从“新”认识离轴抛物面反射镜

文/Thorlabs索雷博

离轴抛物面(OAP)反射镜具有无色差和球差的独特性能，成对配合使用时可形成光路分支，并将焦点从光路中分离。OAP反射镜常用于聚焦准直光/准直来自点光源的光，尤其是太赫兹及红外波段的应用。

1、为何选用抛物面反射镜而不是球面反射镜

聚焦准直光：抛物面反射镜将入射准直光束中的所有光线聚焦到衍射极限点。而凹球面反射镜将入射准直光聚集到大于衍射极限光斑的体积内。

准直来自点光源的光：当高度发散的光源置于抛物面反射镜的焦点处时，输出光束将高度准直。当点源置于球面反射镜的焦距内时，输出光束的准直度不如抛物面反射镜。来自点光源的不同光线经过球面反射镜反射后并不是完全平行。

2、离轴抛物面反射镜的优点

传统的抛物面反射镜绕焦点对称，存在两方面缺点。一是反射镜的侧面常会阻碍对焦点的利用。另一个是准直发散的光源时，光源的外壳会阻挡一部分准直光束。尤其是相对反射镜光轴以小角度发射的光通常会被阻挡。OAP反射镜则是解决此问题的一种方法。OAP反射镜的反射面是母抛物面的截面，此截面不在母抛物面光轴中心。OAP反射镜的焦点与母抛物面的焦点重合，光轴与母抛物面的光轴平行，但与之偏离。

轴上抛物面反射镜的焦点靠近反射表面，
且常被反射表面包围，
使光束焦点很难被利用。

 OAP反射镜可看作母抛物面的一段。
    两者具有相同的焦点，
     但是使用OAP反射镜时更容易利用焦点。

3、离轴角

离轴角取决于母抛物面截面的选取以及母抛物面的宽度。

选取截面的位置还可控制焦距：选择离焦点更近的抛物面截面会使反射镜中心和焦点之间的距离更短。母抛物面的宽度也影响焦距：抛物面越宽，焦距越长。

聚焦/准直

当准直光束平行于抛物面或OAP反射镜的光轴时，光束将聚焦到衍射极限焦点。

当准直光束不平行于反射镜的光轴时，不会产生极限衍射点，且聚焦区域将散开。

5、确定OAP的光轴和焦轴

反射镜基底具有平坦的圆形底座。光轴的方向垂直于此平面底座。因此，准直光应垂直于底座表面。

基底具有长边和短边，且反射表面倾斜。可目视检查以粗略估计反射镜上不同点的表面法线。

平行于光轴的准直光，经过反射镜表面反射后，可由反射光线来估计焦点的位置。入射光线绕表面法线对称反射。反射光线将通过焦点。通过靠近反射镜长边和短边的位置来分别追踪两条光线，可以估计焦点的位置。

6、成对使用OAP反射镜的好处

旋转光束成像：当两个光束都不准直时，不建议在有限共轭成像应用中使用单个OAP反射镜，但成对OAP反射镜非常适合此应用。

成对OAP配置有助于调整反射镜之间的距离。准直的光路分支还便于在光束中插入滤光片和其他光学元件。而且，通过调节两个反射镜之间的距离，可使焦点在源平面和/或目标平面上移动，而不会影响系统的光路对准。

对光纤网络中光束的使用：成对OAP反射镜可用于在光纤系统中创建自由空间光路分支，这是利用光束的一种方法。当需要将滤光片或其他大体积光学元件插入光路时，此配置非常有用。可以调整自由空间分支的长度，且不会影响光路对准。

7、安装和对准OAP反射镜

OAP反射镜不是旋转对称的。这是因为它们的反射面取自远离焦点的母抛物面上的一段截面。因此当OAP反射镜旋转时，其焦点的位置也会旋转。这可能会对光学系统的性能产生负面影响，因此应固定反射镜，使反射面不能绕其光轴旋转。

安装/对准

反射镜的反射轮廓是母抛物面上的一部分，但不针对焦点对称。因此，OAP的反射表面不是旋转对称的。所以，安装使用过程中请不要旋转。

使用OAP反射镜准直点光源时，放置在输出光束中的剪切干涉仪可简化对准过程。