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如何利用现货光学件设计扩束镜

如何利用现货光学件设计扩束镜

Variable Beam Expanders

扩束镜通常用于干涉测量,遥感,激光材料加工和激光扫描应用,准直光进入系统,通过扩束镜扩展为更大的准直光束输出。我们虽然有很多现货扩束镜可供选用,但有时这些标准扩束镜可能无法满足您的应用需求。 定制款扩束镜可以灵活地根据您的具体应用规格进行设计,而使用现货光学件可以缩短从设计到原型制造的时间。 此外,当您准备投入量产时,使用现货光学件可助您迅速扩大产量。

设计要求

在您选择部件组建扩束镜之前,有一些要求需要考虑,包括系统成本,机械约束条件和系统性能。 建议您在开始前,分配每个需求的优先级。 列出您的要求,您会发现在组建特定应用时,或多或少需要考虑下列事项。

当您考虑系统成本时,最重要的是实现成本和性能之间的平衡。 未镀膜光学件,光学镀膜以及光学件安装座的成本将受数量,材料选择和精度的影响。 N-BK7,由于其波长范围宽,成本低,是一种理想的材料。而熔融石英,由于其低热膨胀系数和高激光损伤阈值,适用于高标准的应用。 如果一个扩束镜要在各种波长下使用,应考虑色差的影响。 例如,N-SF11和N-BK7在小波长范围内拥有消色差功能。 在确定透镜是否适合用于扩束镜时,请务必检查所选材料。

通常,扩束镜需要在限定区域内进行装配,系统的总体直径和长度会受到限定。 有一点需要注意,较大的光束需要较大的扩束镜,这需要更大(和更昂贵)的光学件和更大的金属外壳。

另外,某些设计可能需要用到聚焦装置来调整光束发散。 旋转聚焦装置(例如螺纹聚焦管),由于其成本低廉,因而很受欢迎。 然而,这些装置在进行平移时需要旋转光学件,因而输出光束会产生漂移。而滑动机构,例如螺旋筒,可使光学件垂直于光轴平移,而无需旋转,可使光束漂移最小化,但是会增加系统成本。

在设计扩束镜之前,请注意系统性能要求。 扩束镜设计需要满足特定波长或波长范围,特定输入光束直径和最小可接受透射率。 较大的波长范围更难设计,增加了设计的复杂性和成本,而较小的输入孔径更易于保持性能要求。 整体透射率主要受到增透膜的影响; 未镀膜的光学件降低了成本,但也降低了总透射(并且可能在扩束镜中产生有害反射)。而简单的镀膜,如单层MgF2可以提供90%及以上的透射率。 光束质量通常用波前畸变来表示, 如峰 - 谷值(PV)小于λ/4,通常认为其具有衍射极限。

我们很难在不影响其他参数的情况下调整另一个参数。 例如,选择不同的透镜组来改善波前质量,可能会增加系统成本或影响整个系统尺寸。还有一点需要注意,增加输入光束直径对透射波前的质量具有指数效应,因此,更大的输入光束就更难以设计。还需注意组件的公差 - 公差越严,系统就越昂贵。

开普勒与伽利略扩束镜设计

使用现货镜头设计扩束镜可以大大减少交付周期,加快设计周期。 使用Zemax镜头目录,可助您轻松选择合适的镜头,并可根据您的设计标准调整间距。您可以选择爱特蒙特光学业界领先的现货镜头,还可以选择开普勒和伽利略设计。 开普勒设计具有更长的系统长度,以及内部焦点,而伽利略设计更短小,并且没有内部焦点。

开普勒扩束镜设计具有一个中间焦平面。 这使得其相较伽利略设计,既有优势又有劣势。 在高功率下,焦平面是一个明显的缺点,因为空气会离子化,从而减少能量传输,还可能会产生有害的能量水平。而在低功率下,焦平面是放置空间滤光片的理想位置,可以轻松有效的去除无用光束。 在放大倍率相同的情况下,伽利略设计通常比开普勒设计短。

通用伽利略扩束镜设计要素

伽利略扩束镜的放大倍数由以下公式确定。

 (1)
 (2)

其中f1是正透镜的焦距,f2是负透镜的焦距。 使用现货光学件可以使设计变得更加简单,只需选择满足放大倍数要求(公式1)而不超过系统长度要求(公式2)的正透镜和负透镜即可。这两个方程是一阶方程,透镜厚度和焦点优化将使得最终结果和理想值之间有轻微偏差。

