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怎樣為激光二極管選擇準(zhǔn)直和橢圓校正光學(xué)元件？

由于激光二極管輸出高發(fā)散光束，準(zhǔn)直光學(xué)元件一般是必須使用的。當(dāng)準(zhǔn)直光束直徑在 1 到 5 毫米之間時(shí)，不會(huì)引入球差的非球面透鏡是常用的準(zhǔn)直元件。在下面兩個(gè)示例中， 我們首先討論選擇準(zhǔn)直透鏡時(shí)需要考慮的關(guān)鍵規(guī)格，然后利用變形棱鏡對(duì)將橢圓光斑變 成圓形。

非球面透鏡：準(zhǔn)直發(fā)散光束 

? 使用的激光二極管：L780P010 

? 要求的準(zhǔn)直光束直徑：?3 mm(長(zhǎng)軸)

在選擇準(zhǔn)直透鏡時(shí)，首先要知道光源的發(fā)散角和要求的準(zhǔn)直光束直徑。對(duì)于L780P010激光二極管，平行和垂直發(fā)散角的典型值分別是8°和30°；兩者都是全發(fā)散角，且為半高寬(FWHM)值。由于兩個(gè)方向有不同的發(fā)散，激光二極管輸出橢圓光束。為了在準(zhǔn)直過(guò)程中收集盡可能多的光，計(jì)算時(shí)應(yīng)使用最大的發(fā)散角。

如果透鏡的厚度相比曲率半徑小很多，我們可通過(guò)薄透鏡近似確定非球面透鏡的焦距。在此例中，最大發(fā)散角為30°，而要求的準(zhǔn)直光束直徑為3 mm，因此準(zhǔn)直透鏡的焦距可參考以下圖示和公式進(jìn)行計(jì)算：

其中Θ為全發(fā)散角，?為準(zhǔn)直光束直徑，f為透鏡焦距，而r為準(zhǔn)直光束半徑。

接下來(lái)根據(jù)上述信息選擇合適的準(zhǔn)直透鏡。Thorlabs提供大量非球面透鏡。對(duì)于這個(gè)780 nm激光二極管，焦距接近5.6 mm且鍍-B增透膜的模壓非球面透鏡。C171TMD-B已安裝或354171-B未安裝非球面透鏡都具有6.2 mm焦距。根據(jù)前面的公式可知，實(shí)際的準(zhǔn)直光束直徑(長(zhǎng)軸)為3.3 mm。

而且，透鏡NA應(yīng)大于激光二極管NA：

前面的計(jì)算都基于光束的FWHM直徑，但更好的做法是使用1/e2光束直徑。對(duì)于高斯光束，1/e2直徑約為FWHM直徑的1.7倍。因此，1/e2直徑范圍內(nèi)包含了更多的光，而且遠(yuǎn)場(chǎng)衍射更小。

根據(jù)選擇準(zhǔn)直透鏡的一個(gè)經(jīng)驗(yàn)法則，透鏡NA應(yīng)等于激光二極管NA的兩倍。比如，此處可使用0.53 NA的A390-B或A390TM-B非球面透鏡。它們的焦距都是4.6 mm，所以準(zhǔn)直光束的長(zhǎng)軸直徑為2.5 mm。一般而言，準(zhǔn)直透鏡焦距越小，準(zhǔn)直光束直徑越小，但發(fā)散角越大。

注意：在使用未安裝非球面透鏡準(zhǔn)直點(diǎn)光源或激光二極管時(shí)，應(yīng)將曲率半徑更大的一面(即更平坦的一面)朝向點(diǎn)光源。在使用已安裝非球面透鏡進(jìn)行準(zhǔn)直時(shí)，應(yīng)將有螺紋的一側(cè)朝向光源。

非球面透鏡安裝示例  已安裝非球面透鏡可通過(guò)S05TMxx或S1TMxx轉(zhuǎn)接件安裝在透鏡套筒中，其中xx表示透鏡外殼的公制螺紋。比如，A390TM-B透鏡可通過(guò)S05TM09或S1TM09轉(zhuǎn)接件分別安裝在SM05或SM1螺紋組件中。下面展示了一個(gè)安裝示例，通過(guò)S1TM09將透鏡安裝在激光二極管安裝座前面的LDMXY轉(zhuǎn)接板中；LDMXY可提供XY平移，并增大到透鏡的工作距離。

未安裝非球面透鏡可先粘在LMRAxx轉(zhuǎn)接件上，而LMRAxx可安裝在SM1A6T轉(zhuǎn)接件中，然后整個(gè)組裝件可通過(guò)SM1外螺紋安裝在激光二極管安裝座的前面板中。下面展示了一個(gè)安裝示例，通過(guò)LMRA8將非球面透鏡安裝在SM05內(nèi)螺紋組件中。

變形棱鏡對(duì)：校正橢圓光束

非球面透鏡只能將上述激光二極管的輸出變成準(zhǔn)直的橢圓光束。接下來(lái)我們要使用變形棱鏡對(duì)將橢圓光束變成圓形光束，為此還要計(jì)算短軸方向的直徑。對(duì)于較小的8°全發(fā)散角，根據(jù)選用的A390-B非球面透鏡焦距(4.6 mm)，橢圓光束在短軸方向的光束直徑為0.64 mm。

為了將短軸直徑放大至長(zhǎng)軸直徑(2.5 mm)，我們需要一個(gè)能提供3.9倍放大率的變形棱鏡對(duì)。Thorlabs提供已安裝和未安裝棱鏡對(duì)。已安裝棱鏡對(duì)通過(guò)穩(wěn)定的外殼保持棱鏡對(duì)準(zhǔn)，而未安裝棱鏡對(duì)可通過(guò)角度調(diào)節(jié)提供精確的放大率。

如果選用PS883-B已安裝棱鏡對(duì)，由于它在950 nm處的放大率為4倍，而放大率隨波長(zhǎng)減小而增大，因此在780 nm激光的放大率還要大于4倍，導(dǎo)致校正后的光束仍有一定的橢圓度。

如果使用PS871-B未安裝棱鏡對(duì)，我們可通過(guò)角度調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)精確的3.9倍放大率，以此得到圓形光束。根據(jù)它的放大率曲線，對(duì)于670 nm光束，當(dāng)兩個(gè)棱鏡以下面的角度放置時(shí)，它能提供4.0倍放大：α? = +34.608°   |   α? = -1.2455°

上圖中有兩個(gè)角度的定義，順時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎Ｔ谇懊鎯蓚€(gè)角度下，780 nm激光會(huì)得到略小于4的放大率，但我們?nèi)孕璺磸?fù)嘗試才能實(shí)現(xiàn)所需的精確放大率。

使用上圖所示的裝置，我們可為棱鏡提供俯仰/偏轉(zhuǎn)以及旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)。一般而言：

l 如需增加放大率，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)第一個(gè)棱鏡(增大α?)并逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)第二個(gè)棱鏡(減少α?)。

l 如需減小放大率，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)第一個(gè)棱鏡(減小α?)并順時(shí)針旋轉(zhuǎn)第二個(gè)棱鏡(增大α?)。

注意：棱鏡對(duì)會(huì)使輸入和輸出光束之間出現(xiàn)偏移，而且這個(gè)偏移隨放大率的增加而增加。