如何利用现货光学件设计扩束镜

巴拿巴 · 发表于 2023-3-21 11:41:31

本文章来源微信公众号光子位
扩束镜通常用于干涉测量，遥感，激光材料加工和激光扫描应用，准直光进入系统，通过扩束镜扩展为更大的准直光束输出。我们虽然有很多现货扩束镜可供选用，但有时这些标准扩束镜可能无法满足您的应用需求。定制款扩束镜可以灵活地根据您的具体应用规格进行设计，而使用现货光学件可以缩短从设计到原型制造的时间。此外，当您准备投入量产时，使用现货光学件可助您迅速扩大产量。
设计要求
在您选择部件组建扩束镜之前，有一些要求需要考虑，包括系统成本，机械约束条件和系统性能。建议您在开始前，分配每个需求的优先级。列出您的要求，您会发现在组建特定应用时，或多或少需要考虑下列事项。
当您考虑系统成本时，最重要的是实现成本和性能之间的平衡。未镀膜光学件，光学镀膜以及光学件安装座的成本将受数量，材料选择和精度的影响。 N-BK7，由于其波长范围宽，成本低，是一种理想的材料。而熔融石英，由于其低热膨胀系数和高激光损伤阈值，适用于高标准的应用。如果一个扩束镜要在各种波长下使用，应考虑色差的影响。例如，N-SF11和N-BK7在小波长范围内拥有消色差功能。在确定透镜是否适合用于扩束镜时，请务必检查所选材料。
通常，扩束镜需要在限定区域内进行装配，系统的总体直径和长度会受到限定。有一点需要注意，较大的光束需要较大的扩束镜，这需要更大（和更昂贵）的光学件和更大的金属外壳。
另外，某些设计可能需要用到聚焦装置来调整光束发散。旋转聚焦装置（例如螺纹聚焦管），由于其成本低廉，因而很受欢迎。然而，这些装置在进行平移时需要旋转光学件，因而输出光束会产生漂移。而滑动机构，例如螺旋筒，可使光学件垂直于光轴平移，而无需旋转，可使光束漂移最小化，但是会增加系统成本。
在设计扩束镜之前，请注意系统性能要求。扩束镜设计需要满足特定波长或波长范围，特定输入光束直径和最小可接受透射率。较大的波长范围更难设计，增加了设计的复杂性和成本，而较小的输入孔径更易于保持性能要求。整体透射率主要受到增透膜的影响; 未镀膜的光学件降低了成本，但也降低了总透射（并且可能在扩束镜中产生有害反射）。而简单的镀膜，如单层MgF2可以提供90％及以上的透射率。光束质量通常用波前畸变来表示，如峰 - 谷值（PV）小于λ/4，通常认为其具有衍射极限。
我们很难在不影响其他参数的情况下调整另一个参数。例如，选择不同的透镜组来改善波前质量，可能会增加系统成本或影响整个系统尺寸。还有一点需要注意，增加输入光束直径对透射波前的质量具有指数效应，因此，更大的输入光束就更难以设计。还需注意组件的公差 - 公差越严，系统就越昂贵。
开普勒与伽利略扩束镜设计
使用现货镜头设计扩束镜可以大大减少交付周期，加快设计周期。使用Zemax镜头目录，可助您轻松选择合适的镜头，并可根据您的设计标准调整间距。您可以选择爱特蒙特光学业界领先的现货镜头，还可以选择开普勒和伽利略设计。开普勒设计具有更长的系统长度，以及内部焦点，而伽利略设计更短小，并且没有内部焦点。
开普勒扩束镜设计具有一个中间焦平面。这使得其相较伽利略设计，既有优势又有劣势。在高功率下，焦平面是一个明显的缺点，因为空气会离子化，从而减少能量传输，还可能会产生有害的能量水平。而在低功率下，焦平面是放置空间滤光片的理想位置，可以轻松有效的去除无用光束。在放大倍率相同的情况下，伽利略设计通常比开普勒设计短。
通用伽利略扩束镜设计要素
伽利略扩束镜的放大倍数由以下公式确定。

