用于系統(tǒng)微縮化的非圓形光學(xué)元件

用于系統(tǒng)微縮化的非圓形光學(xué)元件

減少余量：截短透鏡以縮小系統(tǒng)

Ø方形和截短光學(xué)元件減少了常規(guī)光學(xué)設(shè)計(jì)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(jī)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(zhǔn)直和圓化激光二極管

Ø可以將大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)透鏡和反射鏡切割成定制尺寸，以便于在緊湊型光學(xué)系統(tǒng)中進(jìn)行表面安裝

當(dāng)大多數(shù)人想到透鏡時(shí)，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(gè)歷史過程中，大部分透鏡制造都依靠這種對稱性來準(zhǔn)確成形和拋光球面及非球面透鏡。這種徑向?qū)ΨQ性可以作為光機(jī)械設(shè)計(jì)中的寶貴工具，使復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)易于定心和對準(zhǔn)。通過觀察顯微鏡物鏡或較好的相機(jī)鏡頭的鏡筒內(nèi)部的透鏡排列，可以很好地展示這種被動(dòng)對準(zhǔn)過程。在這兩個(gè)示例中，透鏡和墊片環(huán)都在管內(nèi)自動(dòng)定心，從而顯著減少制造時(shí)間和成本，同時(shí)提供出色的機(jī)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(xué)組件中由圓形墊片和固定環(huán)自動(dòng)定心，從而簡化了組裝和對準(zhǔn)

遺憾的是，隨著技術(shù)趨勢繼續(xù)朝著更小、更緊湊的設(shè)備發(fā)展，封裝內(nèi)部并不總是有空間容納多余的材料，例如機(jī)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(shè)計(jì)為使用截短的或方形的光學(xué)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(shù)使用這些組件，尤其是在電信技術(shù)中，例如多路復(fù)用器和放大器。為了簡潔起見，我們將重點(diǎn)討論兩個(gè)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(xué)元件對于各種空間受限的電光應(yīng)用越來越重要

微型光譜儀中的截短鏡

當(dāng)今微型光譜儀中常用的光學(xué)設(shè)計(jì)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(gè)小的凹面鏡準(zhǔn)直，然后引導(dǎo)到衍射光柵上（圖 3）。當(dāng)光入射到衍射光柵上時(shí)，各種波長將沿著平行于平臺的軸線分散，但它們將保持準(zhǔn)直狀態(tài)。因此，必須使用直徑較大的聚焦鏡才能將多個(gè)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(gè)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(gè)系統(tǒng)的高度。

圖 3:
采用兩個(gè)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(shè)計(jì)中，這一趨勢被進(jìn)一步采用，將這些截短的反射鏡與基于微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS) 的空間光調(diào)制器（而不是衍射光柵）結(jié)合。MEMS 技術(shù)可以進(jìn)一步減小光學(xué)元件的尺寸，并且檢測器陣列可以由單個(gè)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(shè)計(jì)達(dá)到這種緊湊程度，必須將準(zhǔn)直鏡和聚焦鏡都截短以提供平坦的邊緣，從而實(shí)現(xiàn)兩種光學(xué)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(gè)反射鏡用環(huán)氧樹脂固定在適當(dāng)位置之前將它們對準(zhǔn)。我們將在下一節(jié)中進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)。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(jī)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(nèi)工作，而不會損壞或錯(cuò)位封裝內(nèi)部的光學(xué)元件。但是，使用傳統(tǒng)的圓形微光學(xué)元件，硅 V 形槽或金屬安裝環(huán)會由于 CTE 不匹配而導(dǎo)致不穩(wěn)定，減小封裝內(nèi)部已經(jīng)有限的空間，并且對準(zhǔn)能力相對較差。激光二極管封裝的當(dāng)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(zhǔn)確對準(zhǔn)。

圖 4:非圓形光學(xué)元件 14 針蝶形激光二極管

通過利用這些方形光學(xué)元件（通常大小在 1-3 毫米左右），訓(xùn)練有素的操作員可以使用微定位臺主動(dòng)對準(zhǔn)平臺上的光學(xué)元件。這些平臺包括一個(gè)真空拾取工具，當(dāng)與方形光學(xué)元件的頂部或側(cè)面齊平時(shí)，該光學(xué)裝置可使光學(xué)元件在自由空間中通常以五個(gè)自由度對齊。同時(shí)，對激光器的輸出進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。如果操作員試圖用圓形光學(xué)元件而不是方形光學(xué)元件執(zhí)行相同的任務(wù)，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(xué)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(gè)獨(dú)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(gè)交叉的柱面方形微透鏡來補(bǔ)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(zhǔn)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(zhǔn)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(jìn)一步說明了使用方形微光學(xué)元件而非圓形光學(xué)元件的重要性。光束經(jīng)過準(zhǔn)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(zhǔn)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(dòng)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(jià)格敏感的激光二極管系統(tǒng)，通常使用單個(gè)球面或非球面透鏡，而不是一對柱面 FAC 和 SAC 透鏡。

圖 5:
兩個(gè)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(xué)組件插入到 SAC 透鏡和耦合透鏡之間的準(zhǔn)直光束路徑中。

非圓形光學(xué)元件的定制

這些只是在現(xiàn)代電光設(shè)備中如何使用非圓形光學(xué)元件的兩個(gè)示例。隨著越來越小的設(shè)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(xué)元件有一些現(xiàn)成的版本，但絕大多數(shù)時(shí)候都需要進(jìn)行一些定制。盡管愛特蒙特光學(xué)(EO) 不能制造小至 1-3 毫米的非圓形光學(xué)元件，但我們提供一系列標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)成方形輪廓
柱面透鏡，并提供截短光學(xué)元件
定制服務(wù)。這些服務(wù)非常適合對尺寸或重量敏感的應(yīng)用。
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