怎樣(yang)為(wei)激(ji)光(guang)二極(ji)管選擇(ze)準(zhun)直和橢圓(yuan)校(xiao)正(zheng)光(guang)學(xue)元(yuan)件？

怎(zen)樣(yang)為(wei)激(ji)光(guang)二極(ji)管選擇(ze)準(zhun)直和橢圓(yuan)校(xiao)正(zheng)光(guang)學(xue)元(yuan)件？

由於激(ji)光(guang)二極(ji)管輸(shu)出高(gao)發散(san)光束，準(zhun)直光學(xue)元(yuan)件壹般(ban)是必(bi)須使用(yong)的。當(dang)準(zhun)直光束直(zhi)徑(jing)在(zai) 1 到 5 毫米(mi)之(zhi)間(jian)時(shi)，不(bu)會(hui)引入球差的非球面(mian)透(tou)鏡是常用(yong)的準(zhun)直元件(jian)。在(zai)下面(mian)兩個(ge)示(shi)例中， 我們(men)首(shou)先討(tao)論選擇(ze)準(zhun)直透(tou)鏡時(shi)需(xu)要考(kao)慮的關(guan)鍵(jian)規格，然(ran)後(hou)利(li)用(yong)變(bian)形(xing)棱鏡對(dui)將(jiang)橢圓(yuan)光斑變(bian) 成(cheng)圓形(xing)。

非球面(mian)透(tou)鏡：準(zhun)直發散(san)光束 

 使用(yong)的激(ji)光(guang)二極(ji)管：L780P010 

 要(yao)求的準(zhun)直光束直(zhi)徑(jing)：Ø3 mm(長(chang)軸)

如(ru)果(guo)透(tou)鏡的厚(hou)度相比(bi)曲(qu)率半(ban)徑(jing)小(xiao)很(hen)多，我們(men)可通過薄(bo)透(tou)鏡近似確(que)定非球面(mian)透(tou)鏡的焦(jiao)距。在此(ci)例中，最大(da)發散(san)角為(wei)30°，而要(yao)求的準(zhun)直光束直(zhi)徑(jing)為(wei)3 mm，因(yin)此準(zhun)直透(tou)鏡的焦(jiao)距可參(can)考(kao)以(yi)下圖示和公(gong)式進行計(ji)算：

其中Θ為(wei)全(quan)發散(san)角，Ø為(wei)準(zhun)直光束直(zhi)徑(jing)，f為(wei)透(tou)鏡焦距，而r為(wei)準(zhun)直光束半(ban)徑(jing)。

接(jie)下來(lai)根(gen)據(ju)上述信息(xi)選擇(ze)合適(shi)的準(zhun)直透(tou)鏡。Thorlabs提(ti)供大(da)量非球面(mian)透(tou)鏡。對(dui)於這(zhe)個(ge)780 nm激(ji)光(guang)二極(ji)管，焦(jiao)距接(jie)近5.6 mm且(qie)鍍-B增透(tou)膜的模(mo)壓非球面(mian)透(tou)鏡。C171TMD-B已(yi)安(an)裝(zhuang)或(huo)354171-B未(wei)安(an)裝(zhuang)非球面(mian)透(tou)鏡都(dou)具有(you)6.2 mm焦距。根據(ju)前(qian)面(mian)的公(gong)式可知(zhi)，實際的準(zhun)直光束直(zhi)徑(jing)(長(chang)軸)為(wei)3.3 mm。

而且(qie)，透(tou)鏡NA應大於激(ji)光(guang)二極(ji)管NA：

前(qian)面(mian)的計(ji)算都(dou)基(ji)於光束的FWHM直(zhi)徑，但(dan)更(geng)好(hao)的做法(fa)是使用(yong)1/e²光束直(zhi)徑(jing)。對(dui)於高斯光束，1/e²直(zhi)徑(jing)約(yue)為(wei)FWHM直(zhi)徑的1.7倍。因此(ci)，1/e²直(zhi)徑範圍內(nei)包(bao)含了更(geng)多的光(guang)，而且(qie)遠(yuan)場(chang)衍射(she)更(geng)小。

根(gen)據選擇(ze)準(zhun)直透(tou)鏡的壹(yi)個(ge)經(jing)驗法(fa)則(ze)，透(tou)鏡NA應等(deng)於激(ji)光(guang)二極(ji)管NA的兩倍。比如(ru)，此(ci)處(chu)可使用(yong)0.53 NA的A390-B或(huo)A390TM-B非球面(mian)透(tou)鏡。它們(men)的焦(jiao)距都(dou)是4.6 mm，所(suo)以(yi)準(zhun)直光束的長(chang)軸直徑為(wei)2.5 mm。壹(yi)般(ban)而言(yan)，準(zhun)直透(tou)鏡焦距越(yue)小(xiao)，準(zhun)直光束直(zhi)徑(jing)越(yue)小，但(dan)發(fa)散(san)角越大(da)。

