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关于非球面透镜的选择方法

作者:维尔克斯  时间:2021-9-8 9:23:43

非球面镜的常见应用包括半导体激光准直、光纤耦合和配合散射片匀光。数值孔径和有效焦距是非球面镜非常重要的指标,那么在选择非球面镜进行准直或者耦合时,应该如何选择合适的非球面镜来应用呢。本文主要简单介绍了选择合适非球面透镜的方法,让客户快速了解并选择最合适的非球面镜。


一、光纤耦合非球面镜选型

非球面透镜的另一个常见用途是将激光耦合到光纤中。正确选择非球面透镜进行耦合对于保持光学系统的高效率很重要。假设输入激光已经被准直(未发散),并且光纤是多模的(单光纤需要更广泛的建模以获得最佳耦合效率)。在选择将光聚焦到光纤中的非球面镜时,首先要考虑需要焦距多少的非球面镜呢?

如果重新观察之前给出的公式:

                                                            Beam Diameter~= 2 • EFL • NA                      

求解EFL就变成:

EFL ~= Beam Diameter /2 • NA

其中NA是用于耦合的光纤的数值孔径。需要注意的是,上面计算的EFL值是将光完全耦合到光纤中所需的最小EFL。可以使用更长的EFL非球面透镜,但光纤尖端上的光斑会变大。因此,最好使用EFL尽可能短的非球面透镜,但是也要选择大于上述指定EFL最小值的非球面透镜。并且选择的非球面透镜的通光孔径需大于光束直径。

示例:假设客户希望将全光束直径为2.0毫米的准直光束聚焦到50微米的多模光纤中。制造商给出的光纤NA约为0.20。光纤NA通常在99%功率点给出,我们可以使用给定的全光束直径。

EFL ~= Beam Diameter /2 • NA=2/(2×0.2)=5mm

所以此案例中最好寻找EFL至少为5.0mm且通光孔径为2.0mm的非球面镜,以捕获完整的准直光束。

也可以使用另外一种方法计算光纤耦合非球面镜所需的参数。假设使用非球面透镜将直径为30微米的光束耦合到单模光纤中,入射光波长为630nm,下面通过一个简单的实例来说明选择正确的透镜需要考虑的主要规格。

示例:假设单模光纤模场直径(MFD)4.3 μm,该规格需要满足下面方程计算出的衍射极限光斑大小:

ϕ spot=4λEFL/πD

在这公式中,EFL是非球面透镜的焦距,λ是入射光的波长,D是入射在非球面透镜上的准直光的直径。换算求解准直非球面透镜的焦距,得到

EFL=πDMFD/4λ=π×0.003m×4.3×10-6m/(4×630×10-9m)=16mm

所以此案例中应选择焦距大于16mm且通光孔径大于光束直径(30微米)的非球面镜。


二、配均匀光非球面镜选型

配均匀光应选择非球面聚光透镜。因为非球面聚光透镜相比其它透镜具有较短的焦距、更大的通光孔径和更高的NA,所以使用时更能彼此紧密或更接近其它光学元件,是将光聚焦到探测器或其它光收集元件的理想选择。为了获得最佳性能,透镜较平坦的一侧应该面对光源。

示例:如下图所示,LED的输出光通过第一个非球面聚光透镜聚焦到磨砂玻璃散射片上。之后光束通过第二个非球面聚光透镜进行大致准直。在散射片的表面上可看到方形的LED图像。经过散射片后,光束变得均匀。


更好的方案是选择带散射平面的非球面聚光透镜,这样能更加方便。带散射平面的非球面聚光透镜设计用于将来自卤钨灯、LED或类似光源的光准直成非常均匀的光束。

示例:在使用标准非球面透镜准直高功率LED时,光源的结构会通过透镜成像,形成一个非常不均匀的照明图案(如下左图所示)。这无法满足许多应用的要求。在透镜平面侧加一个散射片能够保证光源在远场得到均匀的照明(如下右图所示)

三、半导体激光准直非球面镜选型

由于激光腔在边缘发射二极管激光器中的构造方式,光以发散的椭圆几何形状发射。因此通常分别在xy轴上指定发散度。散度较大的轴称为快轴,散度较小的轴称为慢轴

在选择非球面透镜准直激光时,首先要考虑非球面镜的数值孔径。如果需要大量激光通过系统耦合,则必须选择具有足够高数值孔径的非球面透镜。非球面镜NA是非球面镜可以从激光捕获的最大发散量的量度。理想情况下,应使用NA高于激光器快轴NA的非球面透镜。如果没有,激光将夹住非球面透镜导致部分光线被浪费。要将NA转换为发散角(反之亦然),请使用此公式:

NA = n • sin (ϕ)

在大多数情况下,n = 1,因为激光的 NA 是在空气中定义的。因此,方程的求解简化为:

(ϕ) = sin-1 (NA

特别需要注意的是关于角度的定义,这里发散锥的半角指的是边缘光线,而不是通常定义激光光束直径的1/ e2或半高全宽。确定最小NA后,接下来考虑选择多大的光束直径。虽然光线追踪是需要确定对于给定光源的数值孔径与非球面透镜的光束直径,但它可以用以下公式近似。

Beam Diameter~= 2 • EFL • NA

其中EFL是非球面镜的有效焦距,NA是光源的数值孔径(不是非球面镜的NA)。

大多数边缘发光二极管是椭圆形的,因此x轴与y轴上的光束直径会有所不同。通过使用上面的公式计算两个轴上的光束直径,就可以确定准直椭圆光束的形状。在实际应用中,由于激光二极管的发散角不同,通常用两个非球面柱面镜进行准直。




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