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扩束镜测试

扩束镜测试

激光扩束镜用于在广泛的激光应用中提高准直输入光束的直径。在表述扩束镜的质量特征时,对其透射波前误差或离开扩束器的波前距理想形状的偏差进行测试非常关键。分析透射波前误差可确定像差对扩束镜性能的影响。

波前是光波具有恒定相位的表面。由于波前垂直于波的传播方向,因此准直光具有平面波前,而汇聚或发散光具有弯曲波前(图 1). 光学元件的像差会导致透射或反射波前发生畸变,这称为透射或反射波前误差。

>Figure 1: Perfectly collimated light entering the lens has a planar wavefront, while light converging after a perfect, aberration-free lens will have a spherical wavefront centered at the focused spot
图 1: 进入透镜的完美准直光具有平面波前,而在无像差的完美透镜后汇聚的光具有以聚焦点为中心的球面波前

Shack-Hartmann 波前传感器 (SHWFS) 通常用于在扩束镜测试中凭借高动态范围和准确性来测量透射波前误差。SHWFS 由相同微透镜(即小透镜)的阵列构成,每个微透镜会将部分入射光聚焦到检测器阵列的小扇区上 (图 2).

>Figure 2: Shack-Hartmann wavefront sensors are widely used for testing the transmitted wavefront error of beam expanders because of their fast response, ease of use, and relatively low cost
图 2:Shack-Hartmann 波前传感器由于响应快、易于使用且成本相对较低,因此广泛用于对扩束镜的透射波前误差进行测试。

对于具有平面波前的完美准直入射光,将聚焦于聚焦点网格(以每个微透镜中心之间的距离分隔)中。若入射光包含波前误差,将导致检测器上的聚焦点位置发生变化(图 3). 该位移或聚焦点上强度的降低将用于确定阵列中每个微透镜上波前入射的局部倾斜。随后,会使用各倾斜来近似模拟完整的入射波前。

Figure 3: Wavefront error in an incident optical wave entering a SHWFS will result in displacements of the focused spot positions on the detector array
图 3:进入 SHWFS 的入射光波中的波前误差会导致探测器阵列上的聚焦点位置发生位移

一般而言,每个微透镜的聚焦点应在相应的传感器部分上涵盖至少十个像素,以便准确重建入射波前。聚焦点涵盖的探测器区域增大时,SHWFS 的灵敏度也会升高。但是,这会付出动态范围减小的代价,需要对两者进行权衡。根据经验,每个微透镜的聚焦点涵盖范围不应超过所关联传感器部分的一半,以便在灵敏度和动态范围之间取得合理平衡。1

通过增加阵列中的微透镜数量,减少必须执行的波前斜率平均计算数量,可以使捕获的数据点数量倍增。但是,增加微透镜数量也会减少为每个微透镜分配的像素数量。数量较少的较大微透镜可能不足以对复杂的波前进行采样,可能会导致对重建的波前进行人工平滑,但是,较大的微透镜会更精确、更灵敏地测量缓慢变化的波前。2 在测试激光扩束镜时,必须考虑到所有这些权衡。

以波数量的形式指定激光扩束镜的透射波前。例如,若针对 532nm 波长设计的扩束器具有 λ/10 的 P-V(峰谷值)透射波前误差,则与理想输出波前相比允许畸变最大数量的计算方式为:

$$ \frac{\boldsymbol{\lambda}}{\boldsymbol{10}} = \frac{\boldsymbol{532} \textbf{nm}}{\boldsymbol{10}} = \boldsymbol{53.2} \textbf{nm} $$

若扩束镜的透射波前误差为 λ/4,则一般会将该扩束镜视为达到“衍射极限”。

扩束镜理论 扩束镜选择指南 旋转与滑动扩束镜对焦机制
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参考文献

  1. Forest, Craig R., Claude R. Canizares, Daniel R. Neal, Michael McGuirk, and Mark Lee Schattenburg. "Metrology of thin transparent optics using Shack-Hartmann wavefront sensing." Optical engineering 43, no. 3 (2004): 742-754.
  2. John E. Greivenkamp, Daniel G. Smith, Robert O. Gappinger, Gregory A. Williby, "Optical testing using Shack-Hartmann wavefront sensors," Proc. SPIE 4416, Optical Engineering for Sensing and Nanotechnology (ICOSN 2001), (8 May 2001); doi: 10.1117/12.427063

 

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