註意：在(zai)使用(yong)未(wei)安(an)裝(zhuang)非球面(mian)透(tou)鏡準(zhun)直點光(guang)源(yuan)或激(ji)光(guang)二極(ji)管時(shi)，應將(jiang)曲(qu)率半(ban)徑(jing)更(geng)大的壹(yi)面(mian)(即更(geng)平(ping)坦的壹(yi)面(mian))朝(chao)向點光源(yuan)。在(zai)使用(yong)已(yi)安(an)裝(zhuang)非球面(mian)透(tou)鏡進行準(zhun)直時(shi)，應將(jiang)有螺紋的壹(yi)側(ce)朝向(xiang)光(guang)源(yuan)。

變(bian)形(xing)棱鏡對(dui)：校(xiao)正(zheng)橢圓(yuan)光束

非球面(mian)透(tou)鏡只(zhi)能將(jiang)上述激(ji)光(guang)二極(ji)管的輸(shu)出變(bian)成(cheng)準(zhun)直的橢圓(yuan)光束。接(jie)下來(lai)我們(men)要(yao)使用(yong)變(bian)形(xing)棱鏡對(dui)將(jiang)橢圓(yuan)光束變(bian)成(cheng)圓形(xing)光(guang)束，為(wei)此(ci)還要計(ji)算短軸方(fang)向的直(zhi)徑。對(dui)於較(jiao)小的8°全(quan)發散(san)角，根據(ju)選用(yong)的A390-B非球面(mian)透(tou)鏡焦距(4.6 mm)，橢圓(yuan)光束在(zai)短軸方(fang)向的光(guang)束直(zhi)徑(jing)為(wei)0.64 mm。

為(wei)了將(jiang)短軸直徑(jing)放大至(zhi)長(chang)軸直徑(2.5 mm)，我們(men)需(xu)要壹(yi)個(ge)能提(ti)供3.9倍放大率的變(bian)形(xing)棱鏡對(dui)。Thorlabs提(ti)供已(yi)安(an)裝(zhuang)和未(wei)安(an)裝(zhuang)棱鏡對(dui)。已(yi)安(an)裝(zhuang)棱鏡對(dui)通(tong)過穩定的外(wai)殼保持(chi)棱鏡對(dui)準(zhun)，而未(wei)安(an)裝(zhuang)棱鏡對(dui)可通過角度調節提(ti)供精確(que)的放大率。

如(ru)果(guo)選用(yong)PS883-B已(yi)安(an)裝(zhuang)棱鏡對(dui)，由(you)於它在950 nm處(chu)的放大率為(wei)4倍，而放大率隨(sui)波長(chang)減(jian)小而增(zeng)大，因(yin)此在(zai)780 nm激(ji)光(guang)的放大率還要大於4倍，導致(zhi)校(xiao)正(zheng)後(hou)的光(guang)束仍(reng)有(you)壹(yi)定的橢圓(yuan)度。

如(ru)果(guo)使用(yong)PS871-B未(wei)安(an)裝(zhuang)棱鏡對(dui)，我們(men)可通過角度調節實現精確(que)的3.9倍放大率，以(yi)此得到圓形(xing)光(guang)束。根(gen)據(ju)它的放大率曲(qu)線(xian)，對(dui)於670 nm光束，當(dang)兩個(ge)棱鏡以(yi)下面(mian)的角度放置時(shi)，它能提(ti)供4.0倍放大：α₁ = +34.608°   |   α₂ = -1.2455°

上圖中有(you)兩個(ge)角度的定義，順時(shi)針方(fang)向為(wei)正(zheng)。在(zai)前(qian)面(mian)兩個(ge)角度下，780 nm激(ji)光(guang)會得到略小(xiao)於4的放大率，但(dan)我們(men)仍(reng)需(xu)反復嘗(chang)試(shi)才能實(shi)現所(suo)需(xu)的精確(que)放大率。

使用(yong)上圖所(suo)示的裝(zhuang)置，我們(men)可為(wei)棱鏡提(ti)供俯(fu)仰/偏(pian)轉以(yi)及(ji)旋(xuan)轉調節。壹般(ban)而言(yan)：

l 如(ru)需(xu)增加(jia)放大率，順(shun)時(shi)針旋(xuan)轉第壹(yi)個(ge)棱鏡(增大α₁)並(bing)逆時(shi)針旋(xuan)轉第二(er)個(ge)棱鏡(減(jian)少α₂)。

l 如(ru)需(xu)減(jian)小放大率，逆(ni)時(shi)針旋(xuan)轉第壹(yi)個(ge)棱鏡(減(jian)小α₁)並(bing)順時(shi)針旋(xuan)轉第二(er)個(ge)棱鏡(增大α₂)。

註(zhu)意：棱鏡對(dui)會(hui)使輸(shu)入和輸出(chu)光束之(zhi)間(jian)出(chu)現偏(pian)移，而且(qie)這(zhe)個(ge)偏(pian)移隨(sui)放大率的增(zeng)加而增(zeng)加。