Усеченные и квадратные линзы для уменьшения размеров оптических систем
Когда большинство людей думают об объективе, их ум сразу же обращается к традиционным осесимметричным круглым объективам. Есть веская причина для этого предубеждения; на протяжении большей части истории изготовление линз зависело от этой симметрии, чтобы точно придать форму и отполировать сферические и асферические линзы. Эта радиальная симметрия может служить бесценным инструментом в оптомеханической конструкции, позволяющей легко центрировать и выравнивать сложные оптические системы. Примеры этого процесса пассивного выравнивания лучше всего демонстрируются, если взглянуть на расположение линз внутри трубки объектива микроскопа или высококачественного объектива камеры. В обоих этих примерах линзы и распорные кольца самоцентрируются внутри трубки, значительно сокращая время и стоимость изготовления, одновременно обеспечивая превосходную механическую стабильность.
Традиционные осесимметричные круглые линзы самоцентрируются с помощью круглых прокладок и стопорных колец в обычных оптических сборках, что упрощает сборку и выравнивание
К сожалению, поскольку технологические тенденции продолжают продвигаться в сторону небольших и более компактных устройств, внутри корпуса не всегда есть место для лишнего материала, такого как механические крепления или неиспользуемое стекло. По этой причине многие современные электрооптические системы в настоящее время предназначены для использования усеченных или квадратных оптических компонентов, которые можно крепить на платформе без необходимости установки круглых или V-образных канавок. Эти компоненты используются в самых разных фотонных технологиях, особенно в телекоммуникационных системах, таких как мультиплексоры и усилители. В интересах краткости, мы сосредоточим эту дискуссию на двух примерах; миниатюрные спектрометры и волоконные диодные лазеры.
Квадратные или усеченные оптические компоненты становятся все более популярными для различных, электрооптических приложений, где важно ограничение в пространстве
Усеченные зеркала в миниатюрных спектрометрах
Наиболее распространенная оптическая конструкция, используемая в современных миниатюрных спектрометрах, известна как конфигурация Черни-Тернера. В этой конфигурации свет от входной щели коллимируется небольшим вогнутым зеркалом и затем направляется на дифракционную решетку. Когда свет падает на дифракционную решетку, различные длины волн затем рассеиваются вдоль оси, параллельной платформе, но они остаются коллимированными. Из-за этого необходимо фокусирующее зеркало относительно большого диаметра, чтобы сфокусировать множество изображений щели на линейном массиве детекторов спектрометра, но это только на одной оси. Поэтому обычно усекают круглое зеркало большего размера, обрезая верхнюю и нижнюю части, чтобы его можно было установить вровень с платформой, значительно уменьшая высоту всей системы.
Схема спектрометра Черни-Тернера с двумя усеченными фокусирующими зеркалами
В некоторых новых миниатюрных и микроспектрометрических конструкциях эта тенденция получила дальнейшее развитие, включив эти усеченные зеркала с пространственными модуляторами света на основе микроэлектромеханической системы (MEMS) вместо дифракционной решетки. Технология MEMS позволяет еще больше уменьшить размеры оптики и заменить массив детекторов одноэлементным фотодиодом, уменьшая общую площадь спектрометра в некоторых случаях, вплоть до ластика. Чтобы конструкции спектрометра достигали такого уровня компактности, и коллимирующее и фокусирующее зеркала должны быть обрезаны, чтобы обеспечить ровный край, для поверхностного крепления обоих оптических компонентов. В этом случае используются системы микропозиционирования типа «выбери и размести» ("pick and place») для выравнивания обоих зеркал перед склеиванием на месте. Мы обсудим микропозиционирование в следующем разделе.
Квадратные линзы в волоконных диодных лазерах
Лазерный диод в 14-контактном корпусе "бабочка" с некруглой оптикой
Несмотря на то, что для лазерных диодов обычно используются десятки различных лазерных блоков, 14-контактная «бабочка» стала, по большей части, отраслевым стандартом для высокопроизводительных волоконно-оптических лазерных диодов. Этот блок позволяет использовать общую платформу, установленную на встроенном термоэлектрическом охлаждающем элементе (TEC), обеспечивая превосходную термомеханическую стабильность. Эти платформы, размер которых обычно меньше 8х15 мм, изготовлены из такого материала, как медь-вольфрам, который соответствует коэффициенту теплового расширения (CTE) стекла. Согласование коэффициентов теплового расширения позволяет работать с лазерным диодом в широком диапазоне температур, не повреждая и не выравнивая оптические элементы внутри блока. Однако использование традиционной круглой микрооптики, кремниевых V-образных канавок или металлических крепежных колец приводит к нестабильности из-за несоответствия коэффициентов теплового расширения, уменьшает и без того ограниченное пространство внутри корпуса и предлагает достаточно плохие возможности выравнивания. Современная тенденция в создании корпусов для лазерных диодов заключается в использовании квадратных или прямоугольных микролинз, которые могут быть приклеены непосредственно к платформе или поддерживаться в пространстве вторичным куском стекла с помощью процедуры, известной как установка с нулевым зазором. Эти линзы гораздо надежнее, они занимают минимальный объем в блоке и обеспечивают точное выравнивание до микрона.
