Выбор оптики для коллимации и коррекции эллиптичности пучка излучения лазерного диода
Поскольку выходное излучение лазерного диода имеет сильную расходимость, часто требуется коллимирующая оптика. Асферические линзы, благодаря своей превосходной способности корректировать сферическую аберрацию, являются наиболее часто используемой оптикой, когда желаемая перетяжка коллимированного пучка составляет от одного до пяти миллиметров. Выбор подходящей асферической линзы для коллимирования лазерного диода очень важен, так как размер получаемого пучка и диапазон пропускания зависят от используемой линзы. Чтобы рассчитать размер пучка коллимированного лазерного диода, сначала нужно знать его расходимость.
Расходимость пучка лазерного диода с торцевым излучением будет разной в параллельном и перпендикулярном направлениях, что приводит к эллиптическому профилю пучка. Это можно компенсировать, вставив пары анаморфных призм или цилиндрических линз в коллимированный пучок. Расхождения обычно указываются как «Расхождение пучка (FWHM) - Параллельно» и «Расхождение пучка (FWHM) - Перпендикулярно» для двух осей сечения. Существуют вариации от партии к партии лазерных диодов, но использование типичных значений расходимости должно быть адекватным для большинства приложений.
Нижеприведенный простой пример иллюстрирует ключевые характеристики, которые следует учитывать при выборе правильной оптики для конкретного применения.
Пример: Лазерный диод L785P25, 785 нм, 25 мВт, желаемый диаметр пучка излучения 3 мм.
Коллимация излучения
В спецификации лазерного диода L785P25 указано, что типичные перпендикулярные и параллельные расходимости пучка составляют 30° и 8° соответственно. Из-за этой асимметрии по двум осям по мере расхождения света формируется эллиптический пучок. Чтобы собрать как можно больше света во время процесса коллимации, при любых расчетах нужно учитывать больший из этих двух углов расходимости (т. е. в данном случае 30°).
Примечание: параллельное и перпендикулярное обозначения указываются относительно плоскости соединения лазерного диода.
|
Перпендикулярная расходимость пучка лазерного диода L785P25 |
 Параллельное расхождение пучка лазерного диода L785P25 |
На приведенной выше схеме LD обозначает лазерный диод, Ø‖ и ØꞱ – диаметры пучка в параллельной и перпендикулярной ориентациях соответственно, а θ‖ и θꞱ - углы расходимости в параллельной и перпендикулярной ориентациях соответственно. Засечка на корпусе лазерного диода может использоваться для определения его ориентации внутри держателя. Лазерные диоды обычно ориентированы параллельно засечке; однако есть много исключений, особенно для различных корпусов лазерных диодов. Следует обратить внимание на ориентацию излучения лазерного диода.
Для расчета фокусного расстояния, необходимого для получения диаметра коллимированного пучка Ø3 мм, можно использовать:
где f – это фокусное расстояние, обеспечивающее желаемый диаметр пучка перпендикулярной плоскости, ØꞱ; f = 5.6 мм - фокусное расстояние линзы, необходимое для коллимирования пучка, расходящегося на 30° в пучок диаметром 3 мм.
Благодаря этому уравнению находится фокусное расстояние для достижения желаемого диаметра главной (перпендикулярной) оси. Это используется, чтобы затем выбрать асферическую линзу с фокусным расстоянием, которое наиболее точно соответствует фокусному расстоянию, полученному из уравнения. Важно, что диаметр линзы должен быть больше, чем желаемый диаметр пучка по главной оси.
Thorlabs предлагает большой выбор асферических линз. Для этого случая идеальной линзой является асферическая линза из формованного стекла с AR-покрытием и фокусным расстоянием около 5.6 мм. Асферические линзы C171TMD-B (в оправе) или 354171-B (без оправы) имеют фокусное расстояние 6.20 мм. Затем нужно проверить, не меньше ли числовая апертура (NA) диода, чем NA линз, чтобы свет, излучаемый лазерным диодом, не ограничивался линзой:
Снова решенное первое уравнение с фактическим фокусным расстоянием и углом расхождения по главной оси дает фактический диаметр пучка по главной оси, ØꞱ = 3.3 мм.
