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技術(shù)文章

用于系統(tǒng)微縮化的非圓形光學(xué)元件

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用于系統(tǒng)微縮化的非圓形光學(xué)元件

減少余量:截短透鏡以縮小系統(tǒng)

Ø方形和截短光學(xué)元件減少了常規(guī)光學(xué)設(shè)計(jì)的總體積,例如切爾尼-特納光譜儀

Ø將方形透鏡直接安裝到通用平臺(tái)上,可提高熱機(jī)械穩(wěn)定性

Ø高數(shù)值孔徑的微柱面透鏡可在封裝過(guò)程中用于準(zhǔn)直和圓化激光二極管

Ø可以將大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)透鏡和反射鏡切割成定制尺寸,以便于在緊湊型光學(xué)系統(tǒng)中進(jìn)行表面安裝

當(dāng)大多數(shù)人想到透鏡時(shí),腦海里立即想到的是傳統(tǒng)的圓形對(duì)稱(chēng)的圓形透鏡。這種印象有充分的理由;在整個(gè)歷史過(guò)程中,大部分透鏡制造都依靠這種對(duì)稱(chēng)性來(lái)準(zhǔn)確成形和拋光球面及非球面透鏡。這種徑向?qū)ΨQ(chēng)性可以作為光機(jī)械設(shè)計(jì)中的寶貴工具,使復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)易于定心和對(duì)準(zhǔn)。通過(guò)觀察顯微鏡物鏡或較好的相機(jī)鏡頭的鏡筒內(nèi)部的透鏡排列,可以很好地展示這種被動(dòng)對(duì)準(zhǔn)過(guò)程。在這兩個(gè)示例中,透鏡和墊片環(huán)都在管內(nèi)自動(dòng)定心,從而顯著減少制造時(shí)間和成本,同時(shí)提供出色的機(jī)械穩(wěn)定性(圖 1)。


圖 1:
傳統(tǒng)的圓形對(duì)稱(chēng)的圓形透鏡在常規(guī)光學(xué)組件中由圓形墊片和固定環(huán)自動(dòng)定心,從而簡(jiǎn)化了組裝和對(duì)準(zhǔn)

遺憾的是,隨著技術(shù)趨勢(shì)繼續(xù)朝著更小、更緊湊的設(shè)備發(fā)展,封裝內(nèi)部并不總是有空間容納多余的材料,例如機(jī)械安裝座或未使用的玻璃。因此,如今許多現(xiàn)代的電光封裝都設(shè)計(jì)為使用截短的或方形的光學(xué)組件,這些組件可以平整地安裝在平臺(tái)上,而無(wú)需圓形或 V 型槽安裝(圖 2)。各種各樣的光子技術(shù)使用這些組件,尤其是在電信技術(shù)中,例如多路復(fù)用器和放大器。為了簡(jiǎn)潔起見(jiàn),我們將重點(diǎn)討論兩個(gè)例子:微型光譜儀和光纖耦合二極管激光器。


圖 2:
方形或截短的光學(xué)元件對(duì)于各種空間受限的電光應(yīng)用越來(lái)越重要

微型光譜儀中的截短鏡

當(dāng)今微型光譜儀中常用的光學(xué)設(shè)計(jì)稱(chēng)為切爾尼-特納配置。在這種配置中,來(lái)自入口狹縫的光被一個(gè)小的凹面鏡準(zhǔn)直,然后引導(dǎo)到衍射光柵上(圖 3)。當(dāng)光入射到衍射光柵上時(shí),各種波長(zhǎng)將沿著平行于平臺(tái)的軸線分散,但它們將保持準(zhǔn)直狀態(tài)。因此,必須使用直徑較大的聚焦鏡才能將多個(gè)狹縫圖像聚焦到光譜儀的線性檢測(cè)器陣列上,但這僅是在一個(gè)軸上的情況。因此,通常是通過(guò)切掉頂部和底部來(lái)截短較大的圓形鏡,以便可以將其安裝在與平臺(tái)齊平的位置,從而顯著降低整個(gè)系統(tǒng)的高度。


圖 3:
采用兩個(gè)截短聚焦鏡的切爾尼-特納光譜儀的原理圖

在一些較新的微型和微型光譜儀設(shè)計(jì)中,這一趨勢(shì)被進(jìn)一步采用,將這些截短的反射鏡與基于微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS) 的空間光調(diào)制器(而不是衍射光柵)結(jié)合。MEMS 技術(shù)可以進(jìn)一步減小光學(xué)元件的尺寸,并且檢測(cè)器陣列可以由單個(gè)元件的光電二極管代替,從而在某些情況下將光譜儀的總占地面積減小到和橡皮擦一樣小。為了使光譜儀設(shè)計(jì)達(dá)到這種緊湊程度,必須將準(zhǔn)直鏡和聚焦鏡都截短以提供平坦的邊緣,從而實(shí)現(xiàn)兩種光學(xué)元件的表面安裝。在這種情況下,采用“拾取和放置”式微定位系統(tǒng)在將兩個(gè)反射鏡用環(huán)氧樹(shù)脂固定在適當(dāng)位置之前將它們對(duì)準(zhǔn)。我們將在下一節(jié)中進(jìn)一步討論微定位。

