用于系統(tǒng)微縮化的非圓形光學元件

用于系統(tǒng)微縮化的非圓形光學元件

減少余量：截短透鏡以縮小系統(tǒng)

Ø方形和截短光學元件減少了常規(guī)光學設計的總體積，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上，可提高熱機械穩(wěn)定性

Ø高數(shù)值孔徑的微柱面透鏡可在封裝過程中用于準直和圓化激光二極管

Ø可以將大多數(shù)標準透鏡和反射鏡切割成定制尺寸，以便于在緊湊型光學系統(tǒng)中進行表面安裝

當大多數(shù)人想到透鏡時，腦海里立即想到的是傳統(tǒng)的圓形對稱的圓形透鏡。這種印象有充分的理由；在整個歷史過程中，大部分透鏡制造都依靠這種對稱性來準確成形和拋光球面及非球面透鏡。這種徑向對稱性可以作為光機械設計中的寶貴工具，使復雜的光學系統(tǒng)易于定心和對準。通過觀察顯微鏡物鏡或較好的相機鏡頭的鏡筒內部的透鏡排列，可以很好地展示這種被動對準過程。在這兩個示例中，透鏡和墊片環(huán)都在管內自動定心，從而顯著減少制造時間和成本，同時提供出色的機械穩(wěn)定性（圖 1）。

圖 1:
傳統(tǒng)的圓形對稱的圓形透鏡在常規(guī)光學組件中由圓形墊片和固定環(huán)自動定心，從而簡化了組裝和對準

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

圖 2:
方形或截短的光學元件對于各種空間受限的電光應用越來越重要

微型光譜儀中的截短鏡

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

圖 3:
采用兩個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計中，這一趨勢被進一步采用，將這些截短的反射鏡與基于微機電系統(tǒng) (MEMS) 的空間光調制器（而不是衍射光柵）結合。MEMS 技術可以進一步減小光學元件的尺寸，并且檢測器陣列可以由單個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。為了使光譜儀設計達到這種緊湊程度，必須將準直鏡和聚焦鏡都截短以提供平坦的邊緣，從而實現(xiàn)兩種光學元件的表面安裝。在這種情況下，采用“拾取和放置”式微定位系統(tǒng)在將兩個反射鏡用環(huán)氧樹脂固定在適當位置之前將它們對準。我們將在下一節(jié)中進一步討論微定位。

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)標準。該封裝允許使用安裝在集成熱電冷卻器 (TEC) 上的通用平臺，提供優(yōu)異的熱機械穩(wěn)定性。這些平臺的尺寸通常小于 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工作，而不會損壞或錯位封裝內部的光學元件。但是，使用傳統(tǒng)的圓形微光學元件，硅 V 形槽或金屬安裝環(huán)會由于 CTE 不匹配而導致不穩(wěn)定，減小封裝內部已經(jīng)有限的空間，并且對準能力相對較差。激光二極管封裝的當前趨勢是利用方形或矩形的微透鏡，它們可以直接粘合到平臺上，也可以通過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，并允許亞微米級的準確對準。

圖 4:非圓形光學元件 14 針蝶形激光二極管

通過利用這些方形光學元件（通常大小在 1-3 毫米左右），訓練有素的操作員可以使用微定位臺主動對準平臺上的光學元件。這些平臺包括一個真空拾取工具，當與方形光學元件的頂部或側面齊平時，該光學裝置可使光學元件在自由空間中通常以五個自由度對齊。同時，對激光器的輸出進行實時監(jiān)控。如果操作員試圖用圓形光學元件而不是方形光學元件執(zhí)行相同的任務，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，多需要三個獨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交叉的柱面方形微透鏡來補償激光二極管快軸和慢軸的發(fā)散角之間的差異。一透鏡，稱為快軸準直 (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，慢軸準直 (SAC) 透鏡必須具有比 FAC 透鏡更長的焦距。根據(jù)二極管子底座的尺寸，這些元件可以輕松占據(jù)平臺可用空間的三分之一，這進一步說明了使用方形微光學元件而非圓形光學元件的重要性。光束經(jīng)過準直后，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。就像在準直步驟中監(jiān)控光束輪廓和發(fā)散角一樣，光纖耦合過程也會受到主動監(jiān)控，以確保大輸出功率。對于某些單模光纖耦合激光器，也可以觀察到偏振消光比。對于使用低功率激光器的價格敏感的激光二極管系統(tǒng)，通常使用單個球面或非球面透鏡，而不是一對柱面 FAC 和 SAC 透鏡。

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

非圓形光學元件的定制

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