在选择时您还需要考虑透镜的通光孔径,因为负透镜必须足够大,以容纳输入光束,而正透镜也须足够大,使得输出放大光束不产生渐晕。

例如,3mm输入光束射入5倍放大系统中,10mm直径的正透镜将导致渐晕,因为输出光束的直径为15mm。我们拥有大量现货镜头,各种直径和焦距供您选择,可以满足大多数客户的放大率要求。

设计5倍伽利略扩束镜

假设一个应用需要您设计一个系统长度不超过75mm的5倍扩束镜。 您需要用到两个单片伽利略透镜,以下是可行的现货透镜组合:-6mm和30mm,-9mm和45mm,-12mm和60mm,以及-15mm和75mm。 请注意,-25mm /125mm,-20mm /100mm组合无法满足系统长度小于75mm的要求。 虽然-18mm /90mm组合原则上可以满足要求,但是,很可能由于系统的金属部分以及实际透镜厚度的增加,使得系统超过要求的长度。

在由两个单片透镜组成的伽利略扩束镜设计中,波前质量将随着光学轨道的增加而增加。 换句话说,-20mm和100mm透镜组合将具有比-6mm和30mm组合更好的波前。 此外,使用带有平表面(例如平凸或平凹)的透镜相对于两个表面均为曲面的透镜,有更好的波前质量。 如果使用平面透镜和伽利略设计,将平面朝向输入光束方向,就可以平衡球面像差,从而改善波前质量。 然而,如果您使用高功率激光器,即使透镜镀有增透膜,来自第一个平面的反射也可能会损坏激光器。

使用Zemax优化

我们选择具有-12mm焦距(#45-008)的6mm直径平凹透镜和具有60mm焦距(#45-127)的25mm直径平凸透镜作为组建5倍系统的示例。 由于我们使用了现货透镜,所以我们唯一要考虑的变量是两个透镜之间的距离:表面3的厚度。如图1所示,这是Zemax透镜数据编辑器。 图2显示在无焦模式下,扩束镜的透镜结构布局。

Lens data editor
图1: 透镜数据编辑器
Beam expander layout
图2: 扩束镜结构布局

Zemax中的光圈值必须设置为您想优化的输入光束直径。 在本例中,我们针对3mm输入光束进行优化,输出光束将为15mm。 虽然这是设计输入光束直径,但最大输入直径会受到前透镜的通光孔径限制。 我们假设输入光束是高斯光束,扩束镜直接安装到激光器上,入射角简化为0度。 最后,我们假设激光器采用氦氖(HeNe)设计,并且针对632.8nm的设计波长进行优化。

由于扩束镜是无焦系统,因此请确保您在Zemax透镜数据编辑器中选择了“无焦像方空间”。 度量单位将由距离变为角度。 无焦系统不含有效焦距,因此不提供入射光束的净收敛或发散。 扩束镜和相机变焦镜头是常见的无焦系统。

 图3为Zemax优值函数编辑器,该优值函数是一个十分简单的函数,它是所有无焦系统的基础。下面我们会进一步解释操作数。

Merit Function Editor
图3: 优值函数编辑器
  • RAED操作数用于优化垂直于镜头表面的实际光线角度,我们在正透镜的最后一个表面后方添加了一个虚拟表面,示例中为表面7。我们希望输出光束是准直的,其法线与虚拟表面的夹角应该尽可能小,因为如果它是0,则表明系统确实无焦点。
  • REAY操作数用于检查某个表面的实际光线高度。 我们在优值函数中设置了一个零权重REAY操作数; 用于测量系统的第一表面和最后一个表面处的实际光线高度,也就是输入和输出光束的尺寸。 注意,操作数测量的是半径而不是直径。
  • 我们使用默认优值函数来优化RMS波前误差。

优化之后,系统应达到衍射限制的或接近这个值,如图45所示,显示的是光斑尺寸和波前。 如果系统未达到预期,您需要考虑很多因素。 光的波长是否与所选择的玻璃材料相兼容(例如,N-BK7不会透射266nm波长的光)? 两个透镜之间的间距是否近似等于它们的焦距总和? 所选前透镜的光束直径是否过大? 尝试更改并重新优化,以获得与显示结果相似的结果。

Spot Size
图4: 光斑尺寸
Wavefront 3D map
图5: 波前3D图

以上就是适用于3mm直径,632.8nm波长激光束的5倍扩束镜快速设计方法。我们所选的光学件均有库存,您可以立即订购,组件原型系统。 当您使用现货光学件进行快速设计时,选择备有各种光学件的供应商对于快速开发来说是至关重要的。 爱特蒙特光学拥有行业领先的现货光学件,通常可次日交付,以为您提供快速原型开发所需的组件。 原型制作完成后,现货光学件还可用于量产中,满足最小的延期和库存要求。

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