Используя эти квадратные оптические элементы, которые обычно имеют размер порядка 1-3 мм, обученный оператор может использовать систему микропозициирования для активного выравнивания оптики на платформе. Эта система состоит из вакуумного инструмента, который, будучи установлен вровень с верхом или сбоку квадратной оптики, позволяет выровнять оптику в свободном пространстве, обычно с пятью степенями свободы. Между тем, выход лазера контролируется в режиме реального времени. Если бы оператор пытался выполнить ту же задачу с круглой оптикой вместо квадратной, это потребовало бы установки объектива в квадратный или прямоугольный держатель объектива, что значительно увеличило бы его общий объем и уменьшило максимальное количество оптических элементов, которые могут быть встроены в блок.
В типичной 14-контактной «бабочке» с волоконно-оптическим выходом может быть до трех отдельных линз, необходимых для обеспечения эффективного и стабильного соединения с оптоволокном. В большинстве высококачественных лазерных диодов используются две поперечные цилиндрические квадратные микролинзы, чтобы компенсировать разницу между углами расхождения быстрой и медленной осей лазерного диода. Первая линза, известная как коллимирующая линза с быстрой осью (FAC), должна иметь значительную числовую апертуру с типичным фокусным расстоянием приблизительно 500 мкм из-за угла расхождения, который обычно составляет около 25 градусов из-за небольшого размера излучающей апертуры. В зависимости от использования одномодового или многомодового диода, медленная ось будет иметь угол расхождения где-то в 3-5 раз ниже, чем ее быстрая ось. Следовательно, для изменения формы луча коллимационная линза с медленной осью (SAC) должна иметь гораздо большее фокусное расстояние, чем линза FAC. В зависимости от размера дополнительного элемента диода, эти элементы могут легко занимать до одной трети доступного пространства платформы, что дополнительно демонстрирует важность использования квадратной микрооптики вместо круглой оптики. После коллимирования луча необходима третья квадратная линза - обычно асферическая - для введения света в оптоволоконный кабель. Так же, как профиль луча и угол расхождения контролируются на этапе коллимации, процесс волоконного соединения активно контролируется для обеспечения максимальной выходной мощности. Для некоторых одномодовых волоконных лазеров также может наблюдаться коэффициент ослабления поляризации. В лазерных диодных системах, где важна цена, и в которых используются лазеры меньшей мощности, вместо пары цилиндрических линз FAC и SAC часто используется одна сферическая или асферическая линза.
Две цилиндрические линзы часто используются для изменения формы выходного пучка лазерных диодов. Фильтры и другие оптические компоненты могут быть вставлены в коллимированный луч между линзой SAC и линзой для ввода света в волокно
Некруглая оптика по индивидуальному заказу
Это всего лишь два примера того, как некруглая оптика используется в современных электрооптических устройствах. По мере того, как существует тенденция к созданию все более и более миниатюрных корпусов устройств, популярность квадратных и усеченных линз и зеркал будет только расти. Важно понимать, что хотя существуют некоторые готовые версии этих оптических элементов, в большинстве случаев потребуется некоторая адаптация к специфицеским потребностям конкретного эксперимента. Компания Edmund Optics® (EO) не производит некруглую оптику размером 1-3 мм, но предлагает широкий ассортимент стандартных готовых цилиндрических линз с квадратным профилем и усекает оптические компоненты в качестве индивидуальной услуги. Эти услуги идеально подходят для приложений, где важен размер или вес. Обращайтесь к менеджерам компании АЗИМУТ ФОТОНИКС, чтобы обсудить возможности изменения формы оптики, включая изготовление усеченной и цилиндрической оптики, а также нестандартных размеров в объеме.