Исправление эллиптичности
Излучение лазерного диода является эллиптическим (асимметричным по отношению к двум разным осям). Чтобы исправить это и получить круговой пучок, диаметр малой оси Ø‖ может быть увеличен с помощью пары анаморфных призм или цилиндрических линз после коллимации.
Примечание: только пары цилиндрических линз могут скорригировать астигматизм, присутствующий на выходе диода. На рисунке показана пара анаморфных призм, увеличивающих малую ось эллиптического пучка для получения желаемого симметричного круглого пучка.
Чтобы определить, какое увеличение малой оси необходимо для получения круглого пучка, необходимо решить первое уравнение, используя фокусное расстояние от асферической линзы f = 6.20 мм и расхождение по малой оси для лазерного диода θ‖ = 8o, вместо расхождения по главной оси. В результате диаметр малой оси Ø‖ = 0.9 мм. Сравнивая Ø‖ и ØꞱ, видно, что по малой оси пучка необходимо увеличение в 3.5 раза. Это увеличение может быть достигнуто с помощью установленной пары анаморфных призм PS881-B.
Пара анаморфных призм и исправление профиля пучка
Крепление на тубусе объектива
Для монтируемых асферических линз можно использовать переходники SM05Txx или S1TMxx. Важно следить, чтобы линза не касалась лазерного диода. Для адаптеров SM05Txx потребуется адаптер SM1A6T SM1-to-SM05.
Несмонтированные асферические линзы можно прикрепить эпоксидной смолой к адаптеру LMRAxx, который затем можно установить в адаптер SM1A6T SM1-to-SM05. Затем с помощью резьбы адаптера можно прикрепить объектив / байонет / адаптер к передней пластине крепления лазерного диода. Адаптер SM1A6T имеет диапазон установки 10 мм, охватывающий почти весь диапазон фокусных расстояний асферических линз компании.
В приведенном выше примере установленный объектив C171TMD-B имеет резьбу M8x0.5, поэтому требуется переходник с резьбой S05TM08. Адаптер S05TM08 M8-to-SM05 может быть установлен в держателе лазерного диода с помощью адаптера SM1A6T SM-to-SM05. Правильное расстояние между лазерным диодом и линзой может быть достигнуто путем регулировки адаптеров S05TM08 и SM1A6T.
Если используется асферическая линза 354171-B, то она должна быть приклеена эпоксидной смолой на адаптер LMRA5. Затем его можно установить в переходник SM1A6T SM1-SM05. Опять же, настройку асферической линзы можно выполнить с помощью адаптеров LMRA5 и SM1A6T.
Монтаж каркасных систем
Асферические линзы в оправе и без оправы с фокусным расстоянием более 8 мм могут быть установлены в каркасную систему 30 мм. Стержни системы могут быть прикреплены непосредственно к передней панели крепления лазерного диода. Пластину для каркасной системы CP33 или CP33/M можно использовать для крепления адаптера S1TMxx с установленной асферической линзой или адаптера SM1A6T с несмонтированной асферической линзой, прикрепленного к адаптеру LMRAxx.
Для точной настройки асферической линзы SM1Z можно использовать вместо пластины CP33. Транслятор SM1Z допускает перемещение 1.5 мм вдоль оптической оси и поступательное движение 1 мкм.
Монтаж пары анаморфных призм
Асимметричное излучение лазерного диода можно скорректировать с помощью анаморфных призм или цилиндрических линз. Как показано в приведенном выше примере, для получения круглого профиля пучка потребовалась пара анаморфных призм с увеличением 3.5x (то есть PS881-B). Также можно использовать призмы без оправы.
Установленная пара анаморфных призм PS881-B имеет резьбу SM05 на выходе или может быть установлена внутри тубуса объектива SM1. Поскольку входной и выходной пучки лучей от пары анаморфных призм смещены друг относительно друга, призмы должны быть установлены на другой оси каркасной системы или тубуса объектива.
