang)(guang)栅(zha)上(shang)(shang)(图(tu) 3)。当光(guang)(guang)入(ru)射到衍(yan)射光(guang)(guang)栅(zha)上(shang)(shang)时,各种(zhong)波长将(jiang)(jiang)沿着(zhe)平行于平台的(de)(de)轴线分散(san),但(dan)它们将(jiang)(jiang)保持准直状态。因此,必须使用(yong)直径较大的(de)(de)聚焦镜(jing)才能将(jiang)(jiang)多个(ge)狭缝(feng)图(tu)像聚焦到光(guang)(guang)谱(pu)仪的(de)(de)线性检(jian)测器阵(zhen)列上(shang)(shang),但(dan)这(zhei)(zhei)仅是(shi)在(zai)(zai)一个(ge)轴上(shang)(shang)的(de)(de)情况。因此,通常是(shi)通过切掉顶部(bu)和(he)底部(bu)来(lai)截短较大的(de)(de)圆形镜(jing),以便可以将(jiang)(jiang)其安装(zhuang)在(zai)(zai)与(yu)平台齐平的(de)(de)位(wei)置(zhi),从而显著降低整个(ge)系统(tong)的(de)(de)高度(du)。


图 3:
采用两个截短聚焦镜的切尔尼-特纳光谱仪的原理图

在(zai)一(yi)(yi)些(xie)较新(xin)的微(wei)(wei)型和(he)微(wei)(wei)型光(guang)(guang)(guang)谱(pu)(pu)仪设(she)计中,这(zhei)一(yi)(yi)趋势被进(jin)一(yi)(yi)步采用(yong),将(jiang)这(zhei)些(xie)截短的反射镜与(yu)基于微(wei)(wei)机(ji)电系统(tong) (MEMS) 的空间光(guang)(guang)(guang)调制(zhi)器(qi)(而(er)不是衍射光(guang)(guang)(guang)栅)结(jie)合(he)。MEMS 技术可(ke)(ke)以进(jin)一(yi)(yi)步减(jian)小(xiao)光(guang)(guang)(guang)学元件的尺寸,并且检测器(qi)阵列可(ke)(ke)以由单(dan)个元件的光(guang)(guang)(guang)电二(er)极管代替(ti),从(cong)而(er)在(zai)某些(xie)情(qing)况下(xia)将(jiang)光(guang)(guang)(guang)谱(pu)(pu)仪的总占(zhan)地面(mian)积减(jian)小(xiao)到和(he)橡皮擦一(yi)(yi)样小(xiao)。为了使(shi)光(guang)(guang)(guang)谱(pu)(pu)仪设(she)计达到这(zhei)种(zhong)紧凑程度(du),必须将(jiang)准(zhun)直镜和(he)聚焦镜都截短以提供平(ping)坦(tan)的边(bian)缘,从(cong)而(er)实现两(liang)(liang)种(zhong)光(guang)(guang)(guang)学元件的表面(mian)安(an)装。在(zai)这(zhei)种(zhong)情(qing)况下(xia),采用(yong)“拾(shi)取(qu)和(he)放置(zhi)”式微(wei)(wei)定(ding)位(wei)系统(tong)在(zai)将(jiang)两(liang)(liang)个反射镜用(yong)环(huan)氧树脂(zhi)固定(ding)在(zai)适(shi)当位(wei)置(zhi)之前将(jiang)它们对准(zhun)。J9九游会AG 将(jiang)在(zai)下(xia)一(yi)(yi)节中进(jin)一(yi)(yi)步讨(tao)论微(wei)(wei)定(ding)位(wei)。