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其中f1是正透镜的焦距，f2是负透镜的焦距。使用现货光学件可以使设计变得更加简单，只需选择满足放大倍数要求（公式1）而不超过系统长度要求（公式2）的正透镜和负透镜即可。这两个方程是一阶方程，透镜厚度和焦点优化将使得最终结果和理想值之间有轻微偏差。
在选择时您还需要考虑透镜的通光孔径，因为负透镜必须足够大，以容纳输入光束，而正透镜也须足够大，使得输出放大光束不产生渐晕。
例如，3mm输入光束射入5倍放大系统中，10mm直径的正透镜将导致渐晕，因为输出光束的直径为15mm。我们拥有大量现货镜头，各种直径和焦距供您选择，可以满足大多数客户的放大率要求。
设计5倍伽利略扩束镜
假设一个应用需要您设计一个系统长度不超过75mm的5倍扩束镜。您需要用到两个单片伽利略透镜，以下是可行的现货透镜组合：-6mm和30mm，-9mm和45mm，-12mm和60mm，以及-15mm和75mm。请注意，-25mm /125mm，-20mm /100mm组合无法满足系统长度小于75mm的要求。虽然-18mm /90mm组合原则上可以满足要求，但是，很可能由于系统的金属部分以及实际透镜厚度的增加，使得系统超过要求的长度。
在由两个单片透镜组成的伽利略扩束镜设计中，波前质量将随着光学轨道的增加而增加。换句话说，-20mm和100mm透镜组合将具有比-6mm和30mm组合更好的波前。此外，使用带有平表面（例如平凸或平凹）的透镜相对于两个表面均为曲面的透镜，有更好的波前质量。如果使用平面透镜和伽利略设计，将平面朝向输入光束方向，就可以平衡球面像差，从而改善波前质量。然而，如果您使用高功率激光器，即使透镜镀有增透膜，来自第一个平面的反射也可能会损坏激光器。
使用Zemax优化
我们选择具有-12mm焦距（#45-008）的6mm直径平凹透镜和具有60mm焦距（#45-127）的25mm直径平凸透镜作为组建5倍系统的示例。由于我们使用了现货透镜，所以我们唯一要考虑的变量是两个透镜之间的距离：表面3的厚度。如图1所示，这是Zemax透镜数据编辑器。图2显示在无焦模式下，扩束镜的透镜结构布局。

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图1: 透镜数据编辑器

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图2: 扩束镜结构布局

Zemax中的光圈值必须设置为您想优化的输入光束直径。在本例中，我们针对3mm输入光束进行优化，输出光束将为15mm。虽然这是设计输入光束直径，但最大输入直径会受到前透镜的通光孔径限制。我们假设输入光束是高斯光束，扩束镜直接安装到激光器上，入射角简化为0度。最后，我们假设激光器采用氦氖（HeNe）设计，并且针对632.8nm的设计波长进行优化。
由于扩束镜是无焦系统，因此请确保您在Zemax透镜数据编辑器中选择了“无焦像方空间”。度量单位将由距离变为角度。无焦系统不含有效焦距，因此不提供入射光束的净收敛或发散。扩束镜和相机变焦镜头是常见的无焦系统。
图3为Zemax优值函数编辑器，该优值函数是一个十分简单的函数，它是所有无焦系统的基础。下面我们会进一步解释操作数。

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图3: 优值函数编辑器

RAED操作数用于优化垂直于镜头表面的实际光线角度，我们在正透镜的最后一个表面后方添加了一个虚拟表面，示例中为表面7。我们希望输出光束是准直的，其法线与虚拟表面的夹角应该尽可能小，因为如果它是0，则表明系统确实无焦点。
REAY操作数用于检查某个表面的实际光线高度。我们在优值函数中设置了一个零权重REAY操作数; 用于测量系统的第一表面和最后一个表面处的实际光线高度，也就是输入和输出光束的尺寸。注意，操作数测量的是半径而不是直径。
我们使用默认优值函数来优化RMS波前误差。
优化之后，系统应达到衍射限制的或接近这个值，如图4和5所示，显示的是光斑尺寸和波前。如果系统未达到预期，您需要考虑很多因素。光的波长是否与所选择的玻璃材料相兼容（例如，N-BK7不会透射266nm波长的光）？两个透镜之间的间距是否近似等于它们的焦距总和？所选前透镜的光束直径是否过大？尝试更改并重新优化，以获得与显示结果相似的结果。

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图4: 光斑尺寸

图5: 波前3D图

手机用户Mo21490 · 发表于 2023-3-22 11:15:03

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