光纖耦合二極管激光器中的方形透鏡

雖然激光二極管通常使用幾十種不同的激光封裝,但 14 針蝶形管在很大程度上已成為高性能光纖耦合激光二極管的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。該封裝允許使用安裝在集成熱電冷卻器 (TEC) 上的通用平臺(tái),提供優(yōu)異的熱機(jī)械穩(wěn)定性。這些平臺(tái)的尺寸通常小于 8 毫米 x 15 毫米,由銅鎢等材料制成,與玻璃的熱膨脹系數(shù) (CTE) 相匹配。CTE 匹配允許激光二極管在較寬的溫度范圍內(nèi)工作,而不會(huì)損壞或錯(cuò)位封裝內(nèi)部的光學(xué)元件。但是,使用傳統(tǒng)的圓形微光學(xué)元件,硅 V 形槽或金屬安裝環(huán)會(huì)由于 CTE 不匹配而導(dǎo)致不穩(wěn)定,減小封裝內(nèi)部已經(jīng)有限的空間,并且對(duì)準(zhǔn)能力相對(duì)較差。激光二極管封裝的當(dāng)前趨勢(shì)是利用方形或矩形的微透鏡,它們可以直接粘合到平臺(tái)上,也可以通過(guò)零間隙安裝方法由第二塊玻璃支撐在空間中。這些透鏡具有出色的可靠性,僅需小的封裝體積,并允許亞微米級(jí)的準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)。


圖 4:非圓形光學(xué)元件 14 針蝶形激光二極管

通過(guò)利用這些方形光學(xué)元件(通常大小在 1-3 毫米左右),訓(xùn)練有素的操作員可以使用微定位臺(tái)主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)平臺(tái)上的光學(xué)元件。這些平臺(tái)包括一個(gè)真空拾取工具,當(dāng)與方形光學(xué)元件的頂部或側(cè)面齊平時(shí),該光學(xué)裝置可使光學(xué)元件在自由空間中通常以五個(gè)自由度對(duì)齊。同時(shí),對(duì)激光器的輸出進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。如果操作員試圖用圓形光學(xué)元件而不是方形光學(xué)元件執(zhí)行相同的任務(wù),這將需要將透鏡安裝在方形或矩形的透鏡支架中,從而顯著增加總體積并減少可安裝到封裝中的光學(xué)元件的大數(shù)量。

在典型的光纖耦合 14 針蝶形封裝中,多需要三個(gè)獨(dú)立的透鏡才能提供有效且穩(wěn)定的耦合。大多較好的激光二極管使用兩個(gè)交叉的柱面方形微透鏡來(lái)補(bǔ)償激光二極管快軸和慢軸的發(fā)散角之間的差異。一透鏡,稱(chēng)為快軸準(zhǔn)直 (FAC) 透鏡,必須具有較大的數(shù)值孔徑,由于發(fā)散角的緣故,典型焦距約為 500μm,由于發(fā)散孔徑的尺寸小,發(fā)散角通常約為 25 度。取決于單模或多模二極管的使用,慢軸的發(fā)散角比其快軸低 3 至 5 倍。因此,要使光束圓化,慢軸準(zhǔn)直 (SAC) 透鏡必須具有比 FAC 透鏡更長(zhǎng)的焦距。根據(jù)二極管子底座的尺寸,這些元件可以輕松占據(jù)平臺(tái)可用空間的三分之一,這進(jìn)一步說(shuō)明了使用方形微光學(xué)元件而非圓形光學(xué)元件的重要性。光束經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直后,需要使用第三塊方形透鏡(通常是非球面透鏡)將光耦合到光纖中。就像在準(zhǔn)直步驟中監(jiān)控光束輪廓和發(fā)散角一樣,光纖耦合過(guò)程也會(huì)受到主動(dòng)監(jiān)控,以確保大輸出功率。對(duì)于某些單模光纖耦合激光器,也可以觀察到偏振消光比。對(duì)于使用低功率激光器的價(jià)格敏感的激光二極管系統(tǒng),通常使用單個(gè)球面或非球面透鏡,而不是一對(duì)柱面 FAC 和 SAC 透鏡。


圖 5:
兩個(gè)柱面透鏡常被用來(lái)使激光二極管的輸出圓形化。可以將濾光片和其他光學(xué)組件插入到 SAC 透鏡和耦合透鏡之間的準(zhǔn)直光束路徑中。

非圓形光學(xué)元件的定制

這些只是在現(xiàn)代電光設(shè)備中如何使用非圓形光學(xué)元件的兩個(gè)示例。隨著越來(lái)越小的設(shè)備封裝趨勢(shì)繼續(xù),方形和截短的透鏡和反射鏡只會(huì)越來(lái)越受歡迎。必須理解的是,盡管這些光學(xué)元件有一些現(xiàn)成的版本,但絕大多數(shù)時(shí)候都需要進(jìn)行一些定制。盡管愛(ài)特蒙特光學(xué)(EO) 不能制造小至 1-3 毫米的非圓形光學(xué)元件,但我們提供一系列標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)成方形輪廓
柱面透鏡,并提供截短光學(xué)元件
定制服務(wù)。這些服務(wù)非常適合對(duì)尺寸或重量敏感的應(yīng)用。
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