光(guang)纤耦合二极管激(ji)光(guang)器中的方(fang)形透镜

虽然激光(guang)二(er)(er)极(ji)管通(tong)常使(shi)(shi)用(yong)(yong)几十种不同的(de)(de)(de)激光(guang)封(feng)装(zhuang)(zhuang),但 14 针蝶形管在(zai)很大程度(du)上已成(cheng)为高性能光(guang)纤耦合激光(guang)二(er)(er)极(ji)管的(de)(de)(de)行业标准(zhun)。该封(feng)装(zhuang)(zhuang)允许使(shi)(shi)用(yong)(yong)安(an)(an)装(zhuang)(zhuang)在(zai)集成(cheng)热电(dian)冷却(que)器 (TEC) 上的(de)(de)(de)通(tong)用(yong)(yong)平(ping)(ping)台,提供优(you)异的(de)(de)(de)热机械稳定(ding)性。这些平(ping)(ping)台的(de)(de)(de)尺(chi)寸通(tong)常小于(yu)(yu) 8 毫米 x 15 毫米,由铜(tong)钨等材料制(zhi)成(cheng),与玻璃(li)的(de)(de)(de)热膨胀(zhang)系数 (CTE) 相匹(pi)配。CTE 匹(pi)配允许激光(guang)二(er)(er)极(ji)管在(zai)较宽的(de)(de)(de)温度(du)范围内工作,而不会损坏或(huo)错(cuo)位(wei)封(feng)装(zhuang)(zhuang)内部的(de)(de)(de)光(guang)学(xue)元件。但是(shi)(shi),使(shi)(shi)用(yong)(yong)传统的(de)(de)(de)圆形微光(guang)学(xue)元件,硅 V 形槽或(huo)金属安(an)(an)装(zhuang)(zhuang)环会由于(yu)(yu) CTE 不匹(pi)配而导致(zhi)不稳定(ding),减小封(feng)装(zhuang)(zhuang)内部已经(jing)有(you)限的(de)(de)(de)空间,并(bing)且对准(zhun)能力相对较差。激光(guang)二(er)(er)极(ji)管封(feng)装(zhuang)(zhuang)的(de)(de)(de)当前趋势是(shi)(shi)利用(yong)(yong)方形或(huo)矩形的(de)(de)(de)微透(tou)镜(jing),它们可以(yi)直接粘合到平(ping)(ping)台上,也(ye)可以(yi)通(tong)过零间隙安(an)(an)装(zhuang)(zhuang)方法由第(di)二(er)(er)块玻璃(li)支撑在(zai)空间中。这些透(tou)镜(jing)具有(you)出(chu)色的(de)(de)(de)可靠(kao)性,仅需小的(de)(de)(de)封(feng)装(zhuang)(zhuang)体积,并(bing)允许亚微米级(ji)的(de)(de)(de)准(zhun)确(que)对准。


图 4:非圆形(xing)光学(xue)元件 14 针蝶形(xing)激光二极(ji)管

通(tong)过利(li)用这(zhei)些(xie)(xie)方形(xing)光(guang)(guang)学元(yuan)件(通(tong)常(chang)大(da)(da)小在 1-3 毫米左右),训练(lian)有素的操作(zuo)(zuo)员可(ke)以(yi)使(shi)用微(wei)定(ding)位台(tai)主(zhu)动对(dui)准平(ping)台(tai)上的光(guang)(guang)学元(yuan)件。这(zhei)些(xie)(xie)平(ping)台(tai)包括(kuo)一个真空拾取工具,当与方形(xing)光(guang)(guang)学元(yuan)件的顶部或侧面齐平(ping)时(shi),该光(guang)(guang)学装置可(ke)使(shi)光(guang)(guang)学元(yuan)件在自由空间中(zhong)通(tong)常(chang)以(yi)五个自由度对(dui)齐。同时(shi),对(dui)激(ji)光(guang)(guang)器的输(shu)出(chu)进行(xing)实时(shi)监控。如(ru)果操作(zuo)(zuo)员试(shi)图用圆形(xing)光(guang)(guang)学元(yuan)件而不是方形(xing)光(guang)(guang)学元(yuan)件执行(xing)相同的任务,这(zhei)将(jiang)需要将(jiang)透镜(jing)(jing)安(an)装在方形(xing)或矩形(xing)的透镜(jing)(jing)支架中(zhong),从而显(xian)著增加总体积并减(jian)少可(ke)安(an)装到封装中(zhong)的光(guang)(guang)学元(yuan)件的大(da)(da)数量。

在典(dian)型的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)纤(xian)(xian)耦合(he) 14 针蝶(die)形(xing)封装中,多(duo)需(xu)要三(san)个独立的(de)(de)(de)(de)透(tou)镜才能提供有效且稳定(ding)的(de)(de)(de)(de)耦合(he)。大多(duo)较好的(de)(de)(de)(de)激光(guang)(guang)(guang)(guang)二极(ji)管使(shi)(shi)(shi)用(yong)(yong)两个交叉的(de)(de)(de)(de)柱面(mian)方形(xing)微透(tou)镜来补偿激光(guang)(guang)(guang)(guang)二极(ji)管快轴(zhou)和(he)(he)慢轴(zhou)的(de)(de)(de)(de)发(fa)(fa)散(san)(san)角(jiao)(jiao)之间的(de)(de)(de)(de)差异。一透(tou)镜,称为快轴(zhou)准(zhun)(zhun)直 (FAC) 透(tou)镜,必须具(ju)有较大的(de)(de)(de)(de)数(shu)值孔径(jing)(jing),由于(yu)发(fa)(fa)散(san)(san)角(jiao)(jiao)的(de)(de)(de)(de)缘故,典(dian)型焦(jiao)距(ju)约为 500μm,由于(yu)发(fa)(fa)散(san)(san)孔径(jing)(jing)的(de)(de)(de)(de)尺寸(cun)小,发(fa)(fa)散(san)(san)角(jiao)(jiao)通常(chang)约为 25 度。取决于(yu)单模或(huo)多(duo)模二极(ji)管的(de)(de)(de)(de)使(shi)(shi)(shi)用(yong)(yong),慢轴(zhou)的(de)(de)(de)(de)发(fa)(fa)散(san)(san)角(jiao)(jiao)比其快轴(zhou)低 3 至 5 倍。因(yin)此,要使(shi)(shi)(shi)光(guang)(guang)(guang)(guang)束圆化,慢轴(zhou)准(zhun)(zhun)直 (SAC) 透(tou)镜必须具(ju)有比 FAC 透(tou)镜更(geng)长(zhang)的(de)(de)(de)(de)焦(jiao)距(ju)。根据二极(ji)管子底座的(de)(de)(de)(de)尺寸(cun),这(zhei)些元件可以轻(qing)松占据平台可用(yong)(yong)空间的(de)(de)(de)(de)三(san)分之一,这(zhei)进一步(bu)说明(ming)了使(shi)(shi)(shi)用(yong)(yong)方形(xing)微光(guang)(guang)(guang)(guang)学元件而非圆形(xing)光(guang)(guang)(guang)(guang)学元件的(de)(de)(de)(de)重要性。光(guang)(guang)(guang)(guang)束经过准(zhun)(zhun)直后,需(xu)要使(shi)(shi)(shi)用(yong)(yong)第三(san)块方形(xing)透(tou)镜(通常(chang)是非球面(mian)透(tou)镜)将(jiang)光(guang)(guang)(guang)(guang)耦合(he)到(dao)光(guang)(guang)(guang)(guang)纤(xian)(xian)中。就像在准(zhun)(zhun)直步(bu)骤中监(jian)控光(guang)(guang)(guang)(guang)束轮廓和(he)(he)发(fa)(fa)散(san)(san)角(jiao)(jiao)一样,光(guang)(guang)(guang)(guang)纤(xian)(xian)耦合(he)过程(cheng)也会受(shou)到(dao)主动监(jian)控,以确保(bao)大输出(chu)功率。对(dui)于(yu)某些单模光(guang)(guang)(guang)(guang)纤(xian)(xian)耦合(he)激光(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi),也可以观察到(dao)偏(pian)振消(xiao)光(guang)(guang)(guang)(guang)比。对(dui)于(yu)使(shi)(shi)(shi)用(yong)(yong)低功率激光(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)的(de)(de)(de)(de)价格敏感的(de)(de)(de)(de)激光(guang)(guang)(guang)(guang)二极(ji)管系统,通常(chang)使(shi)(shi)(shi)用(yong)(yong)单个球面(mian)或(huo)非球面(mian)透(tou)镜,而不是一对(dui)柱面(mian) FAC 和(he)(he) SAC 透(tou)镜。


图 5:
两个柱面透镜常被用来使激光二极管的输出圆形化。可以将滤光片和其他光学组件插入到 SAC 透镜和耦合透镜之间的准直光束路径中。

非圆形(xing)光学元件的定制

这些只是在现代电光设备中如何使用非圆形光学元件的两个示例。随着越来越小的设备封装趋势继续,方形和截短的透镜和反射镜只会越来越受欢迎。必须理解的是,尽管这些光学元件有一些现成的版本,但绝大多数时候都需要进行一些定制。尽管爱特蒙特光学(EO) 不能制造小至 1-3 毫米的非圆形光学元件,但J9九游会AG 提供一系列标准的现成方形轮廓
柱面透镜,并提供截短光学元件
定制服务。这些服务非常适合对尺寸或重量敏感的